CN107503875B - 一种励磁自供给的流致振动发电装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种励磁自供给的流致振动发电装置及控制方法，适用于海洋洋流能的开发利用，首先，发电机采用变励磁发电机，可通过调节励磁电压实现电能输出的调节，从而满足不同的供电需求；其次，系统的变励磁发电机通过控制方法实现了励磁电压的自供给，从而极大的增强了系统的独立性，并保证了系统较高的发电效率；再次，本装置设置流道及控流、导流设备，保证了振子振动所需的稳定水流条件，并实现了多振子协同振动的方式，既保证了发电质量也提高了发电效率。此外，本申请系统原理简单清晰，该装置经济性良好，系统的各个部分选用通用常见的仪器及材料，各部分易于制作，安装方便，实用性强。

Description

一种励磁自供给的流致振动发电装置及控制方法
技术领域
本申请涉及海流及潮流发电领域，是一种可实现励磁电压自供给的流致振动发电装置及相关控制方法。
背景技术
海流潮流能因其广泛的分布与巨大的储量越来越受到各国能源开发者的关注。据统计，全球可利用海流能高达500万MW。在我国，单沿岸流的理论开发量就超过14万MW，相当于70个三峡水电站的装机容量，其蕴藏量可见巨大。不过由于世界范围内分布的大部海流流速较低，而传统桨叶式的海流发电机启动流速较高，在大多数低速海流范围内无法使用，从而造成海流能源利用现状不佳。为解决这一问题，2008年，美国密歇根大学的Bernitsas教授及其团队成功研制了一种新型的低速水流发电装置——VIVACE(Vortex InducedVibration For Aquatic Clean Energy)，并成功申请专利。该装置的发电原理与传统桨叶式的发电原理完全不同，其采用涡激振动的基本原理带动电机进行发电。该装置相比传统的海流发电机具有启动流速低(最低可达到0.25m/s)、能量密度大等优势，且装置结构简单，模块化能力较强，具有良好的推广前景。
不过目前，VIVACE及相关的流致振动发电装置还处于研发阶段，振动机理与发电系统的发电能力研究都还有所欠缺，具体而言，主要存在如下两个问题。(1) 现有的发电装置大多采用固定励磁发电机，励磁无法调节，从而无法灵活调节输出电能；而对于采用了变励磁发电机的流致振动发电装置，其由于励磁电压需要由外界提供，从而降低了装置实际的应用能力。(2)现有的发电装置大多以敞开式结构为主，振动振子暴露于外界水环境当中，一旦外界环境水体存在波动，则会极大影响振子的振动稳定性，从而影响发电质量。可见，上述两点问题极大制约了VIVACE及相关的流致振动发电装置的推广与应用。
为此，本申请提出一种励磁自供给的流致振动发电装置及控制方法，该装置采用变励磁发电机，且存在自供给的励磁电源供给功能，从而避免了采用外界电源供给励磁发电机的较大劣势，增强了发电装置独立运行的能力，从而对流致振动发电装置的操作控制、推广及电能上网提供良好支撑。另外，本申请提出了可容纳多振子的整流流道，保证了过流的流态稳定与流量控制，并实现了多振子的同场振动，诱发尾流驰振的发生，增强了单个振子的振动，从而有效提升了该类发电装置的发电能力与发电质量。
发明内容
目的：本申请旨在提出一种利用洋流能的流致振动发电装置及其控制方法，该装置采用变励磁发电机且实现变励磁发电机的电能自我供给及快速控制，保证流致振动发电装置的独立性、灵活性及电能输出的可调节性。此外，本申请设置整流流道与控制结构，保证了多振子的发电质量并有效提升整体装置的发电能力。
技术方案：
一种励磁自供给的流致振动发电装置，由导叶、蜂窝稳流管、第一支架、第二支架、齿轮组、变励磁发电机、电机输出线、他励电源线、变电控制器、可调节电源、电源切换控制器、外接启动电源、变电装置、振子、联动装置、流道支架、发电导流稳流流道组成；
其中导叶、蜂窝稳流管和发电导流稳流流道组成导流稳流流道模块A，齿轮组、振子和联动装置组成振动传动模块B，变励磁发电机、电机输出线、他励电源线、变电控制器、可调节电源、电源切换控制器、外接启动电源、变电装置组成发电模块C；
导叶安装在发电导流稳流流道的矩形断面和收缩断面的交接处，控制着矩形流道端口的进水口开度；
蜂窝稳流管起到对洋流的稳流作用，固定在矩形流道入口紧邻导叶；
第一支架用来固定齿轮组、第二支架用来固定变励磁发电机；
齿轮组固定于第一支架上，将振子的机械能通过联动装置和齿轮组转化为变励磁发电机转子的机械能，振动传动模块B可整体在陆地上安装调试好，再进行密封处理后整体安装在发电导流稳流流道上；
变励磁发电机固定于第二支架上；
变励磁发电机通过电机输出线连接变电装置，变电装置集中各个发电系统的电能并进行变电作业，传输给用户或并入电网；变励磁发电机通过他励电源线连接变电控制器、电源切换控制器和可调节电源，可为变励磁发电机的励磁线圈供电；可调节电源连接电源切换控制器和外接启动电源；
振子通过联动装置和齿轮组连接变励磁发电机，联动装置由滑动架和承力架两部分组成，发电模块C和振动传动模块B连接，并做好防水防腐蚀措施后统一安装在发电导流稳流流道上。
进一步的，以上所述的导叶选用可旋转的片金属活动导叶，其最大旋转角度为90度。
进一步的，以上所述的蜂窝稳流管选用管径为5～20cm的PVC管材，将管材组合排列。
进一步的，以上所述的第一支架、第二支架选用防海水腐蚀材料或者选用常用的不锈钢材料，并在常用的不锈钢材料表层进行防腐蚀处理。
进一步的，系统启动时，由外接启动电源为变励磁发电机的磁感应线圈供电；当流态稳定时，电能输出稳定，此时的部分发电电能通过电机输出线、变电控制器输出，再由电源切换控制器将该电能供给变励磁发电机；随后，励磁电能由外接启动电源逐步过渡为发电机自供给电能，从而实现系统励磁电能自供给目标。
进一步的，以上所述的振子形状可选为三棱柱、六棱柱、圆柱等形状，选用有机玻璃材料，制作为空心可填充形式。
一种以上所述的励磁自供给的流致振动发电装置的控制方法，步骤如下：
1)振子启动过程控制：
装置启动阶段可调节电源由外接启动电源供电，可调节电源的输出电压和输出电流为变励磁发电机的磁感应线圈供电。通过调节供电电压，使系统的发电效率达到最大，针对不同的流速，选择最优的发电工况；发电系统稳定后，将变励磁发电机产出的一部分电能通过电机输出线、变电控制器、电源切换控制器输送给可调节电源，使得供电的电压满足变励磁发电机磁感应线圈的供电要求；同时通过控制系统的外接启动电源的供电电压，进行电能的输出调节，最终达到完全利用变励磁发电机为励磁线圈供电的效果，实现变励磁发电机电能自供给能力。
2)水流流量控制：
通过调节导叶的开度控制进入流道的水量，蜂窝稳流管对水流的流态进行稳定，最后进入发电导流稳流流道实现流道内流量的大小和水流稳定性的控制。
有益效果：
一种励磁自供给系统下流致振动磁发电系统及(自动)控制装置，适用于海洋洋流能的开发利用，其主要包括三项有益效果。首先，发电机采用变励磁发电机，可通过调节励磁电压实现电能输出的调节，从而满足不同的供电需求；其次，系统的变励磁发电机通过控制方法实现了励磁电压的自供给，从而极大的增强了系统的独立性，并保证了系统较高的发电效率；再次，本装置设置流道及控流、导流设备，保证了振子振动所需的稳定水流条件，并实现了多振子协同振动的方式，既保证了发电质量也提高了发电效率。此外，本申请系统原理简单清晰，该装置经济性良好，系统的各个部分选用通用常见的仪器及材料，各部分易于制作，安装方便，实用性强。
附图说明
图1一种励磁自供给的流致振动发电装置启动控制流程图
图2一种励磁自供给的流致振动发电装置侧视图
图3一种励磁自供给的流致振动发电装置俯视图
具体实施方式
参见附图2和附图3，本发明励磁自供给的流致振动发电装置由导叶1、蜂窝稳流管2、第一支架3、第二支架4、齿轮组5、变励磁发电机6、电机输出线 7、他励电源线8、变电控制器9、可调节电源10、电源切换控制器11、外接启动电源12、变电装置13、振子14、联动装置15、流道支架16、发电导流稳流流道17等组成；
其中导叶1、蜂窝稳流管2和发电导流稳流流道17组成导流稳流流道模块A，齿轮组5、振子14和联动装置15组成振动传动模块B，变励磁发电机6、电机输出线7、他励电源线8、变电控制器9、可调节电源10、电源切换控制器11、外接启动电源12、变电装置13组成发电模块C；
导叶1安装在导流稳流流道矩形断面和收缩断面的交接处，控制着矩形流道端口的进水口开度，控制流道内流量的大小，导叶最大旋转角度为90度，根据稳流流道深度可以选定8片导叶，导叶宽度为1.1m，高度为0.25m；
蜂窝稳流管2起到对洋流的稳流作用，使得进入矩形流道的水流相对平稳，提高发电导流稳流流道17内水流的稳定性，选用管径为10cm的PVC管材，用胶水将管材组合排列粘合，固定在矩形流道入口紧邻导叶1；
第一支架3用来固定齿轮组5、第二支架4用来固定变励磁发电机6，第一支架3和第二支架4选用不锈钢材质，并在其表层刷涂抗海水腐蚀油漆，该方式既操作简单且成本较低。
齿轮组箱5固定于第一支架3上，将振子14的机械能通过联动装置15和齿轮组5转化为变励磁发电机6转子的机械能，齿轮组5选用45#钢整体淬火，齿轮组选用直径10cm的齿轮一个、直径6cm的齿轮一个和8cm的齿轮一个。齿轮组箱表层涂抹油漆使其具有良好的抗腐蚀性，并对齿轮箱封口处进行密封处理，防止海水侵蚀齿轮组；振动传动模块B在陆地上安装调试好，进行密封处理后再整体安装在发电导流稳流流道17上。
变励磁发电机6固定于第二支架4上，变励磁发电机6可根据装置振子14 的振动频率和变励磁发电机转子的转速的范围，确定变励磁发电机6型号为 Z400/20—220，额定电流为3.5A、额定转速为2000r/min；
变励磁发电机6通过电机输出线7连接变电装置13，变电装置13集合各个发电单元电能，进行变电工作，将电能输送给电网或用电用户；变励磁发电机6 通过他励电源线8连接变电控制器9、电源切换控制器11和可调节电源10(电源的输入端为220V交流电压，可与普通插座进行连接；电源的输出电压调节范围为0V～220V，输出电流可调节范围为0～30A)，控制系统的变励磁发电机6励磁线圈的磁感应强度；电机输出线7和他励电源线8可选用普通的铜导线；变电控制器9选用可以将变励磁发电机6的不稳定电能输出为平稳电能的控制装置；可调节电源10为电压和电流可调节范围在装置适用范围内的可调节电源；电源切换控制器11可以切换变励磁发电机6磁感应线圈的供电电源；
可调节电源10连接电源切换控制器11和外接启动电源12，外接启动电源 12在系统启动时为变励磁发电机6供电(在洋流能的利用中，外接启动电源可选用太阳能电池板，减少系统对外界的依赖性，增强系统的独立性)；当变励磁发电机6电能稳定输出时，通过电机输出线7连接变电控制器9输出稳定电能，再由电源切换控制器11将变励磁发电机6的磁感应线圈供电电源由外接启动电源12逐步过渡为变励磁发电机6，最后通过可调节电源10为磁感应线圈供电，实现系统励磁线圈供电的自供给；
振子14为流致振动的发电系统的一部分，其形状选用圆柱型(振子14为圆柱型，外径0.1m，厚度10mm，长度0.9m)，材料选用有机玻璃，制作为空心可填充形式。针对不同的试验要求，通过填充不同材料，可以改变系统质量比，本系统质量比为4.21；当然，其形状也可选为三棱柱、六棱柱等形状。
振子14通过联动装置15连接变励磁发电机6，联动装置15由滑动架和承力架两部分组成，承力架和滑动架考虑系统强度和防侵蚀的要求可选用铝合金材料，承力架整体宽度为1.2m，高0.9m；滑动架尺寸为1.35m×1m；传力板宽8cm，长1.2m，厚6mm；雷诺数范围为0<Re<8.4×104；发电模块C应和振动传动模块 B连接并做好防水防腐蚀措施后统一安装在发电导流稳流流道17上。
流道支架16的作用是确保稳流流道在海底平稳安置，选用不锈钢材料，在表层刷涂防海水腐蚀油漆；支架高度为10cm，一端固定在水槽底座上，别扭一端固定在海底岩石上。发电导流稳流流道17尺寸为2m×1.1m。
具体控制方法：
(1)振子启动过程控制：
装置启动阶段可调节电源10由外接启动电源12供电，可调节电源10的输出电压和输出电流为变励磁发电机6的磁感应线圈供电。通过调节供电电压，使系统的发电效率达到最大，针对不同的流速，选择最优的发电工况；发电系统稳定后，将变励磁发电机6产出的一部分电能通过电机输出线7、变电控制器 9、电源切换控制器11输送给可调节电源10，使得供电的电压满足变励磁发电机磁感应线圈的供电要求；同时通过控制系统的外接启动电源12的供电电压，进行电能的输出调节，最终达到完全利用变励磁发电机6为励磁线圈供电的效果，实现变励磁发电机磁感应线圈自激励模式。操作流程如图1所示。
(2)水流流量控制：
由于电能负荷需求及水流流态有所差异，振子14振动情况有所差异，从而造成振子14振动状态存在较大差异。因此，有必要对水流流量和稳定性进行控制。因此，设计了活动导叶1控制水流流量的大小，蜂窝稳流管2和发电导流稳流流道17提高水流的稳定性，从而保证振子14振动的稳定及优质的电能输出。具体的控制方法：通过调节导叶1的开度控制进入流道的水量，蜂窝稳流管2 对水流的流态进行稳定，最后进入发电导流稳流流道17实现流道内流量的大小和水流稳定性的控制。

Claims (5)

1.一种励磁自供给的流致振动发电装置，其特征是：由导叶(1)、蜂窝稳流管(2)、第一支架(3)、第二支架(4)、齿轮组(5)、变励磁发电机(6)、电机输出线(7)、他励电源线(8)、变电控制器(9)、可调节电源(10)、电源切换控制器(11)、外接启动电源(12)、变电装置(13)、振子(14)、联动装置(15)、流道支架(16)、发电导流稳流流道(17)组成；
其中导叶(1)、蜂窝稳流管(2)和发电导流稳流流道(17)组成导流稳流流道模块A，齿轮组(5)、振子(14)和联动装置(15)组成振动传动模块B，变励磁发电机(6)、电机输出线(7)、他励电源线(8)、变电控制器(9)、可调节电源(10)、电源切换控制器(11)、外接启动电源(12)、变电装置(13)组成发电模块C；
导叶(1)安装在发电导流稳流流道(17)的矩形断面和收缩断面的交接处，控制着矩形流道端口的进水口开度；
蜂窝稳流管(2)起到对洋流的稳流作用，固定在矩形流道入口紧邻导叶(1)；
第一支架(3)用来固定齿轮组(5)、第二支架(4)用来固定变励磁发电机(6)；
齿轮组(5)固定于第一支架(3)上，将振子(14)的机械能通过联动装置(15)和齿轮组(5)转化为变励磁发电机(6)转子的机械能，振动传动模块B可整体在陆地上安装调试好，再进行密封处理后整体安装在发电导流稳流流道(17)上；
变励磁发电机(6)固定于第二支架(4)上；
变励磁发电机(6)通过电机输出线(7)连接变电装置(13)，变电装置(13)集中各个发电系统的电能并进行变电作业，传输给用户或并入电网；变励磁发电机(6)通过他励电源线(8)连接变电控制器(9)、电源切换控制器(11) 和可调节电源(10)，可为变励磁发电机(6)的励磁线圈供电；可调节电源(10)连接电源切换控制器(11)和外接启动电源(12)；
振子(14)通过联动装置(15)和齿轮组(5)连接变励磁发电机(6)，联动装置(15)由滑动架和承力架两部分组成，发电模块C和振动传动模块B连接，并做好防水防腐蚀措施后统一安装在发电导流稳流流道(17)上；
所述的导叶(1)选用可旋转的8片金属活动导叶，其最大旋转角度为90度；
所述的蜂窝稳流管(2)选用管径为5～20cm的PVC管材，将管材组合排列。
2.根据权利要求1所述的励磁自供给的流致振动发电装置，其特征是：第一支架(3)、第二支架(4)选用防海水腐蚀材料或者选用常用的不锈钢材料，并在常用的不锈钢材料表层进行防腐蚀处理。
3.根据权利要求1所述的励磁自供给的流致振动发电装置，其特征是：进一步的，系统启动时，由外接启动电源(12)为变励磁发电机(6)的磁感应线圈供电；当流态稳定时，电能输出稳定，此时的部分发电电能通过电机输出线(7)、变电控制器(9)输出，再由电源切换控制器(11)将该电能供给变励磁发电机(6)；随后，励磁电能由外接启动电源(12)逐步过渡为发电机自供给电能，从而实现系统励磁电能自供给目标。
4.根据权利要求1所述的励磁自供给的流致振动发电装置，其特征是：振子(14)形状可选为三棱柱、六棱柱、圆柱等形状，选用有机玻璃材料，制作为空心可填充形式。
5.一种励磁自供给的流致振动发电装置的控制方法，包括权利要求1-4任意一项所述的装置，步骤如下：
1)振子启动过程控制：
装置启动阶段可调节电源(10)由外接启动电源(12)可调节电源(10)的输出电压和输出电流为变励磁发电机(6)的磁感应线圈供电; 通过调节供电电压，使系统的发电效率达到最大，针对不同的流速，选择最优的发电工况；发电系统稳定后，将变励磁发电机(6)产出的一部分电能通过电机输出线(7)、变电控制器(9)、电源切换控制器(11)输送给可调节电源(10)，使得供电的电压满足变励磁发电机(6)磁感应线圈的供电要求；同时通过控制系统的外接启动电源(12)的供电电压，进行电能的输出调节，最终达到完全利用变励磁发电机(6)为励磁线圈供电的效果，实现变励磁发电机电能自供给能力;
2)水流流量控制：
通过调节导叶(1)的开度控制进入流道的水量，蜂窝稳流管(2)对水流的流态进行稳定，最后进入发电导流稳流流道(17)实现流道内流量的大小和水流稳定性的控制。
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