CN104533699A - 一种垂直轴潮流能发电装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴潮流能发电装置及其应用，所述的发电装置包括第一基座、第二基座、发电机、上叶轮、下叶轮；所述的发电机包括转子和定子；所述的转子装配在第一转动轴上；所述的第一转动轴一端与发电机连接，另一端与上叶轮连接；所述上叶轮的另一端通过连接装置与第一基座连接；所述发电机的下端连接第二转动轴，所述的第二转动轴一端与定子连接，另一端与下叶轮连接；所述上叶轮和下叶轮均为SAVONIUS型叶片；所述叶片包括凹面叶片和凸面叶片，其中凹面叶片和凸面叶片的重叠比S/D固定为0.2。其优点表现在：自启动性能好；提高了装置的稳定性，改善了连接装置的工作条件；提高了发电效率；省去了复杂的齿轮传动机构等机械部件。

Description

一种垂直轴潮流能发电装置及其应用

技术领域

本发明涉及海洋可再生能源综合利用技术领域，具体地说，是一种垂直轴潮流能发电装置及其应用。

背景技术

潮流能作为清洁无污染的绿色可再生新能源，具有储量大、分布广、可预测性强、环境污染小等特点，开发利用潮流能对缓解能源紧张、降低环境污染具有重要的现实意义。潮流能利用的主要形式是利用潮流能发电装置发电，其原理是:潮流能冲击水轮机，将潮流能流动的动能转换为水轮机的机械能，水轮机经机械传动装置，带动发电机发电，将机械能转换为电能。潮流能发电装置根据水轮机结构形式的不同，分为水平轴式、垂直轴式。

现有技术中，水平轴潮流能发电装置，与当前的风力发电机有很大的相似性，也常被称为“水下风车”。其原理是水平布置的叶轮在水流的作用下开始旋转，然后通过轮毂主轴、传动系统将能量传递给发电机，并带动发电机发电。水平轴潮流能发电装置缺点是需要不停地调整方向以保持与潮流能方向一致，叶片巨大形状复杂、制造难度大成本高、机舱轮毂构造安装不便等。

垂直轴潮流能发电装置大多数采用了固定偏角直叶片的结构，这种叶片的自启动性能比较差，而且叶片在旋转一周内，翼形攻角不断地发生变化，使得叶片无法一直工作在最佳的翼形攻角处，所以叶轮捕能效率低；叶片位置的周期性变化也使得转轴受力也周期性变化，机组振动较大，转轴及轴承工作条件恶劣。

中国专利文献CN201020621184.0，专利名称为“一种垂直轴潮流发电装置”，公开了一种垂直潮流发电装置，包括上层平台部分，支撑框部分，叶轮部分三个模块；上层平台部分包括发电机、齿轮箱、水平连接轴、支撑平台、支柱和垂直连接轴；支撑框架部分由上框架板、下框架板、左框架板和右框架板连接组成；叶轮部分包括主轴、轮辐套、轮辐、轮辐轴、叶片、叶片轴、轮圈和自适应控攻角装置。

该方案具有较好的结构强度，可向大型化方向发展，可应用于浮式平台下、桩基础和张力腿，方便生产、制造安装和调试。但整个结构比较复杂，并且整个装置从叶轮至发电机传递运动形式复杂，传递过程中有用功利用率逐渐减少，能量收集效率和能量转化率低。

中国专利文献CN200910073171.6，专利名称为“大功率垂直潮流轴装置”，公开了一种大功率垂直潮流轴装置，重力式塔柱机座与塔柱之间通过万向球铰连接，机舱安装在塔柱顶端，机舱外缘分布有锚链板眼用缆绳将浮桶与锚链接在锚上，水轮机主轴套在塔柱上，水轮机主轴两端设置有轴承，水轮机的叶片由轮辐均布在固定在主轴的轮毂上，主轴上的伞形齿轮在机舱内与发电机轴上的小伞齿轮咬合，主轴的上端与机舱下壁及塔柱加装密封轴套，机座与万向球铰之间由法兰盘连接。

该方案提供了一种能够解决大尺度水轮机的总体结构问题，实现单机大功率化的垂直轴潮流能发电装置。但是水轮机自启动性能差，制造难度大、成本高、机舱轮毂构造安装不便、使用寿命短。

综上所述，亟需一种提高能量收集效率和能量转化效率、提高发电效率、简化机械结构、延长使用寿命，自启动性能好的垂直轴潮流能发电装置，但是关于这种垂直轴潮流能发电装置目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供种提高能量收集效率和能量转化效率、提高发电效率、简化机械结构、延长使用寿命，自启动性能好的垂直轴潮流能发电装置。

本发明的再一的目的是，提供一种垂直轴潮流能发电装置及其应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种垂直轴潮流能发电装置，所述的发电装置包括第一基座、第二基座、发电机、上叶轮、下叶轮；所述的发电机包括转子和定子；所述的转子装配在第一转动轴上；所述的第一转动轴一端与发电机连接，另一端与上叶轮连接；所述上叶轮的另一端通过连接装置与第一基座连接；所述发电机的下端连接第二转动轴，所述的第二转动轴一端与定子连接，另一端与下叶轮连接；所述的下叶轮另一端通过连接装置与第二基座连接；所述的上叶轮和下叶轮结构形状相同，上叶轮和下叶轮同轴线安装，其中上叶轮和下叶轮安装方向相反；所述上叶轮和下叶轮均为SAVONIUS型叶片；所述叶片包括凹面叶片和凸面叶片，其中凹面叶片和凸面叶片的重叠比S/D固定为0.2。

所述的凹面叶片和凸面叶片是一次整体成型的。

所述的凹面叶片和凸面叶片表面光滑。

所述上叶轮的凹面叶片和下叶轮的凸面叶片相对应，上叶轮的凸面叶片和下叶轮的凹面叶片相对应。

所述的转子和定子同轴反向旋转。

所述的上叶轮和下叶轮的叶片数为2片。

所述的发电装置还包括锚链固定架、轴承支撑架；所述第一基座和第二基座间固定铆接有4个锚链固定架，所述的锚链固定架连接轴承支架；所述的轴承支架与轴承的外壁固定连接；所述的轴承内壁通过螺钉固定连接发电机。

所述发电装置的数量为至少一个。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

所述的发电装置置于漂浮在水面物体下方以及离岸离网的灯塔、浮标上的应用。

本发明优点在于：

1、选用SAVONIUS型叶片克服了固定偏角式直叶片自启动性能差的缺点，无论水流从哪个方向流过，上叶轮和下叶轮均可同轴线反向转动，在流速较低的情况下即可转动，自启动性能好；

2、上叶轮和下叶轮同轴反向，扭矩相互抵消，提高了装置的稳定性，改善了连接装置的工作条件；

3、定子和转子延相反方向转动，增大了两者之间的相对运动速度，提高了发电效率；

4、垂直轴潮流能发电装置的叶轮具有上下双叶轮型式，并直接与定子和转子相连，省去了复杂的齿轮传动机构等机械部件，简化机械结构、延长使用寿命；

5、本装置可以为离岸离网的灯塔、浮标等装置供电。

附图说明

附图1是本发明的一种垂直轴潮流能发电装置的结构示意图。

附图2是本发明的一种垂直轴潮流能发电装置的主视图。

附图3是本发明的上叶轮结构示意图。

附图4是本发明的上叶轮俯视图。

附图5是本发明的另一种垂直轴潮流能发电装置的结构示意图。

附图6是本发明的再一种垂直轴潮流能发电装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.第一基座                      2.第二基座

3.锚链固定架                    4.轴承支架

41.轴承                         5.发电机

6.第一转动轴                    61.第二转动轴

7.上叶轮                        71.凹面叶片

72.凸面叶片                     8.下叶轮

9.连接装置

实施例1

请参照图1，图1是本发明的一种垂直轴潮流能发电装置的结构示意图。一种垂直轴潮流能发电装置，所述发电装置包括第一基座1和第二基座2，所述第一基座1和第二基座2间固定铆接有4个锚链固定架3，所述的锚链固定架3连接轴承支架4；所述的轴承支架4与轴承41的外壁固定连接；所述的轴承41内壁通过螺钉固定连接发电机5；所述的发电机包括转子和定子(图中未示出)。

请参照图2，图2是本发明的一种垂直轴潮流能发电装置的主视图。所述的转子装配在第一转动轴6上；所述的第一转动轴6一端与发电机5连接，另一端与上叶轮7连接；所述上叶轮7的另一端通过连接装置9与第一基座1连接；所述发电机5的下端连接第二转动轴61，所述的第二转动轴61一端与定子连接，另一端与下叶轮8连接；所述的下叶轮8另一端通过连接装置9与第二基座2连接。

请参照图3，图3是本发明的上叶轮结构示意图。所述上叶轮7设有SAVONIUS型叶片，所述叶片包括凹面叶片71和凸面叶片72；所述的凹面叶片71和凸面叶片72是一次整体成型的，所述的凹面叶片71和凸面叶片72表面光滑。

请参照图4，图4是本发明的上叶轮俯视图。所述的凹面叶片71和凸面叶片72间相互重叠，其中凹面叶片71和凸面叶片72的重叠比S/D固定为0.2。

所述的上叶轮7和下叶轮8形状结构相同，上叶轮7和下叶轮8同轴线安装，其中上叶轮7和下叶轮8安装方向相反，即上叶轮7的凹面叶片71和下叶轮8的凸面叶片72相对应，上叶轮7的凸面叶片72和下叶轮8的凹面叶片71相对应。

需要说明的是：选用SAVONIUS型叶片，其叶片数可选2-8片叶片，根据相关试验，本实施例中优选叶片数为2片，两叶片制作简单，成本低廉，易于维护保养，发电效率高、使得整个装置重量较轻，当整个装置悬垂与浮体下方时更容易放置；SAVONIUS型叶片的重叠比S/D是影响静态和动态性能的参数之一，根据实践经验，重叠比S/D为0.2时能量收集效率和能量转化效率最高。

所述的第一基座1和第二基座2是整个发电装置的载体；所述的锚链固定架3通过锚链将整个发电装置固定在海底，不被潮流能冲倒；所述的轴承支架4连接锚链固定架3，在固定安装过程中，锚链固定架3受到向外的的拉力，轴承支架4提供向内的拉力，使得锚链固定架3受力平衡，避免锚链固定架3因受力不均，扭曲变形；所述的轴承41装配在发电机5上，防止发电机5径向窜动；所述的上叶轮7和下叶轮8的安装方向相反，并且水的能量密度较大，与其它介质相比，潮流更能提供给叶片较大的旋转扭矩，自启动性能好；无论水力从哪个方向都能受力，下叶轮8和上叶轮7的叶片总时能处于受力位置，因此无论水力方向怎样变化都保证上叶轮7和下叶轮8旋转运动；所述的上叶轮7安装在第一转动轴6上，当潮流经过上叶轮7时，水力推动叶片旋转，同时带动第一转动轴6一起转动，进而使得第一转动轴6上的转子同步运动；所述的下叶轮8通过第二转动轴61与发电机5的定子连接，当潮流能经过下叶轮8时，下叶轮8与上叶轮7相反的方向旋转，即所述发电机5的定子和转子均可转动，定子与转子方向相反，且采用防水密封保护；所述转子旋转运动产生旋转的磁场，所述的定子沿转子相反的方向旋转，实质是切割旋转磁场产生感应电动势。

本发明的一种潮流能垂直轴发电装置的工作原理是：垂直轴潮流能发电装置在水流的作用下，无论水流从哪个方向流入，均能对叶片产生圆周方向的力矩，从而推动叶轮旋转，上叶轮7和下叶轮8同轴线反向旋转，同时带动发电机5的定子和转子各自延相反方向旋转，转子旋转运动产生旋转磁场，定子反向旋转在旋转磁场中切割磁感线，从而产生感应电动势，使得潮流能转化为电能。

本发明的一种潮流能垂直轴发电装置，选用SAVONIUS型叶片克服了固定偏角式直叶片自启动性能差的缺点，无论水流从哪个方向流过，上叶轮7和下叶轮8均可同轴线反向转动，在流速较低的情况下即可转动，自启动性能好；上叶轮7和下叶轮8同轴反向，扭矩相互抵消，提高了装置的稳定性，改善了连接装置9的工作条件；定子和转子延相反方向转动，增大了两者之间的相对运动速度，提高了发电效率；垂直轴潮流能发电装置的叶轮具有上下双叶轮型式，并直接与定子和转子相连，省去了复杂的齿轮传动机构等机械部件，简化机械结构、延长使用寿命。

实施例2

请参照图5，图5是本发明的另一种垂直轴潮流能发电装置的结构示意图。本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例中无锚链固定架3、轴承支架4、轴承41，整个装置结构简单，操作方便；整个装置置于漂浮在水面的物体下方，例如船舶。使用时，拆掉锚链固定架3，再将其固定在浮体的下方。

实施例3

请参照图6，图6是本发明的再一种垂直轴潮流能发电装置的结构示意图。本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中共有选用2个垂直轴发电装置，阵列于潮流能经过的海底，形成发电场，其中阵列的垂直轴发电场的数量不局限与本实施例中的数量，可根据需要选择垂直轴发电装置的数量，本装置可以为离岸离网的灯塔、浮标等装置供电，也可以形成阵列固定于潮流能经过的海底、湖底等进行发电，为用电设备提供清洁能源。

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，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种垂直轴潮流能发电装置，其特征在于，所述的发电装置包括第一基座、第二基座、发电机、上叶轮、下叶轮；所述的发电机包括转子和定子；所述的转子装配在第一转动轴上；所述的第一转动轴一端与发电机连接，另一端与上叶轮连接；所述上叶轮的另一端通过连接装置与第一基座连接；所述发电机下端连接第二转动轴，所述的第二转动轴一端与定子连接，另一端与下叶轮连接；所述的下叶轮另一端通过连接装置与第二基座连接；所述的上叶轮和下叶轮结构形状相同，上叶轮和下叶轮同轴线安装，其中上叶轮和下叶轮安装方向相反；所述上叶轮和下叶轮均为SAVONIUS型叶片；所述叶片包括凹面叶片和凸面叶片，其中凹面叶片和凸面叶片的重叠比S/D固定为0.2。

2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述的凹面叶片和凸面叶片是一次整体成型的。

3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述的凹面叶片和凸面叶片表面光滑。

4.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述上叶轮的凹面叶片和下叶轮的凸面叶片相对应，上叶轮的凸面叶片和下叶轮的凹面叶片相对应。

5.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述的转子和定子同轴反向旋转。

6.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述的上叶轮和下叶轮的叶片数为2片。

7.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述的发电装置还包括锚链固定架、轴承支撑架；所述第一基座和第二基座间固定铆接有4个锚链固定架，所述的锚链固定架连接轴承支架；所述的轴承支架与轴承的外壁固定连接；所述的轴承内壁通过螺钉固定连接发电机。

8.根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于，所述发电装置的数量为至少一个。

9.权利要求1-8所述的所述的发电装置置于漂浮在水面物体下方以及离岸离网的灯塔、浮标上的应用。