CN104595096B - 一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其结构包括风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置、浮体和电池组；所述风力发电装置、波浪能发电装置和电池组固定在浮体上，所述潮流能发电装置通过一撑杆与浮体相连，且所述风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置和电池组均通过导线与固定在浮体上的一逆变整流器电连接。本发明通过对波浪能、风能及潮流能的捕捉，经过整流送到电池组，或者直接供浮标、海底增压器等负载使用，实现海洋能到电能的一级转换和装置自体发电功能，具有海洋能利用率高、成本低、独立、持续稳定发电和建设简便等优点，同时可为离岸海洋装备和孤岛供电。

Description

一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置

技术领域

本发明涉及一种海洋能发电技术领域，特别是涉及一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置。

背景技术

随着经济的迅速发展，能源需求不断地增加，传统能源日益短缺，大量的化石原料的使用又引发了严重的生态环境问题，这些已经成为全世界关注的焦点。为了应对能源枯竭和生态环境问题，解决能源供应在社会经济发展中出现的瓶颈问题，寻找可替代的再生能源刻不容缓。

海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，包括温差能、海流能、波浪能、潮汐能以及海上的风能和太阳能等自然资源。其中海洋波浪能在海洋中无处不在，汹涌澎湃的海洋波浪蕴藏着极大的能量，波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能源。合理开发并利用海洋波浪发电，既不消耗任何燃料和资源，又不产生任何污染，投资少，见效快。因此海洋波浪能等可再生能源在许多国家日益受到重视，尤其是研究和开发波浪能发电技术。早在1911年世界上第一台海洋波浪能发电装置研制成功之后，许多国家都致力于研究波浪能发电。20世纪80年代以来，各国相继建成了20多个波浪能发电装置或电站。但就目前现存海洋能发电装置、电站以及海洋能发电专利而言，大多都严格遵循三级能量传递形式，并最终通过发电机完成机械能到电能的转变。其装置结构的复杂性和发电机本身局限性，使装置发电效率低且结构复杂，并相继产生制造成本高、安装困难，后期维修成本和任务加剧等困难，这些严重制约了海洋能发电的普遍化、产业化和规模化的发展。因此实现小型化，结构简单，效率高的海洋能发电装置依旧是当前各国研究和开发的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，而提供一种能量利用最大化的波浪能、风能和潮流能的组合式发电装置，能够实现海洋能到电能的一级转换和装置自体发电功能，同时可为离岸海洋装备和孤岛供电。

为解决技术问题，本设计发明技术方案如下：一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，结构包括：风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置、浮体和电池组；所述风力发电装置、波浪能发电装置和电池组固定在浮体上，所述潮流能发电装置通过一撑杆与浮体相连，且所述风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置和电池组均通过导线与固定在浮体上的一逆变整流器电连接；

所述风力发电装置由风机、第一传动轴和第一变速箱组成，所述第一变速箱固定在浮体上，且所述第一变速箱内安设有第一换向增速机构以及与第一换向增速机构相连的第一发电机，所述第一换向增速机构通过第一传动轴与风机相连。

根据本发明的一实施例，所述潮流能发电装置由导流罩、潮流能捕获装置、定向超越离合器、齿轮、第二传动轴及第二变速箱组成；所述导流罩通过撑杆连接在浮体的下方，所述第二变速箱通过斜撑杆连接在导流罩上，且所述第二变速箱内安设有第二换向增速机构以及与第二换向增速机构相连的第二发电机，所述第二换向增速机构通过第二传动轴与齿轮相连；所述潮流能捕获装置由主轴、若干叶轮和若干法兰片组成，所述主轴贯穿导流罩，所述撑杆固定在主轴上，所述若干叶轮通过若干法兰片连接在导流罩内的主轴上；所述齿轮与定向超越离合器相配合，所述定向超越离合器安装在主轴上。

根据本发明的一实施例，所述导流罩为左右对称的喇叭状结构，所述左右对称的喇叭状结构之间通过空心矩形相连通，所述法兰和叶轮设置在空心矩形内部。

根据本发明的一实施例，所述波浪能发电装置包括直线发电机和弹簧，所述直线发电机通过弹簧固定在浮体上。

根据本发明的一实施例，所述直线发电机由定子、动子和绕组组成，所述动子底部固定在浮体上，所述定子一端通过弹簧与浮体相连，所述绕组设置在定子内，且缠绕在动子上。

根据本发明的一实施例，所述第一换向增速机构包括第一锥齿轮、与第一锥齿轮相啮合的第一传动齿轮、与第一锥齿轮通过第一连接轴相连的第一大圆柱齿轮以及与第一大圆柱齿轮相啮合的第一小圆柱齿轮，所述第一锥齿轮通过第一传动齿轮与第一传动轴相连，所述第一传动轴一端伸出第一变速箱后与风机连接，所述第一小圆柱齿轮与第一发电机传动连接。

根据本发明的一实施例，所述第二换向增速机构包括第二锥齿轮、与第二锥齿轮相啮合的第二传动齿轮、与第二传动齿轮通过第二连接轴连接的第二大圆柱齿轮以及与第二大圆柱齿轮相啮合的第二小圆柱齿轮，所述第二锥齿轮固定在第二传动轴上，所述第二传动轴一端伸出第二变速箱后与齿轮连接，所述第二小圆柱齿轮与第二发电机传动连接。

根据本发明的一实施例，所述浮体为扁平的圆柱形结构，其外边缘为弧形。

根据本发明的一实施例，所述组合式发电装置还包含有安装在浮体上的卫星传感装置和扭矩传感器，所述扭矩传感器与主轴传动连接。

根据本发明的一实施例，所述若干个叶轮形成圆环形结构。

本发明的有益效果：本发明通过对波浪能、风能及潮流能的捕捉，经过整流送到电池组，或者直接供浮标、海底增压器等负载使用，实现波浪能、风能及潮流能到电能的能量转变，由于本发明组合式发电装置是对海洋中三种能量进行吸收，具有海洋能利用率高、体积小、成本低、独立、可持续稳定发电和建设简便等优点，同时可为离岸海洋装备和孤岛供电。

附图说明

图1为本发明波浪能、风能和潮流能组合式发电装置结构示意图。

图2为本发明波浪能、风能和潮流能组合式发电装置另一角度结构示意图。

图3为本发明图1的俯视结构示意图。

图4为本发明第一换向增速机构的结构示意图。

图5为本发明潮流能捕获装置结构示意图。

图6为本发明第二换向增速机构结构示意图。

图7为本发明扭矩传感器连接结构示意图。

附图标记说明：1-风力发电装置；11-第一换向增速机构；111-第一锥齿轮；112-第一传动齿轮；113-第一连接轴；114-第一大圆柱齿轮；115-第一小圆柱齿轮；12-第一传动轴；13-第一变速箱；14-第一发电机；15-风机；2-潮流能发电装置；20-潮流能捕获装置；201-主轴；202-叶轮；203-法兰片；21-第二换向增速机构；211-第二锥齿轮；212-第二传动齿轮；213-第二连接轴；214-第二大圆柱齿轮；215-第二小圆柱齿轮；22-第二传动轴；23-第二变速箱；24-第二发电机；25-导流罩；26-定向超越离合器；27-齿轮；28-斜撑杆；3-波浪能发电装置；30-直线发电机；301-定子；302-动子；303-绕组；31-弹簧；4-浮体；5-逆变整流器；6-电池组；7-导线；8-扭矩传感器；80-转轴；81-锥齿轮；82-锥齿轮；9-卫星传感器；10-撑杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明设计的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1、图2及图3所示，本发明一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，包括风力发电装置1、潮流能发电装置2、波浪能发电装置3、浮体4、逆变整流器5、电池组6、扭矩传感器8和卫星传感装置9。

所述浮体4为扁平的圆柱形结构，其周围边缘为弧形。所述风力发电装置1、波浪能发电装置3、扭矩传感器8和卫星传感装置9均固定在该浮体4上方，由于浮体4的扁平结构，便于风力发电装置1、波浪能发电装置3、扭矩传感器8和卫星传感装置9的放置和固定。所述潮流能发电装置2通过撑杆10与浮体4相连，且所述风力发电装置1、波浪能发电装置3、潮流能发电装置2和电池组6均通过导线7与固定在浮体4上的逆变整流器5电连接。

所述风力发电装置1由风机15、第一传动轴12和第一变速箱13组成，所述第一变速箱13固定在浮体4的上面，且所述第一变速箱13内安设有第一换向增速机构11及第一发电机14。

如图4所示，所述第一换向增速机构11由第一锥齿轮111、第一传动齿轮112、第一连接轴113、第一大圆柱齿轮114及第一小圆柱齿轮115组成。

所述第一锥齿轮111通过第一连接轴113与第一大圆柱齿轮114相连，所述第一大圆柱齿轮114与第一小圆柱齿轮115相啮合。所述第一小圆柱齿轮115与第一发电机14传动连接。所述第一传动齿轮112固定在第一传动轴12上，且所述第一锥齿轮111与第一传动齿轮112相啮合，所述第一传动轴12穿出第一变速箱13后与风机15连接。工作时，通过风机15收集风能，带动与风机15相连的第一传动轴12转动，从而使第一传动轴12上的第一传动齿轮112转动，使与第一传动齿轮112相啮合的第一锥齿轮111传动，并由第一锥齿轮111实现换向，通过第一连接轴113到达第一大圆柱齿轮114，并由第一大圆柱齿轮114和第一小圆柱齿轮115的直径比实现增速，第一小圆柱齿轮115与第一发电机14传动相连进行发电。

所述潮流能发电装置2由潮流能捕获装置21、导流罩25、第二传动轴22、第二变速箱23、定向超越离合器26及齿轮27组成。

所述导流罩25为左右对称的喇叭状结构，所述左右对称的喇叭状结构之间通过空心矩形相连通。

如图5所示，所述潮流能捕获装置20由主轴201、五个叶轮202和两个法兰片203组成，所述主轴201贯穿导流罩25，所述法兰片203和叶轮202设置在导流罩25的空心矩形内部，所述撑杆10固定在主轴201上，且撑杆10置于在导流罩25两侧，所述两个法兰片203依次套设在主轴201上，每个法兰片203的外边缘均布有五个卡槽，且两个法兰片203上的卡槽位置相对应，所述每个叶轮202安设在两个法兰片203相对应的卡槽上。所述五个叶轮形成圆环形结构，用于捕获潮流流。当然法兰片203和叶轮202的数量也可以是多个。

所述第二变速箱23通过斜撑杆28连接在导流罩25上，且所述第二变速箱23内安装有第二换向增速机构21及第二发电机24。

如图6所示，所述第二换向增速机构21由第二锥齿轮211、第二传动齿轮212、第二连接轴213、第二大圆柱齿轮214及第二小圆柱齿轮215组成。

所述第二锥齿轮211与第二传动齿轮212相啮合，第二传动齿轮212通过第二连接轴213与第二大圆柱齿轮214相连，所述第二大圆柱齿轮214与第二小圆柱齿轮215相啮合。所述第二小圆柱齿轮215与第二发电机24传动连接。所述第二锥齿轮211固定在第二传动轴22上，所述第二传动轴22穿出第二变速箱23后与齿轮27连接。

所述齿轮27与定向超越离合器26相配合，所述定向超越离合器26安装在主轴201上；利用定向超越离合器26与齿轮27的啮合与脱离，使潮流能发电装置2利用定向超越离合器26实现单向输出。

工作时，潮流经过导流罩25收集水流能，经过潮流能捕获装置20上的叶轮202的转动，带动主轴201转动，从而使与主轴201相连的定向超越离合器26转动，经过定向超越离合器26与齿轮27的啮合把转动方向改变，由于定向超越离合器26的作用，使超越离合器26与齿轮27啮合后单向传输。齿轮27带动与之相连的第二传动轴22转动，从而使第二传动轴22上的第二锥齿轮211转动，并通过第二锥齿轮211与第二传动齿轮212的啮合使第二传动齿轮212转动，并由第二变速箱23内的第二锥齿轮211实现换向，再通过第二连接轴213到达第二大圆柱齿轮214，并由第二大圆柱齿轮214和第二小圆柱齿轮215的直径比实现增速，第二小圆柱齿轮215与第二发电机24传动相连发电。所述第二发电机24采用异步发电机，利用异步电机可以随着负载的大小发生变化。

所述波浪能发电装置3包括直线发电机30和弹簧31。

所述直线发电机30由定子301、动子302和绕组303组成，所述定子301通过弹簧31与浮体4相连，所述动子302底部固定在浮体4上，在定子301内侧设有槽，所述绕组303设置在定子301的槽内，且缠绕在动子302上。所述动子302包括动子磁轭和永磁体磁极。

工作时，波浪能的运动使浮体4上下运动，从而带动固定在浮体4上的动子302随浮体4一起上下运动，由于定子301是通过弹簧31与浮体4相连的，浮体4的运动会使弹簧31压缩或者回弹，使定子301内的绕组303随定子301一起运动，这样使动子302对绕组303进行切割，进而产生电流输送至逆变整流器5。

所述电池组6固定在浮体4上。逆变整流器5整流后的电流可以储存至电池组6，也可以直接供给负载使用。

所述卫星传感装置9采用卫星传感器，可以用于实现整个组合式发电装置的定位导向。

如图7所示，所述扭矩传感器8与主轴201传动连接，具体来说，扭矩传感器8通过一转轴81与一锥齿轮82相连，所述锥齿轮82与另一锥齿轮83相啮合，所述锥齿轮83置于穿出导流罩25的主轴201上，通过扭矩传感器以测得作用在安装叶轮的主轴201上的扭矩及转速的大小，并可以对测得的扭矩进行数值分析。即通过扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。

本发明的组合式发电装置通过浮体4使其整体装置浮在水面上，并且通过上下浮动收集能量。由于海上风能基本上时刻存在，因此利用海上风能可以不间断的产生电流；而且由风的作用，使海水产生波浪能以及潮流能，利用直线发电机对波浪产生的势能进行捕获产生电流，利用叶轮机构的潮流能捕获装置对潮流能捕获产生电流。

本发明具体的发电过程为：波浪能的运动使浮体4上下运动，带动浮体4上的动子302上下运动，并由于定子301和弹簧31的作用，从而使动子302切割定子301内绕组303，进而产生电流输送至逆变整流器5；风力的作用使风机15转动捕获风能，经过第一锥齿轮111换向至增速机构，并通过第一大圆柱齿轮114传递到第一小圆柱齿轮115，通过第一传动轴12与第一发电机14相连产生电流输送至逆变整流器5；潮流流过导流罩25进行收集，叶轮202捕获潮流能，带动主轴201转动，主轴201上的定向超越离合器26确定方向，换向后经过第二传动轴22与第二变速箱23里的第二锥齿轮211连接，由第二锥齿轮211换向，并由第二大圆柱齿轮214和第二小圆柱齿轮215增速，通过第二传动轴22到第二发电机24产生电流输送至逆变整流器5；逆变整流器5整流后的电流可以储存至电池组6，也可以直接供给负载使用。上述三种发电装置同时进行发电产生电流，能效利用率高。

以上所述仅为本设计的实施例，并非因此限制本设计的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述组合式发电装置包括风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置、浮体和电池组；所述风力发电装置、波浪能发电装置和电池组固定在浮体上，所述潮流能发电装置通过一撑杆与浮体相连，且所述风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置和电池组均通过导线与固定在浮体上的一逆变整流器电连接；

所述风力发电装置由风机、第一传动轴和第一变速箱组成，所述第一变速箱固定在浮体上，且所述第一变速箱内安设有第一换向增速机构以及与第一换向增速机构相连的第一发电机，所述第一换向增速机构通过第一传动轴与风机相连；所述潮流能发电装置由导流罩、潮流能捕获装置、定向超越离合器、齿轮、第二传动轴及第二变速箱组成；所述导流罩通过撑杆连接到浮体下方，所述第二变速箱通过斜撑杆连接在导流罩上，且所述第二变速箱内安设有第二换向增速机构以及与第二换向增速机构相连的第二发电机，所述第二换向增速机构通过第二传动轴与齿轮相连；所述潮流能捕获装置由主轴、若干叶轮和若干法兰片组成，所述主轴贯穿导流罩，所述撑杆固定在主轴上，所述若干叶轮通过若干法兰片连接在导流罩内的主轴上；所述齿轮与定向超越离合器相配合，所述定向超越离合器安装在主轴上；所述导流罩为左右对称的喇叭状结构，所述左右对称的喇叭状结构之间通过空心矩形相连通，所述法兰和叶轮设置在空心矩形内部；所述波浪能发电装置包括直线发电机和弹簧，所述直线发电机通过弹簧固定在浮体上。

2.根据权利要求1所述的波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述直线发电机由定子、动子和绕组组成，所述动子底部固定在浮体上，所述定子一端通过弹簧与浮体相连，所述绕组设置在定子内，且缠绕在动子上。

3.根据权利要求1所述的波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述第一换向增速机构包括第一锥齿轮、与第一锥齿轮相啮合的第一传动齿轮、与第一锥齿轮通过第一连接轴相连的第一大圆柱齿轮以及与第一大圆柱齿轮相啮合的第一小圆柱齿轮，所述第一锥齿轮通过第一传动齿轮与第一传动轴相连，所述第一传动轴一端伸出第一变速箱后与风机连接，所述第一小圆柱齿轮与第一发电机传动连接。

4.根据权利要求1所述的波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述第二换向增速机构包括第二锥齿轮、与第二锥齿轮相啮合的第二传动齿轮、与第二传动齿轮通过第二连接轴连接的第二大圆柱齿轮以及与第二大圆柱齿轮相啮合的第二小圆柱齿轮，所述第二锥齿轮固定在第二传动轴上，所述第二传动轴一端伸出第二变速箱后与齿轮连接，所述第二小圆柱齿轮与第二发电机传动连接。

5.根据权利要求1所述的波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述浮体为扁平的圆柱形结构，其外边缘为弧形。

6.根据权利要求1所述的波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述组合式发电装置还包含有安装在浮体上的卫星传感装置和扭矩传感器，所述扭矩传感器与主轴传动连接。

7.根据权利要求1所述的波浪能、风能和潮流能组合式发电装置，其特征在于，所述若干个叶轮形成圆环形结构。