CN108590944B - 一种大型无轴立式潮流能装置 - Google Patents

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Abstract

一种大型无轴立式潮流能装置，属于潮流能及流体机械技术领域，该装置包括固定平台、支撑底座、联系梁、导轨小车，叶片及变偏角控制装置、轮缘发电装置。潮流带动叶片旋转，带动与叶片相连的导轨小车在导轨内运动，将潮流能转化为机械能；联系梁在导轨小车的带动下运动，使其边缘的发电装置工作将机械能转化成可被利用的电能，实现潮流能的利用。其中，叶片与导轨小车之间设有变偏角控制装置，使装置的自启动性能提高；联系梁边缘的磁极动子、线圈定子及整流装置能够保证产生稳定的电能。本发明省去了传统潮流能发电装置的中心轴及其旋臂，避免了旋臂和轴造成的能量损失，使其效率大大提高；具有高可靠性低维护成本的优点；另外，该形式还适合大型装置。

Description

一种大型无轴立式潮流能装置
技术领域
本发明属于能量收集、能量转换、高效利用潮流能及流体机械技术领域，涉及一种新型潮流能发电装置，尤其涉及一种大型无轴立式潮流能装置，它能有效利用潮流能。
背景技术
随着环境恶化，能源短缺，可再生能源的开发利用显得尤为重要。海洋能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，受到世界各国的重视。作为海洋能中最为稳定的潮流能，随着近几年技术的不断进步，也在不断地发展。
潮流能发电装置是将海洋潮流动能转换为电能的装置，由获能装置(水轮机)、海上支撑载体或系泊系统、发电机、电能变换与控制系统、电力传输与负载系统等5个子系统组成。其关键部分为获能装置，即水轮机。根据水轮机旋转轴与水流方向是否平行可以分为水平轴式叶轮(如英国MCT公司系列装置)、垂直轴式叶轮(如意大利PdA公司“Kobold”)、振荡式(如美国Gorlov Helical Turbine公司“GHT”)和其他方式等。
垂直轴式潮流能水轮机它的叶轮的旋转轴与水流方向垂直。叶片简单，安装方便；因其无论那边来流，其受力是一样的，因此不需要转向机构，可以吸收各个方向的潮流能；另外可以把发电机放置于水面之上，进而减少密封难度，降低成本；由于转速较低，不易发生空化现象。缺点则是转换效率比较低，叶轮在旋转过程中受到的载荷呈现升阻力交替变化，对结构设计要求较高。
垂直轴水轮机一般都具有中心轴和一定形式的悬臂，在工作时，中心轴跟旋臂，均会造成一定形式的潮流能损失，且中心轴的腐蚀破损，直接决定整体装置的使用寿命。因此，为了解决上述问题，发明了一种无轴立式潮流能发电装置，该装置除了继承垂直轴潮流能发电装置的优点外，因其无中心轴，所以还具有自己独特的优势，使其具有实用价值。
发明内容
为了改进潮流能发电装置中的中心轴以及旋臂带来的影响，本发明创造性的提出一种无轴立式潮流能发电装置，目的是为了增大装置的效率以及尽可能减小中心轴以及旋臂对装置的影响。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种大型无轴立式潮流能装置，包括固定平台6、支撑盘1、联系梁3、导轨小车2、叶片及变偏角控制装置4、轮缘发电装置5。
所述的支撑盘1为圆环结构，其上设有导轨，支撑盘1安装在固定平台6中部。所述的固定平台6固定在海洋或海洋平台中，使叶片4-4全部浸没在海水中，由耐腐蚀的刚性材料制成，具有一定的抗压抗浪能力，且能够承载一定的重量，根据海域以及安装条件制成各种样式。固定平台6的主要目的是固定叶片2以及发电装置5，防止叶片2在竖直方向产生偏斜，降低效率。
所述的支撑盘1包括上支撑圆盘1-1、下支撑圆盘1-2、圆盘立板1-4、上下小车的圆盘导轨1-3。所述的上下支撑圆盘上固定圆盘导轨1-3，使叶片4-4可以在潮流的冲刷下顺利的进行旋转，上下支撑圆盘通过圆盘立板1-4固定，上下支撑圆盘边缘、立板1-4之间设有定子线圈5-1。所述的上下支撑圆盘采用板-肋结构，用于减轻重量的同时保证支撑板的强度；也可以采用中空刚性轻质板。所述的圆盘立板1-4的主要作用是固定上下支撑底座，加强底座的强度。
所述的轻质联系梁3固定在各个导轨小车2之间，其边缘设有一定数量的磁极动子5-2。所述的联系梁3用于防止导轨小车2发成相对位移，保证叶片4-4能够在阻力尽可能小的情况下顺利旋转，同时可以固定磁极动子5-2，保证将叶片4-4传递过来的潮流能顺利的转化成可以利用的电能。
所述的导轨小车2包括四个导轨小车转向轮2-1，联系梁接口2-3，叶片连接段2-2。所述的导轨小车2通过叶片连接段2-2与叶片4-4连接，并通过导轨小车转向轮2-1在圆盘导轨1-3上转动，使叶片2能够顺利的围绕圆盘导轨1-3运动；同时，导轨小车2通过侧面联系梁接口2-3与联系梁3连接；导轨小车2能够改善联系梁3内的应力分布，防止叶片4-4在旋转过程中造成应力集中从而导致装置发成破坏，造成不必要的损失。
所述的叶片及变偏角控制装置4中，所述的叶片4-4是潮流能发电装置的重要组成部分，用于将潮流能转化成相应机械能，叶片水动力性能的好坏直接关系到发电装置的整体效率。因此，本发明采用的叶片是目前较为公认的NACA翼型叶片，材料为高强度的复合材料，对叶片的优化在此不再累述。所述的变偏角控制装置4设于叶片顶部4-2和导轨小车接口4-6上，包括两个变偏角装置固定销4-5以及弹性恢复元件4-3。所述的一个变偏角装置固定销4-5固定在叶片顶部4-2，另一个变偏角装置固定销4-5固定在导轨小车接口元件上，两个变偏角装置固定销4-5之间设有弹性元件4-3，用于保证叶片4-4实现一定变偏角；所述的叶片主轴4-1位于叶片顶部4-2，其上套接导轨小车接口元件，导轨小车接口元件通过导轨小车接口4-6与导轨小车2连接。
所述的轮缘发电装置5主要包括磁极动子5-2、线圈定子5-1、相应的导线以及整流电路装置。所述的磁极动子5-2随联系梁3旋转相对线圈定子运动时，在线圈内产生可电流。虽然立式潮流能发电装置可以吸收来自于各个方向潮流能，但是由于潮流能的能流密度以及流向可能会随时发生变化，导致联系梁(或者磁极动子)的旋转角速度大小方向也在时刻变化，发电频率时刻变化，为了能够产生稳定的电能，所以需要通过整流电路装置将线圈内的时刻变化的电流转化成可以被利用的稳定的电能。
当潮流流过时带动水下叶片4-4旋转，叶片4-4带动导轨小车2在导轨上围绕圆轮转动，圆轮边缘设有相应的发电装置5，将导轨小车2的转动的机械能转化为可以利用的电能，实现将潮流能转化成电能的目的。具体为：叶片4-4旋转带动导轨小车2在导轨上围绕圆轮转动同时，固定在各个导轨小车2之间的联系梁3也在导轨小车2的运动下沿导轨做圆周运动，进而带动其边缘上的磁极动子5-2运动，当磁极动子5-2经过线圈定子5-1时，使线圈内产生电流，电流通过导线进入整流电路装置，实现将潮流能转化成可被利用的电能的目的。
本发明的有益效果和益处是：省去了传统潮流能发电装置的中心轴及其旋臂，避免了旋臂和轴造成的能量损失，使其效率大大提高；具有高可靠性低维护成本的优点；同时，该形式还适合大型装置(单转子500KW,双转子1MW)。
附图说明
图1为无轴立式潮流能发电装置整体结构示意图；
图2(a)为支撑盘结构示意图；
图2(b)为支撑盘局部放大示意图；
图3为导轨小车结构示意图；
图4为叶片及变偏角控制装置示意图；
图5(a)为轮缘发电装置结构示意图；
图5(b)为轮缘发电装置结构局部放大图；
图中：1支撑盘；2导轨小车；3联系梁；4叶片及变偏角装置；5轮缘发电装置；6固定平台；1-1上支撑圆盘；1-2下支撑圆盘；1-3圆盘导轨；1-4圆盘立板；2-1导轨小车转向轮；2-2叶片连接段；2-3联系梁接口；4-1叶片；5-1线圈定子；4-2叶片顶部；4-3弹性恢复元件；4-4叶片；4-5变偏角装置固定销；4-6导轨小车接口；5-2磁极动子；5-3联系梁导轨。
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
一种无轴立式潮流能发电装置，包括固定平台6，支撑底座1，联系梁3，导轨小车2，叶片及变偏角控制装置以及轮缘发电装置5等。固定平台6固定于海洋中(或直接利用现有的海洋平台)，使叶片4-4全部浸没在海水中。当潮流流过叶片4-4时，会对叶片4-4产生推力，叶片顶部4-2的弹性元件4-3，允许叶片4-4产生一定偏角，大大提高水轮机的自启动性能。叶片4-4的转动会将力矩传递给与叶片4-4相连接的导轨小车2，导轨小车2受力后运动，由于导轨的存在，使得导轨小车只能在固定的导轨内做圆周运动。与此同时，固定在各个导轨小车2之间的联系梁3也在导轨小车2的运动下沿着导轨做圆周运动。联系梁3边缘上有固定的磁极动子5-2，联系梁3的圆周运动使得磁极动子5-2也做圆周运动，而在支撑底座边缘，立板1-4之间，设有多个线圈定子5-1。当磁极动子5-2在联系梁3带动下经过线圈定子5-1时，使线圈内产生电流，众多的磁极动子5-2依次不断地经过众多的线圈定子5-1，产生持续不断的电流。电流通过导线进入整流电路，经过整流以后产生可以被利用的稳定的电能。实现了将潮流能转化成可被利用的电能的目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型无轴立式潮流能装置，其特征在于，所述的大型无轴立式潮流能装置包括固定平台(6)、支撑盘(1)、联系梁(3)、导轨小车(2)、叶片及变偏角控制装置(4)、轮缘发电装置(5)；
所述的支撑盘(1)为圆环结构，其上设有导轨，支撑盘(1)安装在固定平台(6)中部；所述的固定平台(6)固定在海洋或海洋平台中用于固定叶片(4-4)以及发电装置(5)，防止叶片(4-4)在竖直方向产生偏斜，且保证叶片(4-4)全部浸没在海水中；
所述的支撑盘(1)包括上支撑圆盘(1-1)、下支撑圆盘(1-2)、圆盘立板(1-4)、上下小车的圆盘导轨(1-3)；所述的上下支撑圆盘上设有圆盘导轨(1-3)，使叶片(4-4)可以在潮流的冲刷下旋转，上下支撑圆盘之间通过圆盘立板(1-4)固接，且上下支撑圆盘边缘、立板(1-4)之间设有线圈定子(5-1)；
所述的联系梁(3)固定在各个导轨小车(2)之间，其边缘设有磁极动子(5-2)，用于防止导轨小车(2)发成相对位移，将叶片(4-4)传递的潮流能转化成电能；
所述的叶片及变偏角控制装置(4)中，叶片主轴(4-1)位于叶片顶部(4-2)，其上套接导轨小车接口元件，导轨小车接口元件通过导轨小车接口(4-6)与导轨小车(2)连接；所述的变偏角控制装置(4)包括两个变偏角装置固定销(4-5)和一个弹性恢复元件(4-3)，其中一个变偏角装置固定销(4-5)固定在叶片顶部(4-2)，另一个变偏角装置固定销(4-5)固定在导轨小车接口元件上，两个变偏角装置固定销(4-5)之间设有弹性元件(4-3)，用于保证叶片(4-4)实现变偏角；
所述的轮缘发电装置(5)包括磁极动子(5-2)、线圈定子(5-1)、导线及整流电路装置，磁极动子(5-2)随联系梁(3)旋转相对线圈定子(5-1)运动时，线圈内产生电流，电流通过整流电路装置转化成稳定的电能；
当潮流流过时带动水下叶片(4-4)旋转，叶片(4-4)带动导轨小车(2)在导轨上围绕支撑盘转动，支撑盘边缘设有相应的发电装置(5)，将导轨小车(2)的转动的机械能转化为可以利用的电能，将潮流能转化成电能。
2.根据权利要求1所述的一种大型无轴立式潮流能装置，其特征在于，所述的导轨小车(2)包括导轨小车转向轮(2-1)、联系梁接口(2-3)、叶片连接段(2-2)；所述的导轨小车(2)通过叶片连接段(2-2)与叶片(4-4)连接，并通过导轨小车转向轮(2-1)在圆盘导轨(1-3)上转动，使叶片(4-4)能够顺利的围绕圆盘导轨(1-3)运动；同时，导轨小车(2)通过侧面联系梁接口(2-3)与联系梁(3)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种大型无轴立式潮流能装置，其特征在于，所述的叶片(4-4)采用翼型叶片。
4.根据权利要求1或2所述的一种大型无轴立式潮流能装置，其特征在于，所述的上下支撑圆盘采用板—肋结构，用于减轻重量的同时保证支撑盘的强度；采用中空刚性轻质板。
5.根据权利要求3所述的一种大型无轴立式潮流能装置，其特征在于，所述的上下支撑圆盘采用板—肋结构，用于减轻重量的同时保证支撑盘的强度；采用中空刚性轻质板。
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