CN105804915B - 一种将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法，其所用装置由副油箱、风轮、联轴器、定量泵、单向阀、稳能器、流量阀、液压定量马达、普通交流发电机、电磁溢流阀A和电磁溢流阀B组成，其中，副油箱上连接有定量泵，定量泵上连接有联轴器，联轴器上连接有风轮；定量泵另一端管道上连接有单向阀，单向阀另一端的管道上连接有稳能器；稳能器上连接有电磁溢流阀A和电磁溢流阀B；稳能器另一端的管道上连接有流量阀，流量阀连接有液压定量马达，液压定量马达上连接有普通交流发电机。该发明方法能够将不稳定的海洋能转化成可利用的电能，实施方法较为简单、可行，降低了生产和发电成本，提高了海洋能利用效率，具有广泛的应用范围。

Description

一种将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法
技术领域
本发明涉及一种将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法，属于海洋能利用技术领域。
背景技术
海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪引起的机械能和热能。海洋能同时也涉及一个更广的范畴，包括海面上空的风能、海水表面的太阳能和海里的生物质能。海洋面积占地球总面积的71％，到达地球的各种来自宇宙的能量，大部分落在海洋上空和海水中。地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。在海洋上，风力比陆地上更加强劲，方向也更加单一，一台同样功率的海洋风电机在一年内的产电量，能比陆地风电机提高70％。我国近海风能资源是陆上风能资源的3倍，可开发和利用的风能储量有7.5亿kW。
海洋能是清洁的可再生能源，而且这种再生过程十分迅速、短暂，可以说，这种能源是无穷无尽的。海洋能源不必像石油、天然气、煤、铀等需要一个物理或化学的二次转换过程来产生功能。因而也没有伴随着这一过程而来的能量损耗和废物排放，所以这是一种洁净的能源，它既不会污染大气，也不会带来温室效应。另外，海洋能发电不仅能为无人岛、居民海岛供电，而且也有助于我国深水油气田开发，因此开发和利用海洋能对缓解能源危机和环境污染问题以及改善民生具有重要的意义。许多国家特别是海洋能资源丰富的国家，都大力鼓励海洋能发电技术的发展。
然而，海洋能虽然有着许许多多的好处，但它的利用是十分困难的。很多海洋能至今没被利用的原因主要有两方面：一是经济效益差，成本高；二是一些技术问题还没有过关。海洋能总量巨大，可面对海洋这个巨大水体，人们的活动能力(人力、财力、物力)相对说来极其渺小。而且，大尺度液体流动几乎总是“湍流”——具有不稳定和不规则的特性，海洋也不例外，所以，这一能源的获取是非常困难的。也就是说，获取海洋能所需的费用很高，风险较大。通常海洋能发电装置主要由捕能装置、中间能量传递和转换装置以及发电装置等三部分组成。其中捕能装置和发电装置由于技术门槛相对较低，已经发展的较成熟，而中间能量传递和转换装置至今未有效解决。由于取消了齿轮增速装置、永磁发电机和逆变器等昂贵的装置，基于液压传动与控制的海洋能发电装置发展迅速，但由于技术限制，海洋能发电装置只能将吸收来的海洋能转化为不稳定的液压能，这样再转化的电能也是不稳定的。英国、葡萄牙等欧洲国家采用昂贵的发电设施，仍无法得到稳定的电能。再者就是控制难题。由于波浪(水流、风)的运动没有规律性和周期性，波浪大(水流大、风大)时能量有剩余，波浪小(水流小、风小)时能量供应不足，这就需要有一种能适应波浪(水流、风)变化而进行有效能量转换的设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将不稳定的风能(水流能或波浪能)转化为稳定的能量，进而转换成可利用电能的稳定发电方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法，其所用装置由副油箱、风轮、联轴器、定量泵、单向阀、稳能器、流量阀、液压定量马达、普通交流发电机、电磁溢流阀A和电磁溢流阀B组成，其中，副油箱上连接有定量泵，定量泵上连接有联轴器，联轴器上连接有风轮；定量泵另一端管道上连接有单向阀，单向阀另一端的管道上连接有稳能器；稳能器上连接有电磁溢流阀A和电磁溢流阀B；稳能器另一端的管道上连接有流量阀，流量阀连接有液压定量马达，液压定量马达上连接有普通交流发电机。
进一步地，稳能器的构成主要由二位三通阀、重力式蓄能缸A、重力式蓄能缸B、滑轮组A、配重块A、滑轮组B、配重块B、二位二通阀A和二位二通阀B组成，二位三通阀上分别连接有重力式蓄能缸A和重力式蓄能缸B，重力式蓄能缸A下部连接有滑轮组A，滑轮组A上连接有配重块A；重力式蓄能缸B下部连接有滑轮组B，滑轮组B上连接有配重块B；重力式蓄能缸A和重力式蓄能缸B侧面上分别连接有二位二通阀A和二位二通阀B。
进一步地，风轮主要由海洋平台、风轮下支架、转轴、风轮叶片、风轮上支架、二级平台和太阳能电池板组成，其中，海洋平台上部设置有风轮下支架，风轮下支架上部设置有转轴，转轴侧面设置有风轮叶片；转轴上部设置有风轮上支架，风轮上支架上部设置有二级平台，二级平台上部设置有太阳能电池板。
基于上述装置的发电方法中，其能量转换关系是风能→液压能→势能→液压能→电能。该发电装置中有两个重力式蓄能缸，分别为重力式蓄能缸A和重力式蓄能缸B，两个重力式蓄能缸分别配有配重块A和配重块B，其过程为，首先风轮转动带动定量泵产生的流量驱动重力式蓄能缸A中带有配重块A的活塞向上运动，使重力式蓄能缸A充入液体，直至活塞到达设定位置；此时，液压能转换成配重块A的势能；接着重力式蓄能缸A中的流量在配重块A的作用下由流量阀控制匀速下降，给液压定量马达供油；与此同时，风轮带动定量泵产生的流量充入重力式蓄能缸B，驱动重力式蓄能缸B中带有配重块B的活塞向上运动到设定位置，使此时的液压能转换成配重块B的势能。当重力式蓄能缸A的活塞达到最低设定位置时，停止向液压定量马达供油，此时重力式蓄能缸B中的流量在配重块B的作用下由流量阀控制使其按先前同样的速度匀速下降给液压定量马达供油，而此时风轮带动定量泵产生的流量进入重力式蓄能缸A。如此，两重力式蓄能缸交替工作，实现将吸收的不稳定能量转换成稳定液压能的过程。接着，此稳定的液压能经过液压定量马达带动普通交流发电机发出有效电能。
该装置中，风轮或水轮或波浪浮筒吸收不稳定的海洋风能或水流能或波浪能通过联轴器或齿轮齿条结构带动定量泵转动产生不稳定流量或液压能，此不稳定流量经稳能器稳能后输出稳定的流量或液压能，再经过流量阀，进入液压定量马达，从而带动普通交流发电机发电，转化为有效的电能。电磁溢流阀A既可以实现在定量泵充满其中一个重力式蓄能缸，而另一个重力式蓄能缸还未卸载完时短暂溢流，起安全保护作用；也可以实现当风速持续低于每等级风速最低设定值时溢流。另外，在实际工作中，需保证流出稳能器的流量大于液压定量马达所需的流量，以实现通过电磁溢流阀B溢流和调节流量阀来达到可靠节流调速的目的，从而使得普通交流发电机转速的稳定。
该发明的有益效果在于：该发明方法能够将不稳定的海洋能转化成可利用的电能，同时实施方法较为简单、可行，降低了生产和发电成本，提高了海洋能利用效率，具有广泛的应用范围。本发明方法也适用于陆上液压风力机发电。本发明结构简单，布置合理，控制方便，稳能器部分没有其它外来的能量(如电能等)作用于此，仅靠重物的势能。
附图说明
图1是本发明实施例中所使用方法总构成图。
图2是本发明实施例中的稳能器构成示意图。
图3是本发明实施例中的风轮安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。
实施例
如图1所示，本实施例中的将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法，其所用装置由副油箱1-1、风轮1-2、联轴器1-3、定量泵1-4、单向阀1-5、稳能器1-6、流量阀1-7、液压定量马达1-8、普通交流发电机1-9、电磁溢流阀A1-10和电磁溢流阀B1-11组成，副油箱1-1上连接有定量泵1-4，定量泵1-4上连接有联轴器1-3，联轴器1-3上连接有风轮1-2；定量泵1-4另一端管道上连接有单向阀1-5，单向阀1-5另一端的管道上连接有稳能器1-6；稳能器1-6上连接有电磁溢流阀A1-10和电磁溢流阀B1-11；稳能器1-6另一端的管道上连接有流量阀1-7，流量阀1-7连接有液压定量马达1-8，液压定量马达1-8上连接有普通交流发电机1-9。
稳能器的构成如图2所示，其主要由二位三通阀2-1、重力式蓄能缸A2-2、重力式蓄能缸B2-3、滑轮组A2-4、配重块A2-5、滑轮组B2-6、配重块B2-7、二位二通阀A2-8和二位二通阀B2-9组成，二位三通阀2-1上分别连接有重力式蓄能缸A2-2和重力式蓄能缸B2-3，重力式蓄能缸A2-2下部连接有滑轮组A2-4，滑轮组A2-4上连接有配重块A2-5；重力式蓄能缸B2-3下部连接有滑轮组B2-6，滑轮组B2-6上连接有配重块B2-6；重力式蓄能缸A2-2和重力式蓄能缸B2-3侧面上分别连接有二位二通阀A2-8和二位二通阀B2-9。
风轮安装如图3所示，主要由海洋平台3-1、风轮下支架3-2、转轴3-3、风轮叶片3-4、风轮上支架3-5、二级平台3-6和太阳能电池板3-7组成，其中，海洋平台3-1上部设置有风轮下支架3-2，风轮下支架3-2上部设置有转轴3-3，转轴3-3侧面设置有风轮叶片3-4；转轴3-3上部设置有风轮上支架3-5，风轮上支架3-5上部设置有二级平台3-6，二级平台3-6上部设置有太阳能电池板3-7。
如图1所示，风轮1-2或水轮1-2-1或波浪浮筒1-2-2吸收不稳定的海洋风能或水流能或波浪能通过联轴器1-3或齿轮齿条结构1-3-1带动定量泵1-3转动产生不稳定流量或液压能，此不稳定流量经稳能器1-6稳能后输出稳定的流量或液压能，再经过流量阀1-7，进入液压定量马达1-8，从而带动普通交流发电机1-9发电，转化为有效的电能。其中图1中的电磁溢流阀1-10既可以实现在定量泵充满其中一个重力式蓄能缸，而另一个重力式蓄能缸还未卸载完时短暂溢流，起安全保护作用；也可以实现当风速持续低于每级风速最低设定值时溢流。另外，在实际工作中，需保证流出稳能器的流量大于液压定量马达所需的流量，以实现通过电磁溢流阀1-11溢流和调节流量阀1-7来达到可靠节流调速的目的，从而使得普通交流发电机转速的稳定。
其中，稳能器1-6是通过以下过程进行稳能的。以海上风力发电为例说明。首先，风轮1-2带动定量泵1-3产生的流量驱动重力式蓄能缸A2-2中带有配重块A2-5的活塞向上运动，给重力式蓄能缸A2-2充液，直至活塞到达设定位置，使此时的液压能转换成配重块A2-5的势能。接着，重力式蓄能缸A2-2中的流量在配重块A2-5的作用下由流量阀1-7控制其按一定速度匀速下降，给液压定量马达1-8供油。此时二位三通阀2-1带电，风轮1-2带动定量泵1-3产生的流量驱动重力式蓄能缸B2-3中带有配重块B2-7的活塞向上运动，给重力式蓄能缸B2-3充液，直至活塞到达设定位置，使此时的液压能转换成配重块B2-7的势能。当重力式蓄能缸A2-2的活塞达到最低设定位置时，二位三通阀2-1失电，风轮1-2带动定量泵1-3产生的流量驱动重力式蓄能缸A2-2中带有配重块A2-5的活塞向上运动，给重力式蓄能缸A2-3充液。此时重力式蓄能缸B2-3中的流量在配重块B2-7的作用下由流量阀1-7控制使其按先前同样的速度匀速下降(活塞所受合力基本为零)。如此，两重力式蓄能缸交替工作，实现将吸收的不稳定能量转换成稳定液压能的过程。配重块A2-5和配重块B2-7的重量相等。
此能量转换系统由四级能量转换机构组成。一级能量转换机构将随机的、不稳定的风能(或波浪能、水流能等)转换成不稳定的液压能；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的不稳定的液压能转换成重物的势能；三级能量转换将二级能量转换所得到的势能再转换成可控稳定的液压能；四级能量转换通过液压定量马达和普通交流发电机将稳定的液压能转换成可利用电能。其中二级、三级能量转换机构是本系统实现非稳定随机能量转换成可控稳定能量的关键部分。
要根据当地风速或水流或波浪分等级，让风能或水流能或波浪能、配重块、液压定量马达和普通交流发电机负载合理匹配。匹配过程如下：首先根据每个等级风速的最小值确定普通交流发电机的发电量。如6、7、8m/s为一等级，普通交流发电机的发电量按风轮转速6m/s时的计算；9、10、11m/s为第二等级，普通交流发电机的发电量按风轮转速9m/s时的计算；12m/s以上为第三等级，普通交流发电机的发电量按风轮转速12m/s时的计算。若风速低于该设计等级的最小值时，由于流体的压力较小不能进入重力式蓄能缸，电磁溢流阀卸荷，整个发电系统停止工作。当对应风速等级的发电功率确定后，由于普通交流发电机的转速要求维持在某一固定值，因而普通交流发电机的扭矩可以确定，进而与普通交流发电机相连接的液压定量马达的扭矩也可以确定。由于液压定量马达的排量根据风速(或风轮转速)已经确定，进而液压定量马达入口处的压力P也可以确定出来。考虑阀的压力损失和管路压力损失，此时重力式蓄能缸的压力就可以确定出来。设定出重力式蓄能缸的活塞直径A1和活塞杆直径A2后，使配重块的重量G＝P×(A1-A2)，此时活塞将以匀速下降。配重块的材质可以是铸铁、混凝土、钢铁、硬质石头等，配重块是由多块片状物体组合而成的。。活塞运动的速度通过流量阀、电磁溢流阀并考虑液压定量马达的规定转速来确定。对于两级10kW风轮在同一塔架上的不同高度上并联工作时，假设重力式蓄能缸的活塞直径是1分米(0.1m)，高度是19分米(1.9m)，则重力式蓄能缸的容量约为15升(立方分米)，以匹配排量8ml/r的液压定量马达和3kW普通交流发电机为例，计算得出需要配12吨的配重块，由于配重块过重，采用动滑轮组形式，减轻配重块重量。如图3所示，将风轮3-4安装在海洋平台3-1上，由于风轮上下分别通过风轮上支架3-5和风轮下支架3-2与上下平台固定，可适当减小风轮中心转轴3-3的直径，从而减小转轴3-3的重量，以减少风阻及其带来的对风轮的扰流。将太阳能电池板3-7安装在风轮二级平台3-6上，充分利用已有平台空间和太阳能资源。可使整个系统的控制信号等所需的电能来源于二级平台上的太阳能电池板。
具体控制流程如下：首先将液体通过路径分为两路，A路和B路。其中A路是指经过重力式蓄能缸A2-2的路线；B路是指经过重力式蓄能缸B2-3的路线。当风速未达到某风速等级的最小值时，电磁溢流阀1-10压力调到最低，使流量全部溢流，整个发电装置不启动。当风速达到某风速等级的最小值，二位三通阀2-1切到A路，向重力式蓄能缸A2-2充液，同时二位二通阀A2-8关闭，当通过位置传感器检测到重力式蓄能缸A2-2的活塞到达上限位时，二位三通阀2-1切到B路，向重力式蓄能缸B2-3充液，同时二位二通阀A2-8打开、二位二通阀B2-9关闭、电磁溢流阀1-10压力调高使其不溢流，调节流量阀1-7开度，使重力式蓄能缸A2-2中的液体匀速流入液压定量马达，带动普通交流发电机1-9发电。当通过位置传感器检测到重力式蓄能缸B2-3的活塞已到达上限位，而此时重力式蓄能缸A2-2的活塞还未到达下限位，将电磁溢流阀1-10压力调低，使多余流量全部溢流。当通过位置传感器检测到重力式蓄能缸A2-2的活塞到达下限位时，将二位三通阀2-1切到A路，向重力式蓄能缸A2-2充液，同时二位二通阀A2-8关闭、二位二通阀B2-9打开、电磁溢流阀1-10压力调高使其不溢流，重力式蓄能缸B2-3中的液体匀速释放，流入液压定量马达1-8，带动交流发电机1-9发电。如此循环，两重力式蓄能缸交替使用，实现普通交流发电机发出可利用电能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法，其特征在于：所用装置由副油箱、风轮、联轴器、定量泵、单向阀、稳能器、流量阀、液压定量马达、普通交流发电机、电磁溢流阀A和电磁溢流阀B组成，所述副油箱上连接有定量泵，所述定量泵上连接有联轴器，所述联轴器上连接有风轮；所述定量泵另一端管道上连接有单向阀，所述单向阀另一端的管道上连接有稳能器；所述稳能器上连接有电磁溢流阀A和电磁溢流阀B；所述稳能器另一端的管道上连接有流量阀，所述流量阀连接有液压定量马达，所述液压定量马达上连接有普通交流发电机；所述稳能器的构成主要由二位三通阀、重力式蓄能缸A、重力式蓄能缸B、滑轮组A、配重块A、滑轮组B、配重块B、二位二通阀A和二位二通阀B组成，所述二位三通阀上分别连接有重力式蓄能缸A和重力式蓄能缸B，所述重力式蓄能缸A下部连接有滑轮组A，所述滑轮组A上连接有配重块A；所述重力式蓄能缸B下部连接有滑轮组B，所述滑轮组B上连接有配重块B；所述重力式蓄能缸A和重力式蓄能缸B侧面上分别连接有二位二通阀A和二位二通阀B；所述风轮主要由海洋平台、风轮下支架、转轴、风轮叶片、风轮上支架、二级平台和太阳能电池板组成，所述海洋平台上部设置有风轮下支架，所述风轮下支架上部设置有转轴，所述转轴侧面设置有风轮叶片；所述转轴上部设置有风轮上支架，所述风轮上支架上部设置有二级平台，所述二级平台上部设置有太阳能电池板。
2.根据权利要求1所述的将多种海洋能转换成可利用电能的稳定发电方法，其特征在于：基于上述装置的发电方法中，其能量转换关系是风能→液压能→势能→液压能→电能；该装置工作过程为，首先风轮转动带动定量泵产生的流量驱动重力式蓄能缸A中带有配重块A的活塞向上运动，使重力式蓄能缸A充入液体，直至活塞到达设定位置；此时，液压能转换成配重块A的势能；接着重力式蓄能缸A中的流量在配重块A的作用下由流量阀控制匀速下降，给液压定量马达供油；与此同时，风轮带动定量泵产生的流量充入重力式蓄能缸B，驱动重力式蓄能缸B中带有配重块B的活塞向上运动到设定位置，使此时的液压能转换成配重块B的势能；当重力式蓄能缸A的活塞达到最低设定位置时，停止向液压定量马达供油，此时重力式蓄能缸B中的流量在配重块B的作用下由流量阀控制使其按先前同样的速度匀速下降给液压定量马达供油，而此时风轮带动定量泵产生的流量进入重力式蓄能缸A；如此两缸交替工作，实现将吸收的不稳定能量转换成稳定液压能的过程；接着，此稳定的液压能经过液压定量马达带动普通交流发电机发出稳定有效电能。
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