CN103541854A

CN103541854A - 一种利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置

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Publication number: CN103541854A
Application number: CN201210243561.5A
Authority: CN
Inventors: 周军伟; 王大政
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2014-01-29

Abstract

一种利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置，其特征为涡轮轴通过变速箱加速后，通过电磁耦合器驱动飞轮转动，飞轮带动发电机工作。第一次启动时，飞轮需要储能，此时发电机断开负载，飞轮持续加速。当飞轮达到设计转速，发电机开始发电，当涡轮轴功率大于发电机功率，飞轮继续储存动能，飞轮转速提高，当涡轮轴功率小于发电机功率，飞轮释放动能，飞轮转速降低。当潮流速度较低时，涡轮制动，并与飞轮断开连接，飞轮利用储存的动能继续带动发电机工作。采用变向装置保持涡轮正面始终迎向来流，从而确保涡轮轴转动方向不变。当新的潮流循环开始时，潮流速度达到启动速度，飞轮能够通过电磁耦合器带动涡轮启动，排除了涡轮无法正常启动的问题。

Description

一种利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置

技术领域

本发明涉及一种利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置，具体的讲是将涡轮吸收的功率通过差速电磁耦合器直接传输给飞轮，飞轮与发电机同轴同转速工作，二者可统一称为飞轮发电机，由于飞轮发电机转速较直驱发电机稳定，从而能够实现较平稳的电力输出。

背景技术

潮流能是一种清洁的可再生能源，可以通过水平轴潮流涡轮获取，其发展目前正处于商业化试运营阶段。阻碍潮流涡轮发电实现商业化的主要因素在于潮流能随着潮涨潮落周期性变化，难以提供稳定的电能输出。采用蓄电池储能，逆变器调谐是将潮流发电并网利用的一种方案，这种方案成本高、损耗大。采用机械式储能器，即飞轮储能，是一种高效的储能方式，但仍然存在问题，如飞轮高速旋转时与空气的磨擦损耗，飞轮与涡轮轴之间的差速传动等。

发明内容

本发明为一种利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置，如图1所示，其特征为：涡轮2依次接制动器13、变速箱3、离合器4、电磁耦合器外转子5、电磁耦合器内转子6、飞轮7与发电机8。涡轮用于将潮流能转换为轴动力，制动器用于涡轮停转时的制动作用，变速箱将涡轮轴的低转速输出为高转速，离合器用于涡轮启动、制动过程中涡轮轴动力与电磁耦合器的接通与断开，电磁耦合器的外转子与内转子通过电磁力传递扭矩。电磁耦合器的内转子、飞轮与发电机放置于密封仓9内，密封舱内抽真空。

设发电装置的设计要求为：输出功率P1，单位为千瓦；发电装置的设计条件为：潮流速度V，单位为米/秒，潮流周期T，单位为小时，潮流速度随时间的变化规律为V（t）=Vmax×sin（2×π×t÷T），式中Vmax为一个潮流周期内最高潮流速度，单位为米/秒；根据以上条件可知，一个潮流周期内发电机发电量为E1=T×P1，单位为千瓦时；为了保证飞轮不会停转，飞轮设计储能E2大于发电量E1，二者满足关系E2×η2=Ce×E1，E2单位为千瓦时，η2为发电机的效率，Ce为储能系数，取值范围2.0~5.0，可保证飞轮发电机转速波动范围dN5=±29%~11%；设一个潮流周期内最高潮流速度下涡轮的输出功率为P2，单位为千瓦，则需满足P2×η1×η2×Ch=E1，式中η1为电磁耦合器的传动效率，Ch为等效时间，单位为小时，即涡轮在一个潮流周期内所获取的总能量相当于涡轮在峰值功率P2下工作Ch小时所获取的能量，Ch为常量，视不同地区潮流品质可取值为2.0~2.5，则根据上述关系式可得一个潮流周期内最高潮流速度下涡轮的输出功率P2；涡轮输出功率P2与涡轮直径D（单位米）满足下式关系P2=η×ρ×Vmax³×π×D²÷8，式中η为涡轮的能量转换效率，为常量，根据设计水平不同可取30%~40%，ρ为海水密度，单位为千克/立方米，当Vmax已知，根据上式可以确定涡轮直径D；飞轮直径D5与涡轮直径D之间满足关系式D5=Cd×D，Cd取值范围0.1~0.25；飞轮采用圆环带腹板型，如图2所示，飞轮宽度Bf（单位米）与飞轮厚度Tf（单位米）之比取值范围为1.0~3.0，飞轮腹板厚度tf（单位米）与飞轮厚度Tf之比取值范围为0.1~0.3，则飞轮储能可采用下式计算，E2=ρf×π³×D5³×Bf×Tf×N5² / 7200，ρf为飞轮密度，单位为千克/立方米，N5为飞轮转速，单位为转/分，当已知飞轮储能E2与飞轮材质密度，根据上式可选定合适的飞轮宽度、厚度与腹板厚度。

第一次启动时需对飞轮进行充能：当潮流速度达到启动流速Vmin，断开离合器、发电机负载与制动器，涡轮在潮流作用下开始转动，Vmin与最高潮流速度Vmax之间满足关系Vmin=Ct×Vmax，Ct取值范围为0.5~0.7；当涡轮转速达到N1min，闭合离合器，电磁耦合器调整合适的传递转矩带动飞轮与发电机逐渐开始加速，Vmin与N1min之间满足关系式N1min=60×Vmin×λ/（π×D），单位为转/分，式中λ为涡轮设计梢速比，取值范围为2.5~7.0；当飞轮与发电机转速N5达到额定转速N5d，接通发电机负载，发电机开始发电，此时涡轮轴功率通过电磁耦合器传给飞轮，飞轮带动发电机工作；随着潮流速度的变化，涡轮输出功率不断发生变化，在涡轮输出功率变化过程中，当涡轮轴功率大于发电机功率，飞轮继续储存动能，飞轮转速提高，当涡轮轴功率小于发电机功率，飞轮释放动能，飞轮转速降低；当潮流速度小于Vmin，电磁耦合器退出工作，不传递转矩，涡轮在制动器作用下停转，此时飞轮利用储存的动能带动发电机继续发电，飞轮转速持续降低；换向器12旋转180度，准备下一个潮流周期的到来；当下一个潮流周期来临，潮流速度反向，换向器已完成转向，当潮流速度大于Vmin，断开制动器，电磁耦合器进入工作，飞轮带动涡轮转动，当涡轮逐渐加速至工作转速，涡轮开始输出转矩。

变速箱能够根据涡轮转速N1与飞轮发电机转速N5自动调整变速比a，以满足发电需求，涡轮转速与飞轮发电机转速之间满足关系N1×a=N5×Ca，Ca取值范围为1.05~1.2，根据上式能够选择合适的变速比；电磁耦合器能够根据涡轮转速与变速箱变速比自动调整传动扭矩以满足装置要求。

附图说明

图1为利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置结构示意图。

图2为飞轮的纵剖面图。

具体实施方案

如图1所示，发电装置的涡轮2依次接制动器13、变速箱3、离合器4、电磁耦合器外转子5、电磁耦合器内转子6、飞轮7与发电机8。涡轮用于将潮流能转换为轴动力，制动器用于涡轮停转时的制动作用，变速箱将涡轮轴的低转速输出为高转速，离合器用于涡轮启动、制动过程中涡轮轴动力与电磁耦合器的接通与断开，电磁耦合器的外转子与内转子通过电磁力传递扭矩。电磁耦合器的内转子、飞轮与发电机放置于密封仓9内，密封舱内抽真空。

发电装置的设计输出功率P2=100千瓦；一个潮流周期内最高潮流速度为Vmax= 1米/秒，潮流周期T=6小时，潮流速度随时间的变化规律为V（t）=sin（π×t/6）米/秒，则一个潮流周期内发电机发电量为E1=T×P1=600千瓦时；为了保证飞轮不会停转，取储能系数Ce=5.0，发电机效率η2=80%，则飞轮设计储能根据式E2×η2=Ce×E1可得E2=3750千瓦时，则可保证飞轮发电机转速波动范围dN5=±11%；取电磁耦合器的传动效率η1=85%，等效时间Ch=2.4，根据式P2×η1×η2×Ch=E1可得一个潮流周期内最高潮流速度下涡轮的输出功率P2=368千瓦；取涡轮的能量转换效率η=40%，取海水密度ρ=1026千克/立方米，根据式P2=η×ρ×Vmax³×π×D²÷8得涡轮直径D=47.8m；取飞轮直径与涡轮直径之比Cd=0.2，则飞轮直径D5=7.6米；取飞轮材质为铸铁，密度7800千克/立方米，取飞轮转速N5=1000转/分，取飞轮宽度与厚度之比为2.0，飞轮腹板厚度与飞轮厚度之比为0.2，根据飞轮储能公式E2=ρf×π³×D5³×Bf×Tf×N5² / 7200，可得飞轮宽度1.34米，飞轮厚度0.67米，飞轮腹板厚度0.27米。

第一次启动时需对飞轮进行充能：当潮流速度达到启动流速Vmin，即最高潮流速度Vmax的Ct倍，Ct取值0.5，可得Vmin=0.5米/秒，此时断开离合器、发电机负载与制动器，涡轮在潮流作用下开始转动；取涡轮设计梢速比λ=6.0，则当涡轮转速达到N1min=60×Vmin×λ/（π×D）=1.2转/分，闭合离合器，电磁耦合器调整合适的传递转矩带动飞轮与发电机逐渐开始加速；当飞轮与发电机转速N5达到1000转/分，接通发电机负载，发电机开始发电，此时涡轮轴功率通过电磁耦合器传给飞轮，飞轮带动发电机工作；随着潮流速度的变化，涡轮输出功率不断发生变化，在涡轮输出功率变化过程中，当涡轮轴功率大于发电机功率，飞轮继续储存动能，飞轮转速提高，当涡轮轴功率小于发电机功率，飞轮释放动能，飞轮转速降低；当潮流速度小于Vmin，电磁耦合器退出工作，不传递转矩，涡轮在制动器作用下停转，此时飞轮利用储存的动能带动发电机继续发电，飞轮转速持续降低；换向器12旋转180度，准备下一个潮流周期的到来；当下一个潮流周期来临，潮流速度反向，换向器已完成转向，当潮流速度大于Vmin，断开制动器，电磁耦合器进入工作，当飞轮将涡轮带动开始转动，涡轮逐渐加速并开始输出转矩。

变速箱能够根据涡轮转速N1与飞轮发电机转速N5自动调整变速比a，以满足发电需求，例如最高潮流速度下N1=60×Vmax×λ/（π×D）=2.4转/分，涡轮转速与飞轮发电机转速之间满足关系N1×a=N5×Ca，例如取变速比=480，可得Ca=1.15，电磁耦合器根据变速比自动调整传动扭矩以满足装置要求。

Claims

1.本发明为一种利用飞轮储能的水平轴潮流涡轮发电装置，其特征为：涡轮依次接制动器、变速箱、离合器、电磁耦合器外转子、电磁耦合器内转子、飞轮与发电机；涡轮用于将潮流能转换为轴动力，制动器用于涡轮停转时的制动作用，变速箱将涡轮轴的低转速输出为高转速，离合器用于涡轮启动、制动过程中涡轮轴动力与电磁耦合器的接通与断开，电磁耦合器的外转子与内转子通过电磁力传递扭矩；电磁耦合器的内转子、飞轮与发电机放置于密封仓内，密封舱内抽真空。

2.如权利要求1所述的发电装置，其设计要求为：输出功率P1，单位为千瓦；其设计条件为：潮流速度V，单位为米/秒，潮流周期T，单位为小时，潮流速度随时间的变化规律为V（t）=Vmax×sin（2×π×t÷T），式中Vmax为一个潮流周期内最高潮流速度，单位为米/秒；根据以上条件可知，一个潮流周期内发电机发电量为E1=T×P1，单位为千瓦时；为了保证飞轮不会停转，飞轮设计储能E2大于发电量E1，二者满足关系E2×η2=Ce×E1，E2单位为千瓦时，η2为发电机的效率，Ce为储能系数，取值范围2.0~5.0，可保证飞轮发电机转速波动范围dN5=±29%~11%；设一个潮流周期内最高潮流速度下涡轮的输出功率为P2，单位为千瓦，则需满足P2×η1×η2×Ch=E1，式中η1为电磁耦合器的传动效率，Ch为等效时间，单位为小时，即涡轮在一个潮流周期内所获取的总能量相当于涡轮在峰值功率P2下工作Ch小时所获取的能量，Ch为常量，视不同地区潮流品质可取值为2.0~2.5，则根据上述关系式可得一个潮流周期内最高潮流速度下涡轮所需的输出功率P2；涡轮输出功率P2与涡轮直径D（单位米）满足下式关系P2=η×ρ×Vmax³×π×D²÷8，式中η为涡轮的能量转换效率，为常量，根据设计水平不同可取30%~40%，ρ为海水密度，单位为千克/立方米，当Vmax已知，根据上式可以确定涡轮直径D；飞轮直径D5与涡轮直径D之间满足关系式D5=Cd×D，Cd取值范围0.1~0.25；飞轮采用圆环带腹板型，飞轮宽度Bf（单位米）与飞轮厚度Tf（单位米）之比取值范围为1.0~3.0，飞轮腹板厚度tf（单位米）与飞轮厚度Tf之比取值范围为0.1~0.3，则飞轮储能可采用下式计算，E2=ρf×π³×D5³×Bf×Tf×N5² / 7200，ρf为飞轮密度，单位为千克/立方米，N5为飞轮转速，单位为转/分，当已知飞轮储能E2与飞轮材质密度，根据上式可选定合适的飞轮宽度、厚度与腹板厚度。

3.如权利要求1所述的发电装置，其工作过程为：第一次启动时需对飞轮进行充能，当潮流速度达到启动流速Vmin，断开离合器、发电机负载与制动器，涡轮在潮流作用下开始转动，Vmin与最高潮流速度Vmax之间满足关系Vmin=Ct×Vmax，Ct取值范围为0.5~0.7；当涡轮转速达到N1min，闭合离合器，电磁耦合器调整合适的传递转矩带动飞轮与发电机逐渐开始加速，Vmin与N1min之间满足关系式N1min=60×Vmin×λ/（π×D），单位为转/分，式中λ为涡轮设计梢速比，取值范围为2.5~7.0；当飞轮与发电机转速N5达到额定转速N5d，接通发电机负载，发电机开始发电，此时涡轮轴功率通过电磁耦合器传给飞轮，飞轮带动发电机工作；随着潮流速度的变化，涡轮输出功率不断发生变化，在涡轮输出功率变化过程中，当涡轮轴功率大于发电机功率，飞轮继续储存动能，飞轮转速提高，当涡轮轴功率小于发电机功率，飞轮释放动能，飞轮转速降低；当潮流速度小于Vmin，电磁耦合器退出工作，不传递转矩，涡轮在制动器作用下停转，此时飞轮利用储存的动能带动发电机继续发电，飞轮转速持续降低；换向器旋转180度，准备下一个潮流周期的到来；当下一个潮流周期来临，潮流速度反向，换向器已完成转向，当潮流速度大于Vmin，断开制动器，电磁耦合器进入工作，首先飞轮带动涡轮转动，当涡轮逐渐加速至工作状态，涡轮开始输出转矩。

4.如权利要求1所述的发电装置，其变速箱能够根据涡轮转速N1与飞轮发电机转速N5自动调整变速比a，以满足发电需求，涡轮转速与飞轮发电机转速之间满足关系N1×a=N5×Ca，Ca取值范围为1.05~1.2，根据上式能够选择合适的变速比；电磁耦合器能够根据涡轮转速与变速箱变速比自动调整传动扭矩以满足装置要求。