CN111271206B - 一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统，包括叶轮结构和发电结构。其中，叶轮结构包括：中轴、第一导流罩、第二导流罩和叶轮轮毂；第一导流罩和第二导流罩固定在中轴上；叶轮轮毂位于第一导流罩和第二导流罩间，且转动固定在中轴上绕中轴转动；叶轮轮毂上设置有多个叶片，叶轮轮毂面向第一导流罩一侧，设置有棘轮；发电结构包括至少一个摆锤和至少一个线圈；线圈固定在第一导流罩内侧，摆锤转动固定在中轴上绕中轴转动；其中，摆锤包括摆臂和锤头，锤头上设置有磁极，摆臂上设置有棘爪。该系统适用于深海较低流速环境，为观测设备、探测设备或通信设备提供小功率能量补充应用，具有自行启动，可靠性高，吸收转换效率高的特点。

Description

一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统
技术领域
本发明涉及深海探测潜标和海流发电领域，特别涉及一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统。
背景技术
深海观测潜标是对海洋环境进行观测的常用设备，在探测、开发、利用和保护海洋方面有着至关重要的作用。深海潜标布放回收成本较高，而能源是限制其长期布置的关键因素之一。海流发电类似于风力发电，是通过收集海流能发电的装置。而深海海流微弱，且具有较高的海水盐度和水压，工作环境苛刻。将海流发电用于深海潜标能源补给上是值得研究的领域。
现代的海洋观测主要针对海流、温度、盐度、浊度和深度等物理参数进行研究，未来还会加入水质检测、生物群体观测等，观测数据通过无线或有线传输给岸站进行数据汇总和处理。有线方案铺设和维护成本都很高，且技术复杂；带浮标方案的容易受表面海况和行船等影响，且深海浮标成本也不菲。无线节点式潜标目前应用最为广泛，能在任意节点快速布放回收，但受限于自身能源需要定期更换能源。
海流发电研究已经历经30年，如今，部分海流发电项目上已经取得较好成效并开始商业化运行。如英国Marine Current Turbines(MCT)公司生产的300kw水下海流能发电装置SeaFlow是世界上第一套投入商业化使用的海流能发电装置，于2003年建成并组网发电。未来海流能发电有望成为继风能发电之后又一清洁能源。
由于环境苛刻，对深海海流发电技术的研究大部分集中在理论阶段，并且多数研究中忽略的大部分深海海域流速极地的事实——深海海域流速并非恒定不变，有按潮汐变化的、有按季节变化的，流速在0.1m/s以下的区域和时间占比约30％。即使大于0.1m/s流速中，流速波动也比较严重，常规技术方案不具有实用性。
发明内容
本发明实施例的目的在于解决现有技术在深海环境下，利用变桨距或外设发电设备对海流能捕捉存在的技术缺陷。尤其是外设发电设备中，通过增速器带动发电机发电时，由于发电机的转速相对于深海环境中的叶轮结构转速过快，影响海流能的转化率。
为实现上述目的，本发明实施例记载了一种包括叶轮结构和发电结构的微弱海流发电系统，用于深海潜标能源补充。
其中，叶轮结构包括：中轴、第一导流罩、第二导流罩和叶轮轮毂；第一导流罩和第二导流罩固定在中轴上；叶轮轮毂位于第一导流罩和第二导流罩之间，且转动固定在中轴上绕中轴转动；叶轮轮毂上设置有多个叶片，叶轮轮毂面向第一导流罩一侧，设置有棘轮；发电结构包括至少一个摆锤和至少一个线圈；线圈固定在第一导流罩内侧，摆锤转动固定在中轴上绕中轴转动；其中，摆锤包括摆臂和锤头，锤头上设置有磁极，摆臂上设置有棘爪。
一个实施例中，棘轮与摆臂上的棘爪配合形成单向间歇运动机构。
一个实施例中，根据海流的流速和叶轮轮毂的转速，设置叶片的翼型根部采用厚弦比为10-20％的翼型；叶片的翼型尖部采用厚弦比为3-7％的翼型；翼型根部到翼型尖部采用线性过度。
一个实施例中，当叶轮结构捕获的海流的流速大于叶轮轮毂转动所需的海流的流速，系统实现自启动。具体地，当叶轮结构捕获的海流的流速所对应的海流能，大于叶轮轮毂转动所需的额定转矩所对应的转动机械能时，系统实现自启动。
一个实施例中，中轴为金属材质，叶轮轮毂为塑料材料；塑料材料与金属材质间的摩擦系数小于0.1，塑料材料吸水率小于0.05％
一个实施例中，叶片采用耐压浮力材料。
进一步的实施例中，叶轮结构和叶轮轮毂合计的浮力与重力在海水中趋近于0，使得发电系统在额定运动时中轴与叶轮轮毂之间无径向力；或通过在叶片和/或叶轮轮毂上设置配重，以及调整配重的质量，使叶片、叶轮轮毂和配重合计的浮力与重力在海水中趋近于0，使得发电系统在额定运动时中轴5与叶轮轮毂8之间无径向力。
一个实施例中，将至少两个摆锤作为负载，负载绕中轴转动所需的最大负载扭矩小于叶轮轮毂转动所需的额定扭矩。
本发明实施例的优点在于：第一点，采用内导流罩方式，提高叶轮有效功功率，进而提高能量捕获效率；第二点，叶轮材质选用低密度材料，在海水中实现叶轮重力与浮力相抵，减少叶轮与轴的径向摩擦；第三点，叶片根部采用较厚的翼型，尖部采用较薄的翼型，中间线性过度，提高承载强度和降低叶轮总质量；第四点，采用间歇式脉冲发电方案，将机械能转换为重力势能，达到极大值后释放转换为动能，磁场通过线圈时使线圈产生感应电动势；第五点，采用多个摆锤方案使负载扭矩更均匀，提高脉冲系统效率。基于上述特点，使本发明实施例中的发电系统可更好的应用于深海的微弱海流地带，并具备较低的维护成本。
附图说明
图1为本发明实施例的一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统示意图；
图2为本发明实施例的导流罩与中轴连接关系示意图；
图3为本发明实施例的摆锤结构的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统示意图，如图1所示，该发电系统包括：叶轮结构和发电结构。
叶轮结构包括：中轴5、第一导流罩21、第二导流罩22和叶轮轮毂8；第一导流罩21和第二导流罩22固定在中轴5上，如图2所示；叶轮轮毂8位于第一导流罩21和第二导流罩22之间，且转动固定在中轴5上；叶轮轮毂8上设置有多个叶片1，叶轮轮毂8面向第一导流罩21一侧，设置有棘轮3。
叶轮结构设计上以自由启动为基础，即叶轮结构在静止状态下，若叶轮结构捕获的海流的来流速度所对应的海流能，大于叶轮轮毂8转动所需的额定转矩所对应的转动机械能时，叶轮轮毂8开始转动；即，当叶轮结构捕获的海流的来流速度到达预设阈值时，实现系统自启动。不用额外设计启动设备或变桨距等方法，通过外力启动本系统。
具体地，用于自启动系统的预设阈值，根据整个发电系统的设计过程中的各项参数，及其所工作的水下环境的各项参数决定。包括如流体密度、正常工作的流速范围、叶轮内径、外径、叶轮转速、叶片的翼型参数等。
叶片1的翼型以所述发电系统的功率捕获效率最高为设计目标，根据微弱海流的流速和叶轮轮毂8的转速进行翼型和结构参数的设计，使用分析流体力学和翼型设计软件为工具，实现给定工况下最大效率。叶片1的翼型根部采用厚弦比为10-20％的翼型；叶片1的翼型尖部采用厚弦比为3-7％的翼型；翼型根部到翼型尖部采用线性过度，有效提升叶片承载能力和降低耗材。
为了减少滑动轴承中软质地材料的磨损。叶片1采用小于海水密度的材料，使叶片1和叶轮轮毂8合计的浮力与重力在海水中相抵，使得额定运动状况下中轴5与叶轮轮毂8之间无径向力。更进一步的，可以增加适当质量的配重，更好的使叶片1、叶轮轮毂8和配重合计的浮力与重力在海水中趋近于0；配重的位置可以根据实际需要设置在叶片1和/或叶轮轮毂8上。
通过上述设计，当中轴5与叶轮轮毂8之间无径向力时，叶轮轮毂8在绕中轴5旋转过程中产生的摩擦力将消失。由此减少了额外的能量消耗。需要说明，这一设计的目的在于尽可能得减少可能产生的摩擦或额外负载。
一个实施例中，叶片1采用耐压浮力材料，使其密度小于海水。配重可以为设置在叶片1的中心和/或翼型根部的金属骨架，在平衡叶片1和叶轮轮毂8在海水中浮力与重力的同时，还可以提高叶片1的强度。
一个实施例中，中轴5为金属材质，叶轮轮毂8为与金属材质摩擦系数小的塑料材料。此处的中轴5与叶轮轮毂8没有采用如滚动轴承原因或双金属的滑动轴承的形式。是因为，海水的腐蚀，尤其是小缝隙腐蚀，将使滚动轴承不可靠。塑料用于海水中需要考虑其吸水性，一般的塑料都具有一定的吸水性，吸水后塑料件体积会变大，限制塑料种类的吸水性和与金属的摩擦系数，均出于此种考虑。对于强度，因为采用实心结构，此处不用考虑。
具体地，叶轮轮毂8为与金属材质摩擦系数小于等于0.1的塑料材料，该塑料材料的吸水率小于等于0.05％。此处仅是一种可行的实施方案，在实际应用中中轴5与叶轮轮毂8的材料间只要具备较低的摩擦系数，且叶轮轮毂8的材料吸水率低、压力应变小、结构强度高即可。
发电结构包括至少一个摆锤6和至少一个线圈4。摆锤6转动固定在中轴5上，线圈4固定在第一导流罩21内侧。其中，摆锤6包括摆臂61和锤头62，锤头62上设置有磁极7；摆臂61上设置有棘爪63。
棘轮3与摆臂61上的棘爪63配合形成单向间歇运动机构，使摆锤6绕中轴5转动。我们将这一单向间歇运动机构作为一个整体的摆锤结构进行研究。叶轮结构捕获的海流能后，海流能转换为叶轮轮毂8的转动机械能，通过设置在叶轮轮毂8上的棘轮3与棘爪63的配合，使摆锤结构完成转动机械能到重力势能，再到动能的转换。
以摆锤6的锤头62作为标准，当锤头62从中轴5正下方移动到中轴5正上方时，叶轮轮毂8的转动机械能转化为摆锤6的重力势能；当锤头62从中轴5正上方移动到中轴5正下方时，摆锤6的重力势能转化为动能，磁极7用于产生磁场，在摆锤6将重力势能转化为动能的过程中，磁极7产生的磁场被线圈4切割，摆锤6的动能转化为电能。需要说明，本发明实施例中并不对锤头62上磁极7的具体位置设置关系进行限定。只要摆锤6将重力势能转化为动能的过程中，存在切割磁感线这一过程，即可将动能转化为电能。进一步地，将线圈4设置于锤头62上，将磁极7设置于第一导流罩21上，可以达到相同的目的。
以摆锤6的锤头62作为标准，当锤头62位于中轴5的正左方或者正右方时，作为负载的摆锤6具有最大的负载扭矩。假设，此时的摆锤6的相对角度为0°。当摆锤6向上或向下转动时，使摆锤6转动的扭矩相当于摆锤6的重力乘以摆锤半径(摆臂61长度)和相对角度的余弦值。当锤头62位于中轴5的正上方时，摆锤6的相对角度为90°，力臂为0。这个过程中负载扭矩从一个最大值变化到0，并由此引出两个问题。第一是转动机械能所对应的额定扭矩须要大于最大负载扭矩，叶轮轮毂8才能连续转动；第二是转动过程中负载扭矩变小这一过程，使海流能转化得到的转动机械能的利用率降低，由此负载扭矩的最小值决定了摆锤结构的效率。
需要说明，这里所指的额定扭矩是根据叶轮结构的外形尺寸参数计算得到的叶轮轮毂8绕中轴5转动的动力扭矩。
为解决上述问题，可以设置多个摆锤6，使负载均匀化，以弥补摆锤6转动过程中负载扭矩变小带来的利用率降低的缺陷，以提高海流能转化为电能的效率。理论上，当摆锤6满载，即设计无穷多个摆锤6，使各锤头62沿中轴5的周向两两接触，且各摆锤6之间相对静止的绕中轴5转动时，负载扭矩达到恒定。但同时还要满足多个摆锤6形成的摆锤组所提供的最大负载扭矩小于叶轮轮毂8转动所需的额定扭矩的要求，使系统可以连续转动。
实施例一
发电系统包括：叶轮结构和发电结构。其中，叶轮结构最大直径为3m，包括中轴5、第一导流罩21、第二导流罩22和叶轮轮毂8；第一导流罩21和第二导流罩22固定在中轴5上；叶轮轮毂8位于第一导流罩21和第二导流罩22之间，且转动固定在中轴5上；叶轮轮毂8上设置有20个叶片1。叶轮轮毂8面向第一导流罩21一侧，设置有棘轮3。
具体地，第一导流罩21和第二导流罩22的最大直径为1m，中轴5和叶轮轮毂8的轴向摩擦圆半径为15mm。中轴5为不锈钢材料，叶轮轮毂8为聚甲醛材料，两种材料的摩擦系数为0.1，吸水率小于0.05％，弹性模量为2.6GPa，结构强度为66MPa。叶片1的翼型根部采用厚弦比为12％的翼型；叶片1的翼型尖部采用厚弦比为4％的翼型，翼型根部到翼型尖部采用线性过度，有效提升叶片1承载能力和降低耗材。叶片1采用改性聚丙烯，其密度为0.95。在叶片1的翼型根部的中心设置有金属骨架。
发电结构包括5个摆锤6和3个线圈4。多个摆锤6转动固定在中轴5上，线圈4固定在第一导流罩21内侧。
具体地，如图3所示，摆锤6包括摆臂61和锤头62。每个锤头62上设置有4个磁极7，其中，4个磁极7包括2个S极磁极71和2个N极磁极72。这4个磁极7按照锤头62旋转的周向进行排列，依次为S极磁极71、N极磁极72、S极磁极71、N极磁极72。摆臂61上设置有棘爪63，用于与棘轮3的棘齿配合，形成单向间歇运动机构。
当叶轮结构捕获海流的动能后，海流的动能转化为叶轮轮毂8的转动机械能。叶轮轮毂8在如图1所示的方位关系的前提下逆时针转动，使摆锤6以中轴5为圆心逆时针转动。
以摆锤6的锤头62作为标准，当锤头62从中轴5正下方逆时针移动到中轴5正上方时，叶轮轮毂8的转动机械能转化为摆锤6的重力势能；当锤头62从中轴5正上方逆时针移动到中轴5正下方时，棘爪63处于脱钩状态，摆锤6在重力势能的作用下下落，这一过程中摆锤6的重力势能转化为动能，磁极7产生的磁场在此过程中被线圈4切割，摆锤6的动能转化为电能，线圈4将产生的电能输出给集电结构。
实施例二
发电系统包括：叶轮结构和发电结构。其中，叶轮结构最大直径为3m，包括中轴5、第一导流罩21、第二导流罩22和叶轮轮毂8；第一导流罩21和第二导流罩22固定在中轴5上；叶轮轮毂8位于第一导流罩21和第二导流罩22之间，且转动固定在中轴5上；叶轮轮毂8上设置有20个叶片1。叶轮轮毂8面向第一导流罩21一侧，设置有棘轮3。
具体地，第一导流罩21和第二导流罩22的最大直径为1m，中轴5和叶轮轮毂8的轴向摩擦圆半径为15mm。中轴5为不锈钢材料，叶轮轮毂8为聚甲醛材料，两种材料的摩擦系数为0.1，吸水率小于0.05％，弹性模量为2.6GPa，结构强度为66MPa。叶片1的翼型根部采用厚弦比为12％的翼型；叶片1的翼型尖部采用厚弦比为4％的翼型，翼型根部到翼型尖部采用线性过度，有效提升叶片1承载能力和降低耗材。叶片1采用改性聚丙烯，其密度为0.95.在叶片1的翼型根部的中心设置有金属骨架。
发电结构包括1个摆锤6和3个线圈4。摆锤6转动固定在中轴5上，线圈4固定在第一导流罩21内侧。
具体地，摆锤6包括摆臂61和锤头62，锤头62上设置有4个磁极7，这4个磁极7按照锤头62旋转的周向进行排列，依次为S极、N极、S极、N极。摆臂61上设置有棘爪63，用于与棘轮3的棘齿配合，形成单向间歇运动机构。
当叶轮结构捕获海流的动能后，海流的动能转化为叶轮轮毂8的转动机械能。叶轮轮毂8在如图1所示的方位关系的前提下逆时针转动，使摆锤6以中轴5为圆心逆时针转动。
以摆锤6的锤头62作为标准，当锤头62从中轴5正下方逆时针移动到中轴5正上方时，叶轮轮毂8的转动机械能转化为摆锤6的重力势能；当锤头62从中轴5正上方逆时针移动到中轴5正下方时，棘爪63处于脱钩状态，摆锤6在重力势能的作用下下落，这一过程中摆锤6的重力势能转化为动能，磁极7产生的磁场在此过程中被线圈4切割，摆锤6的动能转化为电能，线圈4将产生的电能输出给集电结构。
实施例一和实施例二的发电系统的自启动流速均为0.08m/s，也就是当外界流速大于0.08m/s时，叶轮可以自行从静止状态启动开始转动发电。叶轮接收的海流流速越大，所获得的转动扭矩就越大。而负载，即摆锤6在转动过程中，存在一个最大负载扭矩。发电系统的结构设计完成后，最大负载扭矩的值就确定，并且在发电系统工作过程中恒定，不会变化。当外界流速大于0.08m/s时，发电系统都可以工作，只是转动速度随外界流速越大就转动越快，获得的功率就越大。
水下试验中，以相同的海流条件对实施例一和实施例二的发电系统进行检测，当海流流速为0.1m/s时。
实施例一中的发电系统，锤头62从最低点逆时针转动至最高点，再由最高点下落至起始位置的最低点这一过程中，负载扭矩由小到大再由大到小，通过切割磁感线产生的脉冲电能，相对于水流的动能的转换效率为95.49％。可以提供连续1w/s的脉冲电能。
实施例二中的发电系统，锤头62从最低点逆时针转动至最高点，再由最高点下落至起始位置的最低点这一过程中，负载扭矩随摆锤6转动而变化，由小到大再由大到小，通过切割磁感线产生的脉冲电能，相对于水流的动能的转换效率为63.65％。
对比实施例一和实施例二。实施例一中通过设置5个均布的摆锤6，使得负载扭矩对应的角度的变化区间为实施例二中设置单个摆锤6时的五分之一。具体地，由于相对角度为0°时的余弦值是1，相对角度为90°时的余弦值是0；此时相对角度的变化区间为0～90°。在实施例二中单个摆锤6的情况下，最大负载扭矩对应的余弦值是1；最小负载扭矩对应的余弦值是0。在实施例一中5个摆锤6均布的情况下，最大负载扭矩对应的余弦值仍旧是1；但因为最小负载扭矩对应的相对角度为90°的五分之一，即18°；此时相对角度的变化区间为0～18°，最小负载扭矩对应的余弦值为0.950。因此，实施例一中的最小负载扭矩仅为最大负载扭矩的0.95倍，以此提高了摆锤系统的效率。
本发明实施例的一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统。采用内导流罩方式，提高叶轮有效功功率，进而提高能量捕获效率；叶轮材质选用低密度材料，在海水中实现叶轮重力与浮力相抵，减少叶轮与轴的径向摩擦；叶片根部采用较厚的翼型，尖部采用较薄的翼型，中间线性过度，提高承载强度和降低叶轮总质量；采用间歇式脉冲发电方案，将机械能转换为重力势能，达到极大值后释放转换为动能，磁场通过线圈时使线圈产生感应电动势；采用多个摆锤方案使负载扭矩更均匀，提高脉冲系统效率。基于上述特点，使本发明实施例中的发电系统可更好的应用于深海的微弱海流地带，并具备较低的维护成本。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于深海潜标能源补充的微弱海流发电系统，其特征在于，包括：叶轮结构和发电结构；其中，
叶轮结构包括：中轴(5)、第一导流罩(21)、第二导流罩(22)和叶轮轮毂(8)；第一导流罩(21)和第二导流罩(22)固定在中轴(5)上；叶轮轮毂(8)位于第一导流罩(21)和第二导流罩(22)之间，且转动固定在中轴(5)上绕中轴(5)转动；叶轮轮毂(8)上设置有多个叶片(1)，叶轮轮毂(8)面向第一导流罩(21)一侧，设置有棘轮(3)；
发电结构包括至少一个摆锤(6)和至少一个线圈(4)；线圈(4)固定在第一导流罩(21)内侧，摆锤(6)转动固定在中轴(5)上绕中轴(5)转动；其中，摆锤(6)包括摆臂(61)和锤头(62)，锤头(62)上设置有磁极(7)，摆臂(61)上设置有棘爪(63)；
所述棘轮(3)与摆臂(61)上的棘爪(63)配合形成单向间歇运动机构。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据海流的流速和叶轮轮毂(8)的转速，设置所述叶片(1)的翼型根部采用厚弦比为10-20％的翼型；所述叶片(1)的翼型尖部采用厚弦比为3-7％的翼型；所述翼型根部到所述翼型尖部采用线性过度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统为自启动系统，当所述叶轮结构捕获的海流的流速所对应的海流能，大于叶轮轮毂(8)转动所需的额定转矩所对应的转动机械能时，所述系统实现自启动。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中轴(5)为金属材质，叶轮轮毂(8)为塑料材料；其中，所述塑料材料与所述金属材质间的摩擦系数小于等于0.1，所述塑料材料吸水率小于等于0.05％。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述叶片(1)采用耐压浮力材料。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述叶片(1)和叶轮轮毂(8)合计的浮力与重力在海水中趋近于0，使得所述系统在额定运动时中轴(5)与叶轮轮毂(8)之间无径向力。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述至少两个摆锤(6)作为负载，所述负载绕中轴(5)转动所需的最大负载扭矩小于所述叶轮轮毂(8)转动所需的额定扭矩。
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