WO2021258830A1 - 悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置及其控制方法。悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，包括：下沉底座（1）、浮标（2）、导流罩（3）和轮辋式发电水轮机（4）；浮标（2）与下沉底座（1）之间设置有锚索（5），导流罩（3）通过牵引索（6）连接在锚索（5）上，轮辋式发电水轮机（4）设置在导流罩（3）中。

Description

悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置及其控制方法 技术领域
本发明涉及海洋潮流发电技术领域，尤其涉及一种悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置及其控制方法。
 背景技术
目海洋潮流能作为一种清洁的可再生能源，具有能量密度大、资源丰富、对环境影响小等特点。近几年来，世界各国政府和研究机构对潮流能发电技术的研究投入和资金支持力度均在加大，研制出各种类型和不同规格的潮流发电装置，潮流能发电技术在世界范围内得到了迅速的发展。中国专利申请号201410539768.6 、201410143270.8、201910857200.1等专利公开文件中分别公开了有关利用潮流能发电的技术，采用在海面上搭建漂浮平台来安装发电设备（如水流发电水轮机），以通过发电设备来进行发电。但是，由于需要搭建浮体来安装固定发电设备，这便导致设备的整体制造和施工成本较高。
 技术问题
如何设计一种结构简单且制造和施工成本较低的潮流能发电设备是本发明所要解决的技术问题。
 技术解决方案
本发明所要解决的技术问题是：提供一种悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置及其控制方法，实现简化整体结构以降低制造和施工成本。
本发明提供的技术方案是，一种悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，包括：下沉底座、浮标、导流罩和轮辋式发电水轮机；所述下沉式底座用于沉入到水面下方，所述浮标用于漂浮在水面上，所述浮标与所述下沉底座之间设置有锚索，所述导流罩通过牵引索连接在所述锚索上，所述轮辋式发电水轮机整体呈圆盘结构并竖向设置在所述导流罩中。
如上所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，所述导流罩包括连接在一起的前罩体和后罩体，所述前罩体呈圆环结构，所述轮辋式发电水轮机设置在所述前罩体中，所述后罩体呈喇叭口结构，且所述后罩体的内径沿水流方向逐渐增大。
如上所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，所述后罩体的外壁设置有多个尾流板 。
如上所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，所述前罩体和所述后罩体中均设置漂浮腔体，所述漂浮腔体中填充有浮体材料。
如上所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，所述前罩体和所述后罩体中均设置配重腔体，所述配重腔体中设置配重体。
如上所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，所述导流罩上还设置有姿态传感器。
如上所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，所述轮辋式发电水轮机包括定子组件和转子组件；所述定子组件包括防水线圈、外挡圈、前支架和后支架，所述外挡圈设置在所述前支架和所述后支架之间，所述防水线圈设置在所述外挡圈的内壁；所述转子组件包括转轴、永磁体、圆环和多个叶片，所述圆环套在所述转轴上，所述叶片连接在所述转轴和所述圆环之间，所述永磁体设置在所述圆环的外壁上；其中，所述转轴可转动的安装在所述后支架上，所述防水线圈包围在所述圆环的外侧。
本发明还提供一种上述悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置的控制方法，其特征在于，包括：
当潮流的流速发生变化时，作用在导流罩和潮流能发电水轮机上的纵向推力方向发生变化，导流罩带动潮流能发电水轮机纵向上升或下降，并在新的位置达到新的平衡；
当潮流的流向发生变化时，作用在导流罩和潮流能发电水轮机上的横向推力方向发生变化，导流罩带动潮流能发电水轮机横向绕锚索移动，并在新的位置达到新的平衡。
 有益效果
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：通过在浮标和下沉底座之间通过锚索连接，然后，导流罩在通过牵引索与锚索连接，这样，便使得导流罩在水中处于悬浮的状态，并且，在潮流的作用下，导流罩能够自动调整姿态的位置，以使得轮辋式发电水轮机能够有效的利用潮流能进行发电，而由于无需在海面上搭建漂浮平台，实现简化了悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置的整体结构形成，并大大降低了制造和施工成本。
 附图说明
图1为本发明悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置实施例的结构示意图。
图2为本发明悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置实施例中导流罩和轮辋式发电水轮机的组装图之一。
图3为本发明悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置实施例中导流罩和轮辋式发电水轮机的组装图之二。
图4为图3中A-A向剖视图。
图5为本发明悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置实施例中轮辋式发电水轮机的结构示意图。
图6为本发明悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置实施例中导流罩的剖视图。
图7为本发明悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置实施例处于工作状态的参考图。
 本发明的最佳实施方式
如图1-图7所示，本实施例悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，包括：下沉底座1、浮标2、导流罩3和轮辋式发电水轮机4；下沉底座1用于沉入到水面下方，浮标2用于漂浮在水面上，浮标2与下沉底座1之间设置有锚索5，导流罩3通过牵引索6连接在锚索5上，轮辋式发电水轮机4整体呈圆盘结构并竖向设置在导流罩3中。
在实际使用过程中，将下沉底座1投入水中以使得下沉底座1下沉至水底，而浮标2则依靠浮力漂浮在水面上，以使得锚索5牵拉在下沉底座1和浮标2之间。而导流罩3则通过牵引索6连接在锚索5上，在潮流的作用下，导流罩3将悬浮在水中。
导流罩3的轮辋式发电水轮机4将受潮流的驱动而转动进行发电，导流罩3一方面用于安装轮辋式发电水轮机4，另一方面还起到引导潮流朝向轮辋式发电水轮机4方向流动，以确保轮辋式发电水轮机4进行高效地发电。同时，导流罩3在潮流的作用下能够跟随潮流的方向变化而随之移动，以使得轮辋式发电水轮机4始终面向潮流的流动方向。
进一步的，为了更好的对潮流起到导流的作用，则导流罩3包括连接在一起的前罩体31和后罩体32，前罩体31呈圆环结构，轮辋式发电水轮机4设置在前罩体31中，后罩体32呈喇叭口结构，且后罩体32的内径沿水流方向逐渐增大。具体的，前罩体31整体采用圆环结构，这样，可以方便的将轮辋式发电水轮机4进行安装固定。而对于后罩体32而言，其采用喇叭口结构，而后罩体32的渐扩结构形式，使得在后罩体32的后端部形成负压区域，进而使得潮流能够快速的经由前罩体31流入到导流罩3中，以加快导流罩3中潮流的流动速度，提高了潮流能水轮机4的发电量。同时，导流罩3的整体外形具有自动迎流对向的效果，进而提高发电效率。
另外，为了确保在发电过程中，使得轮辋式发电水轮机4的姿态保持稳定，则后罩体32的外壁设置有多个尾流板 33。具体的，潮流流经导流罩3内外壁的过程中，流入到导流罩3内的水流将驱动轮辋式发电水轮机4的叶轮转动以实现发电。而在轮辋式发电水轮机4发电过程中，受潮流作用轮辋式发电水轮机4将产生一定量的转矩，同时，后罩体32的外壁上布置的尾流板33受潮流作用也能够产生一定量的转矩，进而通过尾流板33产生的转矩来抵靠轮辋式发电水轮机4将产生的转矩。其中，为了使得尾流板33能够提供足够的转矩来克服轮辋式发电水轮机4将产生的转矩，则尾流板33相对于导流罩3的轴线倾斜布置，倾斜布置的尾流板33所产生的转矩更大，更有利于抵消掉轮辋式发电水轮机4所产生的转矩，以使得导流罩3的整体姿态保持稳定，确保轮辋式发电水轮机4能够可靠的发电。
优选地，为了精确的控制导流罩3的整体姿态，则尾流板33的倾斜角度可以根据潮流流速对应的调节，为此，则导流罩3上还配置有流速传感器（未图示），同时，导流罩3上还设置有用于控制尾流板33转动的驱动模块。在实际使用过程中，所述流速传感器能够检测潮流的流速，进而根据潮流的流速来触发所述驱动模块动作，所述驱动模块将驱动尾流板33转动至合适的倾斜角度，以更加准确的匹配轮辋式发电水轮机4在该潮流流速下所产生的转矩，进而使得导流罩3能够更加稳定的安装轮辋式发电水轮机4。
其中，对于前罩体31和后罩体32中均设置漂浮腔体（未图示），所述漂浮腔体中填充有浮体材料。具体的，通过在前罩体31和后罩体32中填充浮体材料，以使得导流罩3整体具有一定的浮力，以满足在水下通过导流罩3将轮辋式发电水轮机4悬浮安装的要求。另外，为了使得导流罩3和轮辋式发电水轮机4呈水平姿态悬浮在水中，则前罩体31和后罩体32中均设置配重腔体（未图示），所述配重腔体中设置配重体（未图示）。通过控制所述配重体的重量，可以满足导流罩3和轮辋式发电水轮机4在水下保持基本水平的姿态。
优选地，为了满足不同潮流流速下导流罩3和轮辋式发电水轮机4依然较好的保持基本水平的姿态，则配重体采用液体配重体，且前罩体31的配重腔体和后罩体32中的配重腔体之间设置有双向泵（未图示），通过双向泵可以调整前罩体31和后罩体32中各自配重腔体内的液体配重体的重量，进而在不同的潮流流速下，使得导流罩3和轮辋式发电水轮机4呈水平姿态悬浮在水中。而为了触发双向泵动作，则可以在导流罩3上设置有姿态传感器，利用姿态传感器检测导流罩3为前倾或后仰来触发双向泵正转或反转，以使得液体配重体在前罩体31和后罩体32之间流动。
基于上述技术方案，为了方便组装所述轮辋式发电水轮机，则对于所述轮辋式发电水轮机而言，其整体呈圆盘结构，具体包括定子组件41和转子组件42；定子组件41包括防水线圈411、外挡圈412、前支架413和后支架414，外挡圈412设置在前支架413和后支架414之间，防水线圈411设置在外挡圈412的内壁；所述转子组件包括转轴421、永磁体422、圆环423和多个叶片424，圆环423套在所述转轴上，叶片424连接在所述转轴和圆环423之间，永磁体422设置在圆环423的外壁上；其中，所述转轴可转动的安装在后支架414上，防水线圈411包围在圆环423的外侧.
具体的，定子组件41中的前支架413、后支架414通过外挡圈连接在一起，以形成盘状结构，而转子组件42整体则安装在前支架413和后支架414之间。转子组件42的叶片424外部配置有圆环423来安装永磁体422，进而满足永磁体422与外挡圈412上配置的防水线圈411相互作用，以实现发电。
而所述轮辋式发电水轮机则安装在在前罩体31中，对于所述前罩体而，为了方便安装所述轮辋式发电水轮机，则前罩体31在内壁上形成有台阶面311，以通过台阶面311来定位后支架414。而前罩体31的前端部还设置有固定环34，所述轮辋式发电水轮机夹在所述固定环34和台阶面311之间。同样的，为了方便导流，固定环34的内圈呈喇叭口结构。
本发明还提供一种上述悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置的控制方法，其特征在于，包括：
当潮流的流速发生变化时，作用在导流罩和潮流能发电水轮机上的纵向推力方向发生变化，导流罩带动潮流能发电水轮机纵向上升或下降，并在新的位置达到新的平衡；
当潮流的流向发生变化时，作用在导流罩和潮流能发电水轮机上的横向推力方向发生变化，导流罩带动潮流能发电水轮机横向绕锚索移动，并在新的位置达到新的平衡。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：通过在浮标和下沉底座之间通过锚索连接，然后，导流罩在通过牵引索与锚索连接，这样，便使得导流罩在水中处于悬浮的状态，并且，在潮流的作用下，导流罩能够自动调整姿态的位置，以使得轮辋式发电水轮机能够有效的利用潮流能进行发电，而由于无需在海面上搭建漂浮平台，实现简化了悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置的整体结构形成，并大大降低了制造成本。

Claims (8)

  1. 一种悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，包括：下沉底座、浮标、导流罩和轮辋式发电水轮机；所述下沉式底座用于沉入到水面下方，所述浮标用于漂浮在水面上，所述浮标与所述下沉底座之间设置有锚索，所述导流罩通过牵引索连接在所述锚索上，所述轮辋式发电水轮机整体呈圆盘结构并竖向设置在所述导流罩中。
  2. 根据权利要求1所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，所述导流罩包括连接在一起的前罩体和后罩体，所述前罩体呈圆环结构，所述轮辋式发电水轮机设置在所述前罩体中，所述后罩体呈喇叭口结构，且所述后罩体的内径沿水流方向逐渐增大。
  3. 根据权利要求2所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，所述后罩体的外壁设置有多个尾流板。
  4. 根据权利要求2所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，所述前罩体和所述后罩体中均设置漂浮腔体，所述漂浮腔体中填充有浮体材料。
  5. 根据权利要求4所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，所述前罩体和所述后罩体中均设置配重腔体，所述配重腔体中设置配重体。
  6. 根据权利要求5所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，所述导流罩上还设置有姿态传感器。
  7. 根据权利要求1-6任一项所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置，其特征在于，所述轮辋式发电水轮机包括定子组件和转子组件；所述定子组件包括防水线圈、外挡圈、前支架和后支架，所述外挡圈设置在所述前支架和所述后支架之间，所述防水线圈设置在所述外挡圈的内壁；所述转子组件包括转轴、永磁体、圆环和多个叶片，所述圆环套在所述转轴上，所述叶片连接在所述转轴和所述圆环之间，所述永磁体设置在所述圆环的外壁上；其中，所述转轴可转动的安装在所述后支架上，所述防水线圈包围在所述圆环的外侧。
  8. 一种如权利要求1-7任一项所述的悬浮自动对向轮辋式潮流能发电装置的控制方法，其特征在于，包括：
    当潮流的流速发生变化时，作用在导流罩和潮流能发电水轮机上的纵向推力方向发生变化，导流罩带动潮流能发电水轮机纵向上升或下降，并在新的位置达到新的平衡；
    当潮流的流向发生变化时，作用在导流罩和潮流能发电水轮机上的横向推力方向发生变化，导流罩带动潮流能发电水轮机横向绕锚索移动，并在新的位置达到新的平衡。
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