CN106230226A - 超低转速潮流能脉冲发电机 - Google Patents

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徐明奇
唐建生
姚楠
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
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Abstract

本发明属于可再生能源中海洋能开发技术领域，涉及超低速微弱潮流能进行高效发电的装置。发电机转子带有配重和单向传动机构。先把主轴输出的机械能转化成发电机转子配重的重力势能，发电机转子及配重以类自由落体方式迅速旋转下落，速度达到最快时通过线圈发电，发电形式为脉冲式。本发明适用于0.3m/s以下的超低流速微弱潮流，发电效率高，发电时间长，适应范围广，适用于我国85%的海域。结构简单，机械强度高，性能可靠，重量轻，安装容易，适用面广，可以依据不同的功率需要制造不同的规格，成本低，寿命长,体积小，不怕海水腐蚀。

Description

超低转速潮流能脉冲发电机
技术领域
本发明属于可再生能源中海洋能开发技术领域，涉及利用海洋中超低速微弱潮流能进行高效发电的装置。
背景技术
所谓海流主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动，所谓潮流主要是指由于潮汐导致的有规律的海水流动，海流和潮流是混在一起的，潮流能量又占主要部分，两者可以统称潮流，潮流发电是利用海流的动能发电的技术。一般无需筑坝，用水轮机组发电。潮流能的能量与流速的平方和流量成正比。
潮流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，潮流发电是依靠海流的冲击力使水轮机旋转，然后再带动发电机发电。但由于海水的密度约为空气的835倍，且必须放置于水下，因此利用海流发电存在一系列关键技术问题，包括透平设计、安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等，此外，潮流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。潮流装置可以安装固定于海底，也可以安装于浮体的底部，而浮体通过锚链固定于海上。
潮流水轮发电主要的有两种形式，一种是水平轴式，一种是垂直轴式，垂直轴式效率不高，但可以接受各个方向的潮流。水平轴式效率高，但水轮叶扇需随着潮流自动转向，永远对准潮流的来向，才能使得发电效率保持在最佳状态。
相对波浪而言，潮流能的变化要平稳且有规律得多。潮流能随潮汐的涨落每天两次改变大小和方向。潮流能发电已成为当前研究热点,潮流能具有可预测性强、能量密度高等优点,但局部范围也存在流速偏低、方向不稳定等缺点,同时恶劣的海洋环境也给潮流能发电机组的研制带来很大的困难。提高机组可靠性、提升整体效率已成为潮流能发电机组研制中的关键技术问题。
虽然国际上公认的只有流速大于2m/s的海流才有经济价值，但我们国家的陆架海流速大于0.6m/s的区域不超过10%，流速0.3m/s的区域却超过85%。若想在更广大海域实现利用海流发电，必须面对的问题是实现超低流速微弱潮流条件下能量转化。
潮流能发电机还分为直驱式和增速式两种形式，直驱式体积大，重量大，启动容易，但转速低，启动流速在0.4-0.5m/s左右；增速式体积小，重量轻，转速高，但启动困难，启动流速在0.6-0.7左右。目前的发电***对于0.3m/s以下的超低流速微弱潮流无能为力，无法利用，无法发电。主要原因是超低流速潮流能量密度低，微弱潮流无法让透平转动，或能转动，但转速非常低，导致发电机磁力线切割速度不够，造成发电机发电效率急剧下降。
发明内容
本发明的目的：针对0.3m/s及以下超低流速微弱潮流能，实现高效利用，无论透平转的多么慢，只要转动，就能高效发电，即使转速只有0.1rpm，也能高效发电。换句话说，解决透平转速非常低的驱动条件下，利用现有技术的发电机磁力线切割速度不够、发电机无法高效发电的问题。
本发明是一种适合超低流速微弱潮流的海洋发电***中使用的发电核心装置，它能够实现对超低转速的高效利用，在低转速的驱动条件下，也能让线圈产生足够的切割磁力线的相对速度，在机械能转化成电能过程中实现高效。主要构造是一种特殊的超低转速发电机，发电机转子带有配重和单向传动机构（比如单向轴承）。发电基本原理是先把主轴输出的机械能转化成发电机转子配重的重力势能，到达最高点后，发电机转子及配重以类自由落体方式迅速旋转下落，速度达到最快时通过线圈发电，发电形式为脉冲式。此时，发电机转子的旋转速度会大大超过透平主轴，由于单向传动机构的存在，使得发电机转子与透平主轴动力脱离，不会把动能反向传递给透平，发电机转子及配重到达底部时，发电机转子旋转速度达到最大，可以产生足够的磁力线切割速度，此时发电，效率最高。发电机转子动能转化电能后，速度急剧降低，速度会低于透平旋转速度，此时透平又会通过单向传动机构带着发电机转子旋转，积累势能，周而复始。发电机发出的是脉冲三相交流电，因此称为脉冲发电机，电能经电压变换装置可以传给蓄电池存储起来。发电机带有为其他海洋设备供电的专用水下电缆密封接口（seacon公司产品）。
使用时仅需要把本装置的一端与动力输出轴相联接，另一端固定。
本发明主要优点：主要适用于0.3m/s以下的超低流速微弱潮流，发电效率高，发电时间长，适应范围广，适用于我国85%的海域。此脉冲发电机可以非常容易的加装到潮流能发电***中，结构简单，机械强度高，性能可靠，重量轻，安装容易，适用面广，可以依据不同的功率需要制造不同的规格，成本低，寿命长,体积小，不怕海水腐蚀，可实现免维护。
附图说明
附图1是超低转速脉冲发电机结构示意图；
附图2是超低转速脉冲发电机磁钢转子顶点工作状态示意图；
附图3是超低转速脉冲发电机磁钢转子底点工作状态示意图。
其中：1磁钢旋转轨迹 2外壳 3发电机主轴 4磁钢支架 5磁钢转子 6线圈定子。
具体实施方式
图1、图2、图3是发电机结构及工作过程中的状态示意图。发电机外壳2采用耐海水腐蚀的非金属材料或304不锈钢或316L不锈钢或钛合金材料制成，形状采用圆形或方形或六角形。发电机主轴3采用空心管状结构，材料采用耐海水腐蚀的非金属材料或304不锈钢或316L不锈钢或钛合金材料，磁钢转子5采用钕铁硼磁性材料制成，磁钢支架4采用耐海水腐蚀的非金属材料或304不锈钢或316L不锈钢或钛合金材料制成，磁钢转子5与磁钢支架4采用专用胶和螺丝固定连接，磁钢支架4通过非金属单向轴承（陶瓷单向轴承或塑料单向轴承）与发电机主轴3连接，发电机磁钢转子5和磁钢支架4可以绕主轴3自由的旋转，磁钢支架4和磁钢转子5这两部分的重心集中在磁钢转子5上。在图1中，外界动力（例如透平）带动发电机主轴3旋转，由于发电机主轴3和磁钢支架4间加入了单向轴承，只能单向传递机械能，动力只能由发电机主轴3传给磁钢支架4，反之则不能。发电机主轴3带动磁钢支架4和磁钢转子5转动，磁钢转子5会转到发电机主轴3上方最高处如图2所示的位置时，继续旋转过顶点后，磁钢转子5就会沿着旋转轨迹线1自由迅速的滑下来，到达发电机主轴3下方最低点时速度最快，如图3所示，磁钢转子5迅速的从线圈定子6旁通过，线圈定子6切割磁力线发出电来。周而复始。
以上实施方式是内转子方式，即磁钢转子5在内侧，线圈定子6在外侧的情形，还有一种实施方式是外转子方式，即磁钢转子5在外侧，线圈定子6在内侧的情形。

Claims (1)

1.超低转速潮流能脉冲发电机，其特征是：主要由外壳 （2）、发电机主轴（3）、磁钢支架（4）、磁钢转子（5）及线圈定子（6）构成，发电机外壳（2）采用耐海水腐蚀的非金属材料或304不锈钢或316L不锈钢或钛合金材料制成，，发电机主轴（3）采用空心管状结构，材料采用耐海水腐蚀的非金属材料或304不锈钢或316L不锈钢或钛合金材料，磁钢转子（5）采用钕铁硼磁性材料制成，磁钢支架（4）采用耐海水腐蚀的非金属材料或304不锈钢或316L不锈钢或钛合金材料制成，磁钢转子（5）与磁钢支架（4）采用专用胶和螺丝固定连接，磁钢支架（4）通过非金属单向轴承即陶瓷单向轴承或塑料单向轴承与发电机主轴（3）连接，发电机磁钢转子（5）和磁钢支架（4）能够绕主轴（3）自由的旋转，磁钢支架（4）和磁钢转子（5）这两部分的重心集中在磁钢转子（5）上，由透平带动发电机主轴（3）旋转，发电机主轴（3）带动磁钢支架（4）和磁钢转子（5）转动，线圈定子（6）设置在外侧，在发电机主轴（3）下方最低点处，或者设置成磁钢转子（5）在外侧，线圈定子（6）在内侧。
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