CN113137328A - 一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置及控制方法，该装置包括导流板和基座；基座包括箱体和设置在箱体上的第一水泵、第二水泵，第一水泵的进水口位于箱体外，出水口与箱体的腔体相连通；第二水泵的出水口位于箱体外，进水口与箱体的腔体相连通；导流板竖直设置在移动基座的箱体上，导流板上开设有若干空洞；箱体中设置有水位传感器，导流板的顶部设置有流速传感器。通过将水轮机设置在高速流动区，输出功率得到提升。设置了第一水泵、第二水泵，实现增能装置的下潜或上浮，尽可能使处于高速流动区的水轮机的一直保证高效转动，实现输出功率高且稳定的目的。

Description

一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置及控制方法

技术领域

本发明属于流体机械设备技术领域，具体涉及一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置及控制方法。

背景技术

潮流能作为海洋能的一种，蕴藏量大，通过将水轮机设置在海洋中，水轮机在潮流的冲击作用下叶轮高速旋转，再通过传动机构带动发电机发电，最终实现潮流能的动能向电能的转化。对于潮流能水轮机的研究大多借鉴风机的研究，而两者的适用范围和运行条件存在较大不同，特别是水和空气之间的密度、粘性、可压缩性有着显著差异，故十分有必要对潮流能水轮机进行模型实验，为以后潮流能水轮机的广泛应用打下实验基础。

现有技术中采用较多的是水平轴和垂直轴水轮机。水平轴式潮流能水轮机因其安装维修简单、技术相对成熟、效率高的特点，在潮流能开发利用中，被广泛采用。但水平轴水轮机获能效率较低，一般只有40％左右，因为在潮涨潮落的过程中，不同深度处海水的流速会发生变化，且海水的方向也会变化，因此需要设计一中增能装置以提高水平轴水轮的发电效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置及控制方法，解决现有技术中但水平轴水轮机获能效率较低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，包括导流板和基座；

所述基座包括箱体和设置在箱体上的第一水泵、第二水泵，箱体为密封结构，第一水泵的进水口位于箱体外，出水口与箱体的腔体相连通；第二水泵的出水口位于箱体外，进水口与箱体的腔体相连通；导流板竖直设置在移动基座的箱体上，导流板上开设有若干空洞；

所述箱体中设置有水位传感器，导流板的顶部设置有流速传感器；

所述第一水泵、第二水泵、水位传感器和流速传感器均与控制器电连接，所述控制器安装于密封盒中，并固定在基座上。

在本发明中，通过设置导流板，则水体流到导流板前方时，受导流板的阻塞效应,部分流体会向导流板四周汇聚,特别地,在导流板后上方形成局部高速流动区,根据能量守恒影响,导流板正后方则会形成低速尾流区。本发明中通过将水轮机设置在高速流动区，则水轮机叶片受到高速流体冲击后高速旋转，使得输出功率得到提升。同时由于靠近水轮机叶轮区下半部分的水体流速得到了提高,从而降低了水轮机叶轮区迎风面的平均剪切力,一定程度上降低了来流的湍流强度,降低了水轮机叶片受力的不均匀性,提高了使用寿命。

海洋潮流不同深度处流速也不同，特别在潮涨潮落的过程中，同一深度处海水的流速也会发生变化，这样导致水轮机的转速不稳定、输出功率不稳定。为了保证水轮机的输出功率稳定，本发明设计了可上下移动的导流装置，当检测到导流板当前位置处的流速发生变化时，控制器控制第一水泵或/和第二水泵进行工作，向箱体中注水，或抽出箱体中的海水，实现整个增能装置的下潜或上浮，从而改变导流板的位置，进而改变高速流动区海水的流速，尽可能使处于高速流动区的水轮机的一直保证高效转动，实现输出功率高且稳定的目的。

进一步改进，所述基座上安装有舵机，舵机的转轴于尾舵连接，舵机与控制器电连接；所述基座上通过轴承转动设置有测向板，测向板竖直设置，测向板上设置有角度传感器，角度传感器与控制器电连接。

在潮涨潮落的过程中，洋流的方向也会发生变化，通过设置测向板和角度传感器，角度传感器检测到洋流的方向变化后，控制器发出指令使舵机工作，驱动尾舵发生转动，从而带动整个增能装置发生相应的转动，使导流板尽可能的与洋流的流向垂直，保证增能效果。

进一步改进，所述导流板顶部设置有超声波测距传感器，超声波测距传感器与控制器电连接。通过设置超声波测距传感器，检测导流板与水轮机的之间的距离，导流板处于设定高度范围之外时，控制器控制第一水泵或/和第二水泵进行工作，向箱体中注水，或抽出箱体中的海水，实现整个增能装置的下潜或上浮，使导流板处于设定高度范围之内，保证增能效果。

进一步改进，还包括安装在基座上设置电机，电机的输出轴上固连有螺旋桨，电机输出轴水平设置，且与导流板的工作面垂直设置，电机与控制器电连接，电机通过防水处理后安装于密封盒中。

通过设置螺旋桨，当需要整个增能装置远距离移动时，开启螺旋桨起到加速的效果，提高效率。

进一步改进，所述导流板为等厚度或上薄下厚结构，且关于中心左右对称，导流板的顶端向下凹陷形成圆弧面适应水轮机叶尖距导流板的距离随相位角的变化而不同,有效加速区较大,提高了水轮机叶轮区迎流面的平均速度，提高了水轮机的输出功率。

进一步改进，所述基座通过绳索与水轮机链接。防止发生意外，增能装置丢失；绳索的长度很长，正常状态下绳索处于松弛状态，不影响增能装置的上浮和下潜。

进一步改进，所述导流板长度L1为2.2～2.8倍水轮机半径R，导流板中心位置的高度h1为0.8～1.5倍水轮机半径R；所述顶端圆弧面对应的半径r1为0.9～1.2倍水轮机半径R。

进一步改进，所述基座长度L2与多孔导流板长度L1的比值为0.8～1.1；

所述导流板的孔洞密度范围为15％～30％。

进一步改进，所述导流板两侧设置有平衡支架，平衡支架关于导流板对称设置，提高整个装置的稳定性，防止侧翻。

基于上述水平轴潮流能水轮机增能装置的控制方法，所包括如下步骤：

1)、搭建水平轴潮流能水轮机增能装置，整个装置的重量为W，箱体腔体的横截面积为S,设定箱体中的初始水位为H₀,整个装置在海洋受中的浮力为F_浮，此时整个装置受力平衡，处于悬浮状态，且位于水轮机的迎流面，则W·g+S·H₀·ρ·g+F_压＝F_浮；

2)、流速传感器实时检测所处位置处的海水流速V,并传递给控制器，控制接收到流速信号并与设定流速初值V₀进行比较；

2.1)、当V＜V₀，则控制器发出指令启动第二水泵，将箱体中的海水排出，箱体中的海水减少，则整个装置的浮力大于重力，整个装置上浮，当位置传感器检测到箱体中水位为

时，控制器发出指令关闭第二水泵，同时启动第一水泵，向箱体中增加海水，直至H₀水位，然后关闭第一水泵，此时整个装置再次受力平衡，在处于悬浮状态；

2.2)、超声波测距传感器实时检测导流板与水轮机的之间的距离h，当V＞1.3V₀，且导流板与水轮机的高度差h小于水轮机半径R，则控制器发出指令启动第一水泵，向箱体中增加海水整个装置开始下潜，当位置传感器检测到箱体中水位为

时，控制器发出指令关闭第一水泵，同时启动第二水泵，将箱体中海水排出，直至H₀水位，此时整个装置再次受力平衡，在处于悬浮状态；

3)、角度传感器实时检测测向板的方位角θ，并传递为控制器，控制器收到角度信息后与导流板的方位角θ₀进行比较，当|θ₀-θ|<85°或者|θ₀-θ|＞95°，则控制器发出指令，启动舵机，驱动尾舵发生转动，带动整个增能装置发生偏转，当85°≤|θ₀-θ|≤95°时，关闭舵机。

与现有技术相比本发明具有如下有益效果：

1、在本发明中，通过设置导流板，则水体流到导流板前方时，受导流板的阻塞效应,部分流体会向导流板四周汇聚,特别地,在导流板后上方形成局部高速流动区,根据能量守恒影响,导流板正后方则会形成低速尾流区。本发明中通过将水轮机设置在高速流动区，则水轮机叶片受到高速流体冲击后高速旋转，使得输出功率得到提升。同时由于靠近水轮机叶轮区下半部分的水体流速得到了提高,从而降低了水轮机叶轮区迎风面的平均剪切力,一定程度上降低了来流的湍流强度,降低了水轮机叶片受力的不均匀性,提高了使用寿命。

2、本发明设计了可上下移动的导流装置，当检测到导流板当前位置处的流速发生变化时，控制器控制第一水泵或/和第二水泵进行工作，向箱体中注水，或抽出箱体中的海水，实现整个增能装置的下潜或上浮，从而改变导流板的位置，进而改变高速流动区海水的流速，尽可能使处于高速流动区的水轮机的一直保证高效转动，实现输出功率高且稳定的目的，适应性强。

附图说明

图1为本发明水平轴潮流能水轮机增能装置的原理示意图；

图2为本发明水平轴潮流能水轮机增能装置的电气元件连接框图；

图3为本发明水平轴潮流能水轮机增能装置的结构示意图；

图4为本发明的实施例1的安装示意图；

图5为本发明所述控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例一：

如图1-4，一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，包括导流板1和基座。

所述基座包括箱体2和设置在箱体上的第一水泵5、第二水6泵，箱体2为密封结构，第一水泵5的进水口位于箱体外，出水口与箱体的腔体相连通；第二水泵6的出水口位于箱体外，进水口与箱体的腔体相连通；导流板竖直设置在移动基座的箱体上，导流板1上开设有若干空洞4。

所述箱体3中设置有水位传感器，导流板1的顶部设置有流速传感器。

所述第一水泵、第二水泵、水位传感器和流速传感器均与控制器电连接，所述控制器安装于密封盒中，并固定在基座上。

在本发明中，如图1所示，通过设置导流板，则水体流到导流板前方时，受导流板的阻塞效应,部分流体会向导流板四周汇聚,特别地,在导流板后上方形成局部高速流动区,根据能量守恒影响,导流板正后方则会形成低速尾流区。本发明中通过将水轮8机设置在高速流动区，则水轮机叶片受到高速流体冲击后高速旋转，使得输出功率得到提升。同时由于靠近水轮机叶轮区下半部分的水体流速得到了提高,从而降低了水轮机叶轮区迎风面的平均剪切力,一定程度上降低了来流的湍流强度,降低了水轮机叶片受力的不均匀性,提高了使用寿命。

海洋潮流不同深度处流速也不同，特别在潮涨潮落的过程中，同一深度处海水的流速也会发生变化，这样导致水轮机的转速不稳定、输出功率不稳定。为了保证水轮机的输出功率稳定，本发明设计了可上下移动的导流装置，当检测到导流板当前位置处的流速发生变化时，控制器控制第一水泵或/和第二水泵进行工作，向箱体中注水，或抽出箱体中的海水，实现整个增能装置的下潜或上浮，从而改变导流板的位置，进而改变高速流动区海水的流速，尽可能使处于高速流动区的水轮机的一直保证高效转动，实现输出功率高且稳定的目的。

在本实施例中，所述基座上安装有舵机，舵机的转轴于尾舵连接，舵机与控制器电连接；所述基座上通过轴承转动设置有测向板，测向板竖直设置，测向板上设置有角度传感器，角度传感器与控制器电连接。

在潮涨潮落的过程中，洋流的方向也会发生变化，通过设置测向板和角度传感器，角度传感器检测到洋流的方向变化后，控制器发出指令使舵机工作，驱动尾舵发生转动，从而带动整个增能装置发生相应的转动，使导流板尽可能的与洋流的流向垂直，保证增能效果。

在本实施例中，所述导流板顶部设置有超声波测距传感器，超声波测距传感器与控制器电连接。通过设置超声波测距传感器，检测导流板与水轮机的之间的距离，导流板处于设定高度范围之外时，控制器控制第一水泵或/和第二水泵进行工作，向箱体中注水，或抽出箱体中的海水，实现整个增能装置的下潜或上浮，使导流板处于设定高度范围之内，保证增能效果。

在本实施例中，还包括安装在基座上设置电机，电机的输出轴上固连有螺旋桨，电机输出轴水平设置，且与导流板的工作面垂直设置，电机与控制器电连接，电机通过防水处理后安装于密封盒中。

通过设置螺旋桨，当需要整个增能装置远距离移动时，开启螺旋桨起到加速的效果，提高效率。

在本实施例中，所述导流板1为等厚度结构，且关于中心左右对称，导流板的顶端向下凹陷形成圆弧面适应水轮机叶尖距导流板的距离随相位角的变化而不同,有效加速区较大,提高了水轮机叶轮区迎流面的平均速度，提高了水轮机的输出功率。在其他实施例中，导流板可以为上薄下厚结构。

在本实施例中，所述基座通过绳索与水轮机链接。防止发生意外，增能装置丢失；绳索的长度很长，正常状态下绳索处于松弛状态，不影响增能装置的上浮和下潜。

在本实施例中，所述导流板两侧设置有平衡支架3，平衡支架3关于导流板1对称设置，提高整个装置的稳定性，防止侧翻。

在本实施例中，结合图3和图4，水轮机半径R为0.2m，导流板的长度L1为0.5m，多孔导流板中间高度h1为0.2m，导流板孔洞密度为25％，导流板的厚度均匀，为0.15m。

采用该可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，在水槽中经反复试验验证，取得了满意的试用效果，水轮机输出功率增长率均在10％以上。

在具体的实施过程中，多孔导流板的厚度、材料，支架的材料，基座的宽度、材料等可根据实际情况而定。

实施例二：

如图5所示，基于上述水平轴潮流能水轮机增能装置的控制方法，所包括如下步骤：

1)、搭建水平轴潮流能水轮机增能装置，整个装置的重量为W，箱体腔体的横截面积为S,设定箱体中的初始水位为H₀,整个装置在海洋受中的浮力为F_浮，此时整个装置受力平衡，处于悬浮状态，且位于水轮机的迎流面，则W·g+S·H₀·ρ·g+F_压＝F_浮；

2)、流速传感器实时检测所处位置处的海水流速V,并传递给控制器，控制接收到流速信号并与设定流速初值V₀进行比较；

2.1)、当V＜V₀，则控制器发出指令启动第二水泵，将箱体中的海水排出，箱体中的海水减少，则整个装置的浮力大于重力，整个装置上浮，当位置传感器检测到箱体中水位为

时，控制器发出指令关闭第二水泵，同时启动第一水泵，向箱体中增加海水，直至H₀水位，然后关闭第一水泵，此时整个装置再次受力平衡，在处于悬浮状态；

2.2)、超声波测距传感器实时检测导流板与水轮机的之间的距离h，当V＞1.3V₀，且导流板与水轮机的高度差h小于水轮机半径R，则控制器发出指令启动第一水泵，向箱体中增加海水整个装置开始下潜，当位置传感器检测到箱体中水位为

时，控制器发出指令关闭第一水泵，同时启动第二水泵，将箱体中海水排出，直至H₀水位，此时整个装置再次受力平衡，在处于悬浮状态；

3)、角度传感器实时检测测向板的方位角θ，并传递为控制器，控制器收到角度信息后与导流板的方位角θ₀进行比较，当|θ₀-θ|<85°或者|θ₀-θ|＞95°，则控制器发出指令，启动舵机，驱动尾舵发生转动，带动整个增能装置发生偏转，当85°≤|θ₀-θ|≤95°时，关闭舵机。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，包括导流板和基座；

所述基座包括箱体和设置在箱体上的第一水泵、第二水泵，箱体为密封结构，第一水泵的进水口位于箱体外，出水口与箱体的腔体相连通；第二水泵的出水口位于箱体外，进水口与箱体的腔体相连通；导流板竖直设置在移动基座的箱体上，导流板上开设有若干空洞；

所述箱体中设置有水位传感器，导流板的顶部设置有流速传感器；

所述第一水泵、第二水泵、水位传感器和流速传感器均与控制器电连接，所述控制器安装于密封盒中，并固定在基座上。

2.根据权利要求1所述的可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述基座上安装有舵机，舵机的转轴于尾舵连接，舵机与控制器电连接；

所述基座上通过轴承转动设置有测向板，测向板竖直设置，测向板上设置有角度传感器，角度传感器与控制器电连接。

3.根据权利要求1或2所述的可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述导流板顶部设置有超声波测距传感器，超声波测距传感器与控制器电连接。

4.根据权利要求3所述的可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，还包括安装在基座上设置电机，电机的输出轴上固连有螺旋桨，电机输出轴水平设置，且与导流板的工作面垂直设置，电机与控制器电连接，电机通过防水处理后安装于密封盒中。

5.根据权利要求1所述的可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述导流板为等厚度或上薄下厚结构，且关于中心左右对称，导流板的顶端向下凹陷形成圆弧面。

6.根据权利要求1所述的可移动式水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述基座通过绳索与水轮机链接。

7.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述导流板长度L1为2.2～2.8倍水轮机半径R，导流板中心位置的高度h1为0.8～1.5倍水轮机半径R；所述顶端圆弧面对应的半径r1为0.9～1.2倍水轮机半径R。

8.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述基座长度L2与多孔导流板长度L1的比值为0.8～1.1；

所述导流板的孔洞密度范围为15％～30％。

9.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机增能装置，其特征在于，所述导流板两侧设置有平衡支架，平衡支架关于导流板对称设置。

10.基于权利要求1-9所述水平轴潮流能水轮机增能装置的控制方法，其特征在于，所包括如下步骤：

1)、搭建水平轴潮流能水轮机增能装置，整个装置的重量为W，箱体腔体的横截面积为S,设定箱体中的初始水位为H₀,整个装置在海洋受中的浮力为F_浮，此时整个装置受力平衡，处于悬浮状态，且位于水轮机的迎流面，则W·g+S·H₀·ρ·g+F_压＝F_浮；

2)、流速传感器实时检测所处位置处的海水流速V,并传递给控制器，控制接收到流速信号并与设定流速初值V₀进行比较；

2.1)、当V＜V₀，则控制器发出指令启动第二水泵，将箱体中的海水排出，箱体中的海水减少，则整个装置的浮力大于重力，整个装置上浮，当位置传感器检测到箱体中水位为

时，控制器发出指令关闭第二水泵，同时启动第一水泵，向箱体中增加海水，直至H₀水位，然后关闭第一水泵，此时整个装置再次受力平衡，在处于悬浮状态；

2.2)、当V＞1.3V₀，且导流板与水轮机的高度差小于水轮机半径R，则控制器发出指令启动第一水泵，向箱体中增加海水整个装置开始下潜，当位置传感器检测到箱体中水位为

时，控制器发出指令关闭第一水泵，同时启动第二水泵，将箱体中海水排出，直至H₀水位，此时整个装置再次受力平衡，在处于悬浮状态；

3)、角度传感器实时检测测向板的方位角θ，并传递为控制器，控制器收到角度信息后与导流板的方位角θ₀进行比较，当|θ₀-θ|<85°或者|θ₀-θ|＞95°，则控制器发出指令，启动舵机，驱动尾舵发生转动，带动整个增能装置发生偏转，当85°≤|θ₀-θ|≤95°时，关闭舵机。

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