CN103485972A - 一种潮流波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮流波浪能发电装置，包括基座、垂直轴水轮机、转子-轴承系统、发电室和浮子，发电室内设置有变速永磁耦合传动系统、第一发电机、储能装置、测速刹车装置和第二发电机的定子部分，第一发电机为正反双向旋转电机，第二发电机为永磁直线电机；第一发电机的输出端和第二发电机的输出端均与储能装置的输入端相接；垂直轴水轮机中心固定轴的底端固定安装在基座上，转动输出轴的顶端通过转子-轴承系统与第二永磁耦合片的输入端相接；浮子固定安装在直线电机动子上。本发明提供的潮流波浪能发电装置，兼具潮流能发电装置与波浪能发电装置的优点，能够大幅度提高发电的效率，为海上以及水下设备提供充足的电量。

Description

一种潮流波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及一种综合利用海洋潮流以及波浪能来发电的装置。

背景技术

20世纪以来，随着社会经济的迅猛发展以及不可再生能源资源的枯竭与环境的日益恶化，寻找并开发新的可替代清洁能源，已经成为人类应对能源环境和永续发展的重要选择。而海洋能作为一种储量大、可再生的清洁能源日益受到人们的关注，据初步计算，海洋能的理论储量是目前全世界各国每年耗能量的几百倍甚至几千倍，开发潜力巨大。以潮流能与波浪能胃里，据估计，世界各大洋中所有海流总功率达到5×10⁹KW左右，在我国根据已统计的结果显示，沿岸的潮流能的理论平均功率为1395×10⁴KW；根据世界能源委员会的调查显示，全球可利用的波浪能达到了2×10⁹KW，对于我国而言，波浪能的理论存储量约为7×10⁷KW左右。如果将海洋能源充分合理、高效、经济的利用，将会使得我国能源的结构更加合理，资源利用更加的充分。

潮流能发电为一种通过潮流驱动水轮机的叶轮旋转，将流体的动能转化为叶轮的机械能，进而通过机械或液压传动系统将能量传递给发电机，驱动发电机旋转发电的方式；波浪能发电为一种利用中间介质将波浪能转换为中间介质的内能或者机械能，再通过传动机构等驱动发电机发电的方式。若能够将潮流能发电和波浪能发电集合在一起，将使得潮流能与波浪能互为补充，得到更好的经济效益。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种潮流波浪能发电装置，是一种综合利用潮流能与波浪能的新型发电装置，能够让潮流能与波浪能互为补充，具有更好的经济效益。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种潮流波浪能发电装置，包括基座、垂直轴水轮机、转子-轴承系统、发电室和浮子；所述发电室内设置有变速永磁耦合传动系统、第一发电机、储能装置、测速刹车装置和第二发电机的直线电机定子，所述变速永磁耦合传动系统包括相适配的第一永磁耦合片和第二永磁耦合片，所述第一发电机为正反双向旋转电机，所述第二发电机为永磁直线电机，所述第二发电机包括相适配的直线电机动子和直线电机定子，其中直线电机动子套设在发电室外侧；所述第一永磁耦合片的输出端与第一发电机的输入端相接，第一发电机的输出端和第二发电机的输出端均与储能装置的输入端相接，所述测速刹车装置设置在第一永磁耦合片的输出端和第一发电机的输入端之间；在发电室的下端设置有密封板，在发电室的上端设置有密封层，所述密封板和密封层将发电室隔离出一个密封室，所述第一永磁耦合片、第一发电机、储能装置、测速刹车装置和直线电机定子位于密封室内；所述垂直轴水轮机中心固定轴的底端固定安装在基座上，转动输出轴的顶端通过转子-轴承系统与第二永磁耦合片的输入端相接；所述浮子固定安装在直线电机动子上。

本发明中，潮流发电通过第一发电机实现，波浪发电通过第二发电机实现。相比现有的单一发电方式的垂直轴发电装置或波浪能发电装置，本发明兼具了两种发电方式，在水下流速不高或波浪波速不高时，依旧能够依靠波浪或潮流能进行发电，提高了整个装置的发电总量，避免出现断电现象，提高整个装置的发电可靠性。使用变速永磁耦合传动系统，使得在第一发电机之前无需再设置变速齿轮箱，使得整个发电室部分结构简单，同时降低了水下密封防腐的难度，减少了发电的各项能量损耗，提高了整体的发电效率。相比传统的采用旋转电机作为能量转换器的波浪发电装置，本发明采用永磁直线电机实现，直线电机动子直接与漂浮在海面上的浮子相连接，在波浪的作用下上下运动，不需要气缸、齿轮或液压缸等中间转换装置，因而结构简单、易于维护、且能够提高发电效率。另外，本发明在使用时可直接将基座固定设置在海底桩基上，对水深的要求不高，便于安装调试以及维护，具有良好的应用于推广的前景，是一种值得推广的海洋能发电装置。

优选的，所述垂直轴水轮机包括套设在中心固定轴外的转动输出轴、支撑臂、叶端盘和叶片，所述支撑臂一端固定在转动输出轴上，另一端向外辐射伸出，所述叶片的两端分别通过叶端盘安装在支撑臂的另一端上；在垂直轴水轮机外套设有导流罩。在叶片的两端设置叶端盘，能够达到降低涡流损耗以及振动的目的；在叶片外侧垂直于潮流方向上设置导流罩能够达到增强垂直轴水轮机盘面的来流速度。

优选的，所述叶片采用变偏角式叶片，能够改善垂直轴水轮机的启动性能。

优选的，所述导流罩为W型导流罩结构。

优选的，所述叶片为高强度玻璃钢复合材料，所述支撑臂和叶端盘为钢材质，所述叶片、支撑臂、叶端盘和导流罩的表面均设置有防腐层。

优选的，所述第一发电机为正反双向旋转电机，比如级数多、转速低的正反双向旋转电机，所述第二发电机为永磁直线电机，比如采用halbach充磁方式的永磁直线电机。

优选的，所述变速永磁耦合传动系统为适用于旋转电机的磁转子结构。

优选的，所述转动输出轴和转子-轴承系统之间通过刚性联轴器连接，所述转子-轴承系统和第二永磁耦合片的输入端之间通过柔性联轴器连接。

优选的，所述直线电机动子使用环氧树脂密封。

有益效果：本发明提供的潮流波浪能发电装置，将潮流能发电技术与波浪能发电技术有机地结合在一起，形成了一种综合利用潮流能与波浪能发电的装置，该装置具有潮流能发电装置与波浪能发电装置的优点，同时还能够弥补两者的不足，解决单一装置的缺点，大幅度提高发电的效率，为海上以及水下设备提供充足的电量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为潮流波浪发电流程图；

图3为本发明在海中的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示为一种一种潮流波浪能发电装置，包括基座1、垂直轴水轮机2、转子-轴承系统7、发电室8和浮子21。

所述垂直轴水轮机2包括套设在中心固定轴外的转动输出轴、支撑臂4、叶端盘5和叶片3，所述支撑臂4一端固定在转动输出轴上，另一端向外辐射伸出，所述叶片3的两端分别通过叶端盘5安装在支撑臂4的另一端上；在垂直轴水轮机2外套设有导流罩6；所述叶片3采用变偏角式叶片，所述导流罩6为W型导流罩结构。所述叶片3为高强度玻璃钢复合材料，所述支撑臂4和叶端盘5为钢材质，所述叶片3、支撑臂4、叶端盘5和导流罩6的表面均设置有防腐层。

所述发电室8内设置有变速永磁耦合传动系统9、第一发电机13、储能装置14、测速刹车装置15和第二发电机16的直线电机定子18；所述变速永磁耦合传动系统9，为适用于旋转电机的磁转子结构，包括相适配的第一永磁耦合片10和第二永磁耦合片11；所述第一发电机13为正反双向旋转电机；所述第二发电机16为永磁直线电机，所述第二发电机16包括相适配的直线电机动子17和直线电机定子18，其中直线电机动子17套设在发电室8外侧，且所述直线电机动子17使用环氧树脂密封。

所述第一永磁耦合片10的输出端与第一发电机13的输入端相接，第一发电机13的输出端和第二发电机16的输出端均与储能装置14的输入端相接，所述测速刹车装置15设置在第一永磁耦合片10的输出端和第一发电机13的输入端之间。

在发电室8的下端设置有密封板12，在发电室8的上端设置有密封层20，所述密封板12和密封层20将发电室8隔离出一个密封室19，所述第一永磁耦合片10、第一发电机13、储能装置14、测速刹车装置15和直线电机定子18位于密封室19内。

所述垂直轴水轮机2中心固定轴的底端固定安装在基座1上，转动输出轴的顶端通过转子-轴承系统7与第二永磁耦合片11的输入端相接；且所述转动输出轴和转子-轴承系统7之间通过刚性联轴器连接，所述转子-轴承系统7和第二永磁耦合片11的输入端之间通过柔性联轴器连接。

所述浮子21固定安装在直线电机动子17上。

如图3所示，本案在使用时，直接将基座1固定安装在海底桩基22上即可。

本案中的潮流发电部分，当潮流速度过高时，必然会使得垂直轴水轮机的叶片转速升高，超过设计的转速，从而降低第一发电机运行的安全性，因此通过在第一发电机输入端前连接测速刹车装置，在转速过高时对转轴进行刹车减速控制，能够保证发电机工作的安全性与稳定性。

本案中的潮流能发电部分中最为核心的为叶片的设计。叶片对于提高潮流能发电装置的能量转换效率具有决定性的作用。在设计叶片时，首先进行流体力学仿真，从而得到合适的叶片参数。在设计垂直轴叶片时，需要对叶片翼型的弦长、扭转角以及叶片厚度进行流体力学设计，综合考虑叶片在水下受到的阻力以及扭转载荷等因素，得出最优的结果。在叶片的外侧安装有经过流体力学仿真计算得到的W型导流罩，来增加水轮机盘面内的来流速度，从而提高叶片的转速，提高发电效率。

本发明中的波浪能发电部分中受力装置为浮子，其尺寸需要由波浪的情况来确定。为了使波浪能被充分的吸收与利用，需要对浮子的受力建立数学模型，分析其在给定平均浪高与频率的波浪的作用下，浮子的尺寸、质量与电机功率之间的对应关系。在设计时，运用simulink对浮子的位移以及电机的输出功率进行仿真，从而确定最优的浮筒的尺寸、质量以及电机的功率，使其充分吸收波浪能，提高发电效率。

本发明在第一发电机前采用变速永磁耦合传动系统。由于垂直轴水轮机的叶轮转速低，但海水的密度大，所以叶片的启动转矩很大，因此使用变速永磁耦合传动系统。由于永磁的磁场强度大，通过磁场耦合时可以传递大的转矩，永磁耦合片之间设置密封板，可以使得发电机处于一个密封的环境中，实现了发电机在水下密封难的问题，同时，由于潮流的流速一般较低，导致水轮机转速不高，常规潮流能发电装置中会在发电机前安装齿轮变速箱，使得接入发电机的转速增大，而该变速永磁耦合传动系统则能同时发到变速的目的，因此，发电机前无需再接入齿轮变速箱，使得整个发电室的结构简单，功率损耗小。

本案中与垂直轴水轮机相连接的旋转电机采用三相交流永磁同步电机，并且可以正反双向旋转发电，设计时较多的级数、较低的转速，以降低发电机的额定转速，从而减小变速系统的能量损失，提高发电效率；与浮子相连的直线电机采用halbach充磁方式的永磁直线电机，直接将波浪能转化为直线电机动子的机械能，省去了中间的能量传动环节，简化结构，提高发电效率。

本案中的垂直轴水轮机外侧的导流罩布置在潮流的主方向两侧，使得在涨潮落潮时，叶片可以较大的转速转动，成为整个装置的主要发电来源，此时导流罩的作用相对明显；在平静的情况下，垂直轴叶片利用各个方向的流动导致叶轮旋转进行发电，同时，波浪发电部分浮子随波浪上下振动带动直线电机动子上下运动从而驱动直线电机发电，与垂直轴潮流发电装置共同作用，提高发电量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种潮流波浪能发电装置，其特征在于：包括基座（1）、垂直轴水轮机（2）、转子-轴承系统（7）、发电室（8）和浮子（21）；

所述发电室（8）内设置有变速永磁耦合传动系统（9）、第一发电机（13）、储能装置（14）、测速刹车装置（15）和第二发电机（16）的直线电机定子（18），所述变速永磁耦合传动系统（9）包括相适配的第一永磁耦合片（10）和第二永磁耦合片（11），所述第一发电机（13）为正反双向旋转电机，所述第二发电机（16）为永磁直线电机，所述第二发电机（16）包括相适配的直线电机动子（17）和直线电机定子（18），其中直线电机动子（17）套设在发电室（8）外侧；

所述第一永磁耦合片（10）的输出端与第一发电机（13）的输入端相接，第一发电机（13）的输出端和第二发电机（16）的输出端均与储能装置（14）的输入端相接，所述测速刹车装置（15）设置在第一永磁耦合片（10）的输出端和第一发电机（13）的输入端之间；

在发电室（8）的下端设置有密封板（12），在发电室（8）的上端设置有密封层（20），所述密封板（12）和密封层（20）将发电室（8）隔离出一个密封室（19），所述第一永磁耦合片（10）、第一发电机（13）、储能装置（14）、测速刹车装置（15）和直线电机定子（18）位于密封室（19）内；

所述垂直轴水轮机（2）中心固定轴的底端固定安装在基座（1）上，转动输出轴的顶端通过转子-轴承系统（7）与第二永磁耦合片（11）的输入端相接；

所述浮子（21）固定安装在直线电机动子（17）上。

2.根据权利要求1所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述垂直轴水轮机（2）包括套设在中心固定轴外的转动输出轴、支撑臂（4）、叶端盘（5）和叶片（3），所述支撑臂（4）一端固定在转动输出轴上，另一端向外辐射伸出，所述叶片（3）的两端分别通过叶端盘（5）安装在支撑臂（4）的另一端上；在垂直轴水轮机（2）外套设有导流罩（6）。

3.根据权利要求2所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述叶片（3）采用变偏角式叶片。

4.根据权利要求2或3所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述导流罩（6）为W型导流罩结构。

5.根据权利要求2所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述叶片（3）为高强度玻璃钢复合材料，所述支撑臂（4）和叶端盘（5）为钢材质，所述叶片（3）、支撑臂（4）、叶端盘（5）和导流罩（6）的表面均设置有防腐层。

6.根据权利要求1所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述变速永磁耦合传动系统（9）为适用于旋转电机的磁转子结构。

7.根据权利要求1所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述转动输出轴和转子-轴承系统（7）之间通过刚性联轴器连接，所述转子-轴承系统（7）和第二永磁耦合片（11）的输入端之间通过柔性联轴器连接。

8.根据权利要求1所述的潮流波浪能发电装置，其特征在于：所述直线电机动子（17）使用环氧树脂密封。

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