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专利号: 2019103362276
申请人: 曲阜师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-04-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种风力磁悬浮垂直轴海水淡化系统,其特征是,包括支撑平台、垂直轴风力机、机械传动装置、高压泵、混合储能、反渗透膜组、淡水罐、变流器部分等组成;所述支撑平台为垂直轴风力机、高压泵、混合储能、淡水罐、反渗透膜组件提供支撑;所述垂直轴风力机包括风机桨叶、风机旋转体、塔架及磁悬浮盘式电机,所述风机桨叶采用三层梯形结构,包括1个轴向桨叶,6个径向桨叶,全方位捕获风能;所述风机旋转体为流线型结合的上下两圆柱体结构,上圆柱体为小直径顶端封闭、内部中空的结构,顶端由塔架支撑,下圆柱体结构为大直径中空盘式结构,底端设置外齿太阳轮,所述太阳轮按等分原则设置4个气隙传感器;所述磁悬浮盘式电机包括轴向放置的定子绕组和悬浮绕组,所述定子绕组为固定在塔架上的三相交流绕组和铁芯,所述悬浮绕组为固定在风机旋转体底部的直流励磁和铁芯,等分为4个悬浮绕组,使风机旋转体作轴向悬浮和径向旋转两自由度运动;所述机械传动装置包括盘式支撑体、变速齿轮及电磁离合器,所述盘式支撑体按照等分原则设置4组内嵌轴承的变速齿轮,所述变速齿轮与风机旋转体太阳轮啮合,变速齿轮输出中轴设置电磁离合器,所述电磁离合器输出轴和高压泵驱动轴相联,电磁离合器吸合控制高压泵投切台数;所述混合储能包括蓄电池和高压罐两种储能形式,所述蓄电池储存盘式电机定子绕组转化的超过高压泵功率的高频风速波动能量,所述高压罐储存高压泵提升海水,内有液位传感器,立式放置制造自然高度差和海水淡化压力;所述反渗透膜前端设置进水阀和压力传感器,下侧设置苦盐水排出阀,两阀协同调控反渗透膜淡化压力;所述变流器部分包括捕获变流器、悬浮变流器、蓄电池变流器,所述捕获变流器为三相双向PWM变流器,所述蓄电池变流器为BUCK-BOOST变流器,两变流器协同控制盘式电机电动机和发电机状态及其电磁转矩,实施风能捕获,对蓄电池充放电;因风速、高压罐内液位不同,系统存在悬浮电驱海水淡化、悬浮捕获海水淡化、阻尼额定转速海水淡化和停机海水淡化等四种工作模式。

2.一种如权利要求1所述的风力磁悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法,其特征在于,采用如下步骤:

步骤1,四点悬浮起动:首先悬浮准备,调节四个悬浮变流器输出电流if(i),其中i=1,2,

3,4,对应四个悬浮绕组,逐渐增大盘式电机定子绕组和悬浮绕组之间电磁吸力fe(i),直至四个电磁吸力和fe(1)+ fe(2)+ fe(3)+ fe(4)=mg,mg为风机旋转体重力;接着风机旋转体悬浮起动,设定四点悬浮气隙参考δref,四个悬浮变流器根据四点处实测悬浮气隙δ(i),分别求取各悬浮绕组的气隙误差e(i)=δref-δ(i),在比例积分微分PID调节器作用下,产生悬浮电流主参考if0*(i),进而根据四个悬浮气隙误差e(i),计算四点悬浮气隙同步误差E(i)=

2e(i)-e(i+1)-e(i-1),在比例微分控制器作用下,获取四点悬浮同步误差补偿电流参考if1*(i),进而给出四个悬浮绕组励磁电流总参考为if*(i)= if0*(i)+ if1*(i),将四个悬浮绕组励磁电流参考if*(i)送至对应的悬浮变流器,产生含同步误差补偿的四点悬浮电磁吸力fe(i),将风机旋转体稳定悬浮在悬浮气隙δref处;

步骤2,悬浮电驱海水淡化:当风速Vw<起动风速Vin,风机桨叶顺桨,此时以满足淡水需求为目标海水淡化,根据淡水需求量Fsum、膜单组件额定淡化流量fw、淡化效率η以及高压泵额定流量QbN,计算高压泵数量N1=floor(Fsum/(ηQbN)),其中ceil和floor分别为向上取整函数和向下取整函数;控制电磁离合器的吸合和反渗透膜组件进水阀,投切高压泵和反渗透膜组件,高压罐反渗透膜组件高效工作液位范围为[Hmin,Hmax],以Href= Hmin+0.5 ( Hmax- Hmin)为参考,基于高压罐内液位传感器实测的H,求取高压罐内液位偏差e= Href-H,此时盘式电机和捕获变流器分别工作在电动机和逆变器工作状态,采用转子磁链定向策略,将定子电流解耦成转矩电流iq和励磁电流id,基于液位偏差e和比例积分微分PID调节器,产生盘式电机转矩电流参考iqref,设置idref=0,进而调控盘式电机的电磁转矩TM,风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行,在风机旋转体驱动下,变频驱动高压泵提水,使高压罐海水液位保持Href,实现投入的反渗透膜组件高效淡化,满足淡水需要;

步骤3,悬浮捕获海水淡化:当风速Vw满足Vin

步骤4,阻尼额定转速海水淡化:当风速Vw满足VN

步骤5,停机海水淡化:若风速Vw大于Vout,此时顺桨停机,捕获变流器、盘式电机以及高压泵全部停机, N1=0,根据泵膜确定算法,采用电磁离合器将高压泵全部关停,进水阀控制反渗透膜组件的投入数量NRO,以满足淡水需求为目标,海水淡化。

3.根据权利要求2所述的风力磁悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法,其特征在于,所述泵膜确定算法为:高压罐反渗透膜组件高效工作液位范围为[Hmin,Hmax],当液位传感器实测液位HHmax时高压泵数量N=0,同时根据淡水需求量Fsum、膜单组件额定淡化流量fw,计算反渗透膜组件数量NRO=ceil(Fsum/fw);

当Hmax≧H≧Hmin时,首选根据淡水需求量Fsum、淡化效率η以及高压泵额定流量QbN,计算高压泵数量N1=floor(Fsum/(ηQbN)),其中ceil和floor分别为向上取整函数和向下取整函数,接着按照N=min(N1,N2)确定最终高压泵数量,按照NRO=ceil(Fsum/fw)计算反渗透膜组件数量。

4.根据权利要求2所述的风力磁悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法,其特征在于,所述风机旋转体的运动方程Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为:

、 和 ,

式中,ω为风机旋转体角速度;Tw为风机捕获转矩,TM为所述盘式电机电磁转矩,Tb为所述高压泵转矩,J为所述风机旋转体转动惯量,Tf为摩擦阻力矩,N为投入的高压泵数量。