一种原位发电装置及水下供用电系统

1.本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种原位发电装置及水下供用电系统。


背景技术：

2.在深远海资源开发和海防建设中，用于采集和传输水下数据的海洋仪器已经成为海洋监测与水文监测的重要设备，在海洋探索、海军反潜等领域发挥着不可忽视的作用。但是，海洋仪器的可靠运行受制于电池能量供应。由于海洋环境特殊，海洋仪器在初次布置后，更换电池十分不便甚至不可能做到，进而导致海洋仪器的使用寿命较短，造成巨大浪费。
3.现有技术中，通过海上风力发电或太阳能发电的方式为海洋仪器提供电能。但是，这两种供能方式普遍存在弊端，如在海上极端恶劣环境下，太阳能板容易积聚盐碱层，风力发电设备容易损坏等，导致供能方式的可靠性较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种原位发电装置及水下供用电系统，不会出现积聚盐碱层的问题，且水流速度相较于风速较小，降低了叶轮组件发生损坏的几率，提高了功能的可靠性和稳定性。
5.如上构思，本发明所采用的技术方案是：
6.一种原位发电装置，设置于水下，所述原位发电装置包括：
7.支撑架；
8.浮子组件，固设于所述支撑架的一端，且所述浮子组件具有通孔；
9.叶轮组件，固设于所述支撑架上，所述叶轮组件能够在水流的作用下转动；
10.发电机组件，安装于所述支撑架上并连接于所述叶轮组件，所述叶轮组件转动能够驱动所述发电机组件发电，所述发电机组件的输出线穿过所述通孔。
11.可选地，所述浮子组件呈扁球状。
12.可选地，所述叶轮组件设有两组，两组所述叶轮组件沿所述支撑架的长度方向间隔设置，所述发电机组件位于两组所述叶轮组件之间，且所述发电机组件与两组所述叶轮组件分别连接。
13.可选地，一组所述叶轮组件的安装角度与另一组所述叶轮组件的安装角度的差值为度。
14.可选地，所述叶轮组件包括上端盖、下端盖及三个相互连接的阻力型叶片，三个所述阻力型叶片均连接于所述上端盖和所述下端盖之间。
15.可选地，所述阻力型叶片的横截面形状呈“s”形。
16.可选地，还包括固接于所述支撑架的垂直尾翼，所述垂直尾翼的延伸方向平行于支撑架的长度方向。
17.可选地，还包括法兰盘，所述浮子组件通过所述法兰盘连接于所述发电机组件的
电机轴。
18.可选地，所述发电机组件包括直驱开放式发电机，所述直驱开放式发电机的转子连接于所述叶轮组件。
19.一种水下供用电系统，包括用电装置及如上所述的原位发电装置，所述原位发电装置的支撑架连接于所述用电装置。
20.本发明至少具有如下有益效果：
21.本实施例提供的原位发电装置及水下供用电系统，浮子组件、叶轮组件及发电机组件分别安装在支撑架上，且浮子组件能够为原位发电装置整体提供悬浮力，叶轮组件在水流的作用下转动并驱动发电机组件发电，相较于现有技术中风力发电及太阳能发电的方式，原位发电装置不会出现积聚盐碱层的问题，且水流速度相较于风速较小，降低了叶轮组件发生损坏的几率，提高了功能的可靠性和稳定性。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的原位发电装置的结构示意图；
23.图2是本发明实施例提供的未显示叶轮组件及发电机组件的原位发电装置的结构示意图；
24.图3是本发明实施例提供的叶轮组件的结构示意图；
25.图4是本发明实施例提供的发电机组件的结构示意图。
26.图中：
27.1、支撑架；11、支撑柱；12、支撑环；13、支撑盘；
28.2、浮子组件；21、通孔；
29.3、叶轮组件；31、上端盖；32、下端盖；33、阻力型叶片；34、孔结构；
30.4、发电机组件；41、电机轴；42、转子；43、定子；44、绕组；45、永磁铁；
31.5、垂直尾翼；
32.6、法兰盘；
33.7、尾翼连接杆。
具体实施方式
34.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
35.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它
们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
38.本实施例提供了一种原位发电装置，用于为用电装置提供电能，降低了出现积聚盐碱层的情况，且不容易出现损坏，提高了供能的可靠性。本实施例提供的原位发电装置应用于海洋中，以为海洋中的用电装置进行供电。本实施例中以用电装置为海洋仪器为例。
39.本实施例提供的原位发电装置设置在水下，进而与空气中的氧气隔绝，具有较高的抗腐蚀能力。如图1所示，原位发电装置包括支撑架1、浮子组件2、叶轮组件3及发电机组件4。
40.其中，支撑架1用于支撑浮子组件2、叶轮组件3及发电机组件4。具体地，浮子组件2设置在支撑架1的一端，于图1中，浮子组件2固设在支撑架1的顶端。浮子组件2用于为整个原位发电装置提供升力，以使得原位发电装置能够在水中保持悬浮状态。在一些实施例中，浮子组件2提供的升力的大小可以根据原位发电装置所需的布置深度进行调节，以保证原位发电装置能够保持悬浮状态为不同工作深度的海洋仪器进行供电，提高了原位发电装置的应用范围。调节浮子组件2的升力的方式可以参见现有技术，本实施例对此不作限定。叶轮组件3转动而驱动发电机组件4发电的原理可以参见风力机发电中风力机叶片旋转驱动电机发电的原理，本实施例在此不做赘述。
41.如图2所示，浮子组件2具有贯穿其上下两侧的通孔21，通孔21用于供发电机组件4的输出线穿过，以使得发电机组件4的输出线能够电连接于海洋仪器。叶轮组件3能够在水流的作用下转动，发电机组件4连接于叶轮组件3，叶轮组件3转动时能够驱动发电机组件4发电，进而实现水下发电。本实施例中，发电机组件4发电的原理可以参见现有技术，本实施例再次不做赘述。
42.本实施例提供的原位发电装置，浮子组件2、叶轮组件3及发电机组件4分别安装在支撑架1上，且浮子组件2能够为原位发电装置整体提供悬浮力，叶轮组件3在水流的作用下转动并驱动发电机组件4发电，相较于现有技术中风力发电及太阳能发电的方式，原位发电装置不会出现积聚盐碱层的问题，且水流速度相较于风速较小，降低了叶轮组件3发生损坏的几率，提高了功能的可靠性和稳定性。
43.可选地，如图1或图2所示，本实施例中的浮子组件2呈扁球状，以增大浮子组件2在垂直方向上的受力面积，进而能够有效减少原位发电装置的垂荡、横摇、纵摇等，稳定原位发电装置的姿态，提高发电效率。需要说明的是，浮子组件2呈扁球状可以理解为浮子组件2的横截面呈圆形，纵截面呈椭圆形，通孔21沿浮子组件2的短轴方向贯穿浮子组件2。
44.请继续参见图2，支撑架1包括多个支撑柱11，与多个支撑柱11中部分别连接的支撑环12及固接于多个支撑柱11底端的支撑盘13，浮子组件2固接于多个支撑柱11的顶端，叶轮组件3可转动设置在支撑环12和/或支撑盘13上。通过设置多个支撑柱11，能够降低对水
流的阻挡，进而使得水流顺利地驱动叶轮组件3。本实施例中，支撑柱11设有四根，支撑环12为圆环，支撑盘13包括与多根支撑柱11分别连接的环体及交叉连接于环体中的多个横杆。
45.请参见图1，叶轮组件3设有两组，两组叶轮组件3沿支撑架1的长度方向间隔设置，也即是，两组叶轮组件3上下间隔设置。发电机组件4位于两组叶轮组件3之间，且发电机组件4与两组叶轮组件3分别连接，使得任一叶轮组件3转动时，均能够驱动发电机组件4发电。通过设置两组叶轮组件3，能够增大原位发电装置的迎流面积，进而能够捕获更多的能量。
46.进一步地，两组叶轮组件3中，一组叶轮组件3的安装角度与另一组叶轮组件3的安装角度的差值为90度，以能够保证在任意来流角度下的叶片(即叶轮组件3的叶片)的转矩均为正，进而能够进一步增大叶轮组件3的迎流面积，使得原位发电装置具有启动性能好等优点，可以捕获更多的能量，使得本实施例提供的原位发电装置能最大限度提高海流能捕获能力，是实现低启动速度的重要保障。
47.可选地，如图3所示，叶轮组件3包括上端盖31、下端盖32及三个相互连接的阻力型叶片33。阻力型叶片33具有启动风速低、扭矩大等优点，能够将水能化为动能。三个阻力型叶片33均连接于上端盖31和下端盖32之间，以使得上端盖31和下端盖32对水流进行遮挡并导流。
48.在一些实施例中，如图3所示，每个阻力型叶片33的横截面形状呈“s”形，且任意两个阻力型叶片33之间均有共用的部分，针对阻力型叶片33的横截面，一个阻力型叶片33的上端与另一个阻力型叶片33的上端重合，一个阻力型叶片33的下端与第三个阻力型叶片33的上端重合，另一个阻力型叶片33的下端与第三个阻力型叶片33的下端重合。阻力型叶片33的长度可以根据实际需求进行确定。
49.进一步地，如图3所示，三个阻力型叶片33之间存在一个截面呈三角形的交界部，交界部上具有孔结构34，孔结构34可以用于连接发电机组件4的输入轴，进而通过输入轴带动发电机组件4发电。
50.可选地，本实施例中的发电机组件4包括直驱开放式发电机，直驱开放式发电机采用静密封方式，定子与转子气隙内充满海水，并通过优化设计直驱开放式发电机的电磁参数，减小直驱开放式发电机的齿槽转矩，能够适应低速大转矩运行工况，使得本发明能够在低流速启动并持续发电供能，保证本发明在较宽流速范围内能发电工作。示例地，如图4所示，直驱开放式发电机包括转子42、定子43、绕组44及永磁铁45。叶轮组件3可以连接于转子42，以能够驱动转子42相对于定子43转动，进而使得发电机组件4发电。考虑到原位电机装置的安装，直驱开放式发电机采用外转子、内定子的基本结构，为径向磁通，永磁体45表贴于转子内侧。
51.请继续参见图1，原位发电装置还包括固接于支撑架1底端的垂直尾翼5。垂直尾翼5示例为一个板或具有弧度的板，垂直尾翼5位于支撑架1的一侧，且垂直尾翼5的延伸方向平行于支撑架1的长度方向。垂直尾翼5的材料为高强度塑料，其产生的阻力可以同发电机组件4产生的输入转矩相抵消，有效防止在低转速下的定子43、转子42没有相对转动，造成无法发电的情况。垂直尾翼5还能使得本发明始终处于最佳的迎流位置，保证最大的发电效率。此外，垂直尾翼5上端较短下端较长，也即是，垂直尾翼5上端的截面尺寸大于下端的截面尺寸，以能有效避免阻力型叶片33产生的涡流对垂直尾翼5造成扰动。
52.进一步地，垂直尾翼5通过尾翼连接杆7固接于支撑架1的底端，且尾翼连接杆7连
接于垂直尾翼5的中上部。
53.可选地，请参见图2，原位发电装置还包括法兰盘6，浮子组件2通过法兰盘6连接于发电机组件4的电机轴41。具体地，法兰盘6套设于电机轴41上，浮子组件2固接于法兰盘6。
54.本实施例还提供了一种水下供用电系统，该水下供用电系统包括用电装置及上述的原位发电装置。其中，原位发电装置的支撑架1连接于用电装置，以实现原位发电装置与用电装置的一体化，实现了一体化供电，此时，原位发电装置可以安装或不安装垂直尾翼。
55.以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种原位发电装置，其特征在于，设置于水下，所述原位发电装置包括：支撑架(1)；浮子组件(2)，固设于所述支撑架(1)的一端，且所述浮子组件(2)具有通孔(21)；叶轮组件(3)，固设于所述支撑架(1)上，所述叶轮组件(3)能够在水流的作用下转动；发电机组件(4)，安装于所述支撑架(1)上并连接于所述叶轮组件(3)，所述叶轮组件(3)转动能够驱动所述发电机组件(4)发电，所述发电机组件(4)的输出线穿过所述通孔(21)。2.根据权利要求1所述的原位发电装置，其特征在于，所述浮子组件(2)呈扁球状。3.根据权利要求1所述的原位发电装置，其特征在于，所述叶轮组件(3)设有两组，两组所述叶轮组件(3)沿所述支撑架(1)的长度方向间隔设置，所述发电机组件(4)位于两组所述叶轮组件(3)之间，且所述发电机组件(4)与两组所述叶轮组件(3)分别连接。4.根据权利要求3所述的原位发电装置，其特征在于，一组所述叶轮组件(3)的安装角度与另一组所述叶轮组件(3)的安装角度的差值为90度。5.根据权利要求1-4任一项所述的原位发电装置，其特征在于，所述叶轮组件(3)包括上端盖(31)、下端盖(32)及三个相互连接的阻力型叶片(33)，三个所述阻力型叶片(33)均连接于所述上端盖(31)和所述下端盖(32)之间。6.根据权利要求5所述的原位发电装置，其特征在于，所述阻力型叶片(33)的横截面形状呈“s”形。7.根据权利要求1-4任一项所述的原位发电装置，其特征在于，还包括固接于所述支撑架(1)的垂直尾翼(5)，所述垂直尾翼(5)的延伸方向平行于支撑架(1)的长度方向。8.根据权利要求1-4任一项所述的原位发电装置，其特征在于，还包括法兰盘(6)，所述浮子组件(2)通过所述法兰盘(6)连接于所述发电机组件(4)的电机轴(41)。9.根据权利要求1-4任一项所述的原位发电装置，其特征在于，所述发电机组件(4)包括直驱开放式发电机，所述直驱开放式发电机的转子(42)连接于所述叶轮组件(3)。10.一种水下供用电系统，其特征在于，包括用电装置及权利要求1-9任一项所述的原位发电装置，所述原位发电装置的支撑架(1)连接于所述用电装置。

技术总结
本发明公开了一种原位发电装置及水下供用电系统，其属于发电技术领域，原位发电装置包括支撑架；浮子组件固设于所述支撑架的一端，且所述浮子组件具有通孔；叶轮组件固设于所述支撑架上，所述叶轮组件能够在水流的作用下转动；发电机组件安装于所述支撑架上并连接于所述叶轮组件，所述叶轮组件转动能够驱动所述发电机组件发电，所述发电机组件的输出线穿过所述通孔。本发明提供的原位发电装置及水下供用电系统，不会出现积聚盐碱层的问题，且水流速度相较于风速较小，降低了叶轮组件发生损坏的几率，提高了功能的可靠性和稳定性。提高了功能的可靠性和稳定性。提高了功能的可靠性和稳定性。


技术研发人员：王海峰 王郁泽 赵威 刘腾 曾涛 刘环
受保护的技术使用者：中国科学院江西稀土研究院
技术研发日：2021.12.20
技术公布日：2023/6/27