CN113217263A - 新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置 - Google Patents

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CN113217263A CN202110503545.4A CN202110503545A CN113217263A CN 113217263 A CN113217263 A CN 113217263A CN 202110503545 A CN202110503545 A CN 202110503545A CN 113217263 A CN113217263 A CN 113217263A
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陈健梅
董永军
王书涵
时梦瑶
文雯
文皓
张雪明
郭景富
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Abstract

本申请提供一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，包括漂浮于海面上的浮体和位于水下的聚能转换机构，聚能转换机构包括外筒(两端贯穿的圆筒)、内柱(位于外筒的圆心轴上且与外筒保持相对固定)、发电机(设置在内柱内部)和无源自变距透平(设置在内柱上，无源自变距透平与发电机的转子连接，叶轮环绕内柱设置，且叶轮的旋转轴与中心轴重合)。聚能转换机构在波浪能的带动下产生与流体的相对位移，以带动叶轮转动，从而带动转子转动，实现利用波浪能发电。无源自变距透平可在聚能转换机构转换运动方向时自动调整叶轮中叶片的桨距角以适应海水流向的改变，从而保持叶轮转动方向不变，波浪能包括外筒内驻波的动能和海面行进波的势能。

Description

新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置
技术领域
本申请涉及海洋发电技术领域，具体而言，涉及一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置。
背景技术
根据南海波浪能供电设备工作环境及利用波浪能的特点，需要解决以下关键问题和技术难点：
(1)海洋环境下整体结构的防腐、防污，特别是海水浸泡环境下金属部件的盐蚀、电化学腐蚀、海洋生物附着等问题。
(2)高效获取波浪能量的聚能载体、能量转换透平及水下直驱式发电机设计制作。我国南海波浪能驻波运动所形成的海水质点速度较低，其流速大多在0.7m/s以下，超过1m/s的极少，因此必须专门设计适合此波浪能的聚能系统及能量转换的超低流速透平(0.2m/s启动)。同时由于低转速所带来的发电机效率降低，必须设计专用的海洋水下利用海水润滑的高效低速发电机。
(3)具有发电机输出电缆防缠绕功能。
对于直驱波浪能发电装置来说，由于海水从装置中流动具有双向性的特点，其适应流向技术有着独有的特点和难点，也是直驱波浪发电技术关键技术的重点和难点。
现有的水平轴潮流能发电适应流向技术，主要是通过电机或液压的方式改变叶片桨距角来实现适应双向流的，上述两种方式虽然能够完成适应流向的目的，但随着单机容量的增大以及海洋环境的特殊性，这两种方法均有着极难解决的弊端，主要表现在：能量消耗大；响应速度慢；可靠性差。另外对于叶片适应海水流过速度方面的研究，国内外也有提出利用复合材料特性，改变传统叶片气动布局，以此来适应流体速度的变化。但此方法增加了透平重量和转动惯量，影响了透平的启动性能，同时对轴承提出了更高的要求，而且增加了成本。
因此，如何高效地利用波浪能进行发电，是本领域中亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，以高效地利用波浪能进行发电。
为了实现上述目的，本申请的实施例通过如下方式实现：
第一方面，本申请实施例提供一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，包括浮体和聚能转换机构，所述浮体漂浮于海面上；所述聚能转换机构位于水下，包括外筒、内柱、发电机和无源自变距透平；所述外筒为两端贯穿的圆筒，通过连接机构与所述浮体连接；所述内柱，位于所述外筒的圆心轴上，且与所述外筒保持相对固定；所述发电机设置在所述内柱内部；所述无源自变距透平设置在所述内柱上，且与所述内柱保持同轴，所述无源自变距透平还与所述发电机的转子连接，以及，所述无源自变距透平的叶轮环绕所述内柱设置，且所述叶轮的旋转轴与所述中心轴重合；其中，所述聚能转换机构在波浪能的带动下产生与流体的相对位移，以带动所述叶轮转动，从而带动所述转子转动，实现利用波浪能发电，并且，所述无源自变距透平在所述聚能转换机构转换运动方向时自动调整叶轮中叶片的桨距角以适应海水流向的改变，从而保持所述叶轮转动方向不变，其中，所述波浪能包括所述外筒内驻波的动能和海面行进波的势能。
在本申请实施例中，新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置采用这样的方式进行设计，具有多种优点：首先，透平选用采用无源自变距透平，其工作分两个过程——叶片偏转过程及旋转发电过程：因为气动中心与旋转轴中心之间有距离，随着水流速度的增大，叶片会持续偏转直到偏转最大角然后保持这个角度，这就是叶片偏转的过程；当水流速度达到了最大偏转角下的叶片旋转启动速度时，叶轮中叶片开始保持该角度旋转，叶轮旋转带动永磁发电机的转子相对定子运动，从而实现发电，这就是旋转发电过程。因此，无源自变距透平能够在流体(海水)流向发生改变时，自动调整叶片桨距角，以适应流向的改变；同时，在一定范围的流速下，可以根据不同流速调整透平旋转过程中的桨距角，使透平能够达到更高的效率。并且，在所有变桨过程中，变桨动力完全由水动力提供，不额外消耗能量，且具有结构简单，响应速度快，不涉及动密封问题等特点，可以很好的解决现有变距结构存在的问题。其次，在能量采集方面，分为水面上的浮子(即浮体)和水面下的水腔(即聚能转换机构的外筒)，聚能转换机构既可以通过水腔内驻波带动叶轮转动进行发电，从而吸收水腔内驻波的动能和势能；行进波的势能可以通过带动浮体而作用于聚能转换机构，从而使得聚能转换机构吸收水面上行进波的势能而进行发电，因此能够有效吸收波浪的能量，提高发电效率。再者，聚能转换机构由一个圆柱(即内柱)和一个与该圆柱同轴心的圆筒(即外筒)组成，内柱侧面装有对称的叶片，用于将波浪能转换为机械能，圆筒中间装有发电机和透平，将机械能直接转换为电能，有利于增大转换率，从而进一步提高发电效率。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述叶片为后掠式结构。
在该实现方式中，叶片为后掠式结构，能够尽可能的增大叶片的变桨力矩。由于波浪直驱发电透平是水动力机械，可近似视为工作于不可压缩流体中，考虑到潮流能变桨机构的动力在原理上与飞机的俯仰力矩相同，后掠翼原本可能造成飞机俯仰失控的缺点，可在波浪能发电透平的变桨机构中转变为无源自变距的优点。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述叶片采用无扭转设计，即所有叶素安装角相同，叶素翼型采用NACA00系列对称翼型。
在该实现方式中，叶片采用无扭转设计(即所有叶素安装角相同)，叶素翼型采用NACA00系列对称翼型，可以保证叶片在双向流的作用下均能够保持较高的效率。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述外筒内的通道的两端直径大于内部直径。
在该实现方式中，外筒内的通道的两端直径大于内部直径，使得通道内部的流体流速高于通道两端处的流体流速，对设置在通道内部的叶轮能够起到一个增速的作用。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述外筒的内壁呈内凹弧形。
在该实现方式中，外筒的内壁呈内凹弧形，可以减小对通道内流体的阻力，更好地对通道内的流体起增速效果。
结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述叶轮的设置位置位于所述通道的直径最小区域内。
在该实现方式中，叶轮的设置位置位于通道的直径最小区域内，可以使得叶轮在流体流速最快的区域受力旋转，从而能够更加高效地进行发电。
结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述直径最小区域为所述内壁的整体长度的20％。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置的示意图。
图2为本申请实施例提供的一种叶轮的示意图。
图3为本申请实施例提供的NACA0012对称翼型叶片的示意图。
图标：100-新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置；110-浮体；120-聚能转换机构；121-外筒；122-内柱；123-发电机；124-无源自变距透平；1241-叶片；1242-叶柄；130-连接机构。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置100的示意图。
在本实施例中，新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置100可以包括浮体110和聚能转换机构120。浮体110漂浮于海面上，聚能转换机构120位于水下，而浮体110和聚能转换机构120之间可以通过连接机构130连接，以使浮体110的运动可以牵动聚能转换机构120。
示例性的，连接机构130可以为钢索，以保证连接的稳定性。而钢索可以为4条，分别连接4个不同位置(不同位置间两两对称)，从而能够保证连接的平衡性，从而更好地牵动聚能转换机构120作浮沉运动，更好地实现波浪能的采集。
示例性的，聚能转换机构120可以包括外筒121、内柱122、发电机123和无源自变距透平124。
外筒121可以为两端贯穿的圆筒，通过连接机构130与浮体110连接。
内柱122可以位于外筒121的圆心轴上，且与外筒121保持相对固定(例如通过多个连接杆连接内柱122与外筒121，从而使得内柱122与外筒121保持相对固定且不发生相对转动)。
发电机123可以设置在内柱122内部。
无源自变距透平124同样可以设置在内柱122上，且与内柱122保持同轴，无源自变距透平124还与发电机123的转子连接。以及，无源自变距透平124的叶轮(可以具有多个叶片1241)可以环绕内柱122设置，且叶轮的旋转轴与中心轴重合。
其中，聚能转换机构120在波浪能的带动下能够产生与流体的相对位移(即流体流过聚能转换机构120的外筒121的通道)，以带动叶轮转动，从而带动转子转动，实现利用波浪能发电。并且，无源自变距透平124在聚能转换机构120转换运动方向时自动调整叶轮中叶片1241的桨距角以适应海水流向的改变，从而保持叶轮转动方向不变，其中，波浪能包括外筒121内驻波的动能(及势能)和海面行进波的势能。应当理解的是，此处的聚能转换机构120运动、转换运动方向等描述，均是以聚能转换机构120相对流体(海水)而言的。
新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置100采用这样的方式进行设计，具有多种优点：
首先，透平选用采用无源自变距透平124，其工作分两个过程——叶片1241偏转过程及旋转发电过程：因为气动中心与旋转轴中心之间有距离，随着水流速度的增大，叶片1241会持续偏转直到偏转最大角然后保持这个角度，这就是叶片1241偏转的过程；当水流速度达到了最大偏转角下的叶片1241旋转启动速度时，叶轮中叶片1241开始保持该角度旋转，叶轮旋转带动永磁发电机123的转子相对定子运动，从而实现发电，这就是旋转发电过程。
因此，无源自变距透平124能够在流体(海水)流向发生改变时，自动调整叶片1241桨距角，以适应流向的改变；同时，在一定范围的流速下，可以根据不同流速调整透平旋转过程中的桨距角，使透平能够达到更高的效率。并且，在所有变桨过程中，变桨动力完全由水动力提供，不额外消耗能量，且具有结构简单，响应速度快，不涉及动密封问题等特点，可以很好的解决现有变距结构存在的问题。
其次，在能量采集方面，分为水面上的浮子(即浮体110)和水面下的水腔(即聚能转换机构120的外筒121)，聚能转换机构120既可以通过水腔内驻波带动叶轮转动进行发电，从而吸收水腔内驻波的动能和势能；行进波的势能可以通过带动浮体110而作用于聚能转换机构120，从而使得聚能转换机构120吸收水面上行进波的势能而进行发电，因此能够有效吸收波浪的能量，提高发电效率。
再者，聚能转换机构120由一个圆柱(即内柱122)和一个与该圆柱同轴心的圆筒(即外筒121)组成，内柱122侧面装有对称的叶片1241，用于将波浪能转换为机械能，圆筒中间装有发电机123和透平，将机械能直接转换为电能，有利于增大转换率，从而进一步提高发电效率。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种叶轮的示意图。
叶轮可以包括多个叶片1241，多个叶片1241可以环绕内柱122进行设置，在流体流动时产生转动，沿内柱122的中心轴进行旋转。
在本实施例中，每个叶片1241可以采用后掠式结构。
叶片1241为后掠式结构，能够尽可能的增大叶片1241的变桨力矩。由于波浪直驱发电透平是水动力机械，可近似视为工作于不可压缩流体中，考虑到潮流能变桨机构的动力在原理上与飞机的俯仰力矩相同，后掠翼原本可能造成飞机俯仰失控的缺点，可在波浪能发电透平的变桨机构中转变为无源自变距的优点。因此，将后掠叶片1241应用于波浪能发电装置中，具有极大的探索意义。
在本实施例中，叶片1241采用无扭转设计，即所有叶素安装角相同，叶素翼型采用NACA00系列对称翼型。这样可以保证叶片1241在双向流的作用下均能够保持较高的效率。此处的双向流，可以理解为：流体相对通道内设置的叶轮的叶片1241的运动是双向的，流动方向可以大体视为周期性改变，但具体周期可能实时变化。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的NACA0012对称翼型叶片1241的示意图。叶片1241的末端为叶柄1242，叶柄1242可以无源自变距透平124连接，从而使得叶柄1242带动叶片1241沿叶柄旋转轴转动，叶柄旋转轴的转动范围可以在-18°到+13°之间。当然，此处仅是示例性的说明，不应视为对本申请的限定。
在本实施例中，外筒121内的通道的两端直径可以大于内部直径。这样额能够使得通道内部的流体流速高于通道两端处的流体流速，从而对设置在通道内部的叶轮能够起到一个增速的作用。
示例性的，外筒121的内壁呈内凹弧形，即通道的内径先逐渐减小，再逐渐增大。这样可以减小对通道内流体的阻力，更好地对通道内的流体起增速效果。
在本实施例中，叶轮的设置位置可以位于通道的直径最小区域内。从而可以使得叶轮在流体流速最快的区域受力旋转，能够更加高效地进行发电。
在本实施例中，直径最小区域可以为内壁的整体长度的20％。当然，最优的设置位置可以选择通道的直径最小位置，此处不作限定。
综上所述，本申请实施例提供一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置100，新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置100采用这样的方式进行设计，具有多种优点：首先，透平选用采用无源自变距透平124，其工作分两个过程——叶片1241偏转过程及旋转发电过程：因为气动中心与旋转轴中心之间有距离，随着水流速度的增大，叶片1241会持续偏转直到偏转最大角然后保持这个角度，这就是叶片1241偏转的过程；当水流速度达到了最大偏转角下的叶片1241旋转启动速度时，叶轮中叶片1241开始保持该角度旋转，叶轮旋转带动永磁发电机123的转子相对定子运动，从而实现发电，这就是旋转发电过程。因此，无源自变距透平124能够在流体(海水)流向发生改变时，自动调整叶片1241桨距角，以适应流向的改变；同时，在一定范围的流速下，可以根据不同流速调整透平旋转过程中的桨距角，使透平能够达到更高的效率。并且，在所有变桨过程中，变桨动力完全由水动力提供，不额外消耗能量，且具有结构简单，响应速度快，不涉及动密封问题等特点，可以很好的解决现有变距结构存在的问题。其次，在能量采集方面，分为水面上的浮子(即浮体110)和水面下的水腔(即聚能转换机构120的外筒121)，聚能转换机构120既可以通过水腔内驻波带动叶轮转动进行发电，从而吸收水腔内驻波的动能和势能；行进波的势能可以通过带动浮体110而作用于聚能转换机构120，从而使得聚能转换机构120吸收水面上行进波的势能而进行发电，因此能够有效吸收波浪的能量，提高发电效率。再者，聚能转换机构120由一个圆柱(即内柱122)和一个与该圆柱同轴心的圆筒(即外筒121)组成，内柱122侧面装有对称的叶片1241，用于将波浪能转换为机械能，圆筒中间装有发电机123和透平，将机械能直接转换为电能，有利于增大转换率，从而进一步提高发电效率。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，包括浮体和聚能转换机构，
所述浮体漂浮于海面上；
所述聚能转换机构位于水下，包括外筒、内柱、发电机和无源自变距透平；
所述外筒为两端贯穿的圆筒，通过连接机构与所述浮体连接；
所述内柱，位于所述外筒的圆心轴上，且与所述外筒保持相对固定；
所述发电机设置在所述内柱内部；
所述无源自变距透平设置在所述内柱上，且与所述内柱保持同轴，所述无源自变距透平还与所述发电机的转子连接，以及，所述无源自变距透平的叶轮环绕所述内柱设置，且所述叶轮的旋转轴与所述中心轴重合；
其中，所述聚能转换机构在波浪能的带动下产生与流体的相对位移，以带动所述叶轮转动，从而带动所述转子转动，实现利用波浪能发电，并且，所述无源自变距透平在所述聚能转换机构转换运动方向时自动调整叶轮中叶片的桨距角以适应海水流向的改变，从而保持所述叶轮转动方向不变，其中，所述波浪能包括所述外筒内驻波的动能和海面行进波的势能。
2.根据权利要求1所述的新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，所述叶片为后掠式结构。
3.根据权利要求2所述的新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，所述叶片采用无扭转设计，即所有叶素安装角相同，叶素翼型采用NACA00系列对称翼型。
4.根据权利要求1所述的新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，所述外筒内的通道的两端直径大于内部直径。
5.根据权利要求4所述的新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，所述外筒的内壁呈内凹弧形。
6.根据权利要求5所述的新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，所述叶轮的设置位置位于所述通道的直径最小区域内。
7.根据权利要求6所述的新型聚能涵道式自变距直驱波浪能发电装置，其特征在于，所述直径最小区域为所述内壁的整体长度的20％。
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