CN102359431A - 海上综合能源发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了能源开发与利用技术领域中的一种海上综合能源发电系统。包括波浪能转换装置、风能转换装置、海流能转换装置、功率传动箱和直驱发电机；波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置分别与功率传动箱相连；功率传动箱与直驱发电机相连；波浪能转换装置用于将波浪能转换为机械能并输出到功率传动箱；风能转换装置用于将风能转换为机械能并输出到功率传动箱；海流能转换装置用于将海流能转换为机械能并输出到功率传动箱；功率传动箱用于接收波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并将接收的机械能叠加后，驱动直驱发电机发电。本发明解决了现有的海上能源发电系统存在的稳定性差和结构复杂的问题。

Description

海上综合能源发电系统
技术领域
本发明属于能源开发与利用技术领域，尤其涉及一种海上综合能源发电系统。
背景技术
随着气候变暖、环境污染、能源紧张等问题越发严峻，在诸多挑战面前，世界各国都不谋而合地大力发展可再生能源。海洋能源是一种重要的可再生能源，主要包括波浪能、潮汐能、海上风能、海流能、海洋化学能源等，世界各国都对海洋能源的利用进行了研究，出现的海洋能源利用形式已有上千种，但基本上都还是单一能源形式的开发利用。
波浪能利用装置主要有：摆式波能装置、聚波水库装置、Pelamis装置和振荡浮子式波能装置等。其中，摆式波能装置的原理是：在波浪的作用下，通过摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能，然后通过液压缸将摆轴的动能转换成液压泵的动能，再带动发电机发电。这种装置的转换效率较高，但维护较为困难。聚波水库装置的工作原理是：利用喇叭型的收缩波道，波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮存在贮水库中，可用水轮发电机组进行发电。这种装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，建设及维护费用低，出力稳定，但对地形要求相对苛刻，不易推广。英国的Pelamis装置的工作原理是：采用筏式和液压系统，随着波浪运动，浮筒产生相对运动，带动液压油缸工作，进而驱动发电机发电。该装置采用了蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强，装机容量达到750kW，是目前世界上装机容量最大的波浪能装置，但其俘获波浪能的效率不高。振荡浮子式波能装置通过振荡浮子将波浪能转换成驱动液压泵的往复(不稳定)机械能，再通过蓄能稳压系统将不稳定的液压能转换成稳定的液压能，最后通过液压马达驱动电机发电。由于振荡浮子吸收波浪能的效率较高，制造相对简单，因此振荡浮子与液压系统组合的波浪能装置具有良好的发展前景。
对海上风能的利用主要通过海上风力发电机实现。海上风力发电机组从结构上可以分为水平轴式(叶片绕水平轴旋转)和垂直轴式(叶片绕垂直轴旋转)两种：水平轴式风力机是目前应用较广泛的形式，亚洲首座海上风力发电场-东海大桥风电场采用的就是水平轴式风力机；而垂直轴式风力机由于其受风面积小，相应的启动风速较高，因而一直未得到大力发展，近年来国内外的一些科研机构已着力研究垂直轴式风力机的应用。
海流能利用装置从叶轮结构上可以分为垂直轴式(叶轮旋转主轴与水面方向垂直)和水平轴式(水平轴式又可分为叶轮旋转主轴与水流方向平行和垂直)两种。垂直轴式利用水流对叶轮两侧的竖直叶片产生的对旋转轴的扭矩差使得叶轮旋转，由于其主轴两侧叶片同时受水流作用力，此机构的发电效率不高，国内2005年在浙江舟山建造并试验的潮汐电站就采用了该种结构。另一种就是水平轴结构，如“水下风车”就是典型的水平轴海流发电装置，其桨叶结构与风力机相似，水流利用效率相对高一些，但由于潮流的双向特性，必须设计复杂的对水机构才能最大程度捕获其能量，如2003年英国MCT公司研制试验的水平轴式“水下风车”。还有一种就是圆筒型固定挡板式机构，该装置工作时必须半潜于水中，桨叶进水和出水时都要受到水流对它的反向阻力，而且该型结构受涨潮落潮影响很大。
目前，国内外对海洋能的开发利用形式各异，但一般都是对单一能源形式的开发利用。也存在一些对海洋能源的综合利用形式，但一般采用的是最终发电量叠加输出的方式，即传统的多能源联合发电模式。这种利用形式实施比较简单，但由于装置采用了各自独立的发电系统，结构复杂而且可靠性较低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种海上综合能源发电系统，用以解决采用单一能源的海上发电系统缺乏供电稳定性的问题，以及采用多能源的海上发电系统结构复杂且可靠性低的问题。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种海上综合能源发电系统，其特征是所述海上综合能源发电系统包括波浪能转换装置、风能转换装置、海流能转换装置、功率传动箱和直驱发电机；
所述波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置分别与功率传动箱相连；所述功率传动箱通过传动轴与直驱发电机相连；
所述波浪能转换装置用于将波浪能转换为机械能并输出到功率传动箱；
所述风能转换装置用于将风能转换为机械能并输出到功率传动箱；
所述海流能转换装置用于将海流能转换为机械能并输出到功率传动箱；
所述功率传动箱用于接收波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并将波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能叠加后，驱动直驱发电机发电。
所述海上综合能源发电系统还包括测控装置，所述测控装置分别与波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置相连，用于测量风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并根据风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，控制波浪能转换装置输出的机械能。
所述波浪能转换装置包括多个波浪能获取单元、总高压油管、截止溢流阀、储能器、油路开关、可控液压马达、总回油管和第一单向阀；
所述波浪能获取单元包括浮子、浮子臂、摆动式液压缸、出油口单向阀和进油口单向阀，所述浮子与浮子臂的一端固定连接，浮子臂的另一端与摆动式液压缸的转轴连接，摆动式液压缸的油口经液压管路分别与出油口单向阀和进油口单向阀相连；
每个波浪能获取单元的出油口单向阀经液压管路与总高压油管相连，每个波浪能获取单元的进油口单向阀经液压管路与总回油管相连，总高压油管、截止溢流阀、储能器、油路开关、可控液压马达、第一单向阀和总回油管顺序相连；
可控液压马达与波浪能转换装置的输出轴相连，波浪能转换装置的输出轴与功率传动箱相连。
所述风能转换装置包括安装于第一垂直传动轴上的升力型风轮、阻力型风轮、用于固定第一垂直传动轴的第一塔架以及第一塔架底部的平台；
所述阻力型风轮位于升力型风轮的下方以及第一塔架的上方，第一垂直传动轴通过上下两组第一调心滚子轴承以及第一垂直传动轴底部的第一止推轴承分别固定在第一塔架顶部及第一塔架底部的平台上；
所述第一垂直传动轴在第一塔架底部的平台处通过风轮换向机构与风能转换装置的输出轴相连，风能转换装置的输出轴与功率传动箱相连。
所述海流能转换装置包括安装于第二垂直传动轴上的水轮、用于固定第二垂直传动轴的第二塔架以及第二塔架底部的平台；
所述第二垂直传动轴通过上下两组第二调心滚子轴承以及第二垂直传动轴底部的第二止推轴承分别固定在第二塔架顶部及第二塔架底部的平台上；
所述第二垂直传动轴在第二塔架底部的平台处通过水轮换向机构与海流能转换装置的输出轴相连，海流能转换装置的输出轴与功率传动箱相连。
所述功率传动箱包括第一行星差动齿轮、第一叠加功率输出轴、第二行星差动齿轮和第二叠加功率输出轴；
所述第一行星差动齿轮用于根据差动轮系的传动原理，将波浪能转换装置的输出轴和海流能转换装置的输出轴的功率叠加，并通过第一叠加功率输出轴输出；
所述第二行星差动齿轮用于根据差动轮系的传动原理，将风能转换装置的输出轴和第一叠加功率输出轴的功率叠加，并通过第二叠加功率输出轴输出到直驱发电机。
所述测控装置包括风能转换装置的扭矩和转速传感器、海流能转换装置的扭矩和转速传感器以及PLC控制器；
所述PLC控制器分别与风能转换装置的扭矩和转速传感器、海流能转换装置的扭矩和转速传感器和可控液压马达相连；
所述风能转换装置的扭矩和转速传感器与风能转换装置的输出轴相连，用于测量风能转换装置的输出轴的扭矩和转速，并将风能转换装置的输出轴的扭矩和转速送入PLC控制器；
所述海流能转换装置的扭矩和转速传感器与海流能转换装置的输出轴相连，用于测量海流能转换装置的输出轴的扭矩和转速，并将海流能转换装置的输出轴的扭矩和转速送入PLC控制器；
所述PLC控制器用于分别根据风能转换装置的扭矩和转速以及海流能转换装置的扭矩和转速计算风能转换装置的输出功率和海流能转换装置的输出功率，之后根据风能转换装置的输出功率、海流能转换装置的输出功率以及所述海上综合能源发电系统自身的额定功率，计算可控液压马达的目标输出功率，并控制可控液压马达按照目标输出功率进行输出。
本发明将三种能源转换装置整合在一个发电系统中，解决采用单一能源的海上发电系统缺乏供电稳定性的问题；同时，采用功率传动箱叠加三种能源的输出功率，简化了发电系统的结构。
附图说明
图1是海上综合能源发电系统结构示意图；
图2是风能转换装置结构示意图；
图3是海流能转换装置结构示意图；
图4是水轮剖面图；
图5是差动轮系结构图，(a)是第一行星差动齿轮系结构图，(b)是第二行星差动齿轮系结构图；
图6是功率传动箱内部结构示意图；
图中：1-浮子，2-浮子臂，3-摆动式液压缸，4-摆动式液压缸的转轴，5-液压管路，6-出油口单向阀，7-进油口单向阀，8-总高压油管，9-总回油管，10-截止溢流阀，11-储能器，12-油路开关，13-可控液压马达，14-PLC控制器，15-第一单向阀，16-升力型风轮，17-阻力型风轮，18-第一垂直传动轴，19-第一塔架，20-第一塔架底部的平台，21-第一调心滚子轴承，22-第一止推轴承，23-风轮换向机构，24-风能转换装置的输出轴，25-功率传动箱，26-水轮，27-第二垂直传动轴，28-第二塔架，29-第二塔架底部的平台，30-第二调心滚子轴承，31-第二止推轴承，32-水轮换向机构，33-海流能转换装置的输出轴，34-风能转换装置的扭矩和转速传感器，35-海流能转换装置的扭矩和转速传感器，36-波浪能转换装置的输出轴，37-水轮底部固定盘，38-S形水轮机的叶片，39-S形水轮机的支撑轴，40-第一行星差动齿轮，41-第一叠加功率输出轴，42-第二行星差动齿轮，43-第二叠加功率输出轴，44-直驱发电机。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明提供的海上综合能源发电系统包括波浪能转换装置、风能转换装置、海流能转换装置、功率传动箱和直驱发电机。波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置分别与功率传动箱相连；功率传动箱通过传动轴与直驱发电机相连。
波浪能转换装置用于将波浪能转换为机械能并输出到功率传动箱，风能转换装置用于将风能转换为机械能并输出到功率传动箱，海流能转换装置用于将海流能转换为机械能并输出到功率传动箱，功率传动箱用于接收波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并将波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能叠加后，驱动直驱发电机发电。
海上综合能源发电系统还包括测控装置，测控装置分别与波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置相连，用于测量风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并根据风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，控制波浪能转换装置输出的机械能。
图1是海上综合能源发电系统结构示意图，图1中，波浪能转换装置包括多个波浪能获取单元、总高压油管8、截止溢流阀10、储能器11、油路开关12、可控液压马达13、总回油管9和第一单向阀15。其中，波浪能获取单元包括浮子1、浮子臂2、摆动式液压缸3、出油口单向阀6和进油口单向阀7。浮子1与浮子臂2的一端固定连接，浮子臂2的另一端与摆动式液压缸3的转轴连接，摆动式液压缸3的油口经液压管路5分别与出油口单向阀6和进油口单向阀7相连。每个波浪能获取单元的出油口单向阀6经液压管路5与总高压油管8相连，每个波浪能获取单元的进油口单向阀7经液压管路5与总回油管9相连，总高压油管8、截止溢流阀10、储能器11、油路开关12、可控液压马达13、第一单向阀15和总回油管9顺序相连。可控液压马达13与波浪能转换装置的输出轴36相连，波浪能转换装置的输出轴36与功率传动箱25相连。
储能器11位于摆动式液压缸3与可控液压马达13之间的液压管路上，用于吸收瞬变波浪变化引起的压力和流量的波动，在波浪大时储存多余的能量，波浪小时释放能量，用于平衡波浪较小时造成的发电系统的功率下降。浮子1可以采用半球体空心浮筒。浮子臂2在浮子1的作用下做小角度摆动，并带动摆动式液压缸3的摆动轴转动，排出高压的液压油，实现机械能-液压能的转化。半球形浮子采用阵列型结构布置，在安装波浪能转换装置的平台两侧的钢架上分别布置多个浮子，使得在一定空间内可以尽多地布置浮子个数，各个浮子对应液压缸输出的高压油在总高压油管汇集后最终输送至可控液压马达做功。
为了保护储能器11及下游的设备，在储能器11前安装有截止溢流阀10，截止溢流阀10的功能是控制摆动式液压缸3卸载和加载高压液油，当摆动式液压缸3输出压力较大、达到储能器11的安全压力时，截止溢流阀10开启，摆动式液压缸3卸载高压液油，高压液油会通过截止溢流阀10流回油箱；当油压降低到安全压力的85％时，截止溢流阀10关闭，摆动式液压缸3恢复向储能器11充液，实现向摆动式液压缸3加载高压液油。此外，截止溢流阀10内安装有单向阀，以防止储能器11中的高压液油倒流。
风能转换装置包括安装于第一垂直传动轴18上的升力型风轮16、阻力型风轮17、用于固定第一垂直传动轴18的第一塔架19以及第一塔架底部的平台20。图2是风能转换装置结构示意图，图2中，阻力型风轮17位于升力型风轮16的下方以及第一塔架19的上方，第一垂直传动轴18通过上下两组第一调心滚子轴承21以及第一垂直传动轴18底部的第一止推轴承22分别固定在第一塔架19顶部及第一塔架底部的平台20上。第一垂直传动轴18在第一塔架底部的平台20处通过风轮换向机构23与风能转换装置的输出轴24相连，风能转换装置的输出轴24与功率传动箱25相连。
海流能转换装置包括安装于第二垂直传动轴27上的水轮26、用于固定第二垂直传动轴27的第二塔架28以及第二塔架底部的平台29。图3是海流能转换装置结构示意图，图3中，第二垂直传动轴27通过上下两组第二调心滚子轴承30以及第二垂直传动轴底部的第二止推轴承31分别固定在第二塔架28顶部及第二塔架底部的平台29上。第二垂直传动轴27在第二塔架底部的平台29处通过水轮换向机构32与海流能转换装置的输出轴33相连，海流能转换装置的输出轴33与功率传动箱25相连。
海流能转换装置的水轮浸在海水中，图4是水轮剖面图，图4中，本发明的水轮优选采用S形水轮，S形水轮机的叶片38在水流的带动下围绕S形水轮机的支撑轴39转动，S形水轮机的支撑轴39固定在水轮底部固定盘37上。
图5是差动轮系结构图，(a)是第一行星差动齿轮系结构图，(b)是第二行星差动齿轮系结构图。图5中，功率传动箱25包括第一行星差动齿轮40、第一叠加功率输出轴41、第二行星差动齿轮42和第二叠加功率输出轴43。第一行星差动齿轮40用于根据差动轮系的传动原理，将波浪能转换装置的输出轴和海流能转换装置的输出轴的功率叠加，并通过第一叠加功率输出轴41输出。第二行星差动齿轮42用于根据差动轮系的传动原理，将风能转换装置的输出轴24和第一叠加功率输出轴41的功率叠加，并通过第二叠加功率输出轴43输出到直驱发电机。图6是功率传动箱内部结构示意图，图6反映出了第一行星差动齿轮系与第二行星差动齿轮系的位置连接关系。
本发明提供的发电系统还可以包括测控装置，用于自动调节海浪能的输出功率。测控装置包括风能转换装置的扭矩和转速传感器、海流能转换装置的扭矩和转速传感器以及PLC控制器。
如图1所示，PLC控制器14分别与风能转换装置的扭矩和转速传感器34、海流能转换装置的扭矩和转速传感器35和可控液压马达13相连。风能转换装置的扭矩和转速传感器34与风能转换装置的输出轴24相连，用于测量风能转换装置的输出轴的扭矩和转速，并将风能转换装置的输出轴24的扭矩和转速送入PLC控制器14。
海流能转换装置的扭矩和转速传感器35与海流能转换装置的输出轴33相连，用于测量海流能转换装置的输出轴33的扭矩和转速，并将海流能转换装置的输出轴33的扭矩和转速送入PLC控制器14。
PLC控制器14用于分别根据风能转换装置的扭矩和转速以及海流能转换装置的扭矩和转速计算风能转换装置的输出功率和海流能转换装置的输出功率，之后根据风能转换装置的输出功率、海流能转换装置的输出功率以及所述海上综合能源发电系统自身的额定功率，计算可控液压马达的目标输出功率，并控制可控液压马达按照目标输出功率进行输出，从而使整个发电系统运行在自身的额定功率附近。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种海上综合能源发电系统，其特征是所述海上综合能源发电系统包括波浪能转换装置、风能转换装置、海流能转换装置、功率传动箱和直驱发电机；
所述波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置分别与功率传动箱相连；所述功率传动箱通过传动轴与直驱发电机相连；
所述波浪能转换装置用于将波浪能转换为机械能并输出到功率传动箱；
所述风能转换装置用于将风能转换为机械能并输出到功率传动箱；
所述海流能转换装置用于将海流能转换为机械能并输出到功率传动箱；
所述功率传动箱用于接收波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并将波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能叠加后，驱动直驱发电机发电。
2.根据权利要求1所述的一种海上综合能源发电系统，其特征是所述海上综合能源发电系统还包括测控装置，所述测控装置分别与波浪能转换装置、风能转换装置和海流能转换装置相连，用于测量风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，并根据风能转换装置和海流能转换装置输出的机械能，控制波浪能转换装置输出的机械能。
3.根据权利要求2所述的一种海上综合能源发电系统，其特征是所述波浪能转换装置包括多个波浪能获取单元、总高压油管、截止溢流阀、储能器、油路开关、可控液压马达、总回油管和第一单向阀；
所述波浪能获取单元包括浮子、浮子臂、摆动式液压缸、出油口单向阀和进油口单向阀，所述浮子与浮子臂的一端固定连接，浮子臂的另一端与摆动式液压缸的转轴连接，摆动式液压缸的油口经液压管路分别与出油口单向阀和进油口单向阀相连；
每个波浪能获取单元的出油口单向阀经液压管路与总高压油管相连，每个波浪能获取单元的进油口单向阀经液压管路与总回油管相连，总高压油管、截止溢流阀、储能器、油路开关、可控液压马达、第一单向阀和总回油管顺序相连；
可控液压马达与波浪能转换装置的输出轴相连，波浪能转换装置的输出轴与功率传动箱相连。
4.根据权利要求3所述的一种海上综合能源发电系统，其特征是所述风能转换装置包括安装于第一垂直传动轴上的升力型风轮、阻力型风轮、用于固定第一垂直传动轴的第一塔架以及第一塔架底部的平台；
所述阻力型风轮位于升力型风轮的下方以及第一塔架的上方，第一垂直传动轴通过上下两组第一调心滚子轴承以及第一垂直传动轴底部的第一止推轴承分别固定在第一塔架顶部及第一塔架底部的平台上；
所述第一垂直传动轴在第一塔架底部的平台处通过风轮换向机构与风能转换装置的输出轴相连，风能转换装置的输出轴与功率传动箱相连。
5.根据权利要求4所述的一种海上综合能源发电系统，其特征是所述海流能转换装置包括安装于第二垂直传动轴上的水轮、用于固定第二垂直传动轴的第二塔架以及第二塔架底部的平台；
所述第二垂直传动轴通过上下两组第二调心滚子轴承以及第二垂直传动轴底部的第二止推轴承分别固定在第二塔架顶部及第二塔架底部的平台上；
所述第二垂直传动轴在第二塔架底部的平台处通过水轮换向机构与海流能转换装置的输出轴相连，海流能转换装置的输出轴与功率传动箱相连。
6.根据权利要求5所述的一种海上综合能源发电系统，其特征是所述功率传动箱包括第一行星差动齿轮、第一叠加功率输出轴、第二行星差动齿轮和第二叠加功率输出轴；
所述第一行星差动齿轮用于根据差动轮系的传动原理，将波浪能转换装置的输出轴和海流能转换装置的输出轴的功率叠加，并通过第一叠加功率输出轴输出；
所述第二行星差动齿轮用于根据差动轮系的传动原理，将风能转换装置的输出轴和第一叠加功率输出轴的功率叠加，并通过第二叠加功率输出轴输出到直驱发电机。
7.根据权利要求5所述的一种海上综合能源发电系统，其特征是所述测控装置包括风能转换装置的扭矩和转速传感器、海流能转换装置的扭矩和转速传感器以及PLC控制器；
所述PLC控制器分别与风能转换装置的扭矩和转速传感器、海流能转换装置的扭矩和转速传感器和可控液压马达相连；
所述风能转换装置的扭矩和转速传感器与风能转换装置的输出轴相连，用于测量风能转换装置的输出轴的扭矩和转速，并将风能转换装置的输出轴的扭矩和转速送入PLC控制器；
所述海流能转换装置的扭矩和转速传感器与海流能转换装置的输出轴相连，用于测量海流能转换装置的输出轴的扭矩和转速，并将海流能转换装置的输出轴的扭矩和转速送入PLC控制器；
所述PLC控制器用于分别根据风能转换装置的扭矩和转速以及海流能转换装置的扭矩和转速计算风能转换装置的输出功率和海流能转换装置的输出功率，之后根据风能转换装置的输出功率、海流能转换装置的输出功率以及所述海上综合能源发电系统自身的额定功率，计算可控液压马达的目标输出功率，并控制可控液压马达按照目标输出功率进行输出。
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