CN101061313A - 使用洋流产生能量的流体动力学传动线路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个通过洋流产生电能的能量生成系统。该系统包含一个带有入口转轴和出口转轴的传动线路，其入口转轴由至少一个水力涡轮机驱动，其出口转轴至少驱动一个与电网相连的发电机，该电网的频率保持恒定。传动线路包含一个功率分流装置，该装置包括一个一级功率分支和至少一个二级功率分支。一级功率分支和二级功率分支通过分流装置以及一个流体动力学组件相互连接。

Description

使用洋流产生能量的流体动力学传动线路

本发明涉及一种由洋流产生电能的装置及其方案，所产生的电能将被导入一个拥有恒定频率的电网之中。

洋流可以提供巨大的电位差，利用这电位差可以产生电能，且在能量产生过程中不存在放射的问题。这样的洋流不仅要求具有持久性，如墨西哥湾暖流，而且要求通过潮汐而产生。为要达到后者的要求，选择合适的地点是非常重要的，这一地点要求具有足够的潮汐强度以及特别的地理环境，比如狭窄的流体通道或者特殊的海湾区域，以便产生清晰的洋流。有了这些特殊的条件，通过潜入水下的流体发电机的波浪才能被充分的利用。这些条件可以采用人工措施(如建造流入口蓄水池)得以实现，而通过这些措施，可以充分地利用波浪中的动能。

通过洋流驱动的水力涡轮机，其特别之处在于，其功率会随时间变化而发生改变。这样的时间波动同样发生在潮汐区域内。这样的状况是非常惊人的，通过对于常用下潜深度在10米的流体发电机(比如在墨西哥湾暖流中)的测试显示，这样的能量产生装置在使用时必须将这随时间变化而发生改变的功率考虑进去。天气的影响，以及由此产生的波浪的运动都会使得功率发生改变。另一项对洋流中湍流的测试结果表明，湍流不仅仅存在于潮汐中，同样也存在于持续的海洋流体样本中，特别在50米水深的区域中也可形成，而我们可以特别选取这样的湍流来产生能量。

除了时间的起伏变化之外，想要从洋流中产生可供利用的动能，还必须考虑流体介质在水力涡轮机中从动能转换成机械能的动力学极其相关特征。因此，在入口转轴上还安装有一套用于检测功率改变内在特性的系统，该系统对于洋流特定的流速采用与最优化的转数/转矩比相对应的快速游动变量，该变量与几何学以及功率接收机的形态有关。

功率转换特性同样存在于其他的流体机械中，如风力发电机。流体发电机从洋流中产生能量的方式有别于风力发电装置，因为流体媒质的高密度将会影响功率接收机的转矩，以及接下去的能量生成装置如传动线路以及电动发电机或机械支持结构的微型化建造。在此，为了整个装置在流体技术方面更完善，传动线路和能量生成装置电动机要求尽可能的微型化构建。当力求减少建造大小的时候，在能量生成装置中使用的电动机就会产生一个障碍，由洋流驱动的功率接收机只能拥有较小的转数(典型情况下，小于20转/分)。若在水力涡轮机与电动机之间没有插入中间变速器，电机降低的循环速度将导致增大构造大小。

由洋流驱动的能量生成装置将电能输入一个恒定频率的电网中。能量生成装置(如水力涡轮机)产生功率接收机的可变转数，这就要求必须采用转数可变的电动机，在输入电网前还需要采用电子变频器。因此，可以采用带有额定频率的电动机或采用频率补偿的方式产生所需电网频率。这些附加物目前还有一些困难，因为流体发电机功率转换特性，仅靠变频器还不足以满足要求。通常需要采用相对较高的花费，务求达到适当的网络输入质量，特别是产生谐波载荷和无功功率。

另一种可供选择的方式中，通过对水力涡轮机涡轮叶片角度的设置，使得功率接收机的转数恒定，这样就可以使得由功率接收机驱动的电动机转数保持恒定。这种转数恒定的能量生成装置可以采用基于有限制转差率不同步电机，用简单的构造及方式接入一个连接电网。这样构造的缺点在于，通过涡轮叶片设置来固定接收机转数，将会减少能量的收益，也就是说，接收机不能从洋流中产生最大的能量。

本发明为了解决这样的问题，描述了一个从洋流中产生电能的装置，以及相应可减少之前所描述之缺点的操作过程。这样的一个能量生成设备可以在部分载荷区域也就是当功率接收机采取可变转数，同时电动机采用恒定转数的情况下，进行工作。更进一步，能量生成装置要能适应在其他的工作环境中运行。将功率接收机转数调整到一个上限，以减少气蚀作用的产生，并保护鱼群不受到有害循环转数的伤害。在转数恒定的功率区，应减少碰撞，并进行短时间能量存储缓冲，以期负载脉冲以及功率峰值得以利用。更进一步，能量生成装置可以满负荷区域或在特殊工作区域，如中断以及负载降低反应时，实现力矩的调整。

为了解决这一任务，发明者认为需要做到如下几点。首先，为了建造比水力涡轮机小的电动机，由洋流驱动的水力涡轮机必须通过一个驱动装置与快速运转的电动机相连接。另外，根据设计要求，水力涡轮机与电动机之间的连接借助于一个包含流体动力学装置的传动线路实现。流体动力学装置一方面用于进行转数转换，另一方面用于实现当电动机转数恒定的同时水力涡轮机的转数不定性。这些都可以通过流体动力学装置中流体动力学组件的控制装置和规则产生影响，特别偏爱将流体动力学装置作为一个功率分流装置进行构建。

在一个有优势的设计中，符合设计要求的驱动链包括一个重叠装置，如一个行星齿轮传动装置，该装置将功率分成一个一级分支和至少一个二级分支。在一级分支中，采用一个快速循环的轴驱动电动机。二级分支与一级分支通过一个流体动力学组件，如流体动力学转换器，流体动力学离合器或液力变距器，进行有间接效应的连接。通过流经流体动力学组件的功率流的控制装置和二级分支，可以确保当功率接收机转数不定的同时电动机保持恒定转数，并从洋流中提取最大的能量。

当水力涡轮机启动的时候，电动机首先加速到标准转数，并与电网同步。在通常情况下，电网频率将会对电动机产生影响，一级功率分支极数与标准转数相关。一个典型的电动机转速为1500转/分钟，所以要使用一种微型化的电动机。除此之外，当一级功率分支转轴高速运转的时候，与一级分支相连的用于分配二级分支的流体动力学组件可以有效的工作。在一级与二级功率分支之间的功率流，通过流体动力学组件的调整或调解，使得水力涡轮机在功率分流时产生最优化的转数。

一个流体动力学位置转换器将作为流体动力学组件，用于成功的连接一级与二级分支。功率接收机的特性与转换器特性相关的转数-功率比以及转数-力矩比相对应。带有位置转换器的传动线路应该如此布置，以便当电动机循环转数恒定的同时，位置转换器导向轮的固定位置确定的水力涡轮机能产生使得功率最优化的转数。

因此，在符合设计要求的能量生成装置的功率分流传动线路中使用位置转换器的时候，准确的讲在设置水力涡轮机转数的转数以达到最优化功率时，没有调节是必须的。

为了减少气孔产生的空化空隙现象，水力涡轮机不能超过其最大的转数。另外，水力涡轮机的转数越来越大的时候，也会对海洋生物造成危害。从一个特定的转数界限起，该界限与水力涡轮机的形态和大小有关，也与流体的方向以及流速有关。因此要选择相应的能量生成装置形态以及相应的工作方式，以便水力涡轮机在一个有限制的循环速度下工作。根据布局的种类，这两种因素根据能量生成装置的水力涡轮机转数上限来确定。

对于符合设计要求的能量生成装置，水力涡轮机借助于流体动力学装置中的组件达到限定转数，如使用一个位置转换器以及符合设计要求的能量生成装置的动力传动线路拥有一个功率分流的措施等等。通过改变位置转换器导向轮的布置可以影响功率从一级分支向二级分支的传递。总之，导向轮的位置将决定水力涡轮机功率是否达到最优化。

涡轮机在最佳消耗功率的时候达到限制转数，也就是说，消耗功率的抛物线会有一个顶点限制。入口功率变化的时候，也就是超过限制功率时，水力涡轮机转数不保持恒定是必要的，这样就可以调节流体动力学装置中的组件。需要采用必要的传感器来探测涡轮机转数或由有经验的专业人员来控制流体动力学组件。

符合设计要求的能量生成装置的一个特别优点在于，它带有一个流体动力学装置，该流体动力学装置用来对水力涡轮机转数波动进行控制并能抑制随时间变化而快速变化的载荷波动，所产生的能量可在短时间内将涡轮机加速并作为短时间能量存储器使用。这样的特性可以通过在特定工作点上流体动力学组件位置的调整来得到。在这个工作点周围，水力涡轮机转数在特定的转数间歇中波动。波动范围一般维持在±10％，优先选择维持在±5％，最好维持在±3％。

因为湍流的影响，在水力涡轮机上会产生一个载荷脉冲，使得转数在可知的范围内增多，因此整个系统将因为一个短期的附加功率而受到影响，一来这是为了利用这附加功率，二来也为了减少载荷脉冲且不被机械结构吸收。这样做对于减少传动杆中的力矩脉冲非常有利。

部分载荷区域与满载荷区域相连，在部分载荷区域中，符合设计要求的能量生成装置沿着抛物线达到最佳功率，并由一个特定的转数限制对转数进行限制。这样就可以使得功率接收机达到最大的力矩。在这一力矩限制下，水力涡轮机开始进行力矩调整。与此同时，对于符合设计要求的能量生成装置来说，在流体动力学组件位置的旁边还要使用附加的元件，这些元件用来限制涡轮机接受的功率。在有优势的设计实例中，通过水力涡轮机齿轮角度变化来实现对于功率的限制，但这样的方式会导致反应时间过慢，需要通过流体动力学组件的设置来弥补，当采用流体动力学组件时，电动机的短期功率限制通过设置调整轮来实现。这样就可以使得系统可以在短时间内可快速设置的位置转换器来调整水力涡轮机齿轮角度。

用流体动力学离合器代替流体动力学组件使用，可以实现水力涡轮机功率最优化的非自动调节。流体动力学离合器的设置必须是有效的，使得在部分载荷区域涡轮机转数根据抛物线达到最优化。用流体动力学离合器代替位置转换器的优点在于，动力传动线路的功率效益特别在满负荷条件下可以得到提升。作为流体动力学组件也可以选择采用一个液力变距器，它可以在一个特定功率区域提供相应的效益，与流体动力学位置转换器相比也有其相应的优势。

本发明由下列图片详细说明：

图1符合设计要求的能量生成装置的简图；

图2带有一级和二级功率分流的，能量生成装置的传动线路的布置；

图3符合设计要求的能量生成装置的3个工作区域，采用转数/转矩坐标系；

图4在部分载荷区域，当在传动线路中使用一个流体动力学位置转换器后，转数对于实现功率最优化的自动调解影响；

图5在图3中单个工作区域之间的过渡区域中，流体动力学位置转换器的导向轮的设置；

图6短时间的能量存储以及符合设计要求的能量生成装置在转数闭塞区域中因为撞击而使得负荷减少；

图7用简图描述了3种符合设计要求的能量生成装置的控制层面。

图1用简图形式描述了符合设计要求的能量生成装置。电动机11与电网60耦合，并借助于水力涡轮机3驱动，水力涡轮机3可由专业人士控制，涡轮机可以选择双翼或多翼螺旋桨构造。更进一步，可以在水力涡轮机周围预留出用以保护或者引导流体的附加结构。根据设计要求，在水力涡轮机3和电动机11之间使用一个流体动力学传动线路1。传动线路1是包含一个一级分支7和至少一个二级分支18，用于功率分流的装置。在主动面的功率分流，可以采用一个功率分流装置，比如一个行星齿轮传动装置。在功率分流装置5的从动面上借助于分配给二级分支的流体动力学组件，将一级分支7和二级分支18相互连接，使得水力涡轮机3的电动机11可以从恒定的循环速度成为不同的循环速度。

能量生成装置可以进一步采用优化后的组件组成。附加的装置串连在流体动力学传动线路前后。在图1中，作为行星齿轮装置构建的传动级4用来对水力涡轮机转数进行第一次变化。更进一步，在流体动力学传动线路1与电动机11之间存在一个传动元件50，包括一个联轴器和/或一个制动装置。在附件装置4与流体动力学传动线路1之间也可以设置这样的元件。

在图1中并没有描述能量生成装置的支架结构。在一个设计实例中，图1中所描述的组件作为基本结构单位并包裹上一个防水的外壳，使得整个基本单位可以潜入水下。整个基本单位既可以采用支撑结构工作也可以潜入最佳深度以获取能量。

图2显示了符合设计要求的能量生产装置的流体动力学传动线路的结构。入口转轴2与水力涡轮机3相连接。带有恒定变流比的装置4在转子3与入口转轴2之间安置。在所描绘的设计实例中，传动线路1的功率分流装置5采用行星齿轮装置，入口转轴2与行星齿轮支架6相连。功率分流装置5有两个功率分支，第一功率分支7将通过行星齿轮装置中心齿轮9的功率导入传动线路的出口转轴10。出口转轴10驱动电动机11并与流体动力学位置转换器12的泵叶轮13有效连接。在流体动力学位置转换器12中使用一个带有位置叶片的导向轮作为反应组成部件15，这样就使得功率流到达涡轮机叶片14。通过涡轮机叶片14产生一个功率回流，回流通过一个固定的行星齿轮装置16，影响功率分流装置5的外轮17，以及变流比。功率分流装置的二级分支18描述的就是这样的功率回流。

符合设计要求的能量生成装置有三个不同的工作区域，这三个区域已经在图3中画出了。被水力涡轮机吸收的功率依靠水力涡轮机的转数决定。

用I表示的区域表示能量生产装置在部分载荷区域工作，这一区域从一个特定转数开始直到一个特定转数限制D_max结束。在图3中，描绘了一条工作区域I的标准曲线，标出了使得水力涡轮机3功率最优化的转数。特定的功率与水力涡轮机3的最优转数相关。当水力涡轮机3转数小于或大于最优转数时，能量生成装置就无法达到洋流的最优功率。

在符合设计要求的能量生成装置中，使用一个带有恒定且快速转数的电动机11。同步电机的转数由与之相连的电网保证。当电动机线性工作的时候，同样的情况也适用于非同步电机。电动机11的恒定转数通过传动线路1的功率分支7与功率分支18间的有效连接而实现，也就是说功率流通过流体动力学组件调节后使得传动线路入口转数以及水力涡轮机3的转数都能达到并维持最佳功率时的转数。

流体动力学位置转换器12将作为流体动力学组件使用，这样的好处在于，无需控制就可以使得水力涡轮机3达到产生最佳功率的转数，特别是可以在系统内部产生自动调节影响。这已经在图4中予以说明了。图4中，曲线E描述了转子接受的功率，曲线F为中心齿轮9的功率，曲线G是由传动线路传送的功率，曲线H为通过功率分支18从流体动力学转换器12向功率分流装置5回流的功率。另外也描述了流体动力学位置转换器的导向轮15的设置。显然，当功率吸收达到最佳的时候，沿着传动线路1的特性曲线，整个装置在部分载荷区域可以通过流体动力学转换器12的任意设置进行工作。出于最佳功率时的设置将作为流体动力学转换器12的标准设置。这样当水力涡轮机转数可变的同时，为了使得传动线路向电动机提供恒定的转数就不再需要调节导向轮设置。功率吸收的特性抛物线通过与流体动力学转换的尺度相关的功率分流装置的转换尺度进行设置。符合设计要求的传动线路1要求具有可自动调节的特性。

在工作区域I，在部分载荷条件下取得最佳功率时，洋流的动能通过符合设计要求的能量生成装置的功率接收机接受，并沿着功率抛物线到达满恒定转数的载荷区域。通常在这样的一个工作状态时，从某个功率开始，转数会超过转数上限D_max，而为了减少空穴产生以及保护鱼群的原因，必须注意转数上限。从转数上限D_max开始从工作区域I进入工作区域II，在这个区域中水力涡轮机的转数保持恒定。

图5中描述了带有流体动力学位置转换器12的传动线路1在两个工作区域之间过渡阶段的状态。在工作区域I中，导向轮随意设置都可以通过自动控制达到最佳功率的转数，这时一般采用25％调控的距离工作。在从工作区域I与有转数限制的工作区域II之间的过渡区域中，流体动力学位置转换器12的导向轮依据水力涡轮机3的功率进行设定，以便涡轮机转数维持恒定，仅仅改变涡轮机3吸收的力矩以及功率。在工作区域II中，采用一个特定的转数走向曲线来代替转数上限，偏好选择比较陡峭的走向曲线。工作区域II的特性在于，不必考虑功率最优化的转数。

在图5中还描述了一个由限制转数工作区II到限制力矩工作区III的过渡区域。恒定的转数产生风力涡轮机3限定力矩的控制。为了减少水力涡轮机3在工作区域III中不必要功率的增多，要使用附加的措施，比如改变水力涡轮机3的叶片位置或者导向装置的设置，对于通过水力涡轮机3的功率进行限制，以便减少由于转数上升而导致的力矩限制。当工作区域III中功率上升时，应该注意控制水力涡轮机3的叶片位置，首先改变流体动力学位置转换器12的导向轮位置，以便通过传动线路避开短时期的力矩脉冲以及力矩提升。力矩脉冲以及力矩提升都会使得水力涡轮机转数升高，但这些可以通过水力涡轮机3的叶片设置进行限制。这一限制没有在图5中描述出来。

图6描述的是在工作区域II的一个特定转数限制区域上通过流体动力学位置转换器12不成列设置，水力涡轮机3达到的一个标准转数。所描述的曲线表示不同的导向轮位置(H＝25％-100％控制距离)。在先前描述的状态下，流体动力学位置转换器导向轮位置在H＝25％处。从图6可以明显的看出，通过流体动力学位置转换器12不成列设置可以选择不同的工作点，这样就可以调节水力涡轮机3的转数。在最简单的情况下，水力涡轮机3的转数是限制的，而所期望的转数沿着一条曲线设置，这曲线依据通过水力涡轮机3吸收的力矩描绘。因此，传动线路的柔软度必须由符合工作时的界限来确定。

通过流体动力学位置转换器不成列设置而产生在工作区II中的工作点再次描绘出经过流体可变速度的功率吸收特性抛物线。这一状态在图6中予以表述。特定工作点的设置必须是缓慢的，就是说精确到秒或分的区域，并且与流速相关。工组点的波动是短期且连续的，每次都通过传动线路的系统特性，使用流体动力学转换器12自动调节得以平衡。在工作点的波动幅度不能超过所期望转数的±30％，最好在±10％，特别期望维持在±5％。

除了所描述的工作区域I-III外，还可能有其他的工作状态，比如能量生成装置启动以及关机时的状态，电机的同步化，负载卸载，紧急制动或者特殊的工作状态，诸如测试运转等。为了实现不同工作区域和工作状态，符合设计要求的能量生成装置采用三个调控面结构对于整个装置进行调整。这在图7中已经描绘。第一控制面就是能量生成装置本身。在这里，为了自动调节的需要，能量生成装置的传动线路采用流体动力学位置转换器作为流体动力学组件。同时流体动力学组件还可根据效益原因选用流体动力学离合器或液力变距器。不采用位置转换器时，系统内部的自动控制必须用一个主动的转速控制代替。第一控制面与第二控制面相互重叠，第二控制面用于控制叶轮的位置，流体动力学组件，以及电动机功率。在这个层面上，对于每个控制都有一个额定值与实际值之比，其数值将用于相应的位置信号上。

根据设计要求，第二控制面上的控制并非每个都用于所有的工作区域或工作状态。调节器的主动控制或者在两个独立调机器之间分等级的切换将通过第三控制面来影响。调节器不仅仅根据工作状态或工作区域来选择调节大小，而且可以针对相同大小的叶片导向轮设置，使用不同的调节器或不同的调节器设置。这样调节特性以及调节速度对于每个特别的状况都可以适应。更进一步，控制器额定值或选择工作点的设置，通过第三控制面得以优先进行。

Claims (15)

1.一种由洋流产生电能的能量生成装置，特征在于，包括：

1.1一个带有入口转轴(2)和出口转轴(10)的传动线路(1)；

1.2入口转轴(2)借助于一个水力涡轮机(3)驱动；

1.3出口转轴(10)驱动一个与电网(60)相连的电动机(11)，电网(60)的频率恒定；

1.4传动线路(1)包含一个带有一级分支(7)和二级分支(18)的功率分流装置(5)；

1.5一级功率分支(7)和二级功率分支(18)通过功率分流装置(5)和一个流体动力学组件(12)相互连接。

2.根据权利要求1所述的能量生成装置，其特征在于，所述的流体动力学组件(12)是一个流体动力学位置转换器，或是一个流体动力学离合器，或是一个液力变矩器。

3.根据权利要求2或3之一所述的能量生成装置，其特征在于，所述的流体动力学组件(12)设置在功率分流装置(5)的从动面。

4.根据权利要求1到3之一所述的能量生成装置，其特征在于，所述的流体动力学组件(12)与电动机(11)的驱动轴相连。

5.根据权利要求1到4之一所述的能量生成装置，其特征在于，所述的电动机(11)为一个快速运转的电动机。

6.根据权利要求1到5之一所述的能量生成装置，其特征在于，在水力涡轮机(3)与入口转轴(2)之间设置有一个传动装置(4)。

7.根据权利要求1到6之一所述的能量生成装置，其特征在于，在一级功率分支(7)和/或二级功率分支(18)中预留了附加的状态装置(16)。

8.根据权利要求1到7之一所述的能量生成装置，其特征在于，所述的水力涡轮机(3)，传动线路(1)以及电动机(11)作为同一个组件建造，且该组件可以沉于水中。

9.根据权利要求1到8之一所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，能量生成装置的涡轮机(3)在部分载荷区域产生最优化的转数。

10.根据权利要求1到9之一所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，水力涡轮机转速按照标准曲线达到一个转数限制D_max。

11.根据权利要求9所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，转数基本保持恒定。

12.根据权利要求1或10之一所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，能量生成装置在负载脉冲时，转数间歇性可变。

13.根据权利要求1到10之一所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，水力涡轮机(3)的力矩高于最大力矩时，通过流体动力学组件(12)的设置来限制电动机(11)的力矩。

14.根据权利要求13所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，水力涡轮机(3)的最大力矩由水力涡轮机(3)从洋流中吸收的功率进行限定。

15.根据权利要求14所述的能量生成装置的工作方式，其特征在于，功率的限定可以通过对于水力涡轮机(3)叶片的设置和/或与涡轮机(3)相关的导向装置(15)的设置来进行。

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