CN102128128A - 一种永磁直驱式潮流发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁直驱式潮流发电装置，包括：叶片系统，包括三个叶片；发电系统，包括发电机、环形永磁体；包括变流器的变流系统，变流器设置于岸上，以及支撑系统，包括支撑架、壳体，壳体固定于支撑架上端，壳体包括分别位于壳体两端的前导流罩、后导流罩以及轮毂、机舱部分，叶片同轮毂连接，叶片带动发电机的转子轴转动，发电机、环形永磁体设置于壳体内。本发明的有益效果是：该装置利用潮流能发电，安全、环保；采用永磁电机能适应低水速，能量转化率高、发电效益好；系统水下结构简单，使用寿命长，维修简便，维护成本低；电机直接与主轴相连，有利于平抑流速起伏引起的电势波动；叶片系统省去偏航和变桨系统，降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种利用海洋潮流能来发电的装置。
背景技术
随着社会和经济的快速发展，人类正面临着资源匮乏、能源紧缺、气候变迁和环境恶化等严重的问题。当今世界各国都在寻求科学的途径来解决资源和环境问题，向环保可持续发展模式迈进，其中大规模开发和利用包括潮流能在内的“海洋可再生绿色新能源”成为了目前研究的热点。海洋占地球表面积的70％以上，我国毗邻西北太平洋，拥有18000多公里的曲折漫长海岸线，拥有约300万平方公里的国家管辖海域及其自然资源。海洋面积广阔，资源丰富，其中蕴藏着巨大的可再生绿色能源。21世纪是世界性全面开发利用海洋的世纪，开发海洋区域新能源对于我国经济社会的可持续发展，解决严峻的能源和环境问题，以及对国家主权海域进行实际有效的管理等方面都具有重大意义。
全球的潮汐能储量约为3TW，在浅水区可利用的部分大概为1TW。早在1996年，欧盟支持的一个潮汐能调查项目就针对欧盟范围内的海域进行了一次海洋能资源普查。根据这个项目的调查结果，欧洲大约有106个非常适合建设潮流发电站的位置。根据科学的评估和测量，如果在上述位置建成潮流电站的话，每年可以向欧洲电力市场供应50TWh量级的电能。
我国具有丰富的海洋能资源，其中海流能资源非常密集，通过对中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料，计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度为15-30kW/m2，具有良好的开发值。值得指出的是，中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一，特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密度在20kW/m2以上，开发环境和条件很好。
因此，开发新一代的潮流发电机，对我国的可再生能源战略将起到巨大的推动作用。目前，我国对于潮流能的开发尚处于萌芽阶段，而利用潮流能的发电机则更是没有见之于世。而目前的发电设备多为火力发电、核动力发电，而此类动力的发电，对环境具有极大的威胁。由此可见，在发电设备领域急需提供一种能利用潮流能发电的高新技术产品，拓展可再生能源的领域，减少对火电、核电的依赖。
发明内容
本发明旨在提供一种永磁直驱式潮流发电装置，以解决现有潮流能没有得到充分利用、而发电设备却依靠对环境具有严重威胁的动力能源来发电的问题，满足各种生产场合之需求。
本发明的发明目的是通过下述技术方案来实现的：
一种永磁直驱式潮流发电装置，包括：
叶片系统，包括为发电装置提供动能的三个叶片，所述叶片由蒙皮与内部的支撑结构组成；
发电系统，包括发电机、环形永磁体；
变流系统，所述变流系统包括变流器，所述变流器设置于岸上，以及
支撑系统，包括支撑架、壳体，所述壳体固定于所述支撑架上端，所述壳体包括分别位于壳体两端的前导流罩、后导流罩以及轮毂、机舱部分，所述机舱部分为分为多节，所述机舱部分包括机舱I、机舱II、机舱III、机舱IV、机舱V，
其中，所述三个叶片同轮毂连接，所述叶片通过键同所述发电机的转子轴直接连接从而带动所述转子轴转动，所述发电机、环形永磁体设置于所述壳体内，所述壳体外表面、支撑架外表面具有一经过喷涂镀锌处理的防腐蚀层。
优选地，所述三个叶片与轮毂采用焊接的方式连接。
优选地，所述支撑架采用桁架式结构。所述桁架式支撑架的基础由角钢组装焊接而成。
优选地，所述支撑架通过重力式或桩基式固定在海底。
本发明的有益效果：相较于齿轮箱变速式发电设备，本发明所述的永磁直驱式潮流发电装置更能适应中国海域通常较低的潮流水速，能量转化率高，发电效益高，使用寿命长，维修简便，后续维护成本低；本发明所述的永磁直驱式潮流发电装置利用潮流能，相对于火力发电、核动力发电，更安全、更环保，属于真正的绿色低碳清洁能源；永磁直驱式电机直接与主轴相连，转速低，级数多，定、转子尺寸大，具有转动惯量大的特点，有利于平抑流速起伏引起的电势波动。永磁直驱式发电机具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小，电网兼容性强。由于潮流速度一般较低，相较于其他类型的发电系统，永磁直驱式潮流发电装置更能适应低流速，能量转化效率高，发电效益高，维修简便、后续维护成本低，将是我国潮流发电机未来发展趋势；根据潮流180度变化的特点，叶片系统省去昂贵复杂的偏航和变桨系统，降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明所述永磁直驱式潮流发电装置的侧视结构示意图；
图2为本发明所述永磁直驱式潮流发电装置的主视结构示意图；
图3为图1中A-A剖面图；
图4为本发明所述永磁直驱式潮流发电装置的发电流程图。
图中：
1、叶片；2、支撑架；3、前导流罩；4、轮毂；5、机舱I；6、机舱II；7、机舱III；8、机舱IV；9、机舱V；10、后导流罩；11、制动机构；12、环形永磁体；13、发电机；14、转子轴；15、键。
具体实施方式
以下参照附图1-2，结合具体的实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明所述永磁直驱式潮流发电装置，包括：
叶片系统，包括为发电装置提供动能的三个叶片1，所述叶片1由蒙皮与内部的支撑结构组成；
发电系统，包括发电机13、环形永磁体12；
变流系统，所述变流系统包括变流器，所述变流器设置于岸上，以及
支撑系统，包括支撑架2、壳体，所述壳体固定于所述支撑架2上端，所述壳体包括分别位于壳体两端的前导流罩3、后导流罩10以及轮毂4、机舱部分，所述机舱部分为分为多节的非一体化，所述机舱部分包括机舱I5、机舱II6、机舱III7、机舱IV8、机舱V9，
其中，所述三个叶片1同轮毂4连接，所述叶片1通过键15同所述发电机13的转子轴14直接连接从而带动所述转子轴14转动，所述发电机13、环形永磁体12设置于所述壳体内。
优选地，所述三个叶片1与轮毂4采用焊接的方式连接。
优选地，所述支撑架2采用桁架式结构。所述桁架式支撑架2的基础由角钢组装焊接而成。
优选地，所述支撑架2通过重力式或桩基式固定在海底。
所述叶片系统对于潮流发电机是最重要的一个核心环节。叶片1对于提高潮流发电装置能量转化效率，延长海上无故障运行时间和产品寿命具有决定性作用。设计叶片1进行流体力学模拟时，会充分计算叶尖和叶跟损失。潮流发电装置设计的最重要的目的之一优化叶片系统，使之尽可能从潮流中吸收更多的能量转化为电能。叶片1设计时，将会在下列多项技术指标中达到平衡：
A.某一流速下发电量最大，较高的叶尖比
B.抗极端载荷和疲劳载荷
C.避免共振
D.质量最小，成本最低
E.抗海水侵蚀
叶片1的设计过程将分为两个部分：几何形状选择的流体动力设计和材料选择的结构设计。流体动力设计具体包括叶片1翼型的选择、弦长、扭转角、叶片1厚度方面的最优化设计，设计的主要目的是使阻力损失最小。考虑到潮流发电机的叶片安装在水下，水的密度要比空气大得多，因此叶片1载荷重点考虑扭转载荷，也应适当增大叶片厚度。设计的叶片1能够根据潮流的方向进行自动调整，在正向、反向潮流发生时都可以转动。由于叶片1需要在潮流反向时也能逆向转动发电，叶片1的设计将趋向对称性。叶片系统根据潮流180度往复变化的特点，省去了风电领域控制叶片的偏航和变桨系统，节省了装置的成本，简化了叶片系统的结构。叶片1的几何机构参数需要根据有限元分析及计算流体力学计算和实验室叶片模型水槽对比后，得出最优化的设计结果。
空气和水同为流体，虽然都满足流体方程，不过还是有相当大区别的，例如密度。水的密度要远远大于空气，平均来说，海水密度是空气的832倍，这就对潮流发电装置提出了不同的设计要求。对于叶片来说，风电机叶片设计，主要考虑离心力载荷；潮流发电机叶片则主要考虑抵抗致密海水造成弯折的载荷。这就意味着潮流发电装置的叶片为了避免折断，要比风电机叶片短而厚。叶片的构造和材料也要相应加强。潮流电机叶片材料需要较轻的质量，较高的强度，还需要较好抵御海水的侵蚀，新型复合纤维可以达到上述的材料要求。而叶片工艺制造方法与风机类似，采取灌注的方法。
机舱部分并不是类似于风机的一体化设计，而是分为多节，其原因是水的密度要远远大于空气(832倍)，水流对潮流发电系统的作用力及力矩较大，这就对潮流发电装置提出了不同的设计要求。水流对叶片形成载荷的同时，也对机舱施加较大的力矩。为了平衡力矩及调整机舱重心，机舱适宜于分节式设计铸造。另外，分节式的机舱在维修过程中，便于安装拆卸。经过力学结构设计的机舱，每节重量长度都不相同，这样可以平衡水流冲击叶片1造成的巨大力矩，这样系统才可以稳定。另外系统采用的永磁发电机，也对稳定性有一定要求。我们把机舱设计成分成多节，其中永磁发电机就固定在其中一节上，比固定在一个一体化的机舱里稳定的多。
本发明所述潮流发电装置的发电系统采用永磁发电机。永磁直驱发电系统省去了齿轮箱，大大减少了损耗，提高了能量转化效率和发电机组的可靠性，降低了设备的维护量，延长产品的使用寿命。直驱式发电装置去掉齿轮箱后，噪音更低，发电效率平均提高5-10％。永磁直驱风机通过电磁感应原理发电，在额定的低转速下输出功率较大、效率较高、发电效益更多。在电子控制方面，永磁直驱风机技术属于先进技术，电子化程度高，全功率逆变，改进空间更大，具有扩容到1兆瓦以上的潜力。
海上大型风机由于转速较低，所以永磁直驱式技术就是最佳选择，目前世界海洋型风机80％采用的都是该技术。而同样潮流发电装置叶轮的转速一般比较低，约每分钟几十转甚至十几转，因此也适宜采用永磁直驱式设计。永磁直驱式电机直接与主轴相连，转速低，级数多，定、转子尺寸大，具有转动惯量大的特点，有利于平抑流速起伏引起的电势波动。永磁直驱式潮流发电装置具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小，电网兼容性强。由于潮流速度一般较低(1-2m/s)，相较于其他类型的发电系统，永磁直驱式潮流发电系统更能适应低流速，系统能量转化效率高，发电效益多，结构简单，维修简便、能耗较少、后续维护成本低，将是我国潮流发电机未来发展趋势。此外，永磁直驱风机技术在潮流发电装置的应用在我国尚属首家，这将对于我国潮流能的开发具有重要意义。
所述潮流发电装置的变流器是发电机组不可缺少的能量变换环节，是发电机组的核心部件之一。由于潮流的大小具有一定的变化，导致潮流发电机转速时快时慢，发出的电压幅值和频率也杂乱无章。潮流发电变流器的主要作用就是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能。所述潮流发电装置由于处于水下恶劣的自然环境中，维修不便且成本昂贵，因此简化水下结构是系统设计的关键之一。本系统采用永磁电机取代了容易发生故障的齿轮箱加电机组合，同时将主要的变电装置设计在岸上，这就大大降低水下维护的需求，从长期来看降低了设备的维修运营成本。
所述支撑系统包括支撑架2和壳体、基座。所述支撑架2采用桁架式结构，优化几何拓扑。桁架式的优点是节省材料，而不会影响支撑架本身的稳定性和运输问题。桁架式基础将由角钢组装焊接而成，生产过程严格按照国家海上设备相关标准进行质量控制。
潮流发电机固定在海底的方式是潮流发电关键技术之一，通常由重力式，桩基式，浮动式三种。在水流平缓和地势平坦的地区，可以考虑利用机组自重固定的重力式；在地形较为复杂的区域，可以参照海上风电机组的桩基固定方法；水深较大的海域，则可以考虑类似轮船抛锚的浮动式。
海洋中水下环境虽然没有飓风等破坏性现象，不过总起来要比大气环境条件要复杂的多。如何延长潮流发电装置的使用寿命，保障设备正常运装，将是潮流发电机发展的一个巨大挑战。水下装置遭遇的一大生存问题是腐蚀。海水是具有一定腐蚀性的盐溶液，对任何浸泡在海水中的金属部件都需要不同程度的防腐处理。任何暴露在水中的金属部分如所述壳体外表面、支撑架2外表面，都要经过喷涂镀锌处理，从而使外表面形成具有防腐蚀作用的保护层。本产品采用基座和支撑架所用铁板型号厚度强度都要比陆地高一些，焊接等工艺处理严格按照国家相关海洋设备的标准。不过根据欧洲海上风能和海洋平台的经验，水下空气含量较低，氧化缓慢，因此水面以下部分的防腐级别，要远远低于暴露在水上与空气水汽充分接触的部分。潮流发电装置的机舱需要做密封处理，轮毂与机舱连接的转子轴部分采用成熟的水密轴承技术。
海洋生物的附着也是影响水下潮流发电装置的负面因素。海草，藻类以及贝类等可能附着在叶片上，增加了叶片的负荷，减少潮流发电机的功率输出。不过根据实验研究和现有运行的潮流发电机的经验，当潮流发电机正常运转的时候，叶片会将海草甩掉，并在附着生物生长早起阻止它们继续成长。另外，由于潮流电机转速很低(每秒十几转)，对海洋鱼类及底栖生物的环境影响微乎其微。
当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。
Claims (5)
1.一种永磁直驱式潮流发电装置，包括：
叶片系统，包括为发电装置提供动能的三个叶片，所述叶片由蒙皮与内部的支撑结构组成；
发电系统，包括发电机、环形永磁体；
变流系统，所述变流系统包括变流器，所述变流器设置于岸上，以及
支撑系统，包括支撑架、壳体，所述壳体固定于所述支撑架上端，所述壳体包括分别位于壳体两端的前导流罩、后导流罩以及轮毂、机舱部分，所述机舱部分为分为多节，所述机舱部分包括机舱I、机舱II、机舱III、机舱IV、机舱V，
其中，所述三个叶片同轮毂连接，所述叶片通过键同所述发电机的转子轴直接连接从而带动所述转子轴转动，所述发电机、环形永磁体设置于所述壳体内，所述壳体外表面、支撑架外表面具有一经过喷涂镀锌处理的防腐蚀层。
2.如权利要求1中所述的永磁直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述三个叶片与轮毂采用焊接的方式连接。
3.如权利要求1中所述的永磁直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述支撑架通过重力式或桩基式固定在海底。
4.如权利要求1-3中任一所述的永磁直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述支撑架采用桁架式结构。
5.如权利要求4中所述的永磁直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述桁架式支撑架的基础由角钢组装焊接而成。
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