叶轮直驱式潮流发电实验装置

摘要

本发明提供一种潮流发电机测试实验装置。包括：驱动系统、机械系统、计算机控制系统。驱动系统包含变频器、电动机、减速机。机械系统包含双向叶轮泵、法兰、导流筒、弯管、发电机。计算机控制系统主要包含PC机、单片机、流速传感器。叶轮直驱式潮流发电实验装置是一种可控流速的水流闭合装置。计算机根据波浪参数换算出对应的水流速度参数送给单片机，单片机控制变频器输出频率和转向，变频器驱动电动机，电动机带动双向叶轮泵，产生预期水流。导流筒中流速传感器将流速信号反馈给单片机。单片机根据反馈信号调节变频器输出频率，使流速接近给定值。潮流方向是周期变化的。通过变频器控制电动机转向，电动机转向控制水流方向。

权利要求

1.一种叶轮直驱式潮流发电实验装置，其特征在于，包括：驱动系统、机械系统、计算机控制系统；驱动系统包括变频器、电动机和减速机；机械系统包括双向叶轮泵，联接法兰，导流筒，透明有机玻璃导流筒，叶轮直驱式发电机，引线密封件，弯管；计算机控制系统主要包含PC机，单片机，流速传感器；PC机与单片机连接，单片机控制变频器的频率和转向，变频器控制电动机的转速和转向，电动机驱动双向叶轮泵，叶轮泵驱动水在水管中流动，水流驱动发电机发电；

所述双向叶轮泵，所述导流筒，所述弯管和所述透明有机玻璃导流筒，通过所述联接法兰依次连接构成单个水的闭合回路。

2.根据权利要求1所述叶轮直驱式潮流发电实验装置，其特征在于，由一个变频器，一个电动机，一个减速机，一个双向叶轮泵组成；变频器与电动机电连接，电动机与减速机之间机械联接，减速机与双向叶轮泵机械联接；由此实现水流速度及其方向的控制。

3.根据权利要求1所述叶轮直驱式潮流发电实验装置，其特征在于，计算机与单片机之间有电连接，单片机与变频器有电连接，单片机与流速传感器有电连接；由此实现计算机对变频器的控制，实现计算机对流速的闭环控制。

4.根据权利要求1所述叶轮直驱式潮流发电实验装置，其特征在于，在透明有机玻璃导流筒内安装了一个叶轮，叶轮两边有两个发电机；用于叶轮测试实验和潮流发电机实验。

5.根据权利要求1所述叶轮直驱式潮流发电实验装置，其特征在于，在透明有机玻璃导流筒上有三个引线密封件；两个引线密封件用于发电机输出线的引线密封，一个引线密封件用于流速传感器支杆密封。

说明书

叶轮直驱式潮流发电实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及海浪发电领域。具体地说是一种叶轮直驱式潮流发电实验装置。

背景技术

[0002] 海洋的波浪能发电是一种重要的新能源。海洋波浪能发电主要有潮汐发电、波浪发电、温差发电和盐差发电。目前应用前景最好的是潮汐发电，波浪发电次之。潮汐发电包括月球引力引起的潮流发电和风吹水面引起的潮流发电。海上的潮流和波浪的能量密度比风能密度高很多。因此，海浪发电是当今世界新能源发展的新趋势，其中潮流发电有着广阔的应用前景。在潮流发电方面，国内外已有多种发电装置。在各种潮流发电装置中，叶轮直驱式潮流发电装置具有结构紧凑，效率高，成本低的优势。在研究其叶轮的优化设计，潮流能转换效率，潮流发电机效率，及发电机能量处理方面，在叶轮直驱式潮流发电的前期研究中海上测试存在许多困难。因此，本发明提出的叶轮直驱式潮流发电实验装置，对于开发潮流发电具有十分重要的意义。

发明内容

[0003] 为此，本发明提出一种叶轮直驱式潮流发电实验装置，这种装置至少能在较大部分上解决或者缓解潮流发电测试技术中存在的问题。

[0004] 本发明采用的技术方案如下：

[0005] 一种叶轮直驱式潮流发电实验装置，包括：驱动系统、机械系统、计算机控制系统。变频器、电动机、减速机、双向叶轮泵、导流筒、联接法兰、透明有机玻璃导流筒，引线密封件、叶轮直驱式发电机组。计算机控制系统主要包含PC机、单片机控制部分、流速传感器。PC机与单片机之间有通信连接。单片机控制变频器的输出频率和转向，变频器控制电动机的转速和转向，电动机驱动双向叶轮泵，叶轮泵驱动水流在水管中流动，水流驱动发电机发电。

[0006] 所述的驱动系统，单片机根据计算机计算数据，给出变频器的频率和转向信号，变频器控制电动机的转速和转向，电动机驱动双向叶轮泵转动，叶轮驱动水流在水管中流动，水流驱动发电机发电。

[0007] 所述的机械系统，由双向叶轮泵、导流筒、透明有机玻璃导流筒、弯筒、联接法兰构成的一种水流闭合回路。透明有机玻璃导流筒内安装双向叶轮和发电机组。透明有机玻璃导流筒外壁安装三个引线密封件。

[0008] 所述的计算机控制系统，包括PC机、单片机、流速传感器。PC机与单片机之间有通信连接，单片机与变频器之间有通信连接，单片机与流速传感器之间电连接。

[0009] 本发明技术方案具有以下优点：

[0010] 所述的叶轮直驱式潮流发电实验装置是一种由计算机控制的，通过变频器控制电动机，电动机带动双向叶轮泵，在水管构成的闭合回路中产生期望的水流。水流速度和方向均可以被控制。实现了模拟不同潮流对应的水流。为潮流发电机的研究提供了必要的实验手段。叶轮直驱式潮流发电实验装置结构紧凑，占地空间小，使用方便，成本降低。

附图说明

[0011] 为了使本发明的内容更容易、更清楚地被理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

[0012] 图1为本发明实施例中，叶轮直驱式潮流发电实验装置的结构示意图；

[0013] 图2为本发明实施例中，双向叶轮泵的外形示意图；

[0014] 图3为本发明实施例中，双向叶轮泵的内部结构示意图；

[0015] 图4为本发明实施例中，引线密封件示意图；

[0016] 图5为本发明实施例中，控制系统结构示意图。

[0017] 图1中附图标记表示为：1-电动机和减速机(即减速机电机)，2-双向叶轮泵，3-联接法兰，4-导流筒，5-透明有机玻璃导流筒，6-叶轮直驱式发电机，7-引线密封件，8-流速传感器。9-弯管。图1主要说明由双向叶轮泵、联接法兰、导流筒、弯管和透明有机玻璃导流筒构成的水流闭合回路。

[0018] 图2中附图标记表示为：1-电动机和减速机，2-双向叶轮泵。图2主要说明双向叶轮泵外形。

[0019] 图3中附图标记表示为：1-减速机电机，10-柔性联轴器，11-轴承，12-轴承座，13-机封压盖，14-机械密封件，15-轴，16-泵体，17-双向叶轮，18-水中轴承，19-水中轴套，20-锁紧螺栓。图3主要说明双向叶轮泵的结构及其密封。

[0020] 图4中附图标记表示为：21-发电机出线孔，22-密封圆弧面。引线密封件的下端面是一个圆弧面，圆弧面的直径与导流筒外径相同。引线密封件中间有一个圆孔，孔径略大于发电机引出线的外径。引线密封件用胶粘在透明有机玻璃导流筒外侧，发电机引出线从引线密封件中间圆孔引出，再将圆孔内灌满密封胶。流速传感器的支杆也是利用同样的方法密封。

[0021] 图5中附图标记表示为，23-PC机，24-变频器，25-单片机，26-流速传感器，27-减速机电机，28-双向叶轮泵，29-导流筒及发电机。图5主要说明计算机控制系统的结构及连接关系。

具体实施方式

[0022] 下面将结合附图对本发明的技术实施方案进行清楚、完整地描述。

[0023] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0024] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“联接”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0025] 如图1所示，本发明提供一种叶轮直驱式潮流发电实验装置，包括：电动机，减速机，双向叶轮泵，联接法兰，导流筒，弯管，透明有机玻璃导流筒，叶轮直驱式发电机，引线密封件，流速传感器。由此构成水流闭合回路。

[0026] 如图5所示，本发明提供一种叶轮直驱式潮流发电实验装置的计算机控制系统，包括：PC机，变频器，单片机，流速传感器。由此构成叶轮直驱式潮流发电实验装置的闭环控制系统。

[0027] 按照上述结构和连接方式，可实现水流的计算机闭环控制。

[0028] 首先，根据波浪能参数，计算水流速度参数。

[0029] 根据波浪能量谱理论，波浪能可表示为

[0030]

[0031] 式中，Wh--波浪能(kW/m)；

[0032] H1/3--有效波高(m)；

[0033] T1/3--有效波周期(s)。

[0034] 导流筒内水流动能Wv为

[0035] Wv＝1/2×mv2       (2)

[0036] 式中，m为水质量，v为水流速度。根据导流筒的几何尺寸，及质量和流量的关系，可换算出水流动能为

[0037] Wv＝kv3        (3)

[0038] 式中，k为系数，v为水流速度。将公式(2)和(3)联立，可得

[0039]

[0040] 式中，kg为总体系数。

[0041] 由上式，即可计算出水流速度。再把计算数据送给单片机。由单片机控制变频器的输出频率，变频器驱动电动机，电动机带动双向叶轮泵，产生期望的水流。导流筒中流速传感器将流速信号反馈给单片机。单片机将反馈信号与给定信号比较，再调节变频器的频率，从而使流速函数接近给定值。

[0042] 潮流的方向和大小是周期变化的。计算机控制系统通过变频器来控制电动机的转向和转速做周期变化。水泵是双向叶轮泵，水泵正转，水流朝一个方向流动；水泵反转，水流朝反方向流动。利用变频器调节水泵转速，就是调节水流速度。从而实现了模拟不同海浪对应的水流。水流推动发电机组的叶轮旋转，带动两边的发电机发电。

[0043] 在研究潮流发电过程中，海上试验成本高，发电机测试难度大。本发明为研究潮流发电中叶轮优化设计、叶轮的能量转换效率、潮流发电机效率，以及发电机能量处理，提供了必要的实验条件。为叶轮直驱式潮流发电的海上试验奠定了基础。