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CN111425354B - 一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置及方法 - Google Patents

一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置及方法，包括中心单元、磁悬浮转子单元和支撑单元，其中，所述中心单元包括水平轴风力机单桩塔筒与定子绕阻，所述单桩塔筒固定在海床上，所述定子绕组套装在单桩塔筒外壁；所述磁悬浮转子单元在支撑单元的作用下悬浮在环形定子绕阻的周围；所述支撑单元为T字型截面的闭环轨道，对应布置在所述磁悬浮转子单元的下方，并环绕着单桩塔筒固定在海床上。当海水涨、落潮时，海流推动叶片转动，使得转子单元中的永磁体磁极旋转。此时安装在风力机单桩塔筒外壁的定子绕阻通过切割旋转的磁感线，将潮流动能转化为电能，本发明在现有的海上风能发电系统的基础上，增加海下潮流能发电方法，有效提高了近海能源的综合利用率。

Description

一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能 发电装置及方法
技术领域
本发明属于海上潮流发电技术领域，涉及一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置及方法。
背景技术
潮流主要是指伴随潮汐现象而产生的有规律的海水流，其主流动每天两次改变大小和方向。潮流能发电是在浅海、海峡、海湾或河口一带，直接利用涨、退潮引起的高速水流冲击并推动带有叶轮的潮流发电机(Tidal Stream Generator，TSG)，将潮流的动能转化为电能。和传统的堰坝式潮汐发电相比，潮流能发电避免了拦海建坝的高成本施工，开发规模灵活，并且对海域自然生态影响较小，是当前海洋可再生能源开发过程中相对于波浪、温差、盐差能技术较为成熟、且最具商业开发价值的可利用能量转换方式之一。
常用的潮流发电机根据机组安装方式分为两大类：海面漂浮式与海底固定式。海面漂浮式是将发电单元漂浮在海面上，下部连接叶轮转子。例如申请号为201720888535.6申请日期为 2017.07.21公布日为2018.05.01的发明专利公开了一种漂浮式潮汐能发电装置，该发电装置通过带有浮筒的漂浮装置将潮汐能发电装置带动漂浮起来，通过一个直驱永磁发电机配合插入海水内的升力型潮汐涡轮叶片进行发电，方便在海面的空间布置和移动，提高了发电装置的机动性。但由于海面表层流域收到波浪的影响，湍流强度很大，发电装置缺乏稳定性，加之涡轮转子安装深度浅，无法利用到较深处流动趋于稳定的洋流，发电效率有待于进一步提高。另外，升力型叶片在旋转过程中受到离心力的作用，其中部容易向外侧变形，使得叶片易损坏，对能量转换效率产生一定的影响。
另一类是海底固定式，即将叶轮转子与发电单元安装在固定在海底的桩柱上，这样用于捕获潮汐能的涡轮转子在安装深度上便具备了一定的自由度。例如申请号为201510283603.1申请日期为2015.05.29公布日为2018.10.28的发明专利公开了一种水下垂直轴稳定型发电机，通过设置埋没在海床内的地基，将固定在地基平台上的立柱作为水下涡轮转子的旋转中心，提高了整个发电机系统的稳定性。安装在上、下轴承之间的Darrieus叶片可以捕获从海平面到海床之间整个海底深度的海流动能，提高了潮汐流的能量利用率，从而提高单机发电量。然而由于现阶段潮汐流涡轮发电机的单机发电容量普遍偏低，为提高整体发电量，需要在有限的水域内对海底桩基的数量进行加密，增加了海底工程的复杂程度和造价成本。
我国近海风能、潮流能资源丰富，可利用的潜力巨大。现阶段海上能源的利用方式通常趋于单一、专业化，即在特定海域里，往往只有风能或潮流能单一形式的能量转换和利用。若能同时利用海面上、下两部分的能量进行发电，并将产生的电能收集并加以利用，将在很大程度上增大海上可再生能源利用率。
近年来，我国海上风电正经历快速发展期，海上风电装机容量正在快速攀升，海面以上的风能资源逐步得以充分利用。由于近海风电场通常位于较浅级中等深度(10m～25m)的水域，通常采用单桩钢管塔筒基础，因此，如果能够充分利用近海风电场现有的装备，将潮流发电机安装于水平轴风力机的单桩塔筒上，则可以大幅度降低传统潮汐能发电装置的工程基建成本，提高能量利用率，增加特定海域内整体发电量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置及方法，解决了如何充分利用现有的近海风电场装备，安装潮流发电机，进而提高整场综合能量利用率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，包括中心单元、磁悬浮转子单元和支撑单元，其中，所述磁悬浮转子单元在支撑单元的作用下悬浮在中心单元的周围；
所述中心单元包括单桩塔筒，所述单桩塔筒固定在海床上；所述单桩塔筒上套装有定子绕组；
所述磁悬浮转子单元环绕套装在定子绕组上，且悬浮于的支撑单元上方；
所述支撑单元环绕套装在单桩塔筒上，且其一端置于磁悬浮转子单元的底部，另一端固定在海床上。
优选地，所述磁悬浮转子单元包括环形永磁体、阻力型Savonius叶片和转子转向架，所述环形永磁体安装在转子转向架上端的内侧壁上；所述阻力型Savonius叶片布置在转子转向架上端的外侧壁上；所述转子转向架环绕套装在定子绕组上；所述转子转向架的底部开设有T 型凹槽，所述T型凹槽沿圆周方向布置；所述支撑单元布置在所述T型凹槽内。
优选地，所述T型凹槽的大端两侧壁上均安装有一个环形导向磁铁；所述环形导向磁铁在支撑单元上的环形导向线圈通电的情况下，受到环形导向线圈极性相同，相互排斥，形成水平导向机构。
优选地，所述T型凹槽的小端两侧壁上均安装有一个环形悬浮磁体；所述环形悬浮磁体在支撑单元上的环形悬浮线圈通电的情况下，与环形悬浮线圈极性相异，使得整个转子单元收到竖直向上的吸引力，克服自身重力形成磁悬浮机构。
优选地，所述支撑单元还包括闭环轨道，所述闭环轨道的纵截面为T字型结构；所述闭环轨道环绕套装在单桩塔筒上；所述T字型闭环轨道的大端对应布置在磁悬浮转子单元底部的T型凹槽内，其小端固定在海床上；所述T字型闭环轨道大端的底部设置有两个环形悬浮线圈；所述环形悬浮线圈在通电情况下，与磁悬浮转子单元上的环形悬浮磁体极性相异，组成磁悬浮机构。
优选地，所述T字型闭环轨道大端的两侧壁分别设置有一个环形导向线圈，所述环形导向线圈在通电情况下，与磁悬浮转子单元上的环形导向磁铁极性相同，互相相斥，进而组成水平导向机构。
一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电方法，基于所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，包括以下步骤：
海水涨潮或落潮时，磁悬浮转子单元在海潮的推动下转动，使得磁悬浮转子单元围绕中心单元的单桩塔筒旋转，固定于单桩塔筒外壁的定子绕阻通过切割旋转的磁感线，产生电流，从而将潮流动能转换为电能。
优选地，安装在转子转向架外壁上的阻力型Savonius叶片在海潮的推动下转动，使得转子转向架内壁上安装的环形永磁体围绕中心单元的单桩塔筒旋转，固定于单桩塔筒外壁的定子绕阻通过切割旋转的磁感线，产生电流，从而将潮流动能转换为电能。
优选地，将直流电通入环形悬浮线圈，该环形悬浮线圈产生的磁极与环形悬浮磁体极性相反，磁悬浮转子单元受到竖直向上的吸引力，该竖直向上的吸引力使磁悬浮转子单元克服自身重力呈悬浮状态；
与此同时，将直流电通入环形导向线圈，该环形导向线圈产生的磁极与环形导向磁体磁极相同，产生相互排斥作用，进而通过调整电流大小控制磁悬浮转子单元的水平导向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置及方法，在现有的海上风能发电系统的基础上，利用支撑单元将转子单元进行磁悬浮方式的固定，利用磁悬浮转子单元与套装在水平轴风力机塔筒一周的定子绕阻进行发电，实现海下潮流与海上风能共同发电，有效提高了近海能源的综合利用率。
进一步的，磁悬浮转子单元、支撑单元、中心单元之间的支撑结构无接触、无磨损、无润滑：磁悬浮转子旋转时，处于悬浮状态，相对运动表面之间无接触，不产生机械摩擦和接触疲劳，极大程度上减小了机械运动阻力，解决了部件损耗和更换问题；同时省掉了润滑系统等一系列装置。
进一步的，环形悬浮线圈与环形悬浮磁体的相互配合，使得磁悬浮转子单元克服自身重力悬浮于支撑单元之上。
进一步的，环形导向磁体与环形导向线圈的相互配合，进而对磁悬浮转子单元产生水平导向作用。
进一步的，使用阻力型Savonius叶片，即垂直轴叶片可以捕获来自任意方向的潮汐来流，无需复杂的偏航对水装置，简化了整体的结构设计。
进一步的，采用非悬臂式叶片支撑结构，减少了叶片上由于重力和水动力而产生的较大弯矩，对叶片结构强度影响较小，可以有效降低叶片断裂事故率。
附图说明
图1为本发明的整体结构中心纵向剖面示意图；
图2为本发明的中心单元与磁悬浮转子单元示意图；
图3为本发明的支撑单元示意图；
图4为本发明的流程图
其中，1、近海水平轴风力发电机机舱2、水平轴风力机叶轮3、单桩塔筒4、定子绕阻5、环形永磁体6、阻力型Savonius叶片7、转子转向架8、环形导向磁体9、环形悬浮磁体10、闭环轨道11、环形悬浮线圈12、环形导向线圈。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，包括中心单元、磁悬浮转子单元和支撑单元，其中，所述磁悬浮转子单元无机械接触地套装在中心单元上，且在支撑单元的作用下呈悬浮结构布置；所述支撑单元顶端位于磁悬浮转子单元的底部，其底端固定在海床上。
本发明在现有的海上风能发电系统的基础上，利用支撑单元将转子单元进行磁悬浮方式的固定，利用磁悬浮转子单元与套装在水平轴风力机塔筒一周的定子绕阻进行发电，实现海下潮流与海上风能共同发电，有效提高了近海能源的综合利用率。
所述中心单元包括水平轴风力机的单桩塔筒3，所述单桩塔筒3上套装有定子绕组4。
所述单桩塔筒3固定在海床上。
如图2所示，所述磁悬浮转子单元以转子转向架7为载体，包括环形永磁体5、阻力型 Savonius叶片6、导向磁体8、悬浮磁体9，其中，环形永磁体5设置在转子转向架7的上端内壁上；所述阻力型Savonius叶片6设置有多个，呈螺旋结构沿轴向布置在转子转向架7的外侧壁上。
所述转子转向架7环绕套装在定子绕组4一周，且呈悬浮式结构布置。
所述转子转向架7的底部开设有T型凹槽，所述T型凹槽沿圆周方向布置。
所述T型凹槽的大端两侧壁上均安装有一个环形导向磁铁8；所述T型凹槽的小端两侧壁上均安装有一个环形悬浮磁铁9。
如图3所示，所述支撑单元包括闭环轨道10、导轨支撑线圈11和导轨导向线圈12，其中，所述闭环轨道10的纵截面为T字型结构；所述闭环轨道10环绕套装在单桩塔筒上；所述T 字型闭环轨道10的大端对应布置在转子转向架7底部开设的T型凹槽的大端内，其底部固定在海床上。
所述T字型闭环轨道10大端的两侧壁分别设置有一个环形导向线圈12，所述环形导向线圈12与环形导向磁铁8相互对应。
所述T字型闭环轨道10大端的底部设置有两个环形悬浮线圈11；所述环形悬浮线圈11 与环形悬浮磁铁9相互对应。
工作流程：
将直流电通过海缆通入T字型截面的闭环轨道10上套装的环形悬浮线圈11，形成悬浮电磁线圈，其线圈的磁极与转子转向架7底部的环形悬浮磁体9极性相异，使得转子单元整体受到竖直向上的吸引力，在海水的浮力共同作用下克服自身重力悬浮于闭环轨道10之上。
将直流电通过海缆通入闭环轨道10上套装的环形导向线圈12，形成导向电磁线圈，其线圈的磁极与转子转向架7内侧的环形导向磁体8极性相同，形成排斥力。通过调整电流大小控制转子单元在水平方向的自由度，防止转子单元与支撑单元、固定单元碰撞。
如图4所示，海水涨、落潮时，海潮流推动转子转向架7外壁上的阻力型Savonius叶片6，从而带动整个磁悬浮转子单元围绕着单桩塔筒3转动，安装在转子转向架7内壁上的环形永磁体5围绕着附着于单桩塔筒外壁的定子绕阻4旋转，定子绕阻4通过切割旋转的磁感线产生电流，从而将潮流动能转换为电能；此时，水平轴风力机与潮流能装置形成海面上、下双极独立发电，通过海缆输出并入电网。
以上所述，仅为本发明较佳的指导性实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所述的技术范围内，可轻易想到的对三个主要单元的零部件替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，其特征在于，包括中心单元、磁悬浮转子单元和支撑单元，其中，所述磁悬浮转子单元在支撑单元的作用下悬浮在中心单元的周围；
所述中心单元包括单桩塔筒(3)，所述单桩塔筒(3)固定在海床上；所述单桩塔筒(3)上套装有定子绕组(4)；
所述磁悬浮转子单元环绕套装在定子绕组(4)上，且悬浮于支撑单元上方；
所述支撑单元环绕套装在单桩塔筒(3)上，且其一端置于磁悬浮转子单元的底部，另一端固定在海床上；
所述磁悬浮转子单元包括环形永磁体(5)、阻力型Savonius叶片(6)和转子转向架(7)，所述环形永磁体(5)安装在转子转向架(7)上端的内侧壁上；所述阻力型Savonius叶片(6)布置在转子转向架(7)上端的外侧壁上；所述转子转向架(7)环绕套装在定子绕组(4)上；所述转子转向架(7)的底部开设有T型凹槽，所述T型凹槽沿圆周方向布置；所述支撑单元布置在所述T型凹槽内。
2.根据权利要求1所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，其特征在于，所述T型凹槽的大端两侧壁上均安装有一个环形导向磁铁(8)；所述环形导向磁铁(8)在支撑单元上的环形导向线圈(12)通电的情况下，与环形导向线圈(12)极性相同，相互排斥，形成水平导向机构。
3.根据权利要求1所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，其特征在于，所述T型凹槽的小端两侧壁上均安装有一个环形悬浮磁体(9)；所述环形悬浮磁体(9)在支撑单元上的环形悬浮线圈(11)通电的情况下，与环形悬浮线圈(11)极性相异，使得整个转子单元收到竖直向上的吸引力，克服自身重力形成磁悬浮机构。
4.根据权利要求1所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，其特征在于，所述支撑单元还包括闭环轨道(10)，所述闭环轨道(10)的纵截面为T字型结构；所述闭环轨道(10)环绕套装在单桩塔筒(3)上；所述T字型闭环轨道(10)的大端对应布置在磁悬浮转子单元底部的T型凹槽内，其小端固定在海床上；所述T字型闭环轨道(10)大端的底部设置有两个环形悬浮线圈(11)；所述环形悬浮线圈(11)在通电情况下，与磁悬浮转子单元上的环形悬浮磁体(9)极性相异，组成磁悬浮机构。
5.根据权利要求4所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，其特征在于，所述T字型闭环轨道(10)大端的两侧壁分别设置有一个环形导向线圈(12)，所述环形导向线圈(12)在通电情况下，与磁悬浮转子单元上的环形导向磁铁(8)极性相同，互相相斥，进而组成水平导向机构。
6.一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电装置，包括以下步骤：
海水涨潮或落潮时，磁悬浮转子单元在海潮的推动下转动，使得磁悬浮转子单元围绕中心单元的单桩塔筒(3)旋转，固定于单桩塔筒(3)外壁的定子绕阻(4)通过切割旋转的磁感线，产生电流，从而将潮流动能转换为电能。
7.根据权利要求6所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电方法，其特征在于，安装在转子转向架(7)外壁上的阻力型Savonius叶片(6)在海潮的推动下转动，使得转子转向架(7)内壁上安装的环形永磁体(5)围绕中心单元的单桩塔筒(3)旋转，固定于单桩塔筒(3)外壁的定子绕阻(4)通过切割旋转的磁感线，产生电流，从而将潮流动能转换为电能。
8.根据权利要求6所述的一种与近海水平轴风力机塔筒相结合的垂直轴磁悬浮潮流能发电方法，其特征在于，将直流电通入环形悬浮线圈(11)，该环形悬浮线圈(11)产生的磁极与环形悬浮磁体(9)极性相反，磁悬浮转子单元受到竖直向上的吸引力，该竖直向上的吸引力使磁悬浮转子单元克服自身重力呈悬浮状态；
与此同时，将直流电通入环形导向线圈(12)，该环形导向线圈(12)产生的磁极与环形导向磁体(8)磁极相同，产生相互排斥作用，进而通过调整电流大小控制磁悬浮转子单元的水平导向。
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