CN102767485A - 一种海上风浪综合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电力和新能源技术领域中的一种海上风浪综合发电系统。包括风能转换子系统、波浪能转换子系统、液压能转换子系统和电能输出子系统；风能转换子系统和波浪能转换子系统分别与液压能转换子系统相连，液压能转换子系统与电能输出子系统相连；波浪能转换子系统用于将波浪能转换成机械能；风能转换子系统用于将风能转换成机械能；液压能转换子系统用于将风能转换子系统和波浪能转换子系统传递的机械能转换为液压能，并通过液压能输出电能；电能输出子系统用于将液压能输出电能叠加，并将叠加后的电能处理后为负载供电。本发明克服了单一装置发电不稳定的缺陷，同时解决了多能源联合发电模式存在的问题。

Description

一种海上风浪综合发电系统
技术领域
本发明属于电力和新能源技术领域，尤其涉及一种海上风浪综合发电系统。
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，其中海上风能、波浪能均是储量丰富、最具开发潜力与价值的海洋能源之一，世界各国都集中对这两种海洋能源的开发利用进行了研究。利用形式已有上千种，但基本上都还是海上风能或波浪能单独的能源形式的开发利用，由于海洋能源有典型的不稳定性和分散性，单一的海洋能源利用装置大都存在着投资大、规模小、获益能力低以及输出功率不稳定等诸多缺陷，严重制约了海洋能源利用产业的快速发展。
虽然目前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。
综上所述，综合利用海上风能与波浪能互补发电，研究开发新的储能技术，使得这两种海洋能转变成稳定的、可直接并网或者可直接被用户、其它负载使用的优质电能，对缓解我国东部沿海特别是海岛地区的能源紧张问题，对优化我国能源结构、促进清洁能源开发、应对气候变化、发展低碳经济等具有重要的战略意义。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种海上风浪综合发电系统，综合利用海上风能与多点波浪能互补发电，用以解决采用单一能源的海上发电系统缺乏供电稳定性以及传统的多能源联合发电模式存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述系统包括：风能转换子系统、波浪能转换子系统、液压能转换子系统和电能输出子系统；其中，风能转换子系统和波浪能转换子系统分别与液压能转换子系统相连，液压能转换子系统与电能输出子系统相连；
所述波浪能转换子系统用于将波浪能转换成机械能并传递到液压能转换子系统；
所述风能转换子系统用于将风能转换成机械能并传递到液压能转换子系统；
所述液压能转换子系统用于将风能转换子系统和波浪能转换子系统传递的机械能转换为液压能，并通过液压能输出电能；
电能输出子系统用于将液压能输出电能叠加，并将叠加后的电能处理后为负载供电。
所述波浪能转换子系统包括第一波浪能获取单元和第二波浪能获取单元，每个波浪能获取单元包括3个波浪能获取装置，并且3个波浪能获取装置均匀布置在一个波浪波长内；
每个波浪能获取装置包括：浮子、浮子臂、液压缸、液压缸出油口单向阀和液压缸进油口单向阀；
所述浮子与浮子臂的一端固定连接，浮子臂的另一端与液压缸的活塞杆连接，液压缸经液压管路分别与液压缸出油口单向阀和液压缸进油口单向阀相连。
所述风能转换子系统包括风轮、垂直轴、转换机构、支撑塔、水平传动轴、恒压变量泵、恒压变量泵进油口单向阀和恒压变量泵出油口单向阀；其中，所述风轮、垂直轴、转换机构、水平传动轴和恒压变量泵顺次相连，所述恒压变量泵进油口单向阀和恒压变量泵出油口单向阀分别通过液压管路与恒压变量泵相连；
所述风轮用于采集风能；
所述垂直轴用于将风能转换为机械能；
所述支撑塔用于支撑风轮和垂直轴；
所述转换机构用于将垂直轴的机械能转换为水平传动轴的机械能；
所述水平传动轴用于将水平传动轴的机械能输出到恒压变量泵，并驱动恒压变量泵做功；
所述恒压变量泵用于将机械能转换为液压能并传递到液压能转换子系统。
所述液压能转换子系统由第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元、第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元、风能转换子系统输出的机械能转换单元和油箱组成；
所述第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元包括第一四通阀、第一进油管、第一卸荷溢流阀、第一蓄能器、第一调速阀、第一液压变量马达和第一回油管；
所述第一四通阀、第一进油管、第一卸荷溢流阀、第一蓄能器、第一调速阀、第一液压变量马达和第一回油管顺次相连；
所述第一四通阀与第一波浪能获取单元的液压缸出油口单向阀相连；
所述第一回油管与油箱相连；
所述第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元包括第二四通阀、第二进油管、第二卸荷溢流阀、第二蓄能器、第二调速阀、第二液压变量马达和第二回油管；
所述第二四通阀、第二进油管、第二卸荷溢流阀、第二蓄能器、第二调速阀、第二液压变量马达和第二回油管顺次相连；
所述第二四通阀与第二波浪能获取单元的液压缸出油口单向阀相连；
所述第二回油管与油箱相连；
所述风能转换子系统输出的机械能转换单元包括第三进油管、第三卸荷溢流阀、第三蓄能器、第三调速阀、第三液压变量马达和第三回油管；
所述第三进油管、第三卸荷溢流阀、第三蓄能器、第三调速阀、第三液压变量马达和第三回油管顺次相连；
所述第三进油管与恒压变量泵出油口单向阀相连；
所述第三回油管与油箱相连；
所述油箱分别与第一波浪能获取单元的液压缸进油口单向阀、第二波浪能获取单元的液压缸进油口单向阀和恒压变量泵进油口单向阀相连；
所述第一液压变量马达、第二液压变量马达和第三液压变量马达串联连接。
所述电能输出子系统包括顺次相连的直驱发电机、整流模块和逆变模块，所述直驱发电机与第三液压变量马达相连。
所述海上风浪综合发电系统还包括液压变量马达转速控制子系统，用于控制所有液压变量马达同轴旋转，驱动直驱式发电机输出电能。
所述蓄能器包括用于自动储存和释放能量的截止阀、安全阀和溢流阀。
本发明采用两种能量搜集装置，其中波浪能多点搜集，以三个波浪能转换装置为一个单元，使波浪能发出的电能更加稳定；此外，三个液压回路驱动三个液压马达同轴转动，使电机负载端输出的功率更高，稳定性也显著提高，总体上效能最佳，克服了单一装置发电不稳定的缺陷，并解决传统的多能源联合发电模式存在的缺陷。
附图说明
图1是本发明提供的海上风浪综合发电系统整体结构图；
图2是风能转换子系统结构图；
图3是第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元工作原理图；
图4是电能输出子系统工作原理图；
图中，1-风轮，2-垂直轴，3-转换机构，4-支撑塔，5-水平传动轴，6-恒压变量泵，7-恒压变量泵进油口单向阀，8-恒压变量泵出油口单向阀，9-第三进油管，10-第三卸荷溢流阀，11-第三蓄能器，12-第三调速阀，13-第三液压变量马达，14-第三回油管，15-浮子，16-浮子臂，17-液压缸，18-液压缸出油口单向阀，19-液压缸进油口单向阀，20-第一四通阀，21-第一进油管，22-第一卸荷溢流阀，23-第一蓄能器，24-第一调速阀，25-第一液压变量马达，26-第一回油管，27-油箱，28-第二四通阀，29-第二进油管，30-第二卸荷溢流阀，31-第二蓄能器，32-第二调速阀，33-第二液压变量马达，34-第二回油管，35-直驱发电机，36-整流模块，37-逆变模块。
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。
本发明提供的海上风浪综合发电系统包括：风能转换子系统、波浪能转换子系统、液压能转换子系统和电能输出子系统。其中，风能转换子系统和波浪能转换子系统分别与液压能转换子系统相连，液压能转换子系统与电能输出子系统相连。波浪能转换子系统用于将波浪能转换成机械能并传递到液压能转换子系统。风能转换子系统用于将风能转换成机械能并传递到液压能转换子系统。液压能转换子系统用于将风能转换子系统和波浪能转换子系统传递的机械能转换为液压能，并通过液压能输出电能。电能输出子系统用于将液压能输出电能叠加，并将叠加后的电能处理后为负载供电。
图1是本发明提供的海上风浪综合发电系统整体结构图。图1中，风能转换子系统包括风轮1、垂直轴2、转换机构3、支撑塔4、水平传动轴5、恒压变量泵6、恒压变量泵进油口单向阀7和恒压变量泵出油口单向阀8。其中，风轮1、垂直轴2、转换机构3、水平传动轴5和恒压变量泵6顺次相连，恒压变量泵进油口单向阀7和恒压变量泵出油口单向阀8分别通过液压管路与恒压变量泵6相连。风轮1用于采集风能，垂直轴2用于将风能转换为机械能，支撑塔4用于支撑风轮1和垂直轴2，转换机构3用于将垂直轴2的机械能转换为水平传动轴5的机械能，水平传动轴5用于将水平传动轴5的机械能输出到恒压变量泵6，并驱动恒压变量泵6做功，恒压变量泵6用于将机械能转换为液压能并传递到液压能转换子系统。
波浪能转换子系统包括第一波浪能获取单元和第二波浪能获取单元，每个波浪能获取单元包括3个波浪能获取装置，并且3个波浪能获取装置均匀布置在一个波浪波长内。每个波浪能获取装置包括：浮子15、浮子臂16、液压缸17、液压缸出油口单向阀18和液压缸进油口单向阀19。浮子15与浮子臂16的一端固定连接，浮子臂16的另一端与液压缸17的活塞杆连接，液压缸17经液压管路分别与液压缸出油口单向阀18和液压缸进油口单向阀19相连。
液压能转换子系统由第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元、第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元、风能转换子系统输出的机械能转换单元和油箱27组成。
第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元包括第一四通阀20、第一进油管21、第一卸荷溢流阀22、第一蓄能器23、第一调速阀24、第一液压变量马达25和第一回油管26。第一四通阀20、第一进油管21、第一卸荷溢流阀22、第一蓄能器23、第一调速阀24、第一液压变量马达25和第一回油管26顺次相连。第一四通阀20与第一波浪能获取单元的液压缸出油口单向阀18相连，第一回油管26与油箱27相连。油箱27与第一波浪能获取单元的液压缸进油口单向阀19相连。第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元用于将第一波浪能转换子系统输出的机械能转换为液压能并驱动第一液压变量马达25转动。其工作原理是，当波浪摆动时，浮子15在波浪的作用下做上下运动，带动浮子臂16摆动，浮子臂16则带动液压缸17的活塞杆做上下往复运动。液压缸17通过出油管经过液压缸出油口单向阀18向第一四通阀22排出高压液压油。同一个波浪能转换子系统的另外两个波浪能获取装置排出的高压液压油在第一四通阀20处汇流，汇流后的高压液压油再经过第一进油管21、第一卸荷溢流阀22、第一蓄能器23和第一调速阀24后，驱动液压变量马达25做功后，经回油管26，液压油流至油箱27。油箱27中的液压油经液压缸进油口单向阀19流回液压缸17，完成一个液压循环。
第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元包括第二四通阀28、第二进油管29、第二卸荷溢流阀30、第二蓄能器31、第二调速阀32、第二液压变量马达33和第二回油管34。第二四通阀28、第二进油管29、第二卸荷溢流阀30、第二蓄能器31、第二调速阀32、第二液压变量马达33和第二回油管34顺次相连。第二四通阀28与第二波浪能获取单元的液压缸出油口单向阀18相连，第二回油管34与油箱27相连。油箱27与第二波浪能获取单元的液压缸进油口单向阀19相连。第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元用于将第二波浪能转换子系统输出的机械能转换为液压能并驱动第二液压变量马达33转动。其工作原理与第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元的工作原理相同，在这里不再赘述。
风能转换子系统输出的机械能转换单元包括第三进油管9、第三卸荷溢流阀10、第三蓄能器11、第三调速阀12、第三液压变量马达13和第三回油管14。第三进油管9、第三卸荷溢流阀10、第三蓄能器11、第三调速阀12、第三液压变量马达13和第三回油管14顺次相连。第三进油管9与恒压变量泵出油口单向阀8相连，第三回油管14与油箱27相连，油箱27与恒压变量泵进油口单向阀7相连。风能转换子系统输出的机械能转换单元用于将风能转换子系统输出的机械能转换为液压能并驱动第三液压变量马达13转动。其工作原理是，风轮1在来风的作用下带动垂直轴2旋转，垂直轴2在转换机构3的作用下，带动水平传动轴5转动，水平传动轴5进而带动恒压变量泵6做功，排出高压的液压油经通过恒压变量泵出油口单向阀8后，经第三进油管9、第三卸荷溢流阀10、第三蓄能器11和第三调速阀12，推动液压变量马达13做功。而后，液压油经第三回油管14流至油箱27，油箱27中的液压油再经恒压变量泵进油口单向阀7流回恒压变量泵6，完成一个液压循环。
第一液压变量马达、第二液压变量马达和第三液压变量马达串联连接并同轴旋转，驱动直驱发电机35输出电能。直驱发电机35发出的电能再经过整流模块36和逆变模块37的整流和逆变后，联动负载及电网使得负载工作或者通过海底电缆传送至岸边进行并网。
图2是风能转换子系统结构图。图2中，风轮1通过底部螺栓组固定在平台上，当来风吹过风轮1时，会产生推动风轮1转动的切向力，这就是风机的工作原理。风轮1吸收的能量通过垂直轴2传递至平台底部，然后经过一个转换机构3将能量转化成水平传动轴5旋转的机械能。水平传动轴5与恒压变量泵6连接。
图3是第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元工作原理图。图3中，本发明的波浪能获取单元包括3个波浪能获取装置，每个波浪能获取装置包括一个液压缸17，三个液压缸排出的液压油汇流于第一四通阀20，经第一进油管21、第一卸荷溢流阀22、第一蓄能器23、第一调速阀24后推动液压变量马达25旋转做功，做完功的液压油经回油管26流至油箱27，再经液压缸进油口单向阀19流至各个液压缸17，形成一个完整的循环。
图4是电能输出子系统工作原理图。图4中，液压变量马达25、液压变量马达33和液压变量马达13同轴旋转做功后驱动直驱发电机35发电，电能首先经过整流模块36转变为直流电，然后在经过逆变和升压模块37后转变为频率为50Hz、电压为380v的标准工业用电，然后输送给负载实现电力传输。
本发明提供的海上风浪综合发电系统还包括液压变量马达转速控制子系统，该子系统由阀门控制装置、变量马达排量调节装置和电气端负载控制装置三部分组成。三个液压变量马达同轴旋转，驱动同一轴上的直驱式电机输出电能。阀门控制装置用于控制液压变量马达进油口处液压油的压力和排量，变量马达排量调节装置用于通过调节马达的排量来确保马达的转速维持稳定，电气端负载控制装置用于控制马达的转速不变。
本发明提供的海上风浪综合发电系统中的第一蓄能器23、第一蓄能器31和第三蓄能器11包括截止阀、安全阀和溢流阀，具有自动储存和释放能量的功能。当波浪波变化或风速变化引起液压油的压力和流量变大导致输入功率增大时，蓄能器储存多余的能量；当波浪波高变化或风速变化引起液压油的压力和流量变小导致输入功率降低时，蓄能器释放多余的能量。
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)

1.一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述系统包括：风能转换子系统、波浪能转换子系统、液压能转换子系统和电能输出子系统；其中，风能转换子系统和波浪能转换子系统分别与液压能转换子系统相连，液压能转换子系统与电能输出子系统相连；
所述波浪能转换子系统用于将波浪能转换成机械能并传递到液压能转换子系统；
所述风能转换子系统用于将风能转换成机械能并传递到液压能转换子系统；
所述液压能转换子系统用于将风能转换子系统和波浪能转换子系统传递的机械能转换为液压能，并通过液压能输出电能；
电能输出子系统用于将液压能输出电能叠加，并将叠加后的电能处理后为负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述波浪能转换子系统包括第一波浪能获取单元和第二波浪能获取单元，每个波浪能获取单元包括3个波浪能获取装置，并且3个波浪能获取装置均匀布置在一个波浪波长内；
每个波浪能获取装置包括：浮子、浮子臂、液压缸、液压缸出油口单向阀和液压缸进油口单向阀；
所述浮子与浮子臂的一端固定连接，浮子臂的另一端与液压缸的活塞杆连接，液压缸经液压管路分别与液压缸出油口单向阀和液压缸进油口单向阀相连。
3.根据权利要求2所述的一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述风能转换子系统包括风轮、垂直轴、转换机构、支撑塔、水平传动轴、恒压变量泵、恒压变量泵进油口单向阀和恒压变量泵出油口单向阀；其中，所述风轮、垂直轴、转换机构、水平传动轴和恒压变量泵顺次相连，所述恒压变量泵进油口单向阀和恒压变量泵出油口单向阀分别通过液压管路与恒压变量泵相连；
所述风轮用于采集风能；
所述垂直轴用于将风能转换为机械能；
所述支撑塔用于支撑风轮和垂直轴；
所述转换机构用于将垂直轴的机械能转换为水平传动轴的机械能；
所述水平传动轴用于将水平传动轴的机械能输出到恒压变量泵，并驱动恒压变量泵做功；
所述恒压变量泵用于将机械能转换为液压能并传递到液压能转换子系统。
4.根据权利要求3所述的一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述液压能转换子系统由第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元、第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元、风能转换子系统输出的机械能转换单元和油箱组成；
所述第一波浪能转换子系统输出的机械能转换单元包括第一四通阀、第一进油管、第一卸荷溢流阀、第一蓄能器、第一调速阀、第一液压变量马达和第一回油管；
所述第一四通阀、第一进油管、第一卸荷溢流阀、第一蓄能器、第一调速阀、第一液压变量马达和第一回油管顺次相连；
所述第一四通阀与第一波浪能获取单元的液压缸出油口单向阀相连；
所述第一回油管与油箱相连；
所述第二波浪能转换子系统输出的机械能转换单元包括第二四通阀、第二进油管、第二卸荷溢流阀、第二蓄能器、第二调速阀、第二液压变量马达和第二回油管；
所述第二四通阀、第二进油管、第二卸荷溢流阀、第二蓄能器、第二调速阀、第二液压变量马达和第二回油管顺次相连；
所述第二四通阀与第二波浪能获取单元的液压缸出油口单向阀相连；
所述第二回油管与油箱相连；
所述风能转换子系统输出的机械能转换单元包括第三进油管、第三卸荷溢流阀、第三蓄能器、第三调速阀、第三液压变量马达和第三回油管；
所述第三进油管、第三卸荷溢流阀、第三蓄能器、第三调速阀、第三液压变量马达和第三回油管顺次相连；
所述第三进油管与恒压变量泵出油口单向阀相连；
所述第三回油管与油箱相连；
所述油箱分别与第一波浪能获取单元的液压缸进油口单向阀、第二波浪能获取单元的液压缸进油口单向阀和恒压变量泵进油口单向阀相连；
所述第一液压变量马达、第二液压变量马达和第三液压变量马达串联连接。
5.根据权利要求4所述的一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述电能输出子系统包括顺次相连的直驱发电机、整流模块和逆变模块，所述直驱发电机与第三液压变量马达相连。
6.根据权利要求4或5所述的一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述海上风浪综合发电系统还包括液压变量马达转速控制子系统，用于控制所有液压变量马达同轴旋转，驱动直驱式发电机输出电能。
7.根据权利要求4或5所述的一种海上风浪综合发电系统，其特征是所述蓄能器包括用于自动储存和释放能量的截止阀、安全阀和溢流阀。
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