正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組的製作方法
2023-06-01 06:01:51 1
專利名稱：正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組的製作方法
技術領域：
本發明屬於海洋可再生能源開發領域，涉及正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組。
背景技術：
能源和環境是人類可持續發展面臨的重大問題，發展清潔的可再生能源為世界各國所共識。我國海域遼闊，總面積470萬平方公裡；海岸線曲折漫長，大陸岸線1. 8萬公裡， 海島岸線1.4萬公裡，海洋能蘊資源藏量十分豐富，其中可供開發的潮流能2000萬千瓦，開發應用前景十分廣闊。潮流具有典型的往復性特點。發電是潮流能利用的主要形式，潮流能發電的核心是吸收潮流的水輪機。水平軸水輪機單機功率大，適合各種潮流流速，廣受青睞，被譽為「水下風車」。潮流能量捕獲效率是評價水平軸水輪機的核心技術指標，如何提高往復潮流的能量捕獲效率是水平軸水輪機的關鍵。針對潮流的往復性特點，單個水平軸水輪機需要大範圍變槳即改變葉片攻角，或者執行葉輪的180°偏航來實現。在海面下實現大範圍的變槳或偏航會顯著降低水輪機的可靠性和壽命，例如導緻密封受損，葉片、葉輪剛度和強度降低等。因此，單個水平軸水輪機很難實現相同往、復潮流的雙向捕獲效率。針對該問題，有學者提出雙葉輪水輪機，兩個葉輪對稱安裝，對應來流工況，只有迎流的葉輪工作，以適應往複流，這種設計增加了一次性投資，能量捕獲效率完全取決於單個葉輪。專利申請雙反向摺疊式橫軸潮流能水輪機，申請號201010M7741. 1，主要內容如附圖1所示；發電機兩端各設一套葉輪、連杆、轉向節和增速齒輪箱，發電機和兩端的增速齒輪箱固定在一個公共基座上，基座藉助推力軸承採用轉動方式安裝在支柱上，支柱固定在海床的水泥基礎上；葉輪的葉片、連杆和支柱採用摺疊式結構，該潮流能水輪機通過有效的摺疊，縮小了整個裝置的體積，方便運輸，避免各個部件之間的拆裝。該發明通過水輪機的摺疊，有效降低了水輪機的運輸、安裝成本，但降低了葉片、連杆和支柱的強度和可靠性，結構複雜；對於潮流的往復，能量捕獲效率和單個葉輪相同，沒有提高雙葉輪水輪機的整體能量捕獲效率。綜上，提高水平軸水輪機對於往復潮流的能量捕獲效率是降低潮流能開發成本的核心，也是海洋可再生能源利用的關鍵。
發明內容
本發明針對目前海洋可再生能源開發中水平軸水輪機對於往復潮流的綜合能量捕獲效率低的問題，提出正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組。正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，包括正向葉輪、正向葉輪葉片、反向葉輪、 反向葉輪葉片、集成傳動系統、流向流速傳感器和塔座，其中集成傳動系統包括正向葉輪轉軸、正向增速發電機、蓄電池、反向增速發電機、反向葉輪轉軸、正向齒輪減速器、正向驅動電機、控制器、反向驅動電機和反向齒輪減速器。所述的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，集成傳動系統位於正向葉輪和反向葉輪之間，流向流速傳感器位於集成傳動系統的頂部，集成傳動系統支撐於塔座之上；正向葉輪、正向葉輪轉軸和正向增速發電機同軸，反向葉輪、反向葉輪轉軸和反向增速發電機同軸，正向增速發電機和反向增速發電機的中心軸線重合。所述的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，正向葉輪葉片固定在正向葉輪上， 反向葉輪葉片固定在反向葉輪上，正向葉輪和反向葉輪分別通過正向葉輪轉軸和反向葉輪轉軸輸入集成傳動系統中；正向葉輪轉軸連接正向增速發電機，反向葉輪轉軸連接反向增速發電機；正向增速發電機和蓄電池之間、反向增速發電機和蓄電池之間、蓄電池和控制器之間、控制器和正向驅動電機之間、控制器和反向驅動電機之間均採用電纜連接；正向驅動電機經由正向齒輪減速器驅動正向葉輪轉軸，反向驅動電機經由反向齒輪減速器驅動反向葉輪轉軸。所述的正向葉輪和反向葉輪完全相同，葉片數均為2-6個，沿通過正向葉輪轉軸和反向葉輪轉軸中點並垂直於正向葉輪轉軸的平面對稱安裝。正向葉輪葉片和反向葉輪葉片的葉片可以為直葉片、扭葉片、帶掠葉片中的一種或多種。所述的蓄電池可以採用鋅溴儲能電池或全釩液流儲能電池。正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，也可以採用集成傳動系統位於正向葉輪和反向葉輪的一側，反向葉輪轉軸為空心軸，反向葉輪轉軸內徑和正向葉輪轉軸外徑之間通過過渡軸承支承，構成套裝雙轉子結構；集成傳動系統各部件不變，位置進行必要的調整。工作原理流向流速傳感器測量潮流的方向和流速；當潮流方向由正向葉輪流向反向葉輪時，正向葉輪在潮流驅動下正向轉動，帶動正向葉輪轉軸驅動正向增速發電機發電，所發出的電儲存到蓄電池中，這此過程中，正向齒輪減速器、正向驅動電機不工作，置於空載狀態；當正向葉輪正常工作以後，蓄電池的一小部分電經過控制器只傳輸給反向驅動電機，反向驅動電機驅動反向齒輪減速器進而帶動反向葉輪轉軸、反向葉輪旋轉，在此過程中，反向增速發電機不工作，反向葉輪的轉速根據流向流速傳感器測量的流速確定、通過控制器實現；由於反向葉輪的旋轉在反向葉輪前後產生壓差，加大流過正向葉輪的質量流量， 因而增加了正向葉輪所吸收的功。當反向葉輪工作在合適轉速範圍時，反向葉輪所消耗的功小於正向葉輪所增加的功，即提高了整個機組的效率。當潮流的方向改變時，反向葉輪在潮流驅動下帶動反向增速發電機發電，所產生的電一小部分經由蓄電池、控制器供給正向驅動電機，正向葉輪被驅動工作，用於提高反向葉輪的質量流量。當潮流方向由正向葉輪流向反向葉輪時，如果流向流速傳感器測量到的潮流流速過低、正向葉輪無法自啟動時，蓄電池的電經過控制器控制，先傳輸給正向驅動電機，正向驅動電機驅動正向齒輪減速器進而帶動正向葉輪轉軸、正向葉輪旋轉，並使正向葉輪轉速達到低潮流流速的工作轉速；正向葉輪自啟動以後，控制器停止給正向驅動電機供電，正向葉輪在潮流驅動下帶動正向增速發電機發電。此時，控制器給反向驅動電機供電，帶動反向葉輪旋轉，用於加大流過正向葉輪的質量流量。本發明的優點包括1適合往復潮流，對於雙向潮流具有相同的效率和功率，保證了往復潮流下水平軸潮流能水輪機組工作在設計工況點，工作穩定，可靠；2對於單向潮流，一個葉輪為另一個葉輪增加質量流量，使整個機組的能量捕獲效率大於單個葉輪的能
4量捕獲效率；3當葉輪在低速潮流下無法自啟動時，還能通過驅動電機使葉輪啟動並達到工作轉速；4由於潮流流速隨潮汐變化並受自然環境影響，潮流能發電不穩定，且在併網之前需要轉變為交流電，通過鋅溴儲能電池或全釩液流儲能電池進行蓄電儲能，可以使電能穩定，方便併網。本發明適合往復潮流，單機功率大、效率高，且具有各種流速下的自啟動能力，外觀簡潔，工作穩定，電能輸出穩定、清潔無汙染。
圖1是現有的雙反向摺疊式橫軸潮流能水輪機結構示意圖。圖2是本發明的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組結構示意圖。圖3是集成傳動系統一側布置的結構示意圖。圖中1正向葉輪；2正向葉輪葉片；3反向葉輪；4反向葉輪葉片；5集成傳動系統；5-1正向葉輪轉軸；5-2正向增速發電機；5-3蓄電池；5-4反向增速發電機；5_5反向葉輪轉軸；5-6正向齒輪減速器；5-7正向驅動電機；5-8控制器；5-9反向驅動電機；5_10反向齒輪減速器；6流向流速傳感器；7塔座。
具體實施例方式如圖所示，本發明的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組由正向葉輪1、正向葉輪葉片2、反向葉輪3、反向葉輪葉片4、集成傳動系統5、流向流速傳感器6和塔座7組成，集成傳動系統由正向葉輪轉軸5-1、正向增速發電機5-2、蓄電池5-3、反向增速發電機5-4、反向葉輪轉軸5-5、正向齒輪減速器5-6、正向驅動電機5-7、控制器5-8、反向驅動電機5-9、反向齒輪減速器5-10組成。(1)根據海域往複流流速，葉尖速比、翼型水力性能參數等計算正向葉輪1能量捕獲效率隨尖速比變化規律，並確定正向葉輪葉片2最佳安裝角度，計算流過葉輪1的質量流量。(2)計算反向葉輪3旋轉時對於流過正向葉輪1的質量流量的影響，計算反向葉輪3旋轉時的功耗，以反向葉輪3旋轉功耗最低、流過正向葉輪1的質量流量最高為目標， 優化反向葉輪3的工作轉速並確定其最佳工作範圍，並確定正向葉輪1和反向葉輪3之間的距離；最後確定集成傳動系統的布置方案。
權利要求
1.一種正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，包括正向葉輪、正向葉輪葉片、反向葉輪、反向葉輪葉片、集成傳動系統、流向流速傳感器和塔座，其中集成傳動系統包括正向葉輪轉軸、正向增速發電機、蓄電池、反向增速發電機、反向葉輪轉軸、正向齒輪減速器、正向驅動電機、控制器、反向驅動電機和反向齒輪減速器；所述的集成傳動系統位於正向葉輪和反向葉輪之間，流向流速傳感器位於集成傳動系統的頂部，集成傳動系統支撐於塔座之上；正向葉輪、正向葉輪轉軸和正向增速發電機同軸，反向葉輪、反向葉輪轉軸和反向增速發電機同軸，正向增速發電機和反向增速發電機的中心軸線重合；所述的正向葉輪葉片固定在正向葉輪上，反向葉輪葉片固定在反向葉輪上，正向葉輪和反向葉輪分別通過正向葉輪轉軸和反向葉輪轉軸輸入集成傳動系統中；正向葉輪轉軸連接正向增速發電機，反向葉輪轉軸連接反向增速發電機；正向增速發電機和蓄電池之間、 反向增速發電機和蓄電池之間、蓄電池和控制器之間、控制器和正向驅動電機之間、控制器和反向驅動電機之間均採用電纜連接；正向驅動電機經由正向齒輪減速器驅動正向葉輪轉軸，反向驅動電機經由反向齒輪減速器驅動反向葉輪轉軸；所述的正向葉輪和反向葉輪完全相同，葉片數均為2-6個，沿通過正向葉輪轉軸和反向葉輪轉軸中點並垂直於正向葉輪轉軸的平面對稱安裝。
2.根據權利要求1所述的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，其特徵在於，正向葉輪葉片和反向葉輪葉片的葉片為直葉片、扭葉片、帶掠葉片中的一種或多種。
3.根據權利要求1或2所述的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，其特徵在於，所述的蓄電池，採用鋅溴儲能電池或全釩液流儲能電池。
4.根據權利要求1或2所述的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，其特徵在於，集成傳動系統位於正向葉輪和反向葉輪的一側，反向葉輪轉軸為空心軸，反向葉輪轉軸內徑和正向葉輪轉軸外徑之間通過過渡軸承支承，構成套裝雙轉子結構；集成傳動系統各部件不變，位置進行必要的調整。
5.根據權利要求3所述的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，其特徵在於，集成傳動系統位於正向葉輪和反向葉輪的一側，反向葉輪轉軸為空心軸，反向葉輪轉軸內徑和正向葉輪轉軸外徑之間通過過渡軸承支承，構成套裝雙轉子結構；集成傳動系統各部件不變， 位置進行必要的調整。
全文摘要
本發明公開了一種正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，屬於海洋可再生能源開發領域。由正向葉輪、正向葉輪葉片、反向葉輪、反向葉輪葉片、集成傳動系統、流向流速傳感器和塔座組成，其中集成傳動系統包括正向葉輪轉軸、正向增速發電機、蓄電池、反向增速發電機、反向葉輪轉軸、正向齒輪減速器、正向驅動電機、控制器、反向驅動電機、反向齒輪減速器。正向葉輪和反向葉輪對稱安裝、同時工作且旋轉方向相反。本發明的正反旋轉雙葉輪水平軸潮流發電機組，適合往復潮流，單機功率大、效率高，且具有各種流速下的自啟動能力，外觀簡潔，工作穩定，電能輸出穩定、清潔無汙染。
文檔編號F03B13/00GK102278262SQ20111018794
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者劉豔, 孫濤, 宿曉輝, 李明強, 楊冉升, 趙廣, 趙鵬飛, 郭嘉楠 申請人:大連理工大學