CN109778808B - 一种涵道式双向潮流电站系统 - Google Patents

一种涵道式双向潮流电站系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涵道式双向潮流电站系统，主要由双向潮流发电装置、坝体、外海、内海、涵道和启闭闸门组成；所述双向潮流发电装置安装于所述坝体底部的涵道内；所述涵道的两端分别设有与所述外海和内海相连通的开口，并且两个开口分别设有启闭闸门。本发明既避免了开放海域潮流发电装置海洋施工和运行维护的成本，也避免了潮汐电站发电装置的繁杂结构、辅助设备和流道严格施工的成本的问题，极大地提高了海洋潮汐能利用的性价比。同时，潮流发电装置具备电动机运行工况。另外，该涵道式双向潮流电站系统通过启闭闸门以控制内海水位，可以根据需要以多种方式运行，提高潮流能的利用效率。

Description

一种涵道式双向潮流电站系统
技术领域
本发明涉及海洋潮流能开发利用技术领域，具体涉及一种利用涵道布置双向潮流发电装置的潮流电站系统。
背景技术
海洋潮汐能绿色环保，取之不尽、用之不竭。目前，利用海洋潮汐能发电的方式有两种：一种是在开放海域设置潮流发电机装置，捕获潮汐运动产生的海水流动动能进行发电，现阶段我国正在积极实施将潮流发电设备产业化应用，希望能高效、规模化利用潮流能；另一种是在适合的港湾建造坝体、建设潮汐电站，利用潮汐运动在坝体两侧产生的水位差势能进行发电，我国从1957年开始已建设多达40座潮汐发电站。
潮流能发电装置型式多样，但捕能效率不高，由于装置设置在开放近海甚至外海，海洋施工和运行维护成本高、难度大，性价比低。潮汐电站发电装置布置在坝体流道内，捕能效率高，安装维护简单，但发电装置为极低水头的水轮发电机组，结构复杂，辅助装置多，厂房、流道施工要求高，同样性价比也不高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种涵道式双向潮流电站系统，在自然或人工坝体的涵道内设置双向潮流发电装置，即避免了在开放海域设置潮流发电装置的海洋施工和运行维护的高成本，也避免了潮汐电站发电装置的繁杂结构、辅助设备和厂房、流道严格施工的成本，捕能效率介于二者之间，极大地提高了海洋潮汐能利用的性价比。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种涵道式双向潮流电站系统，主要由双向潮流发电装置、坝体、外海、内海、涵道和启闭闸门组成；所述双向潮流发电装置安装于所述坝体底部的涵道内；所述涵道的两端分别设有与所述外海和内海相连通的开口，并且两个开口分别设有启闭闸门。
进一步地，所述涵道内安装一台双向潮流发电装置，或沿着垂直于潮流的方向并排安装两台或以上的双向潮流发电装置，且当双向潮流发电装置的数量大于或等于两台时，为减少潮流流态的相互影响，所述双向潮流发电装置的运行旋转方向两两相反。
进一步地，所述双向潮流发电装置包括叶轮、转子、定子、后导流座、前导流座、圆柱滚子、推力滚子和电控系统；所述叶轮安装在所述转子的外周，所述转子为无轴结构，通过所述圆柱滚子和所述推力滚子旋转地安装在所述前导流座和后导流座之间，所述前导流座和后导流座固定安装在所述涵道内，所述圆柱滚子和所述推力滚子将所述叶轮和所述转子产生的径向载荷和轴向载荷传递给前导流座和后导流座；所述定子安装在所述前导流座和后导流座之间，并位于所述转子的内部。
更进一步地，所述电控系统包括总控制器、变流器、发电机侧开关和发电网侧开关，所述变流器、发电机侧开关和发电网侧开关分别连接于所述总控制器，所述发电机侧开关和发电网侧开关分别连接于所述变流器，所述发电机侧开关连接于所述双向潮流发电装置的定子引出线，所述发电网侧开关连接于电网。
再进一步地，所述电控系统还包括霍尔传感器、变频器、电动网侧开关和电动机侧开关，所述变频器、电动网侧开关和电动机侧开关均连接于所述总控制器，所述霍尔传感器连接于所述变频器；所述电动网侧开关和电动机侧开关分别连接于所述变频器，且所述电动机侧开关连接于所述双向潮流发电装置的定子引出线，所述电动网侧开关连接于电网。
上述涵道式双向潮流电站系统的工作方法，具体为：
启闭闸门常开，当外海的潮位高于内海的潮位时，形成正向水位差，海水从外海经过所述涵道流向内海形成正向潮流，所述双向潮流发电装置捕获正向潮流动能发电运行输出电能；随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海潮位等于内海潮位时，水位差为零，所述涵道内海水流速为零，所述双向潮流发电装置保持原旋转方向短暂惯性惰转；
当外海潮位低于内海潮位时，形成反向水位差，海水从内海经过涵道流向外海形成反向潮流，所述双向潮流发电装置自动变桨，捕获反向潮流动能发电运行输出电能；随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海潮位再次等于内海潮位时，水位差为零，涵道内海水流速为零，双向潮流发电装置依旧保持原旋转方向短暂惯性惰转。
进一步地，所述双向潮流发电装置捕获正向潮流动能或反向潮流动能的过程为：
当涵道内有潮流时，叶轮捕获正向潮流动能或反向潮流动能旋转，驱动转子产生旋转磁场，在定子的绕组内产生电磁感应电压和电流，依次通过发电机侧开关、变流器、发电网侧开关连接至电网输出电能，双向潮流发电装置作发电运行。
更进一步地，当涵道内无潮流流速时，定子依次通过电动网侧开关、变频器、电动机侧开关连接至电网吸收电能而产生交变磁场，通过与转子的磁场作用驱动转子旋转，转子进而驱动叶轮旋转，所述双向潮流发电装置作电动水泵运行。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种涵道式双向潮流电站系统，既避免了开放海域潮流发电装置海洋施工和运行维护的成本，也避免了潮汐电站发电装置的繁杂结构、辅助设备和流道严格施工的成本的问题，极大地提高了海洋潮汐能利用的性价比。同时，潮流发电装置具备电动水泵运行工况。另外，该涵道式双向潮流电站系统通过启闭闸门以控制内海水位，可以根据需要以多种方式运行，提高潮流能的利用效率。
附图说明
图1为本发明实施例中的正向潮流发电示意图；
图2为本发明实施例中的反向潮流发电示意图；
图3为本发明实施例中外海、内海潮位周期变化示意图；
图4为本发明实施例中外海、内海水位差周期变化示意图；
图5为本发明实施例中涵道内潮流流速周期变化示意图；
图6为本发明实施例中潮流发电装置输出功率周期变化示意图；
图7为本发明实施例中涵道内潮流发电装置布置横截面示意图；
图8为本发明实施例中涵道内潮流发电装置布置俯视示意图；
图9为本发明实施例中的双向潮流发电装置剖面图；
图10为本发明实施例中潮流发电装置的电气系统图；
图11为本发明实施例中的控制内海低水位运行方式示意图；
图12为本发明实施例中的控制内海高、低水位运行方式示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
如图1-2所示，一种涵道式双向潮流电站系统，主要由双向潮流发电装置1、坝体2、外海3、内海4、涵道5和启闭闸门6组成；所述双向潮流发电装置1安装于所述坝体2底部的涵道5内；所述涵道5的两端分别设有与所述外海3和内海4相连通的开口，并且两个开口分别设有启闭闸门6。
工作时，当外海3在潮汐运动作用下潮位发生变化时，与所述坝体2另一侧的内海4潮位形成水位差，所述涵道5内即有海水流动形成正向潮流或反向潮流，所述双向潮流发电装置1即可捕获正向潮流或反向潮流动能实现正向发电或反向发电运行输出电能。
如图3-5所示，潮汐运动引起外海3潮位按正弦规律变化。启闭闸门6常开，当外海3的潮位高于内海4的潮位时，形成正向水位差，海水从外海3经过所述涵道5流向内海4形成正向潮流，所述双向潮流发电装置1捕获正向潮流动能发电运行输出电能。随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海3潮位等于内海4潮位时，水位差为零，所述涵道5内海水流速为零，所述双向潮流发电装置1保持原旋转方向短暂惯性惰转，输出极少电能。随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海3潮位低于内海4潮位时，形成反向水位差，海水从内海4经过涵道5流向外海3形成反向潮流，所述双向潮流发电装置1实施自动变桨功能，仍保持原旋转方向继续捕获反向潮流动能发电运行输出电能。随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海3潮位再次等于内海4潮位时，水位差为零，涵道5内海水流速为零，双向潮流发电装置1依旧保持原旋转方向短暂惯性惰转，输出极少电能。随后，所述双向潮流发电装置1再次捕获正向潮流发电，如此周而复始，交替循环运行。
如图7、图8所示，所述涵道5内可以安装一台双向潮流发电装置，也可以沿着垂直于潮流的方向并排安装两台或以上的双向潮流发电装置1，且当双向潮流发电装置1的数量大于两台时，为减少潮流流态的相互影响，所述双向潮流发电装置1的运行旋转方向两两相反。
如图9所示，所述双向潮流发电装置1包括叶轮11、转子12、定子13、后导流座14、前导流座15、圆柱滚子16、推力滚子17和电控系统18；所述叶轮11安装在所述转子12的外周，所述转子12为无轴结构，通过所述圆柱滚子16和所述推力滚子17可旋转地安装在所述前导流座15和后导流座14之间，所述前导流座15和后导流座14固定安装在所述涵道5内，所述圆柱滚子16和所述推力滚子17将所述叶轮11和所述转子12产生的径向载荷和轴向载荷传递给前导流座15和后导流座14；所述定子13安装在所述前导流座15和后导流座14之间，并位于所述转子12的内部；
如图10所示，所述电控系统18包括总控制器181、变流器182、变频器183、发电机侧开关184、发电网侧开关185、霍尔传感器186、电动网侧开关187和电动机侧开关188；所述变流器182、变频器183、发电机侧开关184、发电网侧开关185、电动网侧开关187和电动机侧开关188分别以通讯电缆连接于所述总控制器181，所述霍尔传感器186设置于所述定子13的铁心槽内并以通讯电缆连接于所述变频器183；所述电动网侧开关187和电动机侧开关188分别以电力电缆连接于所述变频器183，所述发电机侧开关184和发电网侧开关185分别以电力电缆连接于所述变流器182。所述发电机侧开关184以电力电缆连接于所述双向潮流发电装置1的定子13的引出线，所述发电网侧开关185连接于电网。所述电动机侧开关188以电力电缆连接于所述双向潮流发电装置1的定子13的引出线，所述电动网侧开关187以电力电缆连接于电网。
如图1-2、图9-10所示，当涵道5内有潮流时，所述叶轮11捕获正向或反向潮流动能旋转，驱动所述转子12产生旋转磁场，在所述定子13的绕组内产生电磁感应电压和电流，通过所述发电机侧开关184、所述变流器182、所述发电网侧开关185连接至电网输出电能，所述双向潮流发电装置1作发电运行；当涵道5内无潮流流速时，所述定子13通过所述电动网侧开关187、所述变频器183、所述电动机侧开关188连接至电网吸收电能而产生交变磁场，通过与所述转子12的磁场作用驱动转子旋转，转子进而驱动叶轮旋转，所述双向潮流发电装置1作电动水泵运行。
如图10所示，当所述双向潮流发电装置1发电运行时，所述总控制器181发出发电运行指令，所述电动网侧开关187、电动机侧开关188断开，所述变频器183停止工作；所述发电机侧开关184合闸，所述变流器182将所述双向潮流发电装置1输出电能整流、逆变成工频电能，并将输出电能信号与电网电能信号比较，满足并网条件时，所述发电网侧开关185合闸，所述双向潮流发电装置1向电网输出电能；
当所述双向潮流发电装置1作电动水泵运行时，总控制器181发出电动水泵运行指令，所述发电机侧开关184、发电网侧开关185断开，所述变流器182停止工作；所述电动网侧开关187、电动机侧开关188合闸，所述霍尔传感器186反馈位置和转速信号给所述变频器183，所述变频器183提供变频电源起动并拖动双向潮流发电装置1作电动水泵运行。
如图11-12所示，通过关闭所述启闭闸门6控制内海4水位的变化，为所述涵道式双向潮流电站系统提供多种运行方式。例如，如图11所示，当内海4水位高于外海3水位、所述双向潮流发电装置1作反向发电运行时，为保证内海4的最低水位值需要，此时需关闭所述启闭闸门6，所述双向潮流发电装置1停止发电，所述潮流电站系统形成正向发电、反向发电、停止发电的循环运行方式。进一步地，例如，如图12所示，为保证内海4的最高水位值需要和最低水位值需要，需在所述双向潮流发电装置1正向发电运行和反向发电运行时关闭所述启闭闸门6，所述双向潮流发电装置1停止发电，所述潮流电站系统形成正向发电、停止发电、反向发电、停止发电的循环运行方式。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种涵道式双向潮流电站系统，其特征在于，主要由双向潮流发电装置、坝体、外海、内海、涵道和启闭闸门组成；所述双向潮流发电装置安装于所述坝体底部的涵道内；所述涵道的两端分别设有与所述外海和内海相连通的开口，并且两个开口分别设有启闭闸门；
所述双向潮流发电装置包括叶轮、转子、定子和电控系统；所述叶轮安装在所述转子的外周；
所述电控系统包括总控制器、变流器、发电机侧开关和发电网侧开关，所述变流器、发电机侧开关和发电网侧开关分别连接于所述总控制器，所述发电机侧开关和发电网侧开关分别连接于所述变流器，所述发电机侧开关连接于所述双向潮流发电装置的定子引出线，所述发电网侧开关连接于电网；所述电控系统还包括霍尔传感器、变频器、电动网侧开关和电动机侧开关，所述变频器、电动网侧开关和电动机侧开关均连接于所述总控制器，所述霍尔传感器连接于所述变频器；所述电动网侧开关和电动机侧开关分别连接于所述变频器，且所述电动机侧开关连接于所述双向潮流发电装置的定子引出线，所述电动网侧开关连接于电网；
当涵道内有潮流时，所述叶轮捕获正向或反向潮流动能旋转，驱动所述转子产生旋转磁场，在所述定子的绕组内产生电磁感应电压和电流，通过所述发电机侧开关、所述变流器、所述发电网侧开关连接至电网输出电能，所述双向潮流发电装置作发电运行；当涵道内无潮流流速时，所述定子通过所述电动网侧开关、所述变频器、所述电动机侧开关连接至电网吸收电能而产生交变磁场，通过与所述转子的磁场作用驱动转子旋转，转子进而驱动叶轮旋转，所述双向潮流发电装置作电动水泵运行。
2.根据权利要求1所述的涵道式双向潮流电站系统，其特征在于，所述涵道内安装一台双向潮流发电装置，或沿着垂直于潮流的方向并排安装两台或以上的双向潮流发电装置，且当双向潮流发电装置的数量大于或等于两台时，为减少潮流流态的相互影响，所述双向潮流发电装置的运行旋转方向两两相反。
3.根据权利要求1所述的涵道式双向潮流电站系统，其特征在于，所述双向潮流发电装置包括后导流座、前导流座、圆柱滚子、推力滚子；所述转子为无轴结构，通过所述圆柱滚子和所述推力滚子旋转地安装在所述前导流座和后导流座之间，所述前导流座和后导流座固定安装在所述涵道内，所述圆柱滚子和所述推力滚子将所述叶轮和所述转子产生的径向载荷和轴向载荷传递给前导流座和后导流座；所述定子安装在所述前导流座和后导流座之间，并位于所述转子的内部。
4.上述任一权利要求所述的涵道式双向潮流电站系统的工作方法，其特征在于，具体为：
启闭闸门常开，当外海的潮位高于内海的潮位时，形成正向水位差，海水从外海经过所述涵道流向内海形成正向潮流，所述双向潮流发电装置捕获正向潮流动能发电运行输出电能；随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海潮位等于内海潮位时，水位差为零，所述涵道内海水流速为零，所述双向潮流发电装置保持原旋转方向短暂惯性惰转；
当外海潮位低于内海潮位时，形成反向水位差，海水从内海经过涵道流向外海形成反向潮流，所述双向潮流发电装置自动变桨，捕获反向潮流动能发电运行输出电能；随着时间的推移和潮汐运动的变化，当外海潮位再次等于内海潮位时，水位差为零，涵道内海水流速为零，双向潮流发电装置依旧保持原旋转方向短暂惯性惰转；
所述双向潮流发电装置捕获正向潮流动能或反向潮流动能的过程为：
当涵道内有潮流时，叶轮捕获正向潮流动能或反向潮流动能旋转，驱动转子产生旋转磁场，在定子的绕组内产生电磁感应电压和电流，依次通过发电机侧开关、变流器、发电网侧开关连接至电网输出电能，双向潮流发电装置作发电运行；
当涵道内无潮流流速时，定子依次通过电动网侧开关、变频器、电动机侧开关连接至电网吸收电能而产生交变磁场，通过与转子的磁场作用驱动转子旋转，转子进而驱动叶轮旋转，所述双向潮流发电装置作电动水泵运行。
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