CN115875174A - 一种变桨式海浪发电装置和变桨式海浪发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种变桨式海浪发电装置和变桨式海浪发电方法，包括叶轮和变桨控制系统，所述叶轮绕竖直轴线转动；所述叶轮包括多个自所述叶轮的中心向外呈发散状分布的叶片单元，所述叶片沿径向延伸；所述变桨控制系统能够控制所述叶片沿水平轴线转动以变桨。本方案能量的传递步骤少，可降低能量损耗，提高能量利用率；叶片可以根据不同的海浪特征，调整自身的桨距角，以获得在对应海浪条件下的最优发电效率；还具备恒功率特性，可以保证机组发电功率稳定输出。

Description

一种变桨式海浪发电装置和变桨式海浪发电方法
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种变桨式海浪发电装置和变桨式海浪发电方法。
背景技术
海浪能量存储量大，不易受天气影响，对海浪能量的收集转化也受到各界关注。但采用传统的海浪发电系统，存在以下不足：
传统海浪发电装置需要将海浪流动方向的动能先转换为液压缸活塞的动能，再利用压缩空气推动发电机的涡轮运动，从而产生电能。该系统存在多次的动能传递及转换，能量损耗较大，发电效率较低。
另外，传统海浪发电装置的海浪受力结构尺寸及形状都是固定的，仅可适用范围较小的海浪特征，海浪特征例如包括波长、波高、周期等。而海浪是复杂多变的，其特征参数也是不断变化的，当波浪参数超出传统海浪发电系统的适用范围，其发电效率会大幅下降，导致其整体发电性能不佳，而且整体功率较低，发电功率不具备稳定性。
发明内容
本发明提供一种变桨式海浪发电装置，包括叶轮和变桨控制系统，所述叶轮绕竖直轴线转动，所述叶轮包括多个自所述叶轮的中心向外呈发散状分布的叶片单元，所述变桨控制系统能够控制所述叶片单元沿水平轴线转动以变桨。
在一种具体实施方式中，每个叶片单元包括至少一个沿所述叶轮的径向排布的叶片。
在一种具体实施方式中，所述叶轮包括中部基础，所述叶片单元包括沿径向延伸的支撑杆，所述支撑杆的一端固定于所述中部基础，所述叶片单元的各所述叶片沿所述支撑杆的长度方向排布。
在一种具体实施方式中，还包括多个环形支撑架，各所述环形支撑架分别环绕所述中部基础设置，且各所述环形支撑架由内向外依次分布；每个所述支撑杆均与多个所述环形支撑架连接。
在一种具体实施方式中，还包括总基础和至少两个所述叶轮，所有的所述叶轮环绕所述总基础设置，且所述叶轮通过连接架与所述总基础连接。
在一种具体实施方式中，所述连接架包括环形架和至少两个连接杆，多个所述叶轮的中部基础均与所述环形架连接；所述连接杆的两端分别连接所述环形架和所述总基础。
在一种具体实施方式中，所述总基础和所述中部基础，为浮式基础或固定式基础。
在一种具体实施方式中，所述变桨控制系统包括多个变桨执行单元，每个所述叶片均设有对应的所述变桨执行单元。
本发明还提供一种变桨式海浪发电方法，基于上述任一项所述的变桨式海浪发电装置，在发电功率不超过额定功率时，控制全部所述叶片开桨到最大位置；当发电功率将超过额定功率时，则控制部分或全部所述叶片的桨距角，使发电功率降低直至趋近于所述额定功率。
本方案中的变桨式海浪发电装置具有下述优势：
1、直接利用海浪上、下运动的能量带动叶轮及涡轮发电机旋转进行发电，能量的传递步骤少，可降低能量损耗，提高能量利用率。
2、由于叶轮上的叶片具备变桨功能，叶片可以根据不同的海浪特征，调整自身的桨距角，以获得在对应海浪条件下的最优发电效率。因此，该变桨式海浪发电装置具有更强的适用性，可适用波浪范围更广。
3、该变桨式海浪发电装置由于设置变桨控制系统，还可具备恒功率特性，可以保证机组发电功率稳定输出，具有更强的电网友好性。
作为进一步的方案，每个叶片单元包括沿径向排布的两个或更多的叶片，每个叶片单元中叶片的数量和尺寸形状可以根据项目场址定制化设计。比如，叶片的长度尺寸可以根据应用海域的波浪特征，比如通常的波长范围，再结合叶片本身的翼型特征，可以设计出合理的叶片长度，以尽量减小上、下波动方向相反对叶片能量收集的影响，并可以根据发电需求再计算设计每个叶片单元中叶片的排布数量，从而获取最优整机功率及效率，解决发电效率和发电功率的矛盾，并使得该方案具有更强的扩展性和适用性。
附图说明
图1为本发明第一实施例中变桨式海浪发电装置的结构示意图；
图2为图1中单个叶片的结构示意图；
图3为以图2中叶片断面为基础，分析叶片受力特性的示意图；
图4为本发明第二实施例中变桨式海浪发电装置的结构示意图；
图5为图4中叶片收桨后的状态示意图；
图6为本发明第三实施例中变桨式海浪发电装置的结构示意图。
图1-6中附图标记说明如下：
1-叶轮；
11-涡轮发电机；12-中部基础；13-叶片；131-变桨执行单元；13a-断面；14-支撑杆；15-环形支撑架；
2-总基础；
3-连接杆；
4-环形架。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本发明第一实施例中变桨式海浪发电装置的结构示意图。
该变桨式海浪发电装置包括能够水平转动的叶轮1和变桨控制系统，水平转动是指在水平面内转动，图1为该叶轮1的俯视视角。具体地，叶轮1包括多个自叶轮1的中心向外呈发散状分布的叶片单元，而每个叶片单元包括至少一个沿叶轮1的径向排布的叶片13，图1中每个叶片单元包括两个叶片13，叶片13本身也是沿叶轮1的径向延伸，叶片13的材质不限，可以由钢材或复合材料制成。
而变桨控制系统则能够控制叶片13沿水平轴线转动以变桨，叶片13开桨后，可以在海浪的上、下波动作用下带动叶轮1转动，从而对海浪的上、下波动能进行收集转换，带动变桨式海浪发电装置的涡轮发电机11进行发电，涡轮发电机11连接于叶轮1的中部。
叶片13在海浪上、下波动时进行受力而驱动叶轮1转动的原理，可请继续参考图2-3解，图2为图1中单个叶片13的结构示意图；图3为以图2中叶片13断面13a为基础，分析叶片13受力特性的示意图。
如图3所示，叶轮1的叶轮1面在本实施例也即水平面，叶片13变桨绕水平的轴线转动，图3中水平轴线垂直纸面方向，交汇于O点。其中，叶轮1面和叶片13弦线的夹角为桨距角，海浪的上、下波动产生水质点速度U与叶轮1转速Ωr形成的合速度Vres，叶轮1面和和合速度Vres之间的夹角是入流角，弦线和合速度Vres之间的夹角为攻角。合速度Vres作用于叶片13，可产生升力L和阻力D，升力L和阻力D可在叶片13上产生一个合力R，该合力R又可分解为与叶轮1面垂直的法向力Fn和沿叶轮1面的切向力Ft，而切向力Ft可以产生使叶轮1旋转的扭矩，多个叶片13的合扭矩可以促使叶轮1进行旋转，从而带动涡轮发电机11进行发电，叶片13在外力作用下推动叶轮1的转动原理可参照已有的风力发电机的叶轮1转动原理，不再更详细地展开。
本方案中的变桨式海浪发电装置具有下述优势：
1、直接利用海浪上、下运动的能量带动叶轮1及涡轮发电机11旋转进行发电，能量的传递步骤少，可降低能量损耗，提高能量利用率。
2、由于叶轮1上的叶片13具备变桨功能，叶片13可以根据不同的海浪特征，调整自身的桨距角，以获得在对应海浪条件下的最优发电效率。因此，该变桨式海浪发电装置具有更强的适用性，可适用波浪范围更广。
3、尤为重要的是，本方案中每个叶片单元可以包括沿径向排布的两个或更多的叶片13，即每个叶片单元由多个小叶片组成。本方案的叶轮1主要是用于收集海浪的上、下波动能量，如果叶片13沿叶轮1的方向尺寸过长，比如和海浪波动的一个波长大致相当，此时由于上、下波动方向不同，可能存在部分抵消，影响收集的效率。而本方案中将叶片单元分割为多个叶片13，每个叶片单元中叶片13的数量和尺寸形状可以根据项目场址定制化设计。比如，叶片13的长度尺寸可以根据应用海域的波浪特征，比如通常的波长范围，再结合叶片13本身的翼型特征，可以设计出更合理的叶片13长度，以尽量减小上、下波动方向相反对叶片13能量收集的影响，并可以根据需求再计算设计每个叶片单元中叶片13的排布数量，从而获取最优整机功率及效率，解决发电效率和发电功率的矛盾。
图1示出的叶轮1的每个叶片单元包括两个叶片13，显然，数量并不限于此，如图4所示，图4为本发明第二实施例中变桨式海浪发电装置的结构示意图，每个叶片单元包括四个叶片13。
可以理解，通过试验或者动力学仿真，可实现叶片13翼型的合理设计，使得海浪上、下波动都可以在叶片13上产生使叶轮1同向转动的力矩，但侧重一种方向能量收集的翼型设计，可提高海浪能量的利用率。
可见，本方案中由于叶片单元由多个叶片13组成，使得该方案具有更强的扩展性和适用性。
4、该变桨式海浪发电装置还可具备恒功率特性，可以保证机组发电功率稳定输出，具有更强的电网友好性。
发电功率的稳定输出具体可以通过变桨控制系统实现，如下：
可以设定额定功率，额定功率可根据不同需求进行设定，在发电功率不超过额定功率时，控制全部叶片13开桨到最大；此时，海浪一般较小；
当海浪变大，发电功率达到额定功率后，并具有超过额定功率的趋势时，则可由变桨控制系统控制调整部分或全部叶片13的桨距角，降低部分或全部叶片13的扭矩，以使发电功率降低直至趋近于额定功率。从而实现变桨式海浪发电装置具备恒功率特性。调整部分叶片的桨距角，也包括直接调整为控制部分叶片13收桨，如图5所示，图5为图4中叶片13收桨后的状态示意图。
本方案中的变桨控制系统包括多个变桨执行单元131，每个叶片13均设有对应的变桨执行单元131，即每个叶片单元内的各叶片13也是独立控制，从而可对所有叶片13进行独立的变桨控制，根据恒功率需求进行调整。
本方案中，如果海浪过大，变桨式海浪发电装置的叶片13如果开桨，可能会因为受力过大而存在损坏，故监测到海浪过大时，变桨控制系统可以直接控制所有叶片13收桨，以保护装置的安全性。
请继续参考图1，叶轮1可以包括中部基础12，叶片单元则还包括沿径向延伸的支撑杆14，支撑杆14的一端固定于中部基础12，叶片单元的各叶片13沿支撑杆14的长度方向排布，如此设置，支撑杆14可以给与对应叶片单元中各叶片13稳定可靠的支撑，且结构设计简单。可知，叶片单元的各叶片13不限于通过支撑杆14连接于中部基础12，比如，各叶片13可以通过单独的连接结构与中部基础12连接。
图1中，叶轮1还包括多个环形支撑架15，每个环形支撑架15分别单独环绕中部基础12设置，多个环形支撑架15由内向外依次分布，即向远离中部基础的方向依次布置，环向尺寸逐渐增加。每个支撑杆14均与多个环形支撑架15连接，也就是说多个支撑杆14同时与多个环形支撑架15连接，这样形成类似网格状的刚性支撑架结构，从而使得各叶片单元更为可靠地装配在一起，提高结构的稳定性。图1中多个环形支撑架15为与叶轮1同心布置的圆环形，但显然，这里的环形支撑架15也不限于图1中所示的圆环形，也可以是其他形状，例如方形，只要能把多个支撑杆14串接、加强固定可靠性即可。
上述的中部基础12可以为浮体基础或者固定式基础，浮体基础能够更好地适应海浪，固定式基础位置相对稳定，可以根据具体的应用环境和应用需求进行选择。
请继续参考图6，图6为本发明第三实施例中变桨式海浪发电装置的结构示意图。
本实施例中变桨式海浪发电装置不限于只设置上述一个叶轮1，图6中，变桨式海浪发电装置还包括总基础2和至少两个上述实施例中所述的叶轮1，且所有的叶轮1均环绕总基础2设置，所有的叶轮1通过刚性的连接架与总基础2连接，这样便于多个叶轮1集中布置在一定的海域，更好地对海浪特征参数相对一致的海域的海浪上、下波动能量进行收集，同时也方便多个叶轮1发电的电能的集中收集，图6中示出四个围绕总基础2的叶轮1，但显然，本方案中叶轮1的数量不限。
具体地，连接架可以包括环形架4和至少两个连接杆3，多个叶轮1的中部基础12分别与环形架4连接，即环形架4将多个叶轮1串接在一个环形架4上，环形架4可以是图6中所示的圆环形，也可以是其他形状。连接架中的连接杆3的两端则分别连接环形架4和总基础2，这样，连接杆3形成骨架结构，建立环形架4和总基础2的连接，提高整个连接架的强度。
另外，与上述单个叶轮1的中部基础12相同，总基础2可以是浮式基础或固定式基础，可以根据具体的应用环境和应用需求进行选择。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种变桨式海浪发电装置，其特征在于，包括叶轮(1)和变桨控制系统，所述叶轮(1)绕竖直轴线转动；所述叶轮(1)包括多个自所述叶轮(1)的中心向外呈发散状分布的叶片单元，所述叶片单元沿径向延伸；所述变桨控制系统能够控制所述叶片单元沿水平轴线转动以变桨。
2.如权利要求1所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，每个所述叶片单元包括至少一个沿所述叶轮(1)的径向排布的叶片(13)。
3.如权利要求2所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，所述叶轮(1)包括中部基础(12)，所述叶片单元包括沿径向延伸的支撑杆(14)，所述支撑杆(14)的一端固定于所述中部基础(12)，所述叶片单元的各所述叶片(13)沿所述支撑杆(14)的长度方向排布。
4.如权利要求3所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，还包括多个环形支撑架(15)，各所述环形支撑架(15)分别环绕所述中部基础(12)设置，且各所述环形支撑架(15)由内向外依次分布；每个所述支撑杆(14)均与多个所述环形支撑架(15)连接。
5.如权利要求3所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，还包括总基础(2)和至少两个所述叶轮(1)，所有的所述叶轮(1)环绕所述总基础(2)设置，且所述叶轮(1)通过连接架与所述总基础(2)连接。
6.如权利要求5所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，所述连接架包括环形架(4)和至少两个连接杆(3)，多个所述叶轮(1)的中部基础(12)均与所述环形架(4)连接；所述连接杆(3)的两端分别连接所述环形架(4)和所述总基础(2)。
7.如权利要求5所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，所述总基础(2)和所述中部基础(12)，为浮式基础或固定式基础。
8.如权利要求1-7任一项所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，所述变桨控制系统包括多个变桨执行单元(131)，每个所述叶片(13)均设有对应的所述变桨执行单元(131)。
9.一种变桨式海浪发电方法，基于权利要求1-8任一项所述的变桨式海浪发电装置，其特征在于，在发电功率不超过额定功率时，控制全部所述叶片(13)开桨到最大位置；当发电功率将超过额定功率时，则控制部分或全部所述叶片(13)的桨距角，使发电功率降低直至趋近于所述额定功率。
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