[發(fā)明專利]一種利用飛輪儲能的水平軸潮流渦輪發(fā)電裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210243561.5
• 申請日: 2012-07-16
• 公開（公告）號: CN103541854A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周軍偉;王大政
• 申請（專利權(quán)）人: 周軍偉;王大政
• 主分類號: F03B13/26
• 分類號: F03B13/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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)；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）=Vmax×sin（2×π×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E1=T×P1，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E1，二者滿足關(guān)系E2×η2=Ce×E1，E2單位為千瓦時，η2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=±29%~11%；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×η1×η2×Ch=E1，式中η1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2.0~2.5，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所需的輸出功率P2；渦輪輸出功率P2與渦輪直徑D（單位米）滿足下式關(guān)系P2=η×ρ×Vmax³×π×D²÷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%，ρ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=Cd×D，Cd取值范圍0.1~0.25；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1.0~3.0，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=ρf×π³×D5³×Bf×Tf×N5²?/?7200，ρf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=Ct×Vmax，Ct取值范圍為0.5~0.7；當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到N1min，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N1min之間滿足關(guān)系式N1min=60×Vmin×λ/（π×D），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N1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N1×a=N5×Ca，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。