一种锚泊运动式潮流发电试验装置.pdf

本发明公开了一种锚泊运动式潮流发电试验装置，该装置能够为高效率的潮流发电提供试验验证。结构如下：浮力舱舱体两侧各安装一片升力翼；发电机舱横置于浮力舱下方，浮力舱底部通过吊梁与发电机舱顶部固连；发电机舱头部安装带导流罩的叶轮、尾部安装流速传感器和深度传感器；发电机舱内：发电机的轴与带导流罩的叶轮的中轴固连；测控电路板获取发电机转速、输出电流值和输出电压值、与流速传感器和深度传感器连接获取流速测量值和深度测量值，然后对所获取的数据进行分析并输出控制信号，控制信号输出端连接舵机。舵组合位于浮力舱和发电机舱之间，舵组合通过方头连接轴与舵机相连，通过推力轴承与浮力舱底部相连。

权利要求书
1.  一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，该装置由浮力舱（1）、升力翼（2）、带导流罩（4）的叶轮（3）、发电机舱（5）、发电机（6）、测试及控制组件（7）、舵机（8）、舵组合（9）、吊梁（10）、流速传感器和深度传感器组成；
所述浮力舱（1）为流体外形的密封壳体；所述升力翼（2）截面为翼型结构；所述吊梁（10）为截面外形的中空柱体结构；所述发电机舱（5）为圆柱体结构；
所述测试及控制组件（7）包括测控电路板以及电池，所述电池为测控电路板供电；
连接关系为：所述浮力舱（1）舱体两侧各安装一片升力翼（2）；所述发电机舱（5）横置于浮力舱（1）下方，浮力舱（1）底部通过吊梁（10）与发电机舱顶部固连；发电机舱（5）头部安装所述带导流罩（4）的叶轮（3）、尾部安装流速传感器和深度传感器；发电机舱内具有发电机（6）、测试及控制组件（7）以及舵机（8）；其中所述发电机（6）的轴与所述带导流罩（4）的叶轮（3）的中轴固连；所述测控电路板与发电机连接获取发电机转速、输出电流值和输出电压值，所述测控电路板同时与流速传感器和深度传感器连接获取流速测量值和深度测量值，测控电路板通过对所获取的数据进行分析并输出控制信号，控制信号输出端连接舵机（8）；舵组合（9）位于浮力舱（1）和发电机舱（5）之间，舵组合（9）通过方头连接轴与舵机（8）相连，通过推力轴承与浮力舱（1）底部相连。

2.  如权利要求1所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，该装置还包括加强条（11），所述加强条（11）为截面外形的铝制金属条，连接在浮力舱（1）与发电机舱（5）之间、升力翼（2）与发电机舱（5）之间。

3.  如权利要求1所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，所述浮力舱（1）与所述升力翼（2）材料均为玻璃钢；吊梁（10）材料为铝。

4.  如权利要求2所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，所述带导流罩（4）的叶轮，其中导流罩（4）为玻璃钢薄壁圆筒形结构，导流罩（4）内壁与叶轮（3）外沿的距离不大于1mm。

5.  如权利要求1所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，发电机（6）与叶轮（3）二者轴以密封方式直接连接。

6.  如权利要求1所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，电路板会根据流速和深度信息来绘制本装置的运动轨迹，并依据运动轨迹找到合适的操舵时机发出控制指令控制舵机（8）进行转向。

7.  如权利要求1所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，舵机（8）由测试及控制组件（7）的电池进行供电。

8.  如权利要求1所述的一种锚泊运动式潮流发电试验装置，其特征在于，所述舵组合（9）的结构包括通过中轴相连的推力轴承、舵板以及连接轴承；其中，中轴位于舵板的一侧，推力轴承和连接轴承分别位于中轴上方、下方；中轴通过所述连接轴承中心延伸出一段方头连接轴。

说明书一种锚泊运动式潮流发电试验装置
技术领域
本发明属于海洋新能源尤其是潮流能利用试验设备领域。
背景技术
随着工业化进程的加快、人口的增长及城市化，能源消费在迅猛增长，传统的不可再生能源已难以维持未来能源需求。新能源尤其是可再生能源的开发已成为一种必然的趋势。世界各国对可再生能源的开发力度空前加大。海洋能尤其是潮流能具有能量密度大、周期性强并且稳定可靠的特点，目前已开发出大量的试验设备进行潮流能的转化。现有的发电装置由其在海水中的安装方式可分为坐底式——安装在海底并由海底电缆将发出的电输送到岸站；基桩式——将直立的基桩打入海底，发电装置固定在基桩上并可升至海面进行维护；锚泊式——发电装置固定在水面漂浮平台上，水面漂浮平台用锚链固定在海底。
受到恶劣海洋环境的限制，目前大多数潮流能发电装置还处在试验阶段，少数商业化试运行项目也远未达到与常规能源具有竞争力的程度。潮流发电目前面临的最大困难是由技术难度带来的制造、安装、发电及维护等成本过高。因此需要开发一种具有低加工及运行成本的新型潮流能发电装置，锚泊运动式潮流发电装置作为一种可能的选择是目前研究的热点。
传统的坐底式、基桩式及锚泊式潮流能发电装置发电状态下平台基本处于固定状态，因此当潮流流速一定时，发电装置所发出的电能直接与叶轮的直径成正比。由于潮流流速一般不超过4m/s，大多数可利用的潮流流速仅2m/s左右，因此常规潮流发电装置的叶轮直径需要设计的较大才能发出可观的电能，这样就导致了整个发电装置的尺寸体积及重量均很大，带来的影响是制造、安装、 运行维护等成本巨大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种锚泊运动式潮流发电试验装置，该装置能够为高效率的潮流发电提供试验验证。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：该装置由浮力舱、升力翼、带导流罩的叶轮、发电机舱、发电机、测试及控制组件、舵机、舵组合、吊梁、流速传感器和深度传感器组成。
浮力舱为流体外形的密封壳体；升力翼为翼型结构；吊梁为低阻截面外形的中空柱体结构；发电机舱为圆柱体结构；
测试及控制组件包括测控电路板以及电池，电池为测控电路板供电。
连接关系为：浮力舱舱体两侧各安装一片升力翼；发电机舱横置于浮力舱下方，浮力舱底部通过吊梁与发电机舱顶部固连；发电机舱头部安装带导流罩的叶轮、尾部安装流速传感器和深度传感器；发电机舱内具有发电机、测试及控制组件以及舵机；其中发电机的轴与带导流罩的叶轮的中轴固连；测控电路板与发电机连接获取发电机转速、输出电流值和输出电压值，测控电路板同时与流速传感器和深度传感器连接获取流速测量值和深度测量值，测控电路板通过对所获取的数据进行分析并输出控制信号，控制信号输出端连接舵机；舵组合位于浮力舱和发电机舱之间，舵组合通过方头连接轴与舵机相连，通过推力轴承与浮力舱底部相连。
进一步地，该装置还包括加强条，加强条为低阻截面外形的铝制金属条，连接在浮力舱与发电机舱之间、升力翼与发电机舱之间。
进一步地，浮力舱与升力翼材料均为玻璃钢；吊梁材料为铝。
进一步地，带导流罩的叶轮，其中导流罩为玻璃钢薄壁圆筒形结构，导流 罩内壁与叶轮外沿的距离不大于1mm。
进一步地，发电机与叶轮二者轴以密封方式直接连接。
进一步地，电路板会根据流速和深度信息来绘制本装置的运动轨迹，并依据运动轨迹找到合适的操舵时机发出控制指令控制舵机进行转向。
进一步地，舵机由测试及控制组件的电池进行供电。
进一步地，舵组合的结构包括通过中轴相连的推力轴承、舵板以及连接轴承；其中，中轴位于舵板的一侧，推力轴承和连接轴承分别位于中轴上方、下方；中轴通过连接轴承中心延伸出一段方头连接轴。
有益效果：
1、本发明所提供的潮流发电试验装置的特点是发电装置由承力电缆锚泊在海底，当潮流足够大时通过操舵改变浮力舱在水中的受力，从而使发电装置平台能够在水中产生沿一定规划路径的运动，类似风筝栓在海底，通过控制随着潮流的运动“飞”起来。平台在水中的运动速度通常能达到潮流流速的6～8倍，最大甚至达到10倍，因此对潮流的流速起到了“放大”的效果，实现了高效的潮流发电。
2、本装置与常规潮流发电方法相比发出相同的电能所需的发电装置尺度大大地减小了，其制造、安装、运行维护的成本也就相应减少，使潮流能发电具有商业化运行的竞争力成为可能。
3、本装置能够获取锚泊运动式潮流发电装置的运动及控制参数，为实现更高效率的潮流发电提供数据基础。
附图说明
图1—一种锚泊运动式潮流发电装置试验模型平台含内部结构；
图2—一种锚泊运动式潮流发电装置试验模型平台结构图；
图3—一种锚泊运动式潮流发电装置试验模型平台剖面示意图；
图4—操舵与运动轨迹关系示意图；
图5—一种锚泊运动式潮流发电装置试验模型安装示意图；
图6—叶轮结构图；
图7—舵组合结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种锚泊运动式潮流发电试验装置，如图1、2、3所示，该装置由浮力舱1、升力翼2、带导流罩4的叶轮3、发电机舱5、发电机6、测试及控制组件7、舵机8、舵组合9、吊梁10、流速传感器和深度传感器组成；
浮力舱1为流体外形的密封壳体；升力翼2为翼型结构；吊梁10为低阻截面外形的中空柱体结构；发电机舱5为圆柱体结构；
测试及控制组件7包括测控电路板以及电池，电池为测控电路板供电；
连接关系为：浮力舱1舱体两侧各安装一片升力翼2；发电机舱5横置于浮力舱1下方，浮力舱1底部通过吊梁10与发电机舱顶部固连；发电机舱5头部安装带导流罩4的叶轮3、尾部安装流速传感器和深度传感器；发电机舱内具有发电机6、测试及控制组件7以及舵机8；其中发电机6的轴与带导流罩4的叶轮3的中轴固连；测控电路板与发电机连接获取发电机转速、输出电流值和输出电压值，测控电路板同时与流速传感器和深度传感器连接获取流速测量值和深度测量值，测控电路板通过对所获取的数据进行分析并输出控制信号，控制信号输出端连接舵机8；舵组合9位于浮力舱1和发电机舱5之间，舵组合9通过方头连接轴与舵机8相连，通过推力轴承与浮力舱1底部相连，发电机舱5底部具有与锚链相连接的接口。
为了能够保证发电机舱与浮力舱和升力翼的固定，该装置还包括加强条11，加强条11为低阻截面外形的铝制金属条，连接在浮力舱1与发电机舱5之间、升力翼2与发电机舱5之间。
本实施例中，浮力舱1与升力翼2材料均为玻璃钢；吊梁10材料为铝。
本实施例中，带导流罩4的叶轮，其中导流罩4为玻璃钢薄壁圆筒形结构，导流罩4与叶轮3同轴，且导流罩4的内壁与与叶轮叶片的外沿距离不大于1mm。如图6，叶轮3采用轴流式水轮机叶轮设计方法设计，叶片数为8片，柱形轮毂，叶轮3由玻璃钢整体加工而成。
本实施例中，发电机6与叶轮3二者轴以密封方式直接连接。
本实施例中，电路板会根据流速和深度信息来绘制本装置的运动轨迹，并依据运动轨迹找到合适的操舵时机发出控制指令控制舵机8进行转向。如图4，当固定舵角为正时，从系泊点侧看发电装置试验模型平台可稳定的保持顺时针圆周运动；当固定舵角为负时，从系泊点侧看发电装置试验模型平台可稳定的保持逆时针圆周运动。由于实际系泊点位于海底，若保持舵角不变，发电装置平台将撞击到海底，无法正常工作，因此需要控制系统选择适当的时机，通过改变舵角来改变发电装置的运动状态，使发电装置进入稳定的“∞”形运动状态。本电装置试验模型实施例采用深度传感器及姿态传感器组合信号确定操舵时机，同时在试验时可以根据拖曳速度大小设置固定的操舵时间间隔。
本实施例中，舵机8由测试及控制组件7的电池进行供电。
本实施例中，舵组合9的结构包括通过中轴相连的推力轴承、舵板以及连接轴承；其中，中轴位于舵板的一侧，推力轴承和连接轴承分别位于中轴上方、下方；中轴通过连接轴承中心延伸出一段方头连接轴。如图7，舵组合9由舵板9-1、杆舵9-2、推力轴承9-3等组成。其中杆舵9-2与舵机8的连接接口为方杆。舵组合9与浮力舱1及发电机舱5均用推力轴承9-3连接。
本发明装置在使用时，如图5，承力电缆12连接在发电机舱5的底部并与发电机舱5内部通过水密接插件连接。承力电缆12的另一端系泊在拖曳水池池底安装拖架上并引出到拖车上，各试验参数由承力电缆12传输到拖车上的电脑终端，同时拖车上的电脑终端也可以在一定的时机对发电装置试验模型进行主动控制。整个发电装置试验模型配置为微正浮力，浮心在与承力电缆12连接点上方，质心在浮心与承力电缆12连接点之间。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。