TWI491798B - 沉浸式水力發電裝置 - Google Patents

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TWI491798B
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Description

沉浸式水力發電裝置
本發明係有關一種沈浸式發電裝置，其為水力發電裝置，尤其是利用河水或海水，特別是潮汐水流，而發電。
不受堤壩結構左右，以水流，尤其是海流，驅動的沈浸式發電裝置，可充分利用再生性能源。此處，由於流體具高密度，故2至2.5m/s之低流動速度即可利用於經濟性發電。此種流動速率可出現於潮汐水流，或其他尤其可在海峽達到經濟性利用速度的海流。
該種水流可驅動水力發電裝置，其結構與風力發電裝置近似，亦即，使用具有葉片的轉子以構成一個水渦輪。但亦可使用其他種類的水渦輪，例如，垂直渦輪及管渦輪。除了使用海流發電外，該種自由沈浸式發電裝置亦可使用於河水，但由於環保或航運規定，在河水中尚未出現設有水渦輪的發電設備。
沈浸式水流發電裝置之問題，在於維修困難。進行維修時，水渦輪及所屬發電機必須被抬出水平面。由於受天候條件及波浪所左右，使用漂浮式起重系統頗為不利，故，沈浸式發電裝置必須設作成為漂浮式，而被錨定在海底或河底。此種漂浮式單元在維修時可漂浮在水面上。另一種方式為將水力發電裝置設在一個承載結構上，尤其是柱形結構，其被錨定在海底而站立在海水中。若該承載結構延伸至水平面，維修時可垂直於該結構而移動發電裝置。此種承載結構可在內部設有一個升降機構。除了複雜的結構之外，尚為不利的是，伸出水平面或在水平面下方的結構，會構成航行船隻之危險障礙物。
上述維修問題，使得沈浸式發電裝置需盡量設計成不需維修。因此，需減少驅動發電機之元件的數量。但，低海流速度會導致水渦輪轉速低，而高驅動媒質密度會導致高扭矩。為使發電機有效率地工作，需要更高的轉速，故，水渦輪與發電機之間需設置一個傳動裝置，以提高轉速。可參閱US 2006 055 174A。
使用傳動裝置，對故障安全性而言為不利者。此外，傳動裝置之設計費用高，且需使用潤滑劑，而對環境為不利者。艙體軸承前方通常需設置一個波浪密封件，而該波浪密封件完全不需維修，但無法完全防止水進入發電裝置內部，故，艙體中需設置排水幫浦及油分離器。
WO 07017629A1提出一種無傳動裝置的沈浸式發電裝置，其具有一個直接驅動發電機。此處使用了一對轉動方向相反的轉子，以接收水流之動能，其第一個轉子與發電機定子固定連接，第二個轉子則與發電機轉子固定連接。但，WO 07017629A1之問題在於，發電裝置需設置一個波浪密封件，以密封發電裝置內部。
EP 1 741 926 A2提出另一種方法，其發電機包括一個由轂環構成的發電機轉子，該轂環內部設有複數個永久磁鐵。發電機轉子為外轉子，其在氣隙兩側以流體靜力的軸承抵靠住一個艙體。該軸承為一個V形組合式軸徑向軸承。
轂環除了發電機轉子元件外，尚承載有發電機徑向向外延伸的螺旋槳式渦輪葉片。EP 1 741 926 A2之發電裝置由於設有徑向大型發電機，故發電機可達到足夠高的轉速。但其缺點為，必須設計出耐扭轉的發電機轉子轂環。此處，需注意的是，渦輪葉片與轂環之樞接點無法將輸入的力轉換成扭轉，而強烈改變氣隙距離。此外，尚需使鄰接轂環的流體靜力軸承之軸承殼成為耐扭轉者。故需使用直徑大的轂環。因此，水渦輪之縱向尺寸之為發電裝置預設的總直徑被縮減。發電機之直徑亦可減少，但，其對發電機之轉動速度為不利者。
本發明之目的在於提供一種上述之發電裝置，其具有長維修期限、低組件數目、及簡單的結構。
本目的由申請專利範圍獨立項之特徵所達成，其他有利的實施例則參閱申請專利範圍各附屬項。
本目的由本發明之直接被驅動的發電機達成。尤其是一種高極數發電機，特別是一種高極數環形同步發電機。由於直接驅動，故水渦輪，尤其是螺旋槳式，與發電機轉子固定連接。發電機定子則設在發電裝置之一個不轉動件上，而位在艙體內部。
發電機轉子設作成為內轉子，被一個支撐件所承載，而該支撐件至少間接隨水渦輪轉動，而構成轉動單元之一部分。支撐件設置在艙體內部空間中，並可藉一個軸承而在該內部空間中轉動。軸承之軸承件較佳為水潤滑、且非靜態的不對稱面壓力負荷，因為，支撐件具有浮力空間。故，使支撐件與艙體內壁之間隙充滿水。最簡單的方式，是使周遭的水流入其間。此處，需在水渦輪側設沈澱物密封件，或將周遭的水過濾。無法進入間隙的沈澱物被向外流出的水流所帶出。但，亦可設置不需附加保護措施而可充滿水的軸承。
在支撐件之第一實施例中，其至少部分地由一個中空圓柱體所構成，故，浮力空間由支撐件內部的密封中空空間所構成。該中空空間亦可為發泡狀，或充填以低密度的材料。此外，亦可使支撐件至少部分地由密度低於周遭媒質的材料所製成。支撐件之浮力空間亦可由分開的漂浮體所構成，其至少間接地與支撐件固定連接。此種支撐件基本上不具有承載功能。故，支撐件沒有浮力空間，而可至少部分地設作為支柱結構。
特別有利的是，使支撐件及與支撐件相連接的轉動件構成一個發電裝置單元，其浮力使得軸承不受負荷。故，可使用堅固的水潤滑軸承。尤其是使用不需特殊外殼的水潤滑滑動軸承。此種軸承之滑動面可設在支撐件徑向外壁之圓柱形部分內、或艙體內部空間之徑向內壁中。
藉支撐件之漂浮作用及大面積的軸承面，可使滑動軸承快速通過混合摩擦階段。同時，改良了啟動特性。亦可使軸承為磨損潤滑軸承，而可由滾柱軸承構成。此處，水會繞過軸承，水因磨損潤滑而不進入軸承中。
此外，浮力及/或支撐件之重力調整，不僅會影響所產生的力，亦可設定浮力作用點與整個轉動單元重心的關係。如此，可在發電裝置軸承中，尤其是支撐件之軸承，設定靜態預應力，而減少軸承縫隙、及轉動時之振盪。進行此種轉動單元之平衡，需要考慮其他轉動元件，尤其是水渦輪及轉動罩體，之浮力及重力與支撐件的關係。
本發明之發電裝置結構，可以藉浮力及重力而有利地影響力平衡及/或作用於支撐件上的扭矩，而該結構包含支撐件之轉動單元，其相較於外轉子之轂環具有較大的浮力空間。
艙體內部空間可由一個殼體件所構成，其例如為套筒狀或中空圓柱形。在構成內部空間的殼體件內設置有發電機定子，其鄰接於內部空間之徑向內壁之圓柱形部分。由於發電機轉子與發電機定子之氣隙被水充滿，故，發電機電性元件需要密封。為此，可使發電機定子繞組及鋼片為電絕緣。例如，使用澆鑄及/或塗料及/或中間管。
支撐件較佳至少部分地具有圓柱形徑向外壁。最簡單的是，使用一個中空圓柱體、或數個中空圓柱體，其係軸向排列在一起。一種特別簡單的設計為，使支撐件軸向具有一致的半徑。軸承有利地設置在一個大的半徑上，其接近於發電機之氣隙直徑。
本發明之另一設計中，支撐件之承載者發電機轉子的部分、與承載著軸承的部分，具有不同半徑。此處，支撐件具有一個中空圓柱體，其具有一個環形或凸緣部分，以支撐大直徑的元件。使用分開的浮體時，可得到高度的設計自由度。該浮體可附屬於一個具有承載功能的支撐體。
艙體內部空間中的支撐件之軸承較佳為徑向軸承，為承接推力而附設有軸向軸承；依據第一實施例，該軸向軸承設置在內部空間中支撐件端側。內部空間於是成為套筒狀。依據另一實施例，可在朝外的端側，即，內部空間外緣，設置一個分開的軸向軸承。支撐件軸承亦可由組合式徑向、軸向的軸承所構成，其例如為錐形或V形。
本發明之進一步設計中，支撐件在朝外的軸向第一端連接了一個片狀元件，其直徑大於支撐件。片狀元件位在艙體內部空間之外。片狀元件外周面上設置有水渦輪葉片。片狀元件之朝向艙體的端面，設置有突出於支撐件的軸向軸承元件。其相對元件設置在艙體之相對部分。故，可在軸向接近水渦輪力輸入點處，接收軸向推力。上述軸向軸承亦較佳由水潤滑的滑動軸承所構成。此外，亦可設置攔住朝外部分之沈澱物的元件。
設有軸向連接支撐件的片狀元件時，可對渦輪輸入力達到高結構強度。故片狀元件可具有大直徑，而不阻擋水流。同時，使得高變形風險部分，尤其是，片狀元件上水渦輪的力輸入點，與軸承有足夠距離，而使軸承工作時只略微變形。
本發明之另一實施例中，轉動的支撐件由雙壁式中空圓柱體所構成，其由係塔側穿通至渦輪側，而可進行例如渦輪葉片角度調整。設為封閉結構或分開的浮體時，片狀元件本身可具有一個浮力空間。
以下將依據附圖之實施例詳細說明本發明。
圖1顯示本發明之轉動單元20之立體圖，其係與周遭的水全方位地接觸。
圖中所顯示者為一個水渦輪1，其具有螺旋槳狀渦輪葉片2.1、2.2、2.3。在所示實施例中，渦輪葉片2.1、2.2、2.3設置在一個片狀元件4上，其間之連接為不可轉動、或可進行葉片角度調整。
片狀元件4連接一個支撐件3。支撐件3設有一個軸承，而可在一個固定的艙體(圖1未示出)內部空間中轉動。第一徑向軸承5.1與第二徑向軸承5.2之轉動元件為滑動軸承元件，其滑動面設在支撐件之壁部。支撐元件3承載著發電機轉子6.1。
在一較佳設計中，支撐件3之直徑被設成為使其徑向外壁可承載發電機轉子6.1及軸承元件。軸承之支撐係直接利用內部空間壁部之相應元件，而該內部空間內徑係延伸至發電機9轉子6.1與定子6.2之間的氣隙。
支撐件可由數個圓柱形部所組成，其係軸向地彼此連接在一起。支撐件較佳為包括數個部分，其各具有一個圓柱形外壁。亦可使各部分之徑向長度為彼此不同。較佳為，以該圓柱形部分承載支撐件軸承各之元件及發電機轉子6.1。
圖1所示，彼此固定連接的轉動單元元件，在發電裝置工作時係沈浸在水中。發電機轉子6.1為濕式轉子。軸承5.1及5.2被支撐件3所支撐，而為水潤滑軸承。
此外，亦可設置密封唇，以保護軸承，防止沈澱物進入。但，該密封唇對水不具完全密封性，以使水可作為軸承之潤滑劑。尤其，可使周遭的水在進入軸承固定部分之前，先通過一個過濾系統。
中空設計的支撐件3之優點為，可產生浮力，使得轉動單元20之重力至少一部分，尤其是全部，被抵銷。如此便最小化了徑向軸承之面壓力，而可使用上述水潤滑軸承。此外，由於該種軸承之均勻的面負荷，啟動時可在軸承中快速通過混合摩擦階段。如此便改良了本發明發電裝置之自動啟動特性、及低水流流動速度之轉動特性。
圖1中，轉動單元之一個附加部分為轉動罩體7。該轉動罩體亦可被利用作為浮體。但，只有與轉動罩體7在水渦輪1軸向上相對的支撐件3，才可有利地設定浮力對轉動單元重力的作用力。其受到浮力作用點與重心之距離的影響。本發明之一個有利設計中，設有一傾矩，其作用在於：使軸承，尤其是徑向軸承元件，有一個被設定的預應力，以避免轉動時軸承振盪。
圖2顯示本發明發電裝置縱軸8之剖面圖。其中，轉動單元20包括：水渦輪1、片狀元件4、支撐件3、及轉動罩體7；在組裝狀態時，亦即，支撐件3位在構成圓柱形內部空間16的殼體件10內，並以一個軸承，其在本實施例中係由第一徑向軸承5.1及第二徑向軸承5.2構成，抵靠於圓柱形內部空間16之徑向內壁。
殼體件15之圓柱形內部空間16之內壁與支撐件3之間的空隙充滿了水。發電機轉子6.1與發電機定子6.2之間的氣隙13亦充滿了水。此外，第一徑向軸承5.1及第二徑向軸承5.2為水潤滑軸承。
本實施例中，支撐軸向力的軸承元件被設在圓柱形內部空間16之頂側艙體15與片狀元件4之間。此處為第一軸向軸承5.3。第二軸向軸承5.4被設在支撐件3之支撐結構12一側的軸向末端。此處之第二軸向軸承5.4只以示意方式顯示，可承受向外的軸向力。對所示的迎流轉子而言，作用於轉動單元20的軸向力會構成艙體15方向之壓力，故，第二軸向軸承5.4只作為安全軸承，以防止水流方向錯誤時發生滑脫。
本發明之發電裝置亦可使用背流轉子，或使水渦輪1之水流成為雙向，而不需要設置塔柱轉動裝置。軸向軸承元件可配合於工作時出現的軸向力。圖3顯示水流可為兩方向的水渦輪，其中相同元件具相同符號。此處顯示第二軸向軸承5.5，其被容置在艙體側之一個環形凹槽19中，其寬度等於第一軸向軸承5.3。支撐件3之以徑向向外伸入凹槽19中的凸緣21，係抵靠於第二軸向軸承5.5。第一軸向軸承5.3及第二軸向軸承5.5皆在軸向上接近水渦輪，以將支撐件3之變形減至最低。
圖2及3所示實施例中，水渦輪1之葉片2.1、2.2設置在片狀元件4上，而該片狀元件4與支撐件3之一端面固定連接。片狀元件4因其直徑而突出於支撐件3，故，在艙體15之圓柱形內部空間之入口側構成一個凸緣。如此，可使第一軸向軸承5.3抵靠於其上，以承受迎流轉子之水渦輪1推力。
片狀元件4由於具有大的直徑，而強度變高。並可使片狀元件4承受渦輪葉片2.1、2.2之變形，而不影響承載軸承元件。片狀元件4及支撐元件3可被增強強度，或具有增強強度的結構。其未顯示於圖2中。
發電機9被水充滿的氣隙13，位在被支撐件3所支撐的發電機轉子6.1與設在殼體件10中的發電機定子6.2之間。由於設置了濕式轉子，故發電機轉子6.1與發電機定子6.2為電絕緣。其電絕緣係利用塗料或澆鑄而達成。亦可使用中間管，例如由非磁性鋼，如奧氏體鋼，所製成。其他實施型態為彈性體材料中間管，其可封閉發電機定子6.2之繞組及鋼片。如發電機轉子6.1為外激式並承載激磁繞組時，則可設置適當的密封裝置。亦可另設或增設永久磁鐵。
本發明所選擇之發電機9配置，可使徑向外部的發電機定子6.2、及設作成濕式轉子的發電機轉子6.1達到有效率的散熱。發電機之散熱可藉由附加手段，例如，在發電機9處的艙體15外側設置散熱鰭片，而進一步改良。此外，亦可使用導熱管或散熱通道於發電機定子6.2及發電機轉子6.1，使得周遭的水通過。
如圖2所示，發電機9較佳被設作成不對稱，而偏向支撐件3承載結構處。此處，不對稱係指發電機9之軸向位置不在支撐件中心。圖2中之線S-S顯示支撐件3中心之對稱平面。發電機9之不對稱設置，使得笨重的發電機偏向支撐結構12。
亦可使支撐件3軸向地長度增長，而縮小水渦輪1之迎流轉子由支撐結構12及艙體15所構成的塔端。其亦適用於為背流轉子時之塔影效應(tower shade effect)。如上所述，同時可使用重心位置、支撐件3浮力作用點、及轉動元件之重量分佈，而有利地影響軸承預應力。
圖4顯示另一實施例，其不同於上述實施例之處為設有分開的浮體22.1及22.2。其係環繞著支撐件之圓柱形部3.1，而不承受軸承及發電機轉子之力。由於該環形結構，分開的浮體22.1及22.2不一定要與轉動單元一起轉動。浮力亦可導致圓柱形部3.1與分開的浮體22.1及22.2之間的圓周方向相對運動。分開的浮體22.1及22.2可設作成中空體，或由漂浮性材料所製成。
在圖4所示實施例中，支撐件3由多個部分所構成，其由於分開的浮體22.1及22.2而不需構成密封的中空空間，故可較簡單地彼此連接。此處之支撐件3除了圓柱形部3.1外，尚具一個由圓柱形部徑向向外延伸的環形部3.4，以承載發電機轉子6.1。圓柱形部3.1軸向兩端各連接了第一錐形部3.2及第二錐形部3.3。其上設有V形的組合式軸向、徑向軸承5.6、5.7，其抵靠於艙體15內部空間16之內壁之相應元件。
本發明之發電裝置尚可具有附加的選用元件。圖2顯示出設在支撐件3之一端面上的制動裝置14。亦可將支撐件3設作成雙壁式中空圓柱體，其可在接近軸心處設置一個機械裝置，以調整葉片2.1、2.2之角度，而可被艙體15之固定部分操作。角度調整亦可利用一個無接觸的力傳輸裝置，例如，感應式力傳輸裝置。支撐件3之端面亦可設有轉速計、及/或偵測極輪位置的偵測系統。本發明之其他實施例皆屬本發明範圍，而受下述申請專利範圍保護。
1．．．水渦輪
2.1、2.2、2.3．．．(渦輪)葉片
3．．．支撐件
3.1．．．圓柱形部
3.2、3.3．．．錐形部
3.4．．．環形部
4．．．片狀元件
5.1．．．(第一)(徑向)軸承；軸承元件
5.2．．．(第二)(徑向)軸承；軸承元件
5.3．．．(第一)(軸向)軸承
5.4、5.5．．．(第二)(軸向)軸承
5.6、5.7．．．(軸向、徑向)軸承
6.1．．．(發電機)轉子
6.2．．．(發電機)定子
7．．．轉動罩體
8．．．縱軸
9．．．發電機
10．．．殼體件
11．．．固定罩體
12．．．支撐結構
13．．．氣隙
14．．．制動裝置
15．．．艙體
16．．．內部空間
17．．．(徑向)內壁
18．．．(徑向)外壁
19．．．環形凹槽
20．．．轉動單元
21．．．凸緣
22．．．浮力空間
22.1、22.2．．．(分開)浮體
圖1係本發明發電裝置之轉動單元之立體圖。
圖2係本發明發電裝置之縱剖面圖。
圖3係本發明雙向水流式發電裝置之縱剖面圖。
圖4係本發明發電裝置之具有分開浮體的另一實施例之縱剖面圖。
1．．．水渦輪
2.1．．．(渦輪)葉片
2.2．．．(渦輪)葉片
2.3．．．(渦輪)葉片
3．．．支撐件
4．．．片狀元件
5.1．．．(第一)(徑向)軸承；軸承元件
5.2．．．(第二)(徑向)軸承；軸承元件
6.1．．．(發電機)轉子
7．．．轉動罩體
20．．．轉動單元

Claims (16)

  1. 一種發電裝置，可利用水力而發電，其包括：轉動單元(20)，設有水渦輪(1)；發電機(9)，被直接驅動，而具有一個同軸的發電機轉子(6.1)及發電機定子(6.2)；艙體(15)，具有一個構成圓柱形內部空間的殼體件(10)，而其內設置發電機定子(6.2)；支撐件(3)，構成轉動單元(20)之一部分，同軸且徑向地設在內部空間(16)中，並承載發電機轉子(6.1)；軸承，使支撐件(3)可在內部空間(16)中轉動，具有軸承元件(5.1,5.2)，其係設在內部空間(16)之徑向內部、或支撐件(3)之徑向外部，及/或設在內部空間(16)或支撐件(3)之壁部；其中，支撐件(3)與內部空間(16)之間隙充滿水，支撐件(3)具有浮力空間(22)，其在沈浸狀態時產生浮力，而至少部分地補償轉動單元(20)之重力。
  2. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，在沈浸狀態時，支撐件(3)可提供轉動單元(20)浮力，使得轉動單元(20)之重力與浮力所產生的傾矩定義出一個軸承預應力。
  3. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，支撐件(3)至少具有一個防水的中空圓柱形部。
  4. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，支撐件(3) 至少一部分被充填密度小於水的材料，或至少部分由該材料所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，支撐件(3)之浮力空間(22)由不具支撐力的浮體所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，支撐件(3)之浮力空間(22)被分開的浮體(22.1,22.2)所舉起。
  7. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，發電機(9)對艙體(15)之圓柱形內部空間(16)之縱向為非對稱狀，而偏向支撐結構(12)。
  8. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，構成圓柱形內部空間(16)的殼體件(10)設作成為中空圓柱形或套筒狀。
  9. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，構成圓柱形內部空間(16)的殼體件(10)係由多個彼此連接的環形件所構成，而發電機定子設置於該等環形件其中之一中。
  10. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，水渦輪(1)具有一個片狀元件(4)，有多個渦輪葉片(2.1,2.2,2.3)設在其上，而該片狀元件(4)係與支撐件(3)固定連接，並突出於該支撐件。
  11. 如申請專利範圍第10項之發電裝置，其中，該片狀元件(4)以水潤滑第一軸向軸承(5.3)，而抵靠於構成圓柱形內部空間(16)的殼體件(10)之一端面。
  12. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，發電機定 子(6.2)及/或發電機轉子(6.1)被防水封裝。
  13. 如申請專利範圍第12項之發電裝置，其中，該發電機定子(6.2)及/或發電機轉子(6.1)之封裝，係使用一個中間管。
  14. 如申請專利範圍第12項之發電裝置，其中，該發電機定子(6.2)及/或發電機轉子(6.1)之封裝，係使用由防腐蝕非磁性材料，尤其是，防腐蝕非磁鐵材料，所構成的電絕緣體。
  15. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，發電機轉子(6.1)具有永久磁鐵，及/或為外激式配置，而該發電機轉子(6.1)係被此發電裝置之固定部分無接觸地輸入激磁功率。
  16. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，支撐件(3)在縱軸(8)方向上具有一個穿通部，其內部設有機械調整機構，以調整水渦輪(1)之渦輪葉片(2.1,2.2,2.3)之角度。
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