CN114576076A - 潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法。偏航装置包括偏航主轴、偏航电机、制动器、流向传感器、偏航刻度盘、偏航指针、编码器以及控制器。至少一个水平轴水轮发电机固定于偏航主轴上。偏航电机驱动偏航主轴转动以带动水平轴水轮发电机改变朝向。编码器通过偏航指针和偏航刻度盘以读取水平轴水轮发电机的旋转角度。控制器接收和分析来自流向传感器的流向信号和编码器发送的旋转角度信号，判断水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，当水平轴水轮发电机转动到需要的偏航角度时，控制器控制制动器工作。

Description

潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法

技术领域

本发明属于潮流能发电领域，尤其涉及一种潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法。

背景技术

为了减少碳排放，太阳能、风能、潮流能等清洁能源是未来能源的优选。相较于发展比较成熟的风能发电和光伏发电，潮流能的发电利用还仅仅在起步阶段，缺少通用和成熟的发电装置。现有的少数真正投入运行的潮流能发电装置也存在发电效率低，制造和维修成本过高等问题，这成为潮流能发电装置进行商业运用和推广的一大掣肘。

具体而言，伴随着涨潮和落潮，潮流的方向会发生改变。传统的大部分水平轴水轮发电机都不可以旋转，导致潮流能发电机只能利用涨潮或者落潮进行发电，发电效率极低。现有技术人员为了充分利用涨潮和落潮产生的能量，选择安装两套发电系统。一套发电系统的叶轮朝向涨潮方向，另一套发电系统的叶轮朝向落潮方向。虽然看似涨潮和落潮产生的能量都充分得以利用，但是在涨潮或落潮时，始终会有一套发电系统闲置。增加一套发电系统使得生产成本翻倍，而产生的电能功率的提高远不及成本的增加，这极大地限制了潮流能发电装置的推广和运用。

需要注意的是，涨潮和落潮的潮流速度并不恒定。在安装发电装置时，一旦发电机选定，它的负载量就确定下来。然而，潮流的速度并不恒定，因此造成发电量并不恒定。现有的潮流能发电装置为了节省成本以及受到技术上的局限，无论是水平轴水轮发电机还是垂直轴水轮发电机只能承载在一定水流速度以下的发电负荷。一旦水流速度增加，发电量超过负荷，发电机会超负荷工作很容易损毁。因此，为了延长发电机的工作寿命，传统的潮流能发电装置一旦潮流超过一定速度就彻底切断水流，使得发电机停止工作，大幅度降低了发电效率。

现有一种潮流能发电装置借鉴风能发电机的设计，通过变桨的方式调节发电装置的负荷。当水流速度较大时，通过调节装置使桨叶迎角减小；当水流速度较小时，通过调节装置使桨叶迎角增大。然而，这种设计存在很大的弊端。不同于风能发电机的使用环境，水平轴水轮发电机是在水中使用，受到的阻力远远大于风能发电机受到的阻力。并且，由于调节的是水平轴水轮发电机的叶片角度，旋转机构是整个都位于水里，要实现叶片角度的旋转就需要精准地设计叶片各部件之间的安装紧密程度。若连接很紧密，摩擦力太大，则很难调整叶片的迎水面角度，导致调节装置无法发挥调节的功效。这种情况下的发电装置在水流太小时无法提高效率，在水流太大时也无法真正保护发电机。若连接太松，摩擦力太小，虽然可以轻松地调节，但是会存在丧失密封性这一严重问题。这样水流将会灌入叶轮内部造成整个叶轮损坏，维修率大大提高，成本巨增。并且水轮机有几个叶片就要对应安装几个旋转机构和控制机构，其成本和技术难度急剧增加。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的至少一个不足，提供一种潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法。

为了实现本发明的一目的，本发明提供一种偏航装置，适用于潮流能发电装置，潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机。偏航装置包括偏航主轴、偏航电机、制动器、流向传感器、偏航刻度盘、偏航指针、编码器以及控制器。至少一个水平轴水轮发电机固定于偏航主轴上。偏航电机驱动偏航主轴转动以带动至少一个水平轴水轮发电机改变朝向。制动器对偏航主轴进行制动。流向传感器检测水流方向。偏航刻度盘和偏航主轴一起转动。偏航指针指向偏航刻度盘。编码器通过偏航指针和偏航刻度盘以读取至少一个水平轴水轮发电机的旋转角度。控制器接收和分析来自流向传感器的流向信号和编码器发送的旋转角度信号，判断至少一个水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出至少一个水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，当水平轴水轮发电机转动到需要的偏航角度时，控制器控制制动器工作。当制动器工作完成后，控制器控制限位开关打开以对偏航主轴进行限位。

于本发明的一实施例中，偏航装置还包括至少两个偏航齿轮，至少一个偏航齿轮设置在偏航电机上，另一个偏航齿轮设置在偏航主轴上，通过至少两个偏航齿轮的相互啮合和转动，实现偏航主轴的转动。

于本发明的一实施例中，偏航装置还包括偏航轴承和偏航轴承支架，偏航轴承固定于偏航轴承支架上，偏航主轴可转动地承载于偏航轴承上。

于本发明的一实施例中，偏航装置还包括润滑泵，润滑泵给偏航轴承提供润滑油。

于本发明的一实施例中，制动器包括制动刹车盘，当制动器工作时，制动刹车盘对偏航主轴进行刹车。

于本发明的一实施例中，偏航装置还包括流速传感器，检测水流速度从而发送流速信号给控制器。

为了实现本发明的另一目的，本发明还提供一种潮流能发电装置，包括水平轴水轮发电机和前述任意一项偏航装置。

为了实现本发明的另一目的，本发明还提供一种潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法，包括：流向传感器检测水流方向，发送流向信号给控制器；编码器根据偏航指针和偏航刻度盘读取水平轴水轮发电机的旋转角度，将旋转角度信号发送给控制器；控制器根据流向信号和旋转角度信号判断水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，偏航主轴在偏航电机的驱动下转动以带动水平轴水轮发电机改变朝向，当水平轴水轮发电机转动到需要的偏航角度时，控制器控制制动器工作；当制动器工作完成后，控制器控制限位开关打开以对偏航主轴进行限位。

于本发明的一实施例中，潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法还包括流速传感器检测水流速度，发送流速信号给控制器。

于本发明的一实施例中，控制器根据流速信号、流向信号和旋转角度信号判断水平轴水轮发电机是否需要偏航。

综上所述，本发明提供的潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法，能够使得水平轴水轮发电机能够精准地改变朝向。无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机的叶轮可以始终朝向水流，从而确保最大的发电功率。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为根据本发明一实施例提供的潮流能发电装置的示意图。

图2所示为图1的局部放大图。

图3所示为根据本发明一实施例提供的偏航装置的部分结构示意图。

具体实施方式

如图 1所示，本发明第一实施例提供的潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机101和偏航装置。偏航装置包括偏航主轴1、偏航电机2、制动器3、流向传感器4、偏航刻度盘5、偏航指针6、编码器7以及控制器8。

至少一个水平轴水轮发电机101固定于偏航主轴1上。图1中仅画出了一个水平轴水轮发电机，然而，本发明对水平轴水轮发电机的数量不做限定。于其它实施例中，可沿水深方向，自上而下沿着同一根偏航主轴1设置多个水平轴水轮发电机。

偏航电机2驱动偏航主轴1转动以带动至少一个水平轴水轮发电机101改变朝向。于本实施例中，偏航装置还包括至少两个偏航齿轮9，至少一个偏航齿轮9设置在偏航电机2上，另一个偏航齿轮9设置在偏航主轴1上，通过至少两个偏航齿轮9的相互啮合和转动，实现偏航主轴1的转动。

制动器3对偏航主轴1进行制动。于本实施例中，为了快速实现地对转动中的偏航主轴1进行制动，潮流能发电装置沿着圆周方向设置六个制动器3。然而，本发明对制动器的数量不做任何限制。

偏航刻度盘5和偏航主轴1一起转动。偏航指针6指向偏航刻度盘5。具体而言，偏航指针6是固定指向。在初始位置时，偏航指针6指向偏航刻度盘5上的一个角度值，当偏航主轴1转动时，偏航刻度盘5将一同转动。在转动结束后，固定的偏航指针将指向偏航刻度盘5上的另一个角度值，二者的差值就是偏航主轴1的旋转角度，也是水平轴水轮发电机101的旋转角度。

编码器7通过偏航指针6和偏航刻度盘5以读取水平轴水轮发电机101的旋转角度。控制器8接收和分析来自流向传感器4的流向信号和编码器7发送的旋转角度信号，根据当前水平轴水轮发电机101的朝向和检测到的水流方向，判断水平轴水轮发电机101是否需要偏航。如果需要偏航，计算得出水平轴水轮发电机101需要偏航的角度从而控制偏航电机2工作，当水平轴水轮发电机101转动到需要的偏航角度时，控制器控制制动器3工作。当控制器8判断此时水平轴水轮发电机101不需要偏航时，偏航电机2不工作。

具体而言，当由涨潮变为落潮时，水流方向会发生约180度的变化。此时流向传感器4检测到水流方向发生改变，将采集的流向信号传送给控制器8。编码器7读取此时水平轴水轮发电机101的角度值，将旋转角度信号传送给控制器8。控制器8判断此时的水平轴水轮发电机101的朝向和实时水流方向差了约180度，确定水平轴水轮发电机101需要进行偏航。接着，偏航电机2接收来自控制器8的信号指令，开始工作。在偏航齿轮9的带动下，偏航主轴1开始转动。在偏航主轴1转动的同时，编码器7实时读取水平轴水轮发电机的旋转角度值并将其传送给控制器8。当控制器8发现编码器7传送过来的旋转角度值正好等于之前计算的偏航角度值，控制器8发出信号指令给制动器8，制动器8开始对偏航主轴1开始制动。当制动结束后，偏航主轴1将不再转动。此时为了确保偏航主轴1不在水流外力作用下旋转，控制器8控制限位开关10打开以对偏航主轴1进行限位。

于实际应用中，当水流沿图1中从左至右的方向流向潮流能发电装置时，偏航电机2不工作。此时，水平轴水轮发电机101的叶轮面向水流。当水流沿相反的方向（从图1中看去为从右至左）流向潮流能发电装置时，偏航电机2驱动偏航主轴1转动，从而带动水平轴水轮发电机101旋转180度，使得叶轮从朝左改为朝右，以保证水平轴水轮发电机101的叶轮始终朝向水流，确保了最大的发电功率。

特别地，潮流的涨潮方向和落潮方向并不是理想的180°完全相反的两个方向。本领域技术人员都忽略了实际水域中涨潮和落潮水流方向的偏差。不同水域中涨潮方向和落潮方向之间会具有一个偏差角度，从3°到20°不等。若潮流能发电装置只能控制水平轴水轮发电机180度旋转，那么涨潮和落潮两个方向的水流中势必会有一个得不到完全充分地利用。本发明设置了偏航刻度盘、编码器和控制器，无论需要将水平轴水轮发电机偏航多少角度都可以精确控制。这样无论水流从哪个方向涌入水平轴水轮发电机，本发明的潮流能发电装置可以控制水平轴水轮发电机改变朝向以使水平轴水轮发电机始终正对水流，从而最大程度地利用潮流能，提高发电功率。

另外，当实际水流速度高于水平轴水轮发电机能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需控制水平轴水轮发电机使其旋转偏离水流方向一个角度，则可以有效降低水平轴水轮发电机的负载，在确保水平轴水轮发电机不会因超负荷损毁的同时，水平轴水轮发电机仍然继续工作，持续稳定地输出发电。克服了传统海洋能发电装置中当水流速度过大，发电机为了避免烧毁就停止工作的弊端，同时无需进行变桨调节，使得发电机的负荷调节更加简单有效。当实际水流速度小于发电机能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需控制水平轴水轮发电机使其旋转正对水流方向（即叶轮的迎水面垂直于水流方向），则可以最大程度地利用水流进行发电，提高发电功率。

于本实施例中，偏航装置还包括偏航轴承111和偏航轴承支架112，偏航轴承111固定于偏航轴承支架112上，偏航主轴1可转动地承载于偏航轴承111上。于本实施例中，偏航装置还包括润滑泵12，润滑泵12给偏航轴承111提供润滑油。于本实施例中，制动器3包括制动刹车盘31，当制动器3工作时，制动刹车盘31对偏航主轴1进行刹车。

于本发明的一实施例中，偏航装置还包括流速传感器14，检测水流速度从而发送流速信号给控制器。

本发明还提供一种潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法，包括：流向传感器检测水流方向，发送流向信号给控制器；编码器根据偏航指针和偏航刻度盘读取水平轴水轮发电机的旋转角度，将旋转角度信号发送给控制器。上述两个步骤没有先后顺序限制，可同时发生。控制器根据流向信号和旋转角度信号判断水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，偏航主轴在偏航电机的驱动下转动以带动水平轴水轮发电机改变朝向，当水平轴水轮发电机转动到需要的偏航角度时，控制器控制制动器工作；当制动器工作完成后，控制器控制限位开关打开以对偏航主轴进行限位。

于本实施例中，潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法还包括流速传感器检测水流速度，发送流速信号给控制器，控制器根据流速信号、流向信号和旋转角度信号判断水平轴水轮发电机是否需要偏航。具体而言，当水流速度很小时，控制器判断此时的潮流能发电装置还没有达到发电要求，此时即便水流方向发生了改变，控制器仍然会控制偏航电机不工作，偏航主轴不会发生转动。当水流速度超过了预设值时，此时控制器判断潮流发电装置可以开始发电，接着根据流向判断水平轴水轮发电机是否需要偏航。

综上所述，本发明提供的潮流能发电装置及其偏航装置和偏航方法，能够使得水平轴水轮发电机能够精准地改变朝向。无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机的叶轮可以始终朝向水流，从而确保最大的发电功率。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种偏航装置，适用于潮流能发电装置，所述潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机，其特征在于，所述偏航装置包括：

偏航主轴，所述至少一个水平轴水轮发电机固定于所述偏航主轴上；

偏航电机，所述偏航电机驱动所述偏航主轴转动以带动所述至少一个水平轴水轮发电机改变朝向；

制动器，对所述偏航主轴进行制动；

流向传感器，检测水流方向；

偏航刻度盘，和所述偏航主轴一起转动；

偏航指针，指向偏航刻度盘，

编码器，通过偏航指针和偏航刻度盘以读取所述至少一个水平轴水轮发电机的旋转角度；

控制器，接收和分析来自流向传感器的流向信号和编码器发送的旋转角度信号，判断所述至少一个水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出所述至少一个水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，当水平轴水轮发电机转动到需要的偏航角度时，所述控制器控制制动器工作；

限位开关，当所述制动器工作完成后，所述控制器控制限位开关打开以对偏航主轴进行限位。

2.根据权利要求1所述的偏航装置，其特征在于，还包括至少两个偏航齿轮，至少一个偏航齿轮设置在偏航电机上，另一个偏航齿轮设置在偏航主轴上，通过至少两个偏航齿轮的相互啮合和转动，实现偏航主轴的转动。

3.根据权利要求1所述的偏航装置，其特征在于，还包括偏航轴承和偏航轴承支架，所述偏航轴承固定于所述偏航轴承支架上，所述偏航主轴可转动地承载于所述偏航轴承上。

4.根据权利要求3所述的偏航装置，其特征在于，还包括润滑泵，所述润滑泵给所述偏航轴承提供润滑油。

5.根据权利要求1所述的偏航装置，其特征在于，所述制动器包括制动刹车盘，当所述制动器工作时，所述制动刹车盘对所述偏航主轴进行刹车。

6.根据权利要求1所述的偏航装置，其特征在于，还包括流速传感器，检测水流速度从而发送流速信号给控制器。

7.一种潮流能发电装置，其特征在于，包括：

水平轴水轮发电机和偏航装置，所述偏航装置包括：

偏航主轴，所述至少一个水平轴水轮发电机固定于所述偏航主轴上；

偏航电机，所述偏航电机驱动所述偏航主轴转动以带动所述至少一个水平轴水轮发电机改变朝向；

制动器，对所述偏航主轴进行制动；

流向传感器，检测水流方向；

偏航刻度盘，和所述偏航主轴一起转动；

偏航指针，指向偏航刻度盘，

编码器，通过偏航指针和偏航刻度盘以读取所述至少一个水平轴水轮发电机的旋转角度；

控制器，接收和分析来自流向传感器的流向信号和编码器发送的旋转角度信号，判断所述至少一个水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出所述至少一个水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，如果不需要偏航，控制制动器工作；

限位开关，当所述制动器工作完成后，所述控制器控制限位开关打开以对偏航主轴进行限位。

8.一种潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法，其特征在于，包括如下步骤：

流向传感器检测水流方向，发送流向信号给控制器；

编码器根据偏航指针和偏航刻度盘读取水平轴水轮发电机的旋转角度，将旋转角度信号发送给控制器；

控制器根据流向信号和旋转角度信号判断水平轴水轮发电机是否需要偏航，如果需要偏航，计算得出水平轴水轮发电机需要偏航的角度从而控制偏航电机工作，偏航主轴在偏航电机的驱动下转动以带动水平轴水轮发电机改变朝向，当水平轴水轮发电机转动到需要的偏航角度时，控制器控制制动器工作；

当制动器工作完成后，控制器控制限位开关打开以对偏航主轴进行限位。

9.根据权利要求8所述的潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法，其特征在于，还包括流速传感器检测水流速度，发送流速信号给控制器。

10.根据权利要求9所述的潮流能发电装置控制水平轴水轮发电机偏航的方法，其特征在于，控制器根据流速信号、流向信号和旋转角度信号判断水平轴水轮发电机是否需要偏航。

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