CN109944744B

CN109944744B - 海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统

Info

Publication number: CN109944744B
Application number: CN201910336101.9A
Authority: CN
Inventors: 褚晓广; 蔡彬; 孔英; 韩子豪; 董同乐
Original assignee: Qufu Normal University
Current assignee: Qufu Normal University
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: CN109944744A

Abstract

本发明公开了一种海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统，采用垂直轴风力机直接驱动高压水泵，结合盘式电机悬浮绕组的电流调控，将风机旋转体悬浮，消除风机旋转时的摩擦损耗，借助盘式电机电磁转矩调控以及高压水泵的投切，粗细协同调控风能捕获和功率控制；采用多层风机桨叶梯形结构，将悬浮绕组和铁芯下移至风机旋转体底端，降低桨叶倾覆力矩变化以及风机旋转体重心，提升风机旋转体悬浮稳定；采用蓄电池和高压水罐的复合储能，实现悬浮电驱、悬浮捕获以及阻尼额定转速等多工作模式下海水淡化，设置高压水罐膜高效淡化液位范围，采用高压水泵的投切和膜淡化进水阀开度调节，协同提升风能利用、海水淡化效率以及膜淡化寿命。

Description

海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统

技术领域

本发明涉及一种风力海水淡化系统，尤其是一种应用于解决淡水资源匮乏的海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统，属于风电磁悬浮领域。

背景技术

随着水资源短缺和能源危机的日益恶化，以新能源为能源供给的海水淡化系统日益受到世界各国关注。风力资源蕴含容量大，严格无污染，特别适合于解决无电网触及的偏远海岛的电能和淡水资源供给，为此，发展基于风能的海水淡化是解决水资源匮乏，提升海岛住户生活质量的有效手段。但传统风力发电多为水平轴风力发电系统，其和海水淡化装置的能量交互采用风-机-电的耦合能量供给结构，能量转化环节多，风能利用以及海水淡化效率普遍较低，风速的随机性和波动性严重制约海水淡化效率，特别对于不适合变工况运行的反渗透膜海水淡化法，风能频繁波动极易导致海水淡化效率的降低和膜组件寿命老化。目前风力海水淡化系统中的风力机大多采用水平轴风力机，风力机发电功率波动大，且水平轴偏航迎风装置的故障率高，无疑增大海水淡化成本，且海水淡化膜组件淡化压力的调控多采用简单的关停结构，虽然也采用了蓄电池储能平抑风能波动，但频繁的充放电极易导致蓄电池寿命降低，提升淡化成本，为此必须研究一种可降低风能转化环节、多种储能方式并存的风力海水淡化系统，真正推动风力海水淡化系统的真正实用化。

发明内容

本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种海上磁悬浮垂直轴海水淡化系统，包括海上风电支撑平台、磁悬浮盘式电机、风机桨叶、风机旋转体、机械传动装置、高压泵、高压罐、反渗透膜组、淡水罐、蓄电池、变流器部分、监督控制单元等组成；海上风电支撑平台为风力机、高压泵、高压罐、淡水罐、反渗透膜组件提供支撑平台；磁悬浮盘式电机包括定子绕组和悬浮绕组，所述定子绕组为三相交流绕组，刚性固定在塔架底端，输出经变流器部分调控，将超过高压泵功率的多余风能，储存至蓄电池，所述悬浮绕组与悬浮变流器相联，位于风机旋转体底部，所述悬浮变流器为H桥变流器，调控悬浮绕组电流以及磁悬浮盘式电机的励磁电流，悬浮风机旋转体和无摩擦捕获风能；所述变流器部分包括捕获变流器、悬浮变流器、蓄电池管理变流器，所述捕获变流器为三相可控整流器，实时根据风速变化调控盘式电机电磁转矩，进行最大风能捕获和功率控制；所述蓄电池管理变流器为BUCK-BOOST拓扑结构，根据风速以及高压罐内液位，改变盘式电机的电动机和发电机的工作模式，对蓄电池进行充放电。

所述风机桨叶采用多层梯形式布局结构，风机桨叶力臂按照高度下降三次方关系增大，弱化风机桨叶高度下降对风速影响，提高风能利用率；所述风机旋转体包括机壳、悬浮绕组以及太阳轮，悬浮绕组及其铁芯置于风机旋转体底部，重心下移风机旋转体，提高风机旋转体悬浮稳定性，所述机壳为流线型结合的上下两圆柱体结构，上圆柱体结构为上端封闭中空结构，由塔架支撑，在风机桨叶驱动下，旋转捕获风能，所述下圆柱体结构为上下中空盘式结构，下端刚性联结太阳轮，通过机械传动装置与4组高压泵机械耦合。

所述机械传动装置包括盘式支撑体、变速齿轮以及电磁离合器，将风机旋转体捕获转矩经太阳轮、变速齿轮驱动高压泵运行，所述盘式支撑体与塔架刚性联结，按等分原则分布4组变速齿轮以及轴承，所述变速齿轮与风机旋转体上的太阳轮啮合，并将风机旋转体转速升速，所述电磁离合器安装在变速齿轮的旋转中轴上，控制高压泵个数，辅助盘式电机定子绕组进行功率调控；所述高压泵固定在海上风电支撑平台上，高压提升海水存储在高压罐内，将风机旋转体捕获风能转化为高压海水储存；所述高压罐储存高压海水，将风能波动与反渗透膜海水流入两部分隔离，上端设置高压泄水阀，内部设置浮子液位传感器，高压罐立式放置，与卧式放置的反渗透膜高度，设置额定高度差，提供自然反渗透膜淡化压力差；所述反渗透膜组件为海水淡化的核心组件，前端设置进水流量阀和压力传感器，下侧设置苦盐水排出阀，两流量阀协同一起，调控反渗透膜淡化压力，提升海水淡化效率；所述淡水罐放置在海上风电支撑平台下侧，形成天然液压差，罐内设置有液位传感器，实测淡水余量；所述监督控制单元的主核心CPU为DSP28335，实时根据传感器测量的风速、高压罐液位、反渗透膜压力、风机旋转体转速、蓄电池充放电电流等数据，控制电磁离合器吸合、盘式电机电磁转矩、反渗透膜组件数量及进水阀开度、BUCK-BOOST工作状态及充放电电流，协同实现海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统的悬浮电驱海水淡化、悬浮捕获海水淡化、阻尼额定转速海水淡化和停机海水淡化等四种工作模式的合理切换及高效控制。

本发明的有益效果是：

1）采用多层风机桨叶梯形结构，桨叶力臂随高度下降的三次方关系而增大，风机旋转体采用两圆柱体流线型结构，盘式电机悬浮绕组和铁芯下移至风机旋转体底端，降低风机旋转体重心和桨叶高度变化对倾覆力矩影响，极大地提高了风机旋转体的悬浮稳定性；

2）采用垂直轴风力机直接驱动高压水泵，减少了能量转换环节，同时磁悬浮盘式电机悬浮绕组电流调控，将风机旋转体悬浮，降低风能捕获旋转所致的摩擦损耗，采用盘式电机电磁转矩调控以及高压水泵数量的投切，粗细协同调控风能最大捕获和功率控制，提升风能利用率；

3）采用蓄电池和高压水罐一体化的复合储能，实现悬浮电驱动、悬浮捕获以及阻尼额定转速等多工作模式下海水淡化，有效平抑风能波动对海水淡化可靠性的影响，设置高压水罐膜淡化高效液位范围，经由高压水泵投切以及反渗透膜进水阀门开度控制，协同提升海水淡化效率以及膜淡化寿命。

附图说明

图1为本发明海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统结构示意图。

图2为本发明海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统机械传动装置结构图。

图3为本发明海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统塔架顶端结构图。

图4为本发明海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统变流器部分结构图。

图中：1-塔架，2-风机旋转体，3.1~3.3-风机桨叶，4-定子绕组，5-变流器部分，6-悬浮绕组（转子绕组），7-盘式支撑体，8-变速齿轮，9-电磁离合器，10-太阳轮，11.1~11.2-高压泵，12-反渗透膜组件，13-进水阀，14-高压罐，15-海水淡化柜体，16-浓盐水排出阀，17-淡水罐，18-海上风电支撑平台，19.1~19.4(8)-变速齿轮，20(10)-太阳轮，21(1)-塔架，22-盘式支撑体，23-塔架滚珠，24-蓄电池；25-捕获变流器，26-悬浮变流器，27-蓄电池管理变流器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。如图1~图4所示，本发明海上磁悬浮垂直轴海水淡化系统包括海上风电支撑平台18、磁悬浮盘式电机（4,6）、风机桨叶3.1~3.3、风机旋转体2、机械传动装置、高压泵11、高压罐14、反渗透膜组件12、淡水罐17、蓄电池24、变流器部分5（25~27）、监督控制单元等组成；海上风电支撑平台18为塔架1、高压泵11、高压罐14、淡水罐17、反渗透膜组件12提供支撑平台；磁悬浮盘式电机包括定子绕组4和悬浮绕组6，定子绕组4为三相交流绕组，刚性固定在塔架1底端，输出经变流器部分5调控，将超过高压泵功率的多余风能，储存至蓄电池24，所述悬浮绕组6与悬浮变流器26相联，位于风机旋转体2底部，悬浮变流器拓扑结构为H桥变流器，调控悬浮绕组6电流以及定子绕组4的励磁电流，悬浮风机旋转体和无摩擦捕获风能；所述变流器部分包括捕获变流器25、悬浮变流器26、蓄电池管理变流器27，所述捕获变流器25为三相可控整流器，实时根据风速变化调控盘式电机电磁转矩，进行最大风能捕获和功率控制；所述蓄电池管理变流器27为BUCK-BOOST拓扑结构，根据风速以及高压罐14内液位，改变盘式电机的电动机和发电机的工作模式，对蓄电池进行充放电。

所述风机桨叶采用多层梯形式布局结构，风机桨叶力臂按照高度下降三次方关系增大，弱化风机桨叶高度下降对风速影响，提高风能利用率；所述风机旋转体2包括机壳、悬浮绕组6以及太阳轮10，悬浮绕组2及其铁芯置于风机旋转体2底部，重心下移风机旋转体，提高风机旋转体悬浮稳定性，所述机壳为流线型结合的上下两圆柱体结构，上圆柱体结构为上端封闭中空结构，由塔架1支撑，在风机桨叶驱动下，旋转捕获风能，所述下圆柱体结构为上下中空盘式结构，下端刚性联结太阳轮10，通过机械传动装置与4组高压泵11机械耦合。

所述机械传动装置包括盘式支撑体7、变速齿轮8以及电磁离合器9，将风机旋转体2捕获转矩经太阳轮10、变速齿轮8驱动高压泵11运行，所述盘式支撑体7与塔架1刚性联结，按等分原则分布4组变速齿轮8以及轴承，所述变速齿轮8与风机旋转体上的太阳轮10啮合，并将风机旋转体转速升速，所述电磁离合器9安装在变速齿轮8的旋转中轴上，控制高压泵11个数，辅助盘式电机定子绕组进行功率调控；所述高压泵11固定在海上风电支撑平台18上，高压提升海水存储在高压罐14内，将风机旋转体捕获风能转化为高压海水储存；所述高压罐14储存高压海水，将风能波动与反渗透膜海水流入两部分隔离，上端设置高压泄水阀，内部设置浮子液位传感器，高压罐立式放置，与卧式放置的反渗透膜高度，设置额定高度差，提供自然反渗透膜淡化压力差；所述反渗透膜组件12为海水淡化的核心组件，前端设置进水阀13和压力传感器，下侧设置浓盐水排出阀16，两流量阀协同一起，调控反渗透膜淡化压力，提升海水淡化效率；所述淡水罐17放置在海上风电支撑平台18下侧，形成天然液压差，罐内设置有液位传感器，实测淡水余量。

所述监督控制单元主核心CPU为DSP28335，实时检测风速、高压罐液位、反渗透膜压力、风机旋转体转速、蓄电池充放电电流等数据，判断海水淡化模式以及泵膜投切数量，控制风能捕获、阻尼控制以及海水淡化；首先根据实测风速，选择风机旋转体悬浮或阻尼控制，当风速 V<额定风速 V _N时，悬浮绕组上电，风机旋转体悬浮，进而根据高压罐内液位，选择高压泵和反渗透膜组件工作数量，基于电磁离合器吸合和进水阀开度，控制高压泵和反渗透膜组件的投切，同时以风机旋转体风能最大功率点对应转速为目标，调控盘式电机电磁转矩，实现最大风能捕获，此时为悬浮捕获海水淡化（额定风速 V _N≥ V≥V _in），风机桨叶捕获风能，风机旋转体经太阳轮驱动机械耦合装置中变速轮，驱动高压泵将海水存储至高压罐，超过高压泵功率部分的风能，经蓄电池管理变流器存储至蓄电池内，待无风状态下进入悬浮电驱海水淡化模式（风速 V<切入风速 V _in），此时蓄电池释能，捕获变流器工作在逆变状态，驱动盘式电机电驱动高压泵提水；当风速 V≥V _N时，减小盘式电机悬浮绕组电流，将风机旋转体悬浮降落至塔架上，此时进入阻尼额定转速海水淡化（切出风速 V _out≥ V≥V _N），调控悬浮电流改变摩擦转矩以及盘式电机电磁转矩，使风机旋转体工作在额定转速，同时高压泵全部工作，将海水高压存储至高压罐内，高压罐内海水经进水阀，送人反渗透膜组件，海水淡化至淡水罐内；当 V≥ V _out时垂直风力机停机，海水淡化完全由高压罐内海水经由反渗透膜组件淡化。

Claims

1.一种海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统，其特征是，包括海上风电支撑平台、磁悬浮盘式电机、风机桨叶、风机旋转体、机械传动装置、高压泵、高压罐、反渗透膜组件、淡水罐、蓄电池、变流器部分、监督控制单元；所述海上风电支撑平台为风力机、高压泵、高压罐、淡水罐、反渗透膜组件提供支撑；所述磁悬浮盘式电机包括轴向放置的定子绕组和悬浮绕组，所述定子绕组为三相交流绕组，刚性固定在塔架底端，输出经变流器部分调控，将超过高压泵功率的多余风能，储存至蓄电池，所述悬浮绕组与悬浮变流器相联，位于风机旋转体底部，所述悬浮变流器为H桥变流器，调控悬浮绕组电流以及磁悬浮盘式电机的励磁电流，悬浮风机旋转体和无摩擦捕获风能；所述风机桨叶采用多层梯形式布局结构，风机桨叶力臂按照高度下降三次方关系增大，弱化风机桨叶高度下降对风速影响，提高风能利用率；所述风机旋转体包括机壳、悬浮绕组以及太阳轮，悬浮绕组及其铁芯置于风机旋转体底部，重心下移风机旋转体，提高风机旋转体悬浮稳定性，所述机壳为流线型结合的上下两圆柱体结构，上圆柱体结构为上端封闭中空结构，由塔架支撑，在风机桨叶驱动下，旋转捕获风能，下圆柱体结构为上下中空盘式结构，下端刚性联结太阳轮，通过机械传动装置与4组高压泵机械耦合；所述机械传动装置包括盘式支撑体、变速齿轮以及电磁离合器，将风机旋转体捕获转矩经太阳轮、变速齿轮驱动高压泵运行，所述盘式支撑体与塔架刚性联结，按等分原则分布4组变速齿轮以及轴承，所述变速齿轮与风机旋转体上的太阳轮啮合，并将风机旋转体转速升速，所述电磁离合器安装在变速齿轮的旋转中轴上，控制高压泵个数，辅助盘式电机定子绕组进行功率调控；所述高压泵固定在海上风电支撑平台上，高压提升海水存储在高压罐内，将风机旋转体捕获风能转化为高压海水储存；所述高压罐储存高压海水，将风能波动与反渗透膜海水流入两部分隔离，上端设置高压泄水阀，内部设置浮子液位传感器，高压罐立式放置，与卧式放置的反渗透膜高度，设置额定高度差，制造自然液位高度差，提供反渗透膜淡化压力；所述反渗透膜组件为海水淡化的核心组件，前端设置进水阀和压力传感器，下侧设置浓盐水排出阀，两流量阀协同一起，调控反渗透膜淡化压力，提升海水淡化效率；所述淡水罐放置在海上风电支撑平台下侧，形成天然液压差，罐内设置有液位传感器，实测淡水余量；所述变流器部分包括捕获变流器、悬浮变流器、蓄电池管理变流器，所述捕获变流器为三相可控整流器，实时根据风速变化调控盘式电机电磁转矩，进行最大风能捕获和功率控制；所述蓄电池管理变流器为BUCK-BOOST拓扑结构，根据风速以及高压罐内液位，改变盘式电机的电动机和发电机的工作模式，对蓄电池进行充放电；所述监督控制单元的主核心CPU为DSP28335，实时根据传感器测量的风速、高压罐液位、淡水液位、进水压力、风机旋转体转速、蓄电池充放电电流，控制电磁离合器吸合、电磁转矩、反渗透膜数量、进水阀开度、BUCK-BOOST工作状态及充放电电流，协同实现海上磁悬浮垂直轴风力海水淡化系统的悬浮电驱海水淡化、悬浮捕获海水淡化、阻尼额定转速海水淡化和停机海水淡化四种工作模式，根据实测风速，选择风机旋转体悬浮或阻尼控制，当风速V<额定风速V _N时，悬浮绕组上电，风机旋转体悬浮，进而根据高压罐内液位，选择高压泵和反渗透膜组件工作数量，基于电磁离合器吸合和进水阀开度，控制高压泵和反渗透膜组件的投切，同时以风机旋转体风能最大功率点对应转速为目标，调控盘式电机电磁转矩，实现最大风能捕获，此时额定风速V _N≥V≥V _in为悬浮捕获海水淡化模式，风机桨叶捕获风能，风机旋转体经太阳轮驱动机械耦合装置中变速轮，驱动高压泵将海水存储至高压罐，超过高压泵功率部分的风能，经蓄电池管理变流器存储至蓄电池内；当风速V<切入风速V _in，无风状态下进入悬浮电驱海水淡化模式，此时蓄电池释能，捕获变流器工作在逆变状态，驱动盘式电机电驱动高压泵提水；当风速V≥V _N时，减小盘式电机悬浮绕组电流，将风机旋转体悬浮降落至塔架上，此时切出风速V _out≥V≥V _N，进入阻尼额定转速海水淡化模式，调控悬浮电流改变摩擦转矩以及盘式电机电磁转矩，使风机旋转体工作在额定转速，同时高压泵全部工作，将海水高压存储至高压罐内，高压罐内海水经进水阀，送入反渗透膜组件，海水淡化至淡水罐内；当V≥V _out时垂直风力机停机海水淡化，完全由高压罐内海水经由反渗透膜组件淡化。