一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置，其特征為渦輪軸通過變速箱加速后，通過電磁耦合器驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動，飛輪帶動發(fā)電機(jī)工作。第一次啟動時，飛輪需要儲能，此時發(fā)電機(jī)斷開負(fù)載，飛輪持續(xù)加速。當(dāng)飛輪達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，當(dāng)渦輪軸功率大于發(fā)電機(jī)功率，飛輪繼續(xù)儲存動能，飛輪轉(zhuǎn)速提高，當(dāng)渦輪軸功率小于發(fā)電機(jī)功率，飛輪釋放動能，飛輪轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)潮流速度較低時，渦輪制動，并與飛輪斷開連接，飛輪利用儲存的動能繼續(xù)帶動發(fā)電機(jī)工作。采用變向裝置保持渦輪正面始終迎向來流，從而確保渦輪軸轉(zhuǎn)動方向不變。當(dāng)新的潮流循環(huán)開始時，潮流速度達(dá)到啟動速度，飛輪能夠通過電磁耦合器帶動渦輪啟動，排除了渦輪無法正常啟動的問題。
【專利說明】一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置，具體的講是將渦輪吸收的功率通過差速電磁耦合器直接傳輸給飛輪，飛輪與發(fā)電機(jī)同軸同轉(zhuǎn)速工作，二者可統(tǒng)一稱為飛輪發(fā)電機(jī)，由于飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較直驅(qū)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較平穩(wěn)的電力輸出。
【背景技術(shù)】
[0002]潮流能是一種清潔的可再生能源，可以通過水平軸潮流渦輪獲取，其發(fā)展目前正處于商業(yè)化試運(yùn)營階段。阻礙潮流渦輪發(fā)電實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的主要因素在于潮流能隨著潮漲潮落周期性變化，難以提供穩(wěn)定的電能輸出。采用蓄電池儲能，逆變器調(diào)諧是將潮流發(fā)電并網(wǎng)利用的一種方案，這種方案成本高、損耗大。采用機(jī)械式儲能器，即飛輪儲能，是一種高效的儲能方式，但仍然存在問題，如飛輪高速旋轉(zhuǎn)時與空氣的磨擦損耗，飛輪與渦輪軸之間的差速傳動等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置，如圖1所示，其特征為:渦輪2依次接制動器13、變速箱3、離合器4、電磁耦合器外轉(zhuǎn)子5、電磁耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子6、飛輪7與發(fā)電機(jī)8。渦輪用于將潮流能轉(zhuǎn)換為軸動力，制動器用于渦輪停轉(zhuǎn)時的制動作用，變速箱將渦輪軸的低轉(zhuǎn)速輸出為高轉(zhuǎn)速，離合器用于渦輪啟動、制動過程中渦輪軸動力與電磁耦合器的接通與斷開，電磁耦合器的外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子通過電磁力傳遞扭矩。電磁耦合器的內(nèi)轉(zhuǎn)子、飛輪與發(fā)電機(jī)放置于密封倉9內(nèi)，密封艙內(nèi)抽真空。
[0004]設(shè)發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)要求為:輸出功率P1，單位為千瓦；發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)條件為:潮流速度V，單位為米/秒，潮流周期T，單位為小時，潮流速度隨時間的變化規(guī)律為V (t)=VmaxX sin (2 X n Xt + T),式中Vmax為一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度,單位為米/秒；根據(jù)以上條件可知，一個潮流周期內(nèi)發(fā)電機(jī)發(fā)電量為El=TXPl,單位為千瓦時；為了保證飛輪不會停轉(zhuǎn)，飛輪設(shè)計(jì)儲能E2大于發(fā)電量El，二者滿足關(guān)系E2X n2=CeXEl,E2單位為千瓦時，Π2為發(fā)電機(jī)的效率，Ce為儲能系數(shù)，取值范圍2.0-5.0，可保證飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍dN5=±299Tll% ;設(shè)一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度下渦輪的輸出功率為P2，單位為千瓦，則需滿足P2 X η IX n2XCh=El，式中η I為電磁耦合器的傳動效率，Ch為等效時間，單位為小時，即渦輪在一個潮流周期內(nèi)所獲取的總能量相當(dāng)于渦輪在峰值功率Ρ2下工作Ch小時所獲取的能量，Ch為常量，視不同地區(qū)潮流品質(zhì)可取值為2.0-2.5，則根據(jù)上述關(guān)系式可得一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度下渦輪的輸出功率Ρ2 ;渦輪輸出功率Ρ2與渦輪直徑D(單位米)滿足下式關(guān)系Ρ2= η X P XVmax3X π XD2+ 8,式中η為渦輪的能量轉(zhuǎn)換效率，為常量，根據(jù)設(shè)計(jì)水平不同可取30%~40%，P為海水密度，單位為千克/立方米，當(dāng)Vmax已知，根據(jù)上式可以確定渦輪直徑D ;飛輪直徑D5與渦輪直徑D之間滿足關(guān)系式D5=CdXD，Cd取值范圍0.1-0.25 ;飛輪采用圓環(huán)帶腹板型，如圖2所示，飛輪寬度Bf (單位米)與飛輪厚度Tf (單位米)之比取值范圍為1.0-3.0,飛輪腹板厚度tf (單位米)與飛輪厚度Tf之比取值范圍為0.1~0.3，則飛輪儲能可采用下式計(jì)算，E2=pfx 3i3XD53XBfXTfXN52 / 7200，P f為飛輪密度，單位為千克/立方米，N5為飛輪轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分，當(dāng)已知飛輪儲能E2與飛輪材質(zhì)密度，根據(jù)上式可選定合適的飛輪寬度、厚度與腹板厚度。
[0005]第一次啟動時需對飛輪進(jìn)行充能:當(dāng)潮流速度達(dá)到啟動流速Vmin，斷開離合器、發(fā)電機(jī)負(fù)載與制動器，渦輪在潮流作用下開始轉(zhuǎn)動，Vmin與最高潮流速度Vmax之間滿足關(guān)系Vmin=CtXVmax, Ct取值范圍為0.5^0.7 ;當(dāng)潤輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Nlmin,閉合離合器，電磁率禹合器調(diào)整合適的傳遞轉(zhuǎn)矩帶動飛輪與發(fā)電機(jī)逐漸開始加速，Vmin與Nlmin之間滿足關(guān)系式Nlmin=60XVminX λ/ ( ji XD)，單位為轉(zhuǎn)/分，式中λ為渦輪設(shè)計(jì)梢速比，取值范圍為
2.5^7.0 ;當(dāng)飛輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Ν5達(dá)到額定轉(zhuǎn)速N5d，接通發(fā)電機(jī)負(fù)載，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，此時渦輪軸功率通過電磁耦合器傳給飛輪，飛輪帶動發(fā)電機(jī)工作；隨著潮流速度的變化，渦輪輸出功率不斷發(fā)生變化，在渦輪輸出功率變化過程中，當(dāng)渦輪軸功率大于發(fā)電機(jī)功率，飛輪繼續(xù)儲存動能，飛輪轉(zhuǎn)速提高，當(dāng)渦輪軸功率小于發(fā)電機(jī)功率，飛輪釋放動能，飛輪轉(zhuǎn)速降低；當(dāng)潮流速度小于Vmin，電磁耦合器退出工作，不傳遞轉(zhuǎn)矩，渦輪在制動器作用下停轉(zhuǎn)，此時飛輪利用儲存的動能帶動發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，飛輪轉(zhuǎn)速持續(xù)降低；換向器12旋轉(zhuǎn)180度，準(zhǔn)備下一個潮流周期的到來；當(dāng)下一個潮流周期來臨，潮流速度反向，換向器已完成轉(zhuǎn)向，當(dāng)潮流速度大于Vmin，斷開制動器，電磁耦合器進(jìn)入工作，飛輪帶動渦輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)渦輪逐漸加速至工作轉(zhuǎn)速，渦輪開始輸出轉(zhuǎn)矩。[0006]變速箱能夠根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速NI與飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N5自動調(diào)整變速比a，以滿足發(fā)電需求，渦輪轉(zhuǎn)速與飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間滿足關(guān)系NlXa=N5XCa，Ca取值范圍為1.05~1.2，根據(jù)上式能夠選擇合適的變速比；電磁耦合器能夠根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速與變速箱變速比自動調(diào)整傳動扭矩以滿足裝置要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2為飛輪的縱剖面圖。
具體實(shí)施方案
[0009]如圖1所示，發(fā)電裝置的渦輪2依次接制動器13、變速箱3、離合器4、電磁耦合器外轉(zhuǎn)子5、電磁耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子6、飛輪7與發(fā)電機(jī)8。渦輪用于將潮流能轉(zhuǎn)換為軸動力，制動器用于渦輪停轉(zhuǎn)時的制動作用，變速箱將渦輪軸的低轉(zhuǎn)速輸出為高轉(zhuǎn)速，離合器用于渦輪啟動、制動過程中渦輪軸動力與電磁耦合器的接通與斷開，電磁耦合器的外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子通過電磁力傳遞扭矩。電磁耦合器的內(nèi)轉(zhuǎn)子、飛輪與發(fā)電機(jī)放置于密封倉9內(nèi)，密封艙內(nèi)抽真空。
[0010]發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)輸出功率P2=100千瓦；一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度為Vmax= I米/秒，潮流周期T=6小時，潮流速度隨時間的變化規(guī)律為V (t)=sin ( π Xt/6)米/秒，則一個潮流周期內(nèi)發(fā)電機(jī)發(fā)電量為E1=TXP1=600千瓦時；為了保證飛輪不會停轉(zhuǎn)，取儲能系數(shù)Ce=5.0，發(fā)電機(jī)效率η 2=80%，則飛輪設(shè)計(jì)儲能根據(jù)式Ε2Χ n2=CeXEl可得E2=3750千瓦時，則可保證飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍dN5=±ll% ;取電磁耦合器的傳動效率η 1=85%,等效時間Ch=2.4，根據(jù)式P2X nix n2XCh=El可得一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度下渦輪的輸出功率P2=368千瓦；取渦輪的能量轉(zhuǎn)換效率η=40%，取海水密度P =1026千克/立方米，根據(jù)式Ρ2= η X P XVmax3X π XD2 + 8得渦輪直徑D=47.8m ;取飛輪直徑與渦輪直徑之比Cd=0.2，則飛輪直徑D5=7.6米；取飛輪材質(zhì)為鑄鐵，密度7800千克/立方米，取飛輪轉(zhuǎn)速N5=1000轉(zhuǎn)/分，取飛輪寬度與厚度之比為2.0,飛輪腹板厚度與飛輪厚度之比為0.2，根據(jù)飛輪儲能公式E2=P fX Ji3XD53XBfXTfXN52 / 7200，可得飛輪寬度1.34米，飛輪厚度0.67米，飛輪腹板厚度0.27米。
[0011]第一次啟動時需對飛輪進(jìn)行充能:當(dāng)潮流速度達(dá)到啟動流速Vmin，即最高潮流速度Vmax的Ct倍，Ct取值0.5,可得Vmin=0.5米/秒，此時斷開離合器、發(fā)電機(jī)負(fù)載與制動器，渦輪在潮流作用下開始轉(zhuǎn)動；取渦輪設(shè)計(jì)梢速比λ =6.0，則當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Nlmin=60XVminX λ / ( ji XD)=1.2轉(zhuǎn)/分，閉合離合器，電磁稱合器調(diào)整合適的傳遞轉(zhuǎn)矩帶動飛輪與發(fā)電機(jī)逐漸開始加速；當(dāng)飛輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N5達(dá)到1000轉(zhuǎn)/分，接通發(fā)電機(jī)負(fù)載，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，此時渦輪軸功率通過電磁耦合器傳給飛輪，飛輪帶動發(fā)電機(jī)工作；隨著潮流速度的變化，渦輪輸出功率不斷發(fā)生變化，在渦輪輸出功率變化過程中，當(dāng)渦輪軸功率大于發(fā)電機(jī)功率，飛輪繼續(xù)儲存動能，飛輪轉(zhuǎn)速提高，當(dāng)渦輪軸功率小于發(fā)電機(jī)功率，飛輪釋放動能，飛輪轉(zhuǎn)速降低；當(dāng)潮流速度小于Vmin，電磁耦合器退出工作，不傳遞轉(zhuǎn)矩，渦輪在制動器作用下停轉(zhuǎn)，此時飛輪利用儲存的動能帶動發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，飛輪轉(zhuǎn)速持續(xù)降低；換向器12旋轉(zhuǎn)180度，準(zhǔn)備下一個潮流周期的到來；當(dāng)下一個潮流周期來臨，潮流速度反向，換向器已完成轉(zhuǎn)向，當(dāng)潮流速度大于Vmin，斷開制動器，電磁耦合器進(jìn)入工作，當(dāng)飛輪將渦輪帶動開始轉(zhuǎn)動，渦輪逐漸加速并開始輸出轉(zhuǎn)矩。
[0012]變速箱能夠根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速NI與飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N5自動調(diào)整變速比a，以滿足發(fā)電需求，例如最高潮流速度下Nl=60 X Vmax X λ/ (n XD) =2.4轉(zhuǎn)/分，渦輪轉(zhuǎn)速與飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間滿足關(guān)系NI X a=N5 X Ca，例如取變速比=480，可得Ca=L 15，電磁耦合器根據(jù)變速比自動調(diào)整傳動扭矩以滿足裝置要求。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明為一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置，其特征為:渦輪依次接制動器、變速箱、離合器、電磁耦合器外轉(zhuǎn)子、電磁耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子、飛輪與發(fā)電機(jī)；潤輪用于將潮流能轉(zhuǎn)換為軸動力，制動器用于渦輪停轉(zhuǎn)時的制動作用，變速箱將渦輪軸的低轉(zhuǎn)速輸出為高轉(zhuǎn)速，離合器用于渦輪啟動、制動過程中渦輪軸動力與電磁耦合器的接通與斷開，電磁耦合器的外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子通過電磁力傳遞扭矩；電磁耦合器的內(nèi)轉(zhuǎn)子、飛輪與發(fā)電機(jī)放置于密封倉內(nèi)，密封艙內(nèi)抽真空。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其設(shè)計(jì)要求為:輸出功率P1，單位為千瓦；其設(shè)計(jì)條件為:潮流速度V，單位為米/秒，潮流周期T，單位為小時，潮流速度隨時間的變化規(guī)律為V (t)=VmaxX sin (2X X t + T),式中Vmax為一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度,單位為米/秒；根據(jù)以上條件可知，一個潮流周期內(nèi)發(fā)電機(jī)發(fā)電量為El=TXPl,單位為千瓦時；為了保證飛輪不會停轉(zhuǎn)，飛輪設(shè)計(jì)儲能E2大于發(fā)電量El，二者滿足關(guān)系E2 X n 2=Ce X El，E2單位為千瓦時，n2為發(fā)電機(jī)的效率，Ce為儲能系數(shù)，取值范圍2.(T5.0，可保證飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍dN5=±299Tll% ;設(shè)一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度下渦輪的輸出功率為P2，單位為千瓦，則需滿足P2X niX n2XCh=Ei，式中nI為電磁耦合器的傳動效率，Ch為等效時間，單位為小時，即渦輪在一個潮流周期內(nèi)所獲取的總能量相當(dāng)于渦輪在峰值功率P2下工作Ch小時所獲取的能量，Ch為常量，視不同地區(qū)潮流品質(zhì)可取值為2.(T2.5，則根據(jù)上述關(guān)系式可得一個潮流周期內(nèi)最高潮流速度下渦輪所需的輸出功率P2 ;渦輪輸出功率P2與潤輪直徑D (單位米)滿足下式關(guān)系P2= n X p X Vmax3X n XD2 + 8,式中n為潤輪的能量轉(zhuǎn)換效率，為常量，根據(jù)設(shè)計(jì)水平不同可取309T40%，p為海水密度，單位為千克/立方米，當(dāng)Vmax已知，根據(jù)上式可以確定渦輪直徑D ;飛輪直徑D5與渦輪直徑D之間滿足關(guān)系式D5=CdXD，Cd取值范圍0.r0.25 ;飛輪采用圓環(huán)帶腹板型，飛輪寬度Bf (單位米)與飛輪厚度Tf (單位米)之比取值范圍為1.(T3.0，飛輪腹板厚度tf (單位米)與飛輪厚度Tf之比取值范圍為0.1~0.3，則飛輪儲能可采用下式計(jì)算，E2=P fX Ji3XD53XBfXTfXN52 / 7200，P f為飛輪密度，單位為千克/立方米，N5為飛輪轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分，當(dāng)已知飛輪儲能E2與飛輪材質(zhì)密度，根據(jù)上式可選定合適的飛輪寬度、厚度與腹板厚度。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其工作過程為:第一次啟動時需對飛輪進(jìn)行充能，當(dāng)潮流速度達(dá)到啟動流速Vmin，斷開離合器、發(fā)電機(jī)負(fù)載與制動器，渦輪在潮流作用下開始轉(zhuǎn)動，Vmin與最高潮流速度Vmax之間滿足關(guān)系Vmin=CtXVmax, Ct取值范圍為0.5^0.7 ;當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Nlmin，閉合離合器，電磁耦合器調(diào)整合適的傳遞轉(zhuǎn)矩帶動飛輪與發(fā)電機(jī)逐漸開始加速，Vmin與Nlmin之間滿足關(guān)系式Nlmin=60XVminX A /( n XD),單位為轉(zhuǎn)/分,式中入為渦輪設(shè)計(jì)梢速比，取值范圍為2.5~7.0 ;當(dāng)飛輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N5達(dá)到額定轉(zhuǎn)速N5d，接通發(fā)電機(jī)負(fù)載，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，此時渦輪軸功率通過電磁耦合器傳給飛輪，飛輪帶動發(fā)電機(jī)工作；隨著潮流速度的變化，渦輪輸出功率不斷發(fā)生變化，在渦輪輸出功率變化過程中，當(dāng)渦輪軸功率大于發(fā)電機(jī)功率，飛輪繼續(xù)儲存動能，飛輪轉(zhuǎn)速提高，當(dāng)渦輪軸功率小于發(fā)電機(jī)功率，飛輪釋放動能，飛輪轉(zhuǎn)速降低；當(dāng)潮流速度小于Vmin，電磁耦合器退出工作，不傳遞轉(zhuǎn)矩，渦輪在制動器作用下停轉(zhuǎn)，此時飛輪利用儲存的動能帶動發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，飛輪轉(zhuǎn)速持續(xù)降低；換向器旋轉(zhuǎn)180度，準(zhǔn)備下一個潮流周期的到來；當(dāng)下一個潮流周期來臨，潮流速度反向，換向器已完成轉(zhuǎn)向，當(dāng)潮流速度大于Vmin，斷開制動器，電磁耦合器進(jìn)入工作，首先飛輪帶動渦輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)渦輪逐漸加速至工作狀態(tài)，渦輪開始輸出轉(zhuǎn)矩。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其變速箱能夠根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速NI與飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N5自動調(diào)整變速比a，以滿足發(fā)電需求，渦輪轉(zhuǎn)速與飛輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間滿足關(guān)系NlXa=N5XCa, Ca取 值范圍為1.05~1.2，根據(jù)上式能夠選擇合適的變速比；電磁耦合器能夠根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速與變速箱變速比自動調(diào)整傳動扭矩以滿足裝置要求。
【文檔編號】F03B13/26GK103541854SQ201210243561
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月16日
【發(fā)明者】周軍偉, 王大政 申請人:周軍偉, 王大政