一种小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置 |
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| 申请号 | CN201710686417.1 | 申请日 | 2017-08-11 | 公开(公告)号 | CN107503892A | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 海南大学; | 发明人 | 林妙山; 许日明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于新 能源 发电应用技术领域，公开了一种小型近海渔 船锚 泊环保型组合发电装置，所述小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置包括：H型竖轴 风 机；所述H型竖轴风机固定在风机固定 支架 的顶端；所述H型竖轴风机与 硅 整流直流发 电机 轴连接；所述硅整流直流发电机与竖轴 水 轮轴连接；所述竖轴 水轮机 通过水轮机 轴承 及水封固定在浮船的底部。本发明利用近海丰富的 风 力 和潮流资源将竖轴风机、竖轴潮流水轮机通过单向轴承 串联 连接直流发电机发电，将 太阳能 光伏板安装在船舱顶部作为辅助发电的组合发电系统；控制 电路 设计充分考虑到瞬时阵风和大波浪产生的高 电压 的安全储存及 蓄 电池 亏电状态的自动控制装置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置，其特征在于，所述小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置包括： |
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| 说明书全文 | 一种小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置技术领域背景技术[0002] 目前，随着世界经济、社会的发展，能源需求量持续增大，导致传统石化能源日益枯竭、电力紧缺和环境污染加重，大力开发和利用清洁无污染的潮流能对缓解能源和环境问题具有重要的意义。据资料统计，我国现有渔船总数达 106万艘是世界上渔船最多的国家，约占世界总数的1/4，其中海洋渔船总数达31.61万艘。现今的渔船推进系统基本采用动力装置，航行时主要靠柴油机运转来提供能源，同时，渔船上的生活用电也通过柴油机的运转提供。但多数渔船会因休渔期、恶劣的天气环境、维修、锚泊作业或其他种种原因而停泊在近海或港湾。这时靠发电机组提供给很小负载的生活照明用电非常不科学，而且浪费柴油，又因发电机组工作寿命有限，同时还造成环境污染。 [0003] 综上所述，现有技术存在的问题是：靠发电机组提供生活照明用电浪费柴油，发电机组工作寿命有限，造成经济损失及环境污染。 发明内容[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置。 [0005] 本发明是这样实现的，一种小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置，所述小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置包括： [0007] 所述H型竖轴风机固定在风机固定支架的顶端； [0009] 所述硅整流直流发电机与竖轴水轮轴连接； [0011] 进一步，所述H型竖轴风机通过风机轴承、CSK12型单向旋转轴承与硅整流直流发电机轴连接。 [0012] 进一步，所述硅整流直流发电机通过发电机固定支架固定在风机固定支架内部。 [0013] 进一步，所述硅整流直流发电机通过联轴器及控制水轮机单向轴承、水轮机轴承及水封与竖轴水轮机轴连接。 [0018] 超级电容与蓄电池并联，组合太阳能光伏板通过导线与欠压保护继电器的S 端口及B端口、蓄电池串联，硅整流直流发电机与蓄电池串联，逆变器通过导线连接欠压保护继电器和组合太阳能光伏板。 [0019] 进一步，所述超级电容为12V/200F；逆变器为2000W(DC12/AC220V)；蓄电池为12V/120AH的两组电池并联。 [0020] 本发明的优点及积极效果为：本发明H型竖轴风机采用二组3叶片1/3叠加设计，能有效降低重心、避免共振、提高效率及提高叶片抗疲劳能力以达到延长使用寿命；通过4m长的不锈钢浮船联接管把它固定在船艉，不管潮流和风向如何改变，保证水轮机和风机叶片受力不受干涉且转向不变，无需调整水轮机和风机的叶片旋转角；水轮机和风机各通过单向旋转轴承与直流发电机串联，当水轮机和风机转速不一致时，可单独或同时带动直流发电机发电，而不会出现运动干涉，达到自动控制水轮机和风机工作的目的；在渔船航行时可拆装，具有结构简单、重量轻及性能可靠的特点。发电的机械装置主要是由H型竖轴风机、单向旋转轴承、直流发电机、传动装置、浮船、不锈钢浮船联接管、竖轴水轮机、水封及轴承等构成。 [0021] 本发明有效的利用自然资源来缓解电力紧缺、环境污染加重和能源的大量浪费的问题，而且我国现有渔船总数达106万艘是世界上渔船最多的国家，具有很切实的现实意义；利于自然资源的组合发电装置来解决电力紧张和缓解能源压力的有效途径。利用近海丰富的风力和潮流资源将竖轴风机、竖轴潮流水轮机通过单向轴承串联连接直流发电机发电，将太阳能光伏板安装在船舱顶部的综合发电系统；控制电路设计充分考虑到瞬时阵风和大波浪产生的高电压的安全储存及蓄电池亏电状态的自动控制装置。附图说明 [0022] 图1是本发明实施例提供的小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置的结构示意图； [0023] 图2是本发明实施例提供的小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置的电能量转换示意图； [0024] 图3是本发明实施例提供的小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置的竖轴水轮机结构参数设计示意图； [0025] 图中：1、H型竖轴风机；2、风机固定支架；3、风机轴承；4、CSK12型单向轴承；5、硅整流直流发电机；6、发电机固定支架；7、联轴器及控制水轮机单向轴承；8、不锈钢浮船联接管；9、浮船；10、水轮机轴承及水封；11、竖轴水轮机；12、组合太阳能光伏板；13、保护控制电路。 具体实施方式[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0027] 本发明利用近海丰富的风力和潮流资源将竖轴风机、竖轴潮流水轮机通过单向轴承串联连接直流发电机发电，辅将太阳能光伏板安装在船舱顶部的综合发电系统；控制电路设计充分考虑到瞬时阵风和大波浪产生的高电压的安全储存及蓄电池亏电状态的自动控制装置；利用近海风力和潮流资源，开发一个小型船用发电装置辅以船舱顶部太阳能光伏的综合发电装置以解决这类问题，具有广阔的应用前景和现实意义。 [0028] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。 [0029] 如图1所示，本发明实施例提供的小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置包括：H型竖轴风机1、风机固定支架2、风机轴承3、CSK12型单向轴承4、硅整流直流发电机5、发电机固定支架6、联轴器及控制水轮机单向轴承7、不锈钢浮船联接管8、浮船9、水轮机轴承及水封10、竖轴水轮机11。 [0030] H型竖轴风机1固定在风机固定支架2的顶端，H型竖轴风机1通过风机轴承3、CSK12型单向轴承4与硅整流直流发电机5轴连接，硅整流直流发电机5通过发电机固定支架6固定在风机固定支架2内部，硅整流直流发电机5 通过联轴器及控制水轮机单向轴承7、水轮机轴承及水封10与竖轴水轮机11轴连接，竖轴水轮机11通过水轮机轴承及水封10固定在浮船9的底部，浮船9 的一侧焊接有不锈钢浮船联接管8。 [0031] 如图2所示，本发明实施例提供的电能量转换包括：组合太阳能光伏板12、保护控制电路13。 [0032] 组合太阳能光伏板12通过导线与保护控制电路13串联。 [0033] 保护控制电路13包括：超级电容、欠压保护继电器、蓄电池、逆变器。 [0034] 超级电容与蓄电池并联，组合太阳能光伏板12通过导线与欠压保护继电器的S端口及B端口、蓄电池串联，硅整流直流发电机5与蓄电池串联，逆变器通过导线连接欠压保护继电器和组合太阳能光伏板12。 [0035] 超级电容为12V/200F；逆变器为2000W(DC12/AC220V)；蓄电池为12V/ 120AH的两组电池并联。 [0036] 如图3所示，本发明实施例提供的竖轴水轮机优化的结构参数设计及工作原理示意，于图1(11)为等效结构。 [0037] 下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。 [0038] 本发明是渔船在休渔期、恶劣的天气环境、维修、锚泊作业或其他种种原因而停泊在近海或港湾抛锚停泊时。船上以锚链或锚索连接的锚抛入水中着地，并使其啮入土中，锚产生的抓力与水底固结起来，把渔船牢固地系留在预定的位置，所以在潮流及近海风力的影响下，渔船随着潮流和风力而随时改变方向。本设计的要点在于该小型的环保型发电装置，通过4m长的不锈钢浮船联接管把它固定在船艉，不管潮流和风向如何改变，保证水轮机转向不变，无需调整水轮机和风机的叶片旋转角。水轮机和风机通过单向旋转轴承与直流发电机串联，自动控制水轮机和风机的工作。在渔船航行时可拆装，具有结构简单、重量轻及性能可靠的特点。其发电的机械装置主要是由H型竖轴风机、单向旋转轴承、直流发电机、传动装置、浮船、不锈钢浮船联接管、竖轴水轮机、水封及轴承等构成，如图1所示。 [0039] 1、机械装置设计方案及设计参数： [0040] (1)H型竖轴风机。H型竖轴风机具有起动风速低、风能利用率高、无噪声、无需对风向、安全性高等优点。以300W风力发电机为标准设计，风轮直径为1.38m，为降低叶片重心，将二组3叶片1/3叠加，总设计高度为0.86m，叶片个数为6片，工作风速为4～25m/s，额定风速为10m/s，最高转速为 250r/min，安全风速为55m/s。支持翼材料采用瓦楞状薄钢板，材料为普通碳素钢，叶片材料采用蜂窝状玻璃钢，主轴用45号钢，结构型式如图1(1)所示。 [0042] (3)发电机。选用硅整流直流发电机，额定电压大于14V，额定功率为750 W外搭铁型九管整流直流输出发电机；为最大限度转换成电能，提高效率，取消了发电机输出电压的调节器控制，将瞬时阵风和大波浪产生的高电压通过于蓄电池并联的超级电容器快速储存再缓慢转化为蓄电池储存的化学能，安装结构示意如图1(5)所示。 [0043] (4)联轴器。选用星形弹性联轴器，对接式，方便拆装；型号XL型，其参数：轴孔18mm，额定扭矩15Nm，安装结构示意如图1(7)所示。 [0044] (5)不锈钢浮船联接管。设计用于固定渔船与发电装置，为防止影响风力及潮流长度设计为4m，不锈钢管用外径30mm的中空管，中空用于通导线，安装结构示意如图1(8)所示。 [0045] (6)浮船。为方便拆装，可选用二个型号为85cm×32cm×20cm塑料船体，用不锈钢板支架联接，中间安装发电机及风机固定支架，安装结构示意如图1(9) 所示。 [0046] (7)竖轴水轮机。旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面垂直，垂直轴式叶轮与来流的方向无关，无论潮流从哪个方向流向叶轮都能正常工作，无需对流装置。设计参考国际最先进的Savonius水轮机结构参数，优化其结构中的交错距离参数e，制作潮流发电装置的水轮机，水轮机结构参数示意如图3所示。优化设计S式水轮机叶轮两半圆柱面叶片对称安装在转轴两侧，柱面朝向相反，两个半圆柱面叶片部分交错，半圆柱面叶片直径d为1000mm，交错距离e为170mm。实验证明当潮流流向叶轮时由于阻力差会旋转，而且凹面部分水流会通过交错的空隙进入凸面背后，转折的水流能抵消部分凸面的阻力，可提高水轮机的效率。制作时充分考虑交错距离e，如e值过大会降低效率，通过计算机仿真：当e/d＝0.17时效果最佳，安装结构示意如图1(11)所示。 [0047] 2、电能量转换及控制设计方案：浮船上安装的直流发电机发出的直流电由导线通过不锈钢浮船联接管与船舱顶部的太阳能光伏板并联给蓄电池充电，同时蓄电池并联超级电容器；控制电路主要由超级电容器、低电压保护继电器、逆变器及蓄电池等组成，如图2所示。 [0049] (2)保护控制电路。12V200F超级电容器并联在蓄电池及发电机输出导线上，主要设计用于吸收瞬时阵风和大波浪产生的高电压，起到保护蓄电池及提高能量转换效率；12V120AH蓄电池并联，能储存约3KWH的电量，保证满足生活用电的需要；欠压保护继电器当检测到蓄电池电压低于11V时，自动断开输出功率，起到保护蓄电池，延长其使用寿命的目的；逆变器将12V直流电转换成220V交流电，设计功率为2000W，完全能够满足生活用电的需要。 [0050] 本发明实施例提供的小型近海渔船锚泊环保型组合发电装置渔船在休渔期、恶劣的天气环境、维修、锚泊作业或其他种种原因而停泊在近海或港湾抛锚停泊时。船上以锚链或锚索连接的锚抛入水中着地，并使其啮入土中，锚产生的抓力与水底固结起来，把渔船牢固地系留在预定的位置，将环保型发电装置组合安装，通过4m长的不锈钢浮船联接管把它固定在船艉上，连接好装置电线。 [0051] (1)当海平面风速大于4m/s时，H型竖轴风机开始旋转，风机中心轴通过单向旋转轴承按工作方向连接直流发电机，发电机输出直流电储存到蓄电池。 [0052] (2)当海水潮汐或潮流运动速度达到一定时，竖轴水轮机开始旋转，水轮机中心轴通过单向旋转轴承和联轴器按工作方向连接直流发电机，发电机输出直流电储存到蓄电池。 [0053] (3)当海平面风速瞬时大于15m/s时，H型竖轴风机快速旋转，发电机输出直流电压高于14V，一部份高电压电能量储存在超级电容器中，另一部分电能量转化为蓄电池化学能储存；然后储存在超级电容器中高电压电能量缓慢转化为蓄电池储存的化学能。此时竖轴水轮机转速慢，由于单向旋转轴承的作用，水轮机无功率传输给发电机。 [0054] (4)同理，当海水潮汐或潮流运动速度过快时，竖轴水轮机转速大于H型竖轴风机快速，发电机输出直流电压高于14V，一部份高电压电能量储存在超级电容器中，另一部分电能量转化为蓄电池化学能储存；然后储存在超级电容器中高电压电能量缓慢转化为蓄电池储存的化学能。此时由于单向旋转轴承的作用，H型竖轴风机无功率传输给发电机。 [0055] (5)控制保护电路：硅整流直流发电机发出的12V直流电能由导线通过不锈钢浮船联接管与太阳能光伏板(12V/600W)、蓄电池(12V/120AH×2)、超级电容器(12V/200F)并联连接；后引出电源正极导线与欠压保护继电器B、S端子连接，电源负极导线与欠压保护继电器E端子和逆变器的输入端负极连接，欠压保护继电器ST端子和逆变器的输入端正极连接；逆变器的输出端连接220V交流电为生活照明电路引出。 |
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