專利名稱：正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋可再生能源開發(fā)領(lǐng)域，涉及正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境是人類可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題，發(fā)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470萬平方公里；海岸線曲折漫長，大陸岸線1. 8萬公里， 海島岸線1.4萬公里，海洋能蘊資源藏量十分豐富，其中可供開發(fā)的潮流能2000萬千瓦，開發(fā)應(yīng)用前景十分廣闊。潮流具有典型的往復(fù)性特點。發(fā)電是潮流能利用的主要形式，潮流能發(fā)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(fēng)車”。潮流能量捕獲效率是評價水平軸水輪機的核心技術(shù)指標(biāo)，如何提高往復(fù)潮流的能量捕獲效率是水平軸水輪機的關(guān)鍵。針對潮流的往復(fù)性特點，單個水平軸水輪機需要大范圍變槳即改變?nèi)~片攻角，或者執(zhí)行葉輪的180°偏航來實現(xiàn)。在海面下實現(xiàn)大范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(dǎo)致密封受損，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(xiàn)相同往、復(fù)潮流的雙向捕獲效率。針對該問題，有學(xué)者提出雙葉輪水輪機，兩個葉輪對稱安裝，對應(yīng)來流工況，只有迎流的葉輪工作，以適應(yīng)往復(fù)流，這種設(shè)計增加了一次性投資，能量捕獲效率完全取決于單個葉輪。專利申請雙反向折疊式橫軸潮流能水輪機，申請?zhí)?01010M7741. 1，主要內(nèi)容如附圖1所示；發(fā)電機兩端各設(shè)一套葉輪、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和增速齒輪箱，發(fā)電機和兩端的增速齒輪箱固定在一個公共基座上，基座借助推力軸承采用轉(zhuǎn)動方式安裝在支柱上，支柱固定在海床的水泥基礎(chǔ)上；葉輪的葉片、連桿和支柱采用折疊式結(jié)構(gòu)，該潮流能水輪機通過有效的折疊，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(fā)明通過水輪機的折疊，有效降低了水輪機的運輸、安裝成本，但降低了葉片、連桿和支柱的強度和可靠性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；對于潮流的往復(fù)，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于往復(fù)潮流的能量捕獲效率是降低潮流能開發(fā)成本的核心，也是海洋可再生能源利用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前海洋可再生能源開發(fā)中水平軸水輪機對于往復(fù)潮流的綜合能量捕獲效率低的問題，提出正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組。正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)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(tǒng)、流向流速傳感器和塔座，其中集成傳動系統(tǒng)包括正向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向增速發(fā)電機、蓄電池、反向增速發(fā)電機、反向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向齒輪減速器、正向驅(qū)動電機、控制器、反向驅(qū)動電機和反向齒輪減速器。所述的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，集成傳動系統(tǒng)位于正向葉輪和反向葉輪之間，流向流速傳感器位于集成傳動系統(tǒng)的頂部，集成傳動系統(tǒng)支撐于塔座之上；正向葉輪、正向葉輪轉(zhuǎn)軸和正向增速發(fā)電機同軸，反向葉輪、反向葉輪轉(zhuǎn)軸和反向增速發(fā)電機同軸，正向增速發(fā)電機和反向增速發(fā)電機的中心軸線重合。所述的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)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(zhuǎn)軸和反向葉輪轉(zhuǎn)軸輸入集成傳動系統(tǒng)中；正向葉輪轉(zhuǎn)軸連接正向增速發(fā)電機，反向葉輪轉(zhuǎn)軸連接反向增速發(fā)電機；正向增速發(fā)電機和蓄電池之間、反向增速發(fā)電機和蓄電池之間、蓄電池和控制器之間、控制器和正向驅(qū)動電機之間、控制器和反向驅(qū)動電機之間均采用電纜連接；正向驅(qū)動電機經(jīng)由正向齒輪減速器驅(qū)動正向葉輪轉(zhuǎn)軸，反向驅(qū)動電機經(jīng)由反向齒輪減速器驅(qū)動反向葉輪轉(zhuǎn)軸。所述的正向葉輪和反向葉輪完全相同，葉片數(shù)均為2-6個，沿通過正向葉輪轉(zhuǎn)軸和反向葉輪轉(zhuǎn)軸中點并垂直于正向葉輪轉(zhuǎn)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。所述的蓄電池可以采用鋅溴儲能電池或全釩液流儲能電池。正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，也可以采用集成傳動系統(tǒng)位于正向葉輪和反向葉輪的一側(cè)，反向葉輪轉(zhuǎn)軸為空心軸，反向葉輪轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑和正向葉輪轉(zhuǎn)軸外徑之間通過過渡軸承支承，構(gòu)成套裝雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；集成傳動系統(tǒng)各部件不變，位置進行必要的調(diào)整。工作原理流向流速傳感器測量潮流的方向和流速；當(dāng)潮流方向由正向葉輪流向反向葉輪時，正向葉輪在潮流驅(qū)動下正向轉(zhuǎn)動，帶動正向葉輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動正向增速發(fā)電機發(fā)電，所發(fā)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(qū)動電機不工作，置于空載狀態(tài)；當(dāng)正向葉輪正常工作以后，蓄電池的一小部分電經(jīng)過控制器只傳輸給反向驅(qū)動電機，反向驅(qū)動電機驅(qū)動反向齒輪減速器進而帶動反向葉輪轉(zhuǎn)軸、反向葉輪旋轉(zhuǎn)，在此過程中，反向增速發(fā)電機不工作，反向葉輪的轉(zhuǎn)速根據(jù)流向流速傳感器測量的流速確定、通過控制器實現(xiàn)；由于反向葉輪的旋轉(zhuǎn)在反向葉輪前后產(chǎn)生壓差，加大流過正向葉輪的質(zhì)量流量， 因而增加了正向葉輪所吸收的功。當(dāng)反向葉輪工作在合適轉(zhuǎn)速范圍時，反向葉輪所消耗的功小于正向葉輪所增加的功，即提高了整個機組的效率。當(dāng)潮流的方向改變時，反向葉輪在潮流驅(qū)動下帶動反向增速發(fā)電機發(fā)電，所產(chǎn)生的電一小部分經(jīng)由蓄電池、控制器供給正向驅(qū)動電機，正向葉輪被驅(qū)動工作，用于提高反向葉輪的質(zhì)量流量。當(dāng)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(jīng)過控制器控制，先傳輸給正向驅(qū)動電機，正向驅(qū)動電機驅(qū)動正向齒輪減速器進而帶動正向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向葉輪旋轉(zhuǎn)，并使正向葉輪轉(zhuǎn)速達到低潮流流速的工作轉(zhuǎn)速；正向葉輪自啟動以后，控制器停止給正向驅(qū)動電機供電，正向葉輪在潮流驅(qū)動下帶動正向增速發(fā)電機發(fā)電。此時，控制器給反向驅(qū)動電機供電，帶動反向葉輪旋轉(zhuǎn)，用于加大流過正向葉輪的質(zhì)量流量。本發(fā)明的優(yōu)點包括1適合往復(fù)潮流，對于雙向潮流具有相同的效率和功率，保證了往復(fù)潮流下水平軸潮流能水輪機組工作在設(shè)計工況點，工作穩(wěn)定，可靠；2對于單向潮流，一個葉輪為另一個葉輪增加質(zhì)量流量，使整個機組的能量捕獲效率大于單個葉輪的能
4量捕獲效率；3當(dāng)葉輪在低速潮流下無法自啟動時，還能通過驅(qū)動電機使葉輪啟動并達到工作轉(zhuǎn)速；4由于潮流流速隨潮汐變化并受自然環(huán)境影響，潮流能發(fā)電不穩(wěn)定，且在并網(wǎng)之前需要轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^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(wěn)定，方便并網(wǎng)。本發(fā)明適合往復(fù)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(wěn)定，電能輸出穩(wěn)定、清潔無污染。


圖1是現(xiàn)有的雙反向折疊式橫軸潮流能水輪機結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是集成傳動系統(tǒng)一側(cè)布置的結(jié)構(gòu)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(tǒng)；5-1正向葉輪轉(zhuǎn)軸；5-2正向增速發(fā)電機；5-3蓄電池；5-4反向增速發(fā)電機；5_5反向葉輪轉(zhuǎn)軸；5-6正向齒輪減速器；5-7正向驅(qū)動電機；5-8控制器；5-9反向驅(qū)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(fā)明的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)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(tǒng)5、流向流速傳感器6和塔座7組成，集成傳動系統(tǒng)由正向葉輪轉(zhuǎn)軸5-1、正向增速發(fā)電機5-2、蓄電池5-3、反向增速發(fā)電機5-4、反向葉輪轉(zhuǎn)軸5-5、正向齒輪減速器5-6、正向驅(qū)動電機5-7、控制器5-8、反向驅(qū)動電機5-9、反向齒輪減速器5-10組成。(1)根據(jù)海域往復(fù)流流速，葉尖速比、翼型水力性能參數(shù)等計算正向葉輪1能量捕獲效率隨尖速比變化規(guī)律，并確定正向葉輪葉片2最佳安裝角度，計算流過葉輪1的質(zhì)量流量。(2)計算反向葉輪3旋轉(zhuǎn)時對于流過正向葉輪1的質(zhì)量流量的影響，計算反向葉輪3旋轉(zhuǎn)時的功耗，以反向葉輪3旋轉(zhuǎn)功耗最低、流過正向葉輪1的質(zhì)量流量最高為目標(biāo)， 優(yōu)化反向葉輪3的工作轉(zhuǎn)速并確定其最佳工作范圍，并確定正向葉輪1和反向葉輪3之間的距離；最后確定集成傳動系統(tǒng)的布置方案。
權(quán)利要求
1.一種正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)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(tǒng)、流向流速傳感器和塔座，其中集成傳動系統(tǒng)包括正向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向增速發(fā)電機、蓄電池、反向增速發(fā)電機、反向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向齒輪減速器、正向驅(qū)動電機、控制器、反向驅(qū)動電機和反向齒輪減速器；所述的集成傳動系統(tǒng)位于正向葉輪和反向葉輪之間，流向流速傳感器位于集成傳動系統(tǒng)的頂部，集成傳動系統(tǒng)支撐于塔座之上；正向葉輪、正向葉輪轉(zhuǎn)軸和正向增速發(fā)電機同軸，反向葉輪、反向葉輪轉(zhuǎn)軸和反向增速發(fā)電機同軸，正向增速發(fā)電機和反向增速發(fā)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(zhuǎn)軸和反向葉輪轉(zhuǎn)軸輸入集成傳動系統(tǒng)中；正向葉輪轉(zhuǎn)軸連接正向增速發(fā)電機，反向葉輪轉(zhuǎn)軸連接反向增速發(fā)電機；正向增速發(fā)電機和蓄電池之間、 反向增速發(fā)電機和蓄電池之間、蓄電池和控制器之間、控制器和正向驅(qū)動電機之間、控制器和反向驅(qū)動電機之間均采用電纜連接；正向驅(qū)動電機經(jīng)由正向齒輪減速器驅(qū)動正向葉輪轉(zhuǎn)軸，反向驅(qū)動電機經(jīng)由反向齒輪減速器驅(qū)動反向葉輪轉(zhuǎn)軸；所述的正向葉輪和反向葉輪完全相同，葉片數(shù)均為2-6個，沿通過正向葉輪轉(zhuǎn)軸和反向葉輪轉(zhuǎn)軸中點并垂直于正向葉輪轉(zhuǎn)軸的平面對稱安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1或2所述的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，其特征在于，所述的蓄電池，采用鋅溴儲能電池或全釩液流儲能電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，其特征在于，集成傳動系統(tǒng)位于正向葉輪和反向葉輪的一側(cè)，反向葉輪轉(zhuǎn)軸為空心軸，反向葉輪轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑和正向葉輪轉(zhuǎn)軸外徑之間通過過渡軸承支承，構(gòu)成套裝雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；集成傳動系統(tǒng)各部件不變，位置進行必要的調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，其特征在于，集成傳動系統(tǒng)位于正向葉輪和反向葉輪的一側(cè)，反向葉輪轉(zhuǎn)軸為空心軸，反向葉輪轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑和正向葉輪轉(zhuǎn)軸外徑之間通過過渡軸承支承，構(gòu)成套裝雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；集成傳動系統(tǒng)各部件不變， 位置進行必要的調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，屬于海洋可再生能源開發(fā)領(lǐng)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(tǒng)、流向流速傳感器和塔座組成，其中集成傳動系統(tǒng)包括正向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向增速發(fā)電機、蓄電池、反向增速發(fā)電機、反向葉輪轉(zhuǎn)軸、正向齒輪減速器、正向驅(qū)動電機、控制器、反向驅(qū)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(zhuǎn)方向相反。本發(fā)明的正反旋轉(zhuǎn)雙葉輪水平軸潮流發(fā)電機組，適合往復(fù)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(wěn)定，電能輸出穩(wěn)定、清潔無污染。
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(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者劉艷, 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(xué)