CN102926940A - 利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统，属可再生能源发电技术领域。本发明包括风能、洋流能采集转换系统、液压系统、储能装置、发电系统、检测控制系统。风能、洋流能采集转换系统分别通过风能联轴器（27）和洋流能联轴器（4）与液压系统连接，液压系统通过联轴器（13）与发电系统连接，储能装置通过电磁换向阀（8）与液压系统连接。本发明在充分整合风能、洋流能两种可再生资源发电技术基础上，利用液压传动与储能技术，解决因风向、流向变化引起的能量传递方向变化的问题，达到采用随机性、间歇性的风能和洋流能连续、稳定、恒频发电的目的。

Description

利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统

技术领域

本发明涉及一种利用风能及洋流能的发电系统，属可再生能源发电技术领域。

背景技术

海洋上不但拥有巨大的风力资源，同时也具有丰富的水动力资源。现有技术中，除了利用海上风力发电大规模实施外，美国可再生能源实验室（NREL）提出海上浮台洋流发电设想并进行了相关理论的研究，但还没有同时使用风能和洋流能两种可再生资源大规模发电。

    无论是单独的利用海上风力发电，还是单独使用洋流发电都会造成海洋可再生资源发电利用不足的问题。整合两种丰富资源同时发电能够有效的利用资源，减少设备投资成本、提高发电质量。

中国专利[201010286167.0]公开了一种“海上风力及洋流发电系统”，该专利通过控制器控制两个离合器、一个换向器、一个伺服电机和一个变速器的不同动作，控制并调整风力机、水轮机垂直旋转轴旋转方向和转速，实现两个旋转运动的定向传动及发电机恒速发电。但该系统没有考虑能量的存储问题，使资源利用率降低；发电机实现定向转动及恒频发电过程相对复杂，增加了系统控制的复杂性；刚性的连接使系统极易受到可再生资源瞬时载荷影响，缩短了系统的使用寿命。

发明内容

   针对现有技术中存在的不足，提出了一种利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统。本发明专利利用液压传动与储能技术，实现因风向、流向变化引起风力机、水轮机垂直转轴旋转方向变化的问题，达到随机性、间歇性的风能洋流能连续、稳定、恒频发电的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：风能、洋流能采集转换系统、液压系统、储能装置、发电系统和检测控制系统。风能、洋流能采集转换系统和液压系统分别通过风能齿轮箱和洋流能齿轮箱直接连接，储能装置通过电磁换向阀连接在液压系统中的液压整流板和开停阀之间，液压系统与发电系统由联轴器连接。

 所述风能、洋流能采集转换系统包括固定在工作浮台上部的风力机、固定安装在工作浮台上的垂直转轴、风能联轴器和风能齿轮箱组成。其中：固定安装在工作浮台上部的风力机将风能转换成工作浮台上的垂直转轴旋转运动的机械能，经风能联轴器与风能齿轮箱连接，完成从风能-机械能的采集转换过程；所述洋流能采集转换系统包括固定在工作浮台下部的水轮机、固定安装在工作浮台下的垂直转轴、洋流能联轴器和洋流能齿轮箱组成，其中：固定安装在工作浮台下部的水轮机把洋流能转变成工作浮台下的垂直转轴旋转运动的机械能，经洋流能联轴器与洋流能齿轮箱连接，实现从洋流能-机械能的采集转换过程。

所述液压系统包括风能双向液压泵、洋流能双向液压泵、液压整流板、开停阀、安全阀、溢流阀、补油泵和变量马达组成，其中：风能、洋流能采集转换系统的机械能，经风能齿轮箱和洋流能齿轮箱的输出轴直接与风能双向液压泵和洋流能双向液压泵连接，风能双向液压泵和洋流能双向液压泵分别将来自不同能源、不同方向的机械能转变为不同方向上的压力能，经液压整流板将其全部调整为单向流动，再通过开停阀驱动变量马达转动，实现压力能到机械能的转换。安全阀连接在液压系统中的液压整流板和开停阀之间的主回路上，保护系统安全；补油泵连接在风能双向液压泵和洋流能双向液压泵与液压整流板的回路上，为系统定期补油，溢流阀稳定补油泵供油压力恒定。开停阀在停机检修时进行切换，安全阀保护系统安全，补油泵为系统定期补油，溢流阀确保补油泵供油压力恒定。 

所述发电系统由联轴器、发电机组成。其中：变量马达输出轴通过联轴器与发电机连接，并将产生的电能直接与电网连接。

所述蓄能装置包括蓄能器和电磁换向阀。其中：蓄能器通过电磁换向阀被连接在液压系统的液压整流板和开停阀之间的主回路上，通过控制换向阀的切换，实现能量的存储和释放。

所述检测控制系统包括：流速流向传感器、风速风向传感器、转速转矩传感器、压力流量传感器和系统控制器。其中：流速流向传感器安装在水轮机上，用于检测洋流流速大小和方向；风速风向传感器安装在风力机上，用于检测风速大小和方向；转速转矩传感器安装在马达输出轴上，用于检测马达输出轴的转速和转矩；压力流量传感器安置在蓄能器出口，用于检测蓄能器内油液的压力和流出、流入蓄能器的流量；

系统具体工作过程为：

风能使固定安装在工作浮台上的风力机转动，风力机带动固定垂直安装在工作浮台上的风力机垂直转轴转动，然后经过风能联轴器与风能齿轮箱连接，风能齿轮箱输出轴直接与风能双向液压泵连接，随着风向变化，风能双向液压泵能输出不同方向的压力油液；洋流能使固定安装在工作浮台下的水轮机转动，水轮机带动固定垂直安装在工作浮台下的水轮机垂直转轴转动，然后经过洋流能联轴器与洋流能齿轮箱连接，洋流能齿轮箱输出轴直接与洋流能双向液压泵连接，随着流向变化，洋流能双向液压泵也输出不同方向的压力油液；风能双向液压泵和洋流能双向液压泵分别将风能、洋流能转换来的不同方向上流动的高压油液输送到液压系统中，经过液压整流板调整为定向流动。整流后的定向高压油液通过开停阀驱动变量马达转动，将液压能转变为机械能，变量马达输出轴通过联轴器与发电机连接，并带动发电机转动发电。同时为了实现能量的存储，在液压整流板与开停阀之间的液压回路上，并联了一个液压支路，该支路通过电磁换向阀与蓄能器连接，通过控制电磁换向阀的切换，实现储能器的储能和释能。液压系统运行一段时间后，由于泄露等原因，由补油泵定期向液压系统补油，保证系统正常工作，溢流阀保证补油泵补油压力，安全阀保证液压系统的安全。

所述的检测控制系统由安装在风力机上的流速流量传感器、安装在水轮机上的风速风向传感器、安装在蓄能器出口的压力流量传感器和安装在变量马达输出轴上的转速转矩传感器组成。在正常风速、流速下，液压系统高压油液经液压整流板整流后，直接通过开停阀驱动变量马达转动，通过转速转矩传感器的输入信号，控制器对变量马达排量进行调节，使变量马达输出转速恒定，实现恒频发电；当输入风速、流速较大时，控制系统控制电磁换向阀使蓄能器与液压主回路接通，富裕的高压油液经过电磁换向阀进入到蓄能器中储能，同时其他压力油液按正常风速、流速情况驱动变量马达转动，实现发电机恒频发电；风速、流速较小时，控制系统控制电磁换向阀接通蓄能器与液压回路，由于蓄能器内储有高压油液，通过蓄能器释放一部分压力油液，汇同液压系统提供的压力油液一起驱动变量马达转动，同时，控制器控制变量马达排量，保持转速恒定。停机发电及检修时，控制器控制变量马达入口换向阀换向，实现停机检修。

本发明将风能、洋流能转变的机械能转换为液压能，经液压系统整流板将不同方向的压力能转变为定向的压力能，并能通过蓄能器实现能量过剩、不足的调整，再控制变量马达恒转速输出，实现发电机恒频发电。本发明的有益效果是：

1、既利用了海洋平面上空的风能，也利用了海平面下的洋流能发电，采用风机、水轮机分体式结构，使两种资源具有更好互补性，为发电机提供更为可靠的动力源，减少了两种资源间的相互干扰。

2、采用传统的定量泵-变量马达容积调速回路，不仅实现了变速恒频发电，而且避免了传统变速恒频发电所需要的电力电子设备，降低了发电系统的成本，提高了系统的可靠性。同时对随机性瞬时冲击性具有很好的缓冲作用，有效提高了系统的使用寿命。 

3、采用液压整流板，有效的解决了因风向、流向变化引起风力机垂直转轴、水轮机垂直轴旋转方向随机变化问题。大大的简化了系统的结构，使系统控制更为简单可靠。

4、采用储能装置，解决风能、洋流能的间歇性问题，即能充分的利用资源，又能保证发电系统连续、稳定发电。 

附图说明

图1为利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统结构示意图。

图2为利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统控制框图。

图中：1风速风向传感器、2风力机、3风力机垂直转轴、4洋流能联轴器、5液压整流板、6蓄能器、7压力流量传感器、8电磁换向阀、9安全阀、10开停阀、11转速转矩传感器、12发电机、13联轴器、14变量马达、15洋流能双向液压泵、16洋流能齿轮箱、17工作浮台、18工作浮台固定钢缆、19水轮机、20流速流向传感器、21水轮机垂直转轴、22控制器、23溢流阀、24补油泵、25风能齿轮箱、26风能双向液压泵、27风能联轴器。

具体实施方式

以图1为实施方式来说明本发明的具体实施过程。

当风速和洋流在额定风速、流量下时，风力机2在风能作用下旋转，并通过固定在工作浮台17上部的风机垂直转轴3、风能联轴器27、风能齿轮箱25驱动风能双向液压泵26转动，将机械能转变为不同方向上的压力能；所述系统中水轮机19在洋流作用下旋转运动，并通过固定在工作浮台17下部的水轮机垂直转轴21、洋流能联轴器4、洋流能齿轮箱16驱动洋流能双向液压泵15转动，将机械能转变为不同方向上的压力能；无论风能、洋流能方向如何变化，风能双向液压泵26、洋流能双向液压泵15都能产生压力油液。不同方向的压力油液通过液压系统中的液压整流板5被调整为定向流动；经过整流后的高压油通过开停阀10直接驱动变量马达14转动，将液压系统的压力能转变为机械能，并由控制器22对变量马达14排量控制使其输出转速恒定；再通过联轴器13带动发电机12实现恒频发电；安全阀9保证液压系统安全，补油泵24定期向液压系统补油并由溢流阀23确保补油的压力。

当风速和洋流高于额定风速和流量时，所述液压油经液压整流板5整流后，在控制器22控制下，切换电磁换向阀8，使蓄能器与主油路接通，压力油液一部分通过电磁换向阀8进入储能器6中储能，另一分部经开停阀10驱动变量马达14；同样，控制变量马达14的排量使其输出转速维持恒定，再通过联轴器13使发电机12恒频发电。

当风速和洋流低于额定风速和流量时，所述系统在控制器22控制下，切换电磁换向阀8，使蓄能器7与主油路连通，释放压力油液，并汇同整流板5整流的压力油液一起经开停阀10驱动变量马达14，同样控制变量马达14的排量，使其依然保持恒定转速使发电机12恒频发电。停止发电及系统检修时，由控制器控制开停阀10切换来实现。

图2为利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统的检测控制系统框图，如图所示：风速风向传感器1和流速流向传感器20分别将检测到的风能和洋流的方向、速度信号输入到控制器22中，并通过控制器22输出信号控制电磁换向阀8的接通切断，完成蓄能器6蓄能和释能，控制开停阀10实现停止发电检修目的。转速转矩传感器11将变量马达14输出转速信号传递到控制器22中，并由控制器22输出控制信号调节变量马达14的排量，使变量马达无论在何种情况下都能保持输出转速恒定。

最后说明的是：以上实施例仅用来说明本专利的技术实施方案而非限制。对本专利的技术方案进行修改或等同替换、不脱离本专利技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本专利的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统，其特征在于，包括风能、洋流能采集转换系统、液压传动系统，储能装置和发电系统；风能、洋流能采集转换系统与液压系统连接，液压系统与发电系统连接，储能装置与液压系统连接。

2.根据权利要求1所述利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统, 其特征在于，所述风能、洋流能采集转换系统为，安装在工作浮台（17）上部的风力机（2）和安装在工作浮台（17）下部的水轮机（19）分别将风能和洋流能转变为固定安装在工作浮台上、下方的风力机垂直转轴（3）和水轮机垂直转轴（21）旋转的机械能，并分别通过风能联轴器（27）和洋流能联轴器（4）与风能齿轮箱（25）和洋流能齿轮箱（16）连接。

3.根据权利要求2所述利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统, 其特征在于，所述液压传动系统为，风能、洋流能采集转换系统的机械能，经风能齿轮箱（25）和洋流能齿轮箱（16）的输出轴分别与风能双向液压泵（26）和洋流能双向液压泵（15）连接；风能双向液压泵（26）和洋流能双向液压泵（15）提供的两个不确定方向上流动的压力油液，经液压整流板（5）调整为单向流动，再通过开停阀（10）驱动变量马达（14）转动，将压力能转换为机械能；安全阀（9）连接在液压系统中的液压整流板（5）和开停阀（10）之间的主回路上，保护系统安全；补油泵（24）连接在风能双向液压泵（26）和洋流能双向液压泵（15）与液压整流板（5）的回路上，为系统定期补油，溢流阀（23）稳定补油泵（24）供油压力恒定。

4.根据权利要求3所述利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统, 其特征在于，所述储能装置为，蓄能器（6）通过电磁换向阀（8）连接在液压系统中的液压整流板（5）和开停阀（10）之间的主回路上，通过控制电磁换向阀（8）的切换，对蓄能器进行检修、更换。

5.根据权利要求4所述利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统, 其特征在于，所述发电系统为，将变量马达（14）输出轴通过联轴器（13）与发电机（12）连接，并将产生的电能直接与电网连接。

6.根据权利要求5所述利用液压传动的海上风力及洋流储能发电系统, 其特征在于，还包括检测控制系统，所述检测控制系统为，流速流向传感器（20）安装在水轮机（19）上，检测洋流流速大小和方向；风速风向传感器（1）安装在风力机（2）上，检测风速大小和方向；安装在变量马达（14）输出轴上的转速转矩传感器（11），检测马达输出轴的转速和转矩；蓄能器（6）出口的压力流量传感器（7），检测蓄能器（6）内油液的压力和流量；通过所有检测的信号通过控制器（22）对变量马达（14）排量的调节、蓄能器（6）储能释能、开机停机控制。

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