深海海浪波能发电的突破——较大功率

上一篇 / 下一篇  2011-03-15 14:45:49

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一种组合导叶式的海水发电单元

  

为应对全球气候变化,世界各国共同走上了低碳经济之路。面对能量蕴藏量巨大的海洋“海浪波能”的转化问题——【一种组合导叶式的海水发电单元】可以发出较大功率的海浪波能发电单元应运而生。

该技术通过了众多各自独立的“导叶”覆盖大面积海浪来吸收能量,共同产生同向推力并形成转矩,直接带动发电机发出较大功率电能的设计思想,实现了大面积海浪“波能”的利用。

今奉献给大家,请给予指导!谢谢!

一、 概述:

目前本技术处于设计阶段,只经过模型在空气和水池中模拟海浪进行试验,证明了本技术的关键—— 叶轮机“导叶”在上下水流的作用下可以产生定向的推力,使叶轮机持续向一个方向转动的原理是可行和可靠的,那么也就证明可以带动发电机发电了。

大家已经知道海浪波能发电功率较小的问题难以突破,但本技术已经解决了此问题,实现了在大面积海浪“波能”的利用,单机发出较大功率的电能。

二、 技术简介:以下均以“四个叶轮机”所组成较大发电功率的“组合式发电单元”为例,结合图示加以介绍:(实际叶轮机的选用个数由设计决定)

1 组合式发电单元工作示意图:用两个图来表示。

1.1 右上图是组合式发电单元中一个叶轮机在垂直轴面上的工作示意图,虚线代表海浪,点划线是主轴线,双点划线代表整机中心线。其中:

*  图中1是叶轮机上直径很大的浮体。    

*  图中2是位于发电单元中心的交流或直流发电机及浮体。

*  图中3是叶轮机上的三圈导叶总成。     

*  图中4是叶轮机三圈环状导叶架。

*  图中11是通向发电单元中心发电机的水平传动轴。

1.2 右下图是组合式发电单元四个叶轮机和一个发电机的水平布置图,图中点划线代表三圈环状导叶架及均布的导叶总成。其中:

*  图中1是叶轮机上的直径很大的浮体。    

*  图中2是位于发电单元中心的交流或直流发电机。     

*  图中11是通向发电机第一级已加速的水平传动轴。

2 发电单元的结构特点:

2.1 海面上的部分:四个叶轮机浮体和中间发电机下的浮体有足够浮力支撑海面上的“四足”构架平台,这个构架跨度应大于两倍以上本海区的最大波长,“四足”构架中心全封闭的机房内,设置发电机。

2.2 海面下的部分:叶轮机叶轮上圆周均布的导叶架的众多“短”导叶,在4个点划线组成的“圆圈”范围内大面积的接触和转化海浪波能。

2.3 空间位置特点:整机锚定在海底,自由漂浮在海面上,导叶低于最低波谷即可。整机相对于海浪的波动近似静止。这里值得注意的是:

*  叶轮机的导叶半径和导叶密度选用不易太大。

*  一台发电单元的叶轮机选用台数为偶数,中心不易设置叶轮机。

*  当“集群”建站时,发电场每个发电单元间设置距离应大于单机直径的1.5倍为宜。

2.4 运转特性:由于叶轮机选用为偶数,对角互为反转,故无自转扭矩。四个叶轮机三圈导叶虽然线速度并不慢,但主轴转速非常慢(预计30/分以下)。叶轮机转矩通过齿轮付加速后的水平传动轴接入发电机的减速箱,经进一步加速后带动发电机发电。

2.5 发电功率预算:预计4个叶轮机为一发电单元组合的较大功率单机的发电功率可达200KW/台,估算如下。(均按“保守取值”估算)

设:叶轮机半径30,浮体半径10,导叶总成长约8,导叶长约0.51,叶轮机(对角线)的中心距90,则整机直径约150左右。

估算:单个叶轮机则覆盖海浪面积约2500平方米,四台叶轮机导叶约覆盖10000平方米海浪;如果导叶总成的间隔密度按1:5均布,则导叶“做功”的面积约2000平方米。若海浪年平均能量为1KW/平米,按10%的综合转换率计算,那么每发电单元设置460直径叶轮机的平均发电功率可达200KW/台。

三、 本技术的工作原理:

1 发电单元漂浮处于相对静止状态的原因:

因为在海面上的大面积漂浮刚体会同时受到上下波浪的互为反向的作用力,相互抵消后合力会接近于零,譬如处于漂浮状态的海上船只船体越大越平稳的道理也是如此。如果发电单元的整体跨度大于海浪波长的几倍,那么整机相对海面近似静止而漂浮的道理也就不难理解了。

2 叶轮机转矩产生的原理:见左面两图。

由于在海面上整机相对海浪为近似静止状态,向上的海浪推动导叶向上运动,但受到相对静止导叶轴的限位约束,所以只能偏转Φ1角度,同时在导叶表面就产生了一个“旋转方向”的水平分力。而当向下的海浪推动导叶向下运动时,则产生了Φ2角,也会产生一个相同“旋转方向”的分力。这两个“同向的推力”连续作用在叶轮机主轴上就形成了力矩。这样大面积【众多】的导叶吸收海浪上下运动的波能推动叶轮机旋转连续做功,其转矩可观。另外当不受力时高弹力橡胶垫还使导叶始终处于Φ1和Φ2之间0°角度位置。

3 产生较大功率的发电原理

3.1 海面漂浮的平稳性:由于几个(5个)浮体的浮力不但能够承担全部发电单元的重量,使其漂浮在海浪中平稳漂浮运行,同时还要有较大的盈余来克服海浪的冲力和海浪波长较长时整机的(摇摆)不平衡,其实整体覆盖海面越大就越平稳。

3.2 发电的稳定性:由于叶轮机【众多】的导叶在波浪中不但共同产生了同向的推力并形成很大的合力矩,而且这个合力矩是较平稳的带动叶轮机旋转。那么四个叶轮机再通过各自的水平传动轴加速后共同驱动一个中心发电机,就进一步的平衡了转矩,就平稳地发出了较大功率的电流。

4 发电单元的整体强度:

4.1 单个叶轮机的刚性:尽管叶轮机的直径较大,叶轮总成上下受力会相互抵消,但是当波长较大时就会出现较大的不平衡,这样几十米直径的叶轮强度就要加强。解决方法是:用两层叶片总成平行安装,或用两层叶片总成形成与叶轮机水平面有一个小于20°的夹角安装,这样的结构就使叶轮机具有很大的抗风浪的水平刚性

4.2 发电单元整体的刚性:由于每个叶轮机有足够的刚性,又由于海面上的“蜘蛛型”的衍架也具有足够的刚性,那么发电单元在恶劣的气象条件下,仍然可以平稳运行,并发出更大的电来。

四、 本技术应用和开发建设:

1 发电技术应用:

1.1 小功率发电单元的应用:投放小功率发电单元可以为灯塔、岛礁、深海养殖体等供电。

1.2 大功率发电场的应用:见右图。

这是由10个各自独立的较大发电功率发电单元组成的大型发电场,是通过接插式、集群建设而成,非常便于维修和更换。其可为海岛、大陆、大型海上漂浮物和海上石油平台等设施供电。超大型海上海浪发电场则是通过更多的发电单元组建而成,可以说组成数量是无限的。

1.3 联合发电模式:因为本技术是转换表层的海浪能量,故可以和各种海洋发电联产,如高空的海风电;海面以上的光伏发电;海面下的海流发电;深水的温差、盐差、压差发电等;共用一套供电系统进行联合发电。若建在“海风电”的周围,就可以和海风电进行联合发电,降低了海风电的发电成本,使较深的海域建立“海风电”成为可能,扩大了“海风电”的应用范围。

1.4 综合联产发电模式:可以利用大型深海养殖平台、海上大型海水淡化设施、海上海洋化工设施或石油开采生产设施作为主体,设置在其周围进行发电,这样不但缩小了输变电的距离,而且建设成本也大大降低。对其供应发出的电力,代替或部分代替了原来不经济的自备的发电系统,这就形成了海洋上的“综合联产发电”模式。

1.5 建立浮动海上加工基地:若增加自身浮力,海上部分则形成大型海上平台,这样就形成了【海洋立体发电综合体】——在海面下导叶转化波能发电。在海面平台上叶轮机主轴输出转矩或发电,直接或间接带动各种机械运行。如:海水淡化机组生产淡水;水电解机组制氢和氧;制冷机组致冰;海上水产品初加工等等。

1.6 立体发电群的建立:每个发电单元都可以实现在海面下海浪发电,在海面平台上建光伏发电群,在空中进行风力发电。这就形成用一个平台、一套控制和输变电系统的发电单元。那么若干台立体发电单元就可以在很大的海面上形成发电群全方位的利用海上的可再生能源。

2 生产和开发:

2.1 发电单元的设备生产:发电单元适合工厂标准化、系列化、专业化大规模的生产模式,产成品在港湾进行海上组装待用。

2.2 海上发电场的建设:首先应根据海区的水文气象资料和应用参数选用合适的机型和台数。在建立海上发电场时,可以将整机“拖到”海区锚定即可。由于其具有无基础建设投资,安装简单投产快的特点,是真正的可以【边建设、边投产、边收益、边扩大的集约化生产建设模式】。

五、 本技术与其他海浪发电技术的同比优势:

1 免维护的“傻瓜”机型优势:

1.1 结构优势:由于本技术结构简单,转速极低,还可以做到在海面下的部位无机械传动、无轴承、无润滑要求。接触海水部件都可以选用非金属材料或包覆材料,所以是一种水面下维修几率极少,可以做到在一个发电周期内 “免维修”,是安全可靠运转的 “傻瓜”机型。

1.2 同比其他发电技术:如:海浪晃动发电;机械齿轮型转换波浪发电;气压或液压能量转换发电等发电技术,本技术的优势明显,从略。

2 对各种海区和海况有广泛的适应性:

2.1 适应性:由于本技术无论海况如何,无论海浪的大小、波长、波向和波高多么复杂和多变,无论水体是否存在海流(更好),还是在海岸线海浪潮流多么紊乱多变,本技术都可以连续发电。而且波动越大、流量越大发电就越多,所以这就降低了对海浪能的参数要求,可选余地非常大。故本技术可适用于潮汐海流发电;海岸线海浪能发电;各种“海候”和“海况”的深海海浪波能发电要求。尤其是深海海浪波能发电可以在海上建立大型或超大型的发电场。

2.2 同比其他海发电技术:同比其他的“海发电”技术,其“广泛的适应性”和“标准化的通用性”无疑具有优势。

3 建设投资优势:

3.1 建设投资:由于是单元化的标准机型,建立海上发电场时,可以将整机“拖到”预定海区锚定安放即可,是真正的可以边建设、边投产、边收益、边扩大的集约化建设生产模式。

3.2 同比:同比其它海发电技术,具有无基础建设投资,结构简单,安装容易投产快的优势。

4 通用性优势:

4.1 本技术具有通用性:除深海海浪发电以外,还适用其他各种海浪能发电。如:

*  固定在近岸海底利用前后行进的海浪波发电。

*  固定在江河入海口利用前后行进的潮汐能进行发电。

*  利用海流发电。

4.2 故同比其他技术:这是一项独特的通用技术,可以迅速“普及”。

六、 设想的项目规划:

说明:下面设想建设2000KW的海上电站(场)的内容因为没有实验依据,所以是建立在“假设本发电技术是成功和可行”的前提下做出的,选用数据均为估算,所以只能作为理论分析的参考。

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swf1945qd swf1945qd 发布于2011-03-15 15:02:14
【接上面】
六、 设想的项目规划:
说明:下面设想建设2000KW的海上电站(场)的内容因为没有实验依据,所以是建立在“假设本发电技术是成功和可行”的前提下做出的,选用数据均为估算,所以只能作为理论分析的参考。
1、  试验海区选址:沿海某海区水深约30米,年平均浪高1.5M以上,每年还大约会有5-8次台风经过。
2、  发电场描述:发电场的10个“发电单元”,中心距间隔400米;每个发电单元由四个叶轮机构成,对角线中心距约90米,外径150米;每个叶轮机的众多导叶能在水面下运转“做功”的有效面积约2000平方米;4台叶轮机的年平均发电功率可达200KW/台,10个发电单元规模的“海上发电场”总装机容量年平均约2000KW。
3、  运转发电:露在海面上部分为10个对角线约90米的四足钢结构平台,中心是全封闭的发电机室,相对海浪是静止的;海浪下面部分每个发电单元的叶轮机众多的导叶在上下海浪作用下连续旋转;发出的电则由水下海缆各自独立的连接在“控制浮标”上,然后由总海缆连接陆上配电房。
4、  配套机构:此海上发电场发出的是交流电,供应小岛使用;配电房中的大型“蓄电池”组用于用电的“调峰”;小型的海水淡化厂则消化剩余的电量;夜间更多的余电则电解海水制氢、氧或制冰。
5、  海岛建有备用电站:当某个时期海面风浪很小时,发电量骤减,即使还有光伏发电补充,但还是不够日常用电,于是备用柴油发电机起动补充。
6、  经济和社会效益:
6.1  经济效益:这个海上电站可供应岛上居民的生活和生产用电,改变了无电可供或用“高价电”的状况,且运转成本极少。
6.2  社会效益:廉价的海浪波能发电结合光伏发电和风能发电将彻底改变海岛的能源缺少的局面,甚至会发展成能源的基地(电解氢和氧产品),极大改变了海岛渔业和养殖业的生产面貌。
6.3  军事意义:如果这是南海某个军事防御性海岛,应用此技术建发电站,不但是终年有电可供,而且这个发电厂拖不烂打不垮!因为其技术最大的特点就是化整为零、发电单元在海面上各自独立,每个之间相隔约400米以上,接插式单元化的布局,即使个别单元受损,不影响其他单元的发电。可以快速地用“插接法”更换损坏了的“独立发电单元”——这个意义重大啊!
6.4  结论:此设想如果真可以实现,结合岛上光伏发电、风能发电,那海岛就变成了海产品养殖和加工基地,成为“世外桃源”了——是真正的“蓬莱仙岛”,也是生态之岛、绿色之岛。
swf1945qd swf1945qd 发布于2011-03-15 15:06:49
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