CN102644541A

CN102644541A - 一种直驱式海洋能发电装置

Info

Publication number: CN102644541A
Application number: CN2012101338016A
Authority: CN
Inventors: 王海峰; 徐松; 艾程柳; 黄元峰; 林涛; 王晓东
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-08-22

Abstract

一种直驱式海洋能发电装置，包括浮子(1.1)、收放绳(1.2)、悬挂钢绳(1.3)、直驱型发电机(1.4)和尾翼(1.5)。所述的浮子(1.1)漂浮于海面上，通过悬挂纲绳(1.3)连接直驱型发电机(1.4)。收放绳(1.2)的一端与浮子(1.1)相连，收放绳(1.2)的另一端置于海上作业单元之上，工作人员通过收放绳(1.2)把所述的发电装置放置于海水中或收回海上作业单元。其特征在于：所述的发电装置还包括伞锚(1.6)和曳纲(1.7)；所述尾翼(1.5)和直驱型发电机(1.4)安装于伞锚(1.6)的出水口处，所述的伞锚(1.6)对洋流进行汇集；直驱型发电机(1.4)的叶片(3.6)捕获海水动能并转化为电能输出；所述的曳纲(1.7)的一端连接伞锚(1.6)，曳纲(1.7)的另一端固定在海上作业单元之上。

Description

一种直驱式海洋能发电装置

技术领域

本发明涉及一种直驱式海洋能发电设备。

技术背景

随着石油资源的日益紧张，可再生能源的利用开发显得尤为重要，海洋能资源作为一种依附于海水的可再生能源，其蕴藏量是十分巨大的。目前，远洋渔船、海上平台等海上作业单元的电力供应都是依靠柴油发电来实现的，这种发电方式不仅经济成本高，而且还会对海洋环境造成污染。利用海洋可再生资源发电是一种可持续发展的发电方式，可以在一定程度上缓解人类对化石能源的依赖。

目前，国内外对洋流能发电的研究还比较少，现有的大多数发电装置都是由涡轮机通过传动轴带动普通发电机发电，发电机需要进行旋转动密封，该***结构复杂，体积庞大，安装维护困难。法国的研究学者曾提出一种直驱型的永磁同步电机的概念设计，该发电***将叶片安装于电机之上，但由于***并未设计聚流装置，其能量捕获密度较低。

海水是一种导电的物质且具有较强的腐蚀性，对于洋流能发电***而言，***中所采用的电机应该是一种适应于水下工作的电机。但传统的发电机在设计过程中并没有按水下电机来设计，所以设计人员在设计过程中并未考虑电机定转子密封、防海水腐蚀等特性，且传统的发电***中的能量捕获装置与发电机为独立设计，这就使得传统的发电机在用于海洋能发电***时必须将电机外壳整体密封，此外，发电机转子与能量捕获装置之间也必须要通过传动轴等装置才能进行能量传递。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统海洋能发电***复杂，发电效率低，安装维护困难等缺点，提出了一种集成水力叶片于一体的直驱型发电机。该直驱型发电机是一种全新结构的发电机，与传统海洋能发电机相比，直驱型发电机具有结构简单，体积小，重量轻，发电效率高等优点。伞锚是远洋渔船等海上作业单元用来稳定自身的一种锚，它的结构类似于雨伞形状。本发明对现有的伞锚结构进行改进，在伞锚出水口处安装环形底座和尾翼，充分发挥伞锚对海水的汇集作用，将伞锚出水口处高速流动的海水加以引导和利用，并通过直驱型发电机将海水动能转化为电能输出。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明发电装置由浮子、悬挂钢绳、直驱型发电机、尾翼、伞锚、曳纲、收放绳构成。当海上作业人员将该发电装置放置于大海中后，伞锚出水口处会产生高速流动的水流，直驱型发电机安装于伞锚出水口处的环形底座之上，水流冲击直驱型发电机叶片并使其旋转，直驱型发电机将海水动能转化为电能输出。浮子漂浮于海面上，特点是体积大但重量很轻，浮子通过下端的悬挂纲绳悬挂直驱型发电机，悬挂钢绳具备较强的承重能力，能够承受直驱型发电机和伞锚在竖直方向上的拉力。曳纲也需要具备较强的承重能力，曳纲将整个发电装置连接于船体或其他海上作业单元，并承受装置工作时产生的水平拉力。工作人员可以通过收放绳将发电装置放置于海水中或收回到海上作业单元。

所述直驱型发电机为一种全新结构的发电机，与传统海洋能发电相比，该直驱型发电机把叶片集成于电机转子之上，使叶片与电机集成为一个整体，可以完全去掉传统海洋能发电***所必须的能量捕获装置和传动机构。同时，直驱型发电机的密封技术为技术成熟、可靠性高的静密封技术，定子套筒和转子套筒的使用也完全避免了传统海洋能发电机所使用的结构复杂、可靠性差的旋转动密封技术。本发明直驱型发电机包括以下部件：定子密封端盖，定子，定子套筒，转子，转子套筒，叶片，轴承，转子支架，旋转主轴，支撑轴等。所述直驱型发电机为外定子内转子结构，叶片与发电机转子为一体化设计。定子密封端盖安装在定子的两个轴向端面上，并对发电机定子进行轴向密封；定子套筒安装在定子的径向内表面上，并对发电机定子进行径向密封；转子为永磁式转子，转子套筒安装在转子径向外表面上，并将转子外表面密封；转子支架的一端安装在定子密度端盖之上，另一端连接有支撑轴，支撑轴安装于定子轴心位置，支撑轴外表面通过轴承连接旋转主轴；叶片的一端安装于转子径向内表面上，另一端安装于旋转主轴上；所述叶片的主要作用除捕获海水动能之外，还能起支撑转子的作用。此外，所述定子密封端盖，定子，定子套筒，转子，转子套筒，叶片，旋转主轴，轴承，转子支架，支撑轴等部件表面都涂有耐海水腐蚀的材料。该直驱型发电机具有低速大转矩特性，并且具有较宽的功率捕获区间，从而使整套装置具备这样一种特性：在洋流流速变化较大时，所述直驱型发电机也能够正常发电。另外，该直驱型发电机还具有良好的密封性能和耐腐蚀性能，较小的体积，较轻的重量以及较高的运行可靠性等优点。

本发明在所述的伞锚出水口处沿圆周方向安装有环形底座，尾翼安装于环形底座的轴向外端面之上，尾翼的作用是可以增加伞锚水出口处洋流速度，增大发电装置的功率密度；环形底座表面涂有耐海水腐蚀的材料，所述直驱型发电机安装于环形底座的径向内表面之上。浮于海面上的浮子通过悬挂钢绳将直驱型发电机和伞锚悬挂于海水之中。收放绳的一端与浮子相连，另一端置于海上作业单元之上，工作人员可以通过收放绳把发电装置放置于海水中或收回海上作业单元。

本发明的优势在于：安装于伞锚出水口处的直驱型发电机为一种全新结构的适用于水下工作的发电机，其结构简单，体积小，重量轻，可靠性高。此外，对传统伞锚结构进行了改进，在伞锚出水口处增加尾翼，提高了发电装置对海水动能的捕获，进而在不增加装置体积的前提下提高了其发电功率。整个发电装置通过钢绳悬挂于浮子上，浮子使整套装置在竖直方向上受力平衡，而曳纲使发电装置整在水平方向上受力平衡。

附图说明

图1是本发明直驱式海洋能发电装置结构示意图，图中：1.1浮子，1.2收放绳，1.3悬挂钢绳，1.4直驱型发电机，1.5尾翼，1.6伞锚，1.7曳纲；

图2是伞锚及尾翼结构示意图，图中：2.1伞锚出水口，2.2前伞绳转环，2.3环形底座；

图3是直驱型发电机结构示意图，图中：3.1定子端盖，3.2定子，3.3定子套筒，3.4转子套筒，3.5转子，3.6叶片，3.7旋转主轴，3.8轴承，3.9支撑轴，3.10转子支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明海洋能发电装置的结构示意图，如图1所示，本发明直驱型海洋能发电装置主要包括以下部分：浮子1.1，收放绳1.2，悬挂钢绳1.3，直驱型发电机1.4，尾翼1.5，伞锚1.6，曳纲1.7等。发电装置发电工作时，浮子1.1漂浮于海面之上，收放绳1.2一端连接浮子1.1，另一端连接于海上作业单元之上。伞锚1.6出水口处安装环形底座2.3，直驱型发电机1.4安装在环形底座2.3的径向内表面上并通过螺栓固定，尾翼1.5安装在环形底座2.3的轴向外端面上。浮子1.1通过悬挂钢绳1.3连接环形底座2.3，曳纲1.7一端连接伞锚1.6，另一端固定于海上作业单元。

图2是伞锚及尾翼结构示意图。如图2所示，迎洋流流动方向，伞锚出水口2.1位于伞体中间位置，在伞锚出水口2.1处沿周向安装有环形底座2.3，尾翼1.5安装于环形底座2.3轴向外端面之上，所述环形底座2.3及尾翼1.5的轴向方向与伞锚出水口处水流方向一致。前伞绳转环2.2位于伞锚前端开口中心，伞锚的全部前伞绳都集中固定在前伞绳转环2.2之上，再通过曳纲1.7将整个伞锚连接于海上作业单元。

图3是直驱型发电机结构示意图。本发明直驱型发电机包括：定子端盖3.1，定子3.2，定子套筒3.3，转子套筒3.4，转子3.5，叶片3.6，旋转主轴3.7，轴承3.8，支撑轴3.9，转子支架3.10。如图3所示，定子3.2径向外表面与环形底座2.3用螺栓连接，定子3.2径向内表面上安装定子套筒3.3，所述定子套筒3.3在径向方向上完全密封住定子内表面，以防止海水进入定子线圈，定子3.2轴向两个端面上分别安装有定子端盖3.1，所述定子端盖3.1同样具有良好的密封性及防腐性，可以防止海水渗透和侵蚀；转子3.5为永磁转子，所述转子3.5径向外表面安装有转子套筒3.4，转子套筒完全密封住转子3.5；叶片3.6与电机转子为一体化设计，所述叶片一端安装在转子3.5内表面上，另一端安装于旋转主轴3.7之上，旋转主轴3.7与支撑轴3.9之间通过轴承3.8连接，支撑轴3.9中心开孔，转子支架3.10一端安装在支撑轴3.9上，另一端安装于定子端盖3.1上。

当需要发电时，工作人员将该发电装置放入水中，浮子1.1在竖直方向上所受的浮力抵消直驱型发电机1.4及伞锚1.6等部件的重力，使整个发电装置在竖直方向上受力平衡。由于洋流的作用，浮子会随着洋流飘动，直到曳纲1.7绷紧并承受住水平方向上的拉力，此时整个装置受力基本平衡。曳纲1.7的一端与伞锚的前伞绳转环2.2连接，另一端连接在海上作业单元上。

伞锚1.6及尾翼1.5对海水具有汇集作用，当伞锚在海水中展开后，伞锚出水口2.1会产生高速流动的海水。水流冲击安装于伞锚出水口处的直驱型发电机1.4的叶片3.6，定子套筒3.3和转子套筒3.4分别将定子3.2和转子3.5密封，以防止海水进入定转子内部，受水流冲击的叶片3.6带动转子3.5旋转，转子3.5产生旋转磁场并切割定子线圈。至此，直驱型发电机1.4完成机械能到电能的转换，发出的电力通过电缆输送至海上作业单元。

当不需要该装置发电时，工作人员可以通过收放绳1.2将整个发电装置收回。

Claims

1.一种直驱式海洋能发电装置，所述发电装置包括浮子(1.1)、收放绳(1.2)、悬挂钢绳(1.3)、直驱型发电机(1.4)和尾翼(1.5)；所述的浮子(1.1)漂浮于海面上，浮子(1.1)通过悬挂纲绳(1.3)连接直驱型发电机(1.4)；收放绳(1.2)的一端与浮子(1.1)相连，收放绳(1.2)的另一端置于海上作业单元之上，工作人员通过收放绳(1.2)把所述的发电装置放置于海水中或收回海上作业单元，其特征在于：所述的发电装置还包括伞锚(1.6)和曳纲(1.7)；所述直驱型发电机(1.4)沿径向安装于伞锚出水口处，尾翼(1.5)沿轴向安装于与伞锚出水口处；所述的伞锚(1.6)对洋流进行汇集；直驱型发电机(1.4)的叶片(3.6)捕获海水动能并转化为电能输出；所述的曳纲(1.7)的一端连接伞锚(1.6)，曳纲(1.7)的另一端固定在海上作业单元之上。

2.如权利要求1所述的海洋能发电设备，其特征在于：所述的直驱型发电机(1.4)为叶片与电机的一体化设计；定子端盖(3.1)对定子(3.2)轴向端面进行密封，定子套筒(3.3)在径向方向上密封定子(3.1)的内表面；转子(3.5)为永磁转子，所述转子(3.5)的径向外表面安装有转子套筒(3.4)；叶片(3.6)的一端安装于转子(3.5)的内表面，叶片(3.6)的另一端安装于旋转主轴(3.7)上；旋转主轴(3.7)与支撑轴(3.9)之间通过轴承(3.8)连接，支撑轴(3.9)中心开孔；转子支架(3.10)的一端安装在支撑轴(3.9)之上，转子支架(3.10)的另一端安装于定子端盖(3.1)上；所述定子密封端盖(3.1)、定子(3.2)、定子套筒(3.3)、转子(3.5)、转子套筒(3.4)、叶片(3.6)、旋转主轴(3.7)、轴承(3.8)、转子支架(3.9)，以及支撑轴(3.10)表面均涂有耐海水腐蚀的材料。

3.如权利要求1所述的海洋能发电设备，其特征在于：迎洋流流动方向，在所述的伞锚(1.6)的伞锚出水口(2.1)处安装环形底座(2.2)，尾翼(1.5)安装于环形底座(2.3)的轴向外端面上，所述环形底座(2.3)及尾翼(1.5)的轴向方向与伞锚出水口处水流方向一致。