CN106438178B - 多能混合波浪能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新颖的多能混合波浪能发电系统，包括波浪能捕获、机械耦合装置、直线发电机、压缩空气储能、中心浮球、水势蓄能，采用压缩空气和海水势能平抑海浪波动；蝶式椭球捕获能量，机械耦合装置对双翼俯仰升速、换向及机械耦合，与压缩空气储能共同驱动动子和活塞直线运动，实现发电和压缩/膨胀两功能；直线发电机定子绕组内嵌在圆桶形定子铁芯内，盘式永磁动子和活塞构成鼠笼型支撑结构，内嵌吸气管路，低压阀和高压阀协同控制高低压进气流量，实现活塞无阻回落和波动功率柔性消纳；中心浮球稳定双翼俯仰基准；水势蓄能捕获海水势能和潮汐能，动态调控压储气罐气压，提升压缩储能效率。本发明抗海浪冲击性强、能量效率高、输出稳定。

Description

多能混合波浪能发电系统

技术领域

本发明涉及一种多能混合的波浪能发电系统，尤其是一种应用于广阔海洋海况多变区域实现波浪能高效捕获，且采用多能耦合确保发电输出功率相对稳定的波浪能发电系统。

背景技术

为应对偏远海岛、航海设备等能源供给问题，合理开发海流能和波浪能等海洋能量已关乎国家安全以及海洋权益维护，刻不容缓。海洋波浪能严格无污染，蕴含容量大，非常适合解决海岛居民生活以及确保航海安全设备的电源供给。目前，波浪能发电装置有鸭式、振荡水柱式、聚波储能式、推摆式、振荡浮子式等多种形式，但普遍存在捕获效率相对较低、能量输出不稳定以及抗海浪冲击能力弱等问题。尤其是其间歇性和波动性问题，导致输出功率波动，影响捕获设备稳定，严重制约波浪能发电系统的真正实用化。目前一般波浪能发电一般采用电池和液压两种储能方式平抑和解决波浪能的波动问题，但电池生产和废弃处理的污染问题，以及液压储能泄漏问题，直接导致海水污染，破坏自然环境。而压缩空气储能是以空气为压缩介质，严格污染，具有存储容量大，同时易于和深度海水势能天然耦合，非常适合解决气罐气压波动所致的压缩储能效率低下以及波浪能输出功率波动性问题。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种新型多能混合波浪能发电系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：多能混合波浪能发电系统包括波浪能捕获、机械耦合装置、直线发电机、压缩空气储能、中心浮球、水势蓄能以及压缩气压调控，采用压缩空气和海水势能平抑海浪波动；两蝶式椭球俯仰式捕获波浪能量，机械耦合装置对双翼俯仰升速、换向、机械耦合，与压缩空气储能共同驱动动子和活塞高速直线运动，实现发电和压缩/膨胀双重功能；直线发电机定子绕组内嵌在圆桶形立式定子铁芯内，盘式永磁体动子和活塞构成鼠笼型一体化支撑结构，内嵌压缩空气储能的吸气管路；低压阀和高压阀协同控制，实现活塞无阻回落和波动海浪功率的柔性消纳；中心浮球为封闭式刚性外壳，用于稳定双翼俯仰基准，提高捕获能量；水势蓄能借助桶型腔室上侧端板所受海水重力，捕获海水势能和潮汐能，并由压缩气压调控装置，动态调控气罐气压，提升压缩储能效率。

机械耦合装置包括翼变齿轮、换向轴、电磁离合器以及曲柄联杆，翼变齿轮对两翼俯仰升速，换向轴则将两翼俯仰转化至高速旋转，并经电磁离合器和曲柄联杆上端相联；所述曲柄联杆为两个经轴承互联的轻质钢杆，并下端经轴承和直线发电机动子相联，将换向轴高速旋转运动转化为动子上下运动；所述电磁离合器为两翼捕获能量和压缩空气储能耦合装置，驱动直线发电机动子和压缩机活塞直线运动，实现发电和压缩/膨胀双重功能；所述直线发电机为圆筒形立式结构，定子铁芯内嵌三相对称定子绕组，铁芯内置盘式中空永磁体动子，动子受曲柄联杆和活塞共同作用，切割磁力线发电；中心浮球为封闭刚性外壳，内置大容量空隙，完全浸润于水，稳定双翼中心基准，提升动子和活塞的有效直线位移，有效提高波浪能捕获。

压缩空气储能包括活塞、吸气管、封闭腔室、低压阀、高压阀、压储气罐，活塞和动子构成鼠笼式轻型钢制结构，吸气管内嵌在活塞和动子内部，并在活塞中心处设置低压阀，控制吸气管和封闭腔室的开通，封闭腔室底部经高压阀和压储气罐相连，高/低压阀协同开启/闭合，消纳海浪波动功率；当波浪能存在多余功率时，高压阀关闭、低压阀开通，活塞上移、中空管吸入气体，吸气结束后低压阀和高压阀关闭，活塞下移压缩气体并排出至高压气罐；当波浪能不足满足负荷时，低压阀关闭、高压阀开通，高压气体流入膨胀腔室，推动活塞上移并达到吸入体积，高压阀关闭，高压气体膨胀达到膨胀排气压力时，低压阀开通，气体排出。

水势蓄能包括高压桶型腔室和刚性端板，封闭腔室内为高压气体，端板上端直接浸入海水，捕获海水潮汐能量，端板在海水重力作用和压缩气体气压共同作用下位移变化，用于调控压缩气罐气压相对恒定；压缩气压调控环节包括电磁阀调控通道以及压缩机和单向阀通道，电磁阀控制膨胀进气流量，气流流向从水势蓄能到压缩气罐，确保压储气压在膨胀高效范围内；压缩机和单相阀通道用于压缩气罐内气压提升，转化至水势蓄能，确保压缩气压在压缩高效区间，降低活塞移动能量转化过程中的过/欠压缩和膨胀所致的功率损耗。

本发明所带来的有益效果是：1)本发明采用压缩空气和海水势能两种储能方式，有效消除波浪能波动性和间歇性对负荷供电质量的影响；2)创新性地将直线电机发电驱动、压缩和膨胀多功能纳为一体，大幅减缓了海况变化对机械结构以及发电机动子的冲击，同时高速曲柄联杆所储动能快速改变俯仰上下限的工作状态，提升波浪能捕获效率；3)水势蓄能充分利用海水势能以及潮汐变化，拓宽了波浪能捕获范围，同时动态调控压储气罐气压，降低过欠压缩和膨胀所致功率损耗，提升压缩储能效率；4)本发明具有结构紧凑、易维护、抗海浪冲击能力强、能量转化效率高、发电输出功率稳定等优点，必将大幅推动波浪能发电系统实用化。

附图说明

图1多能混合的波浪能发电系统结构示意图。

图2曲柄联杆和发电机动子联接结构图。

图3直线电机动子剖面图。

图4鼠笼式动子支撑架剖面图。

图5机械耦合装置结构图。

图6多能混合的波浪能发电系统多种工作模式选择流程图。

表1变量说明

变量	说明
		H	海浪波高
hmin	启动波浪波高
		Pw	波浪能捕获功率
Pload	负载功率
		pmax	压储气罐内最大气压
pmin	压储气罐内最小气压

注：H<hmin时海浪蕴含能量少，无捕获价值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所公布的多能混合波浪能发电系统(如图1)包括护罩1、蝶式两翼2、机械耦合装置3(包括翼变齿轮34、换向轴31、锥齿轮II35、锥齿轮I36、轴承III22、电磁离合器30)、中空管4、曲柄联杆(包括电磁离合器30、联杆I32、联杆II33、轴承I20、轴承II21、轴承III22)、直线发电机(包括动子7、定子9、桶状直线电机外壁26、鼠笼式支撑结构38、定子外撑23)、压缩空气储能(包括活塞11、封闭腔室12、低压阀10、高压阀13、压储气罐14)、水势蓄能部分(包括水势蓄气罐18、端板19)、压缩气压调控(包括压缩机16、单向电磁阀15、单向阀17)、中心浮球24。

所述蝶式双翼2是波浪能捕获以及波浪能转化到机械能装置；护罩1为设备上护套，顶端设置进气孔；所述机械耦合装置3将两翼2俯仰经翼变齿轮34升速，并通过锥齿轮I35、锥齿轮II36、换向轴31、电磁离合器30、轴承III22和曲柄联杆中的联杆I32相联，曲柄联杆5以圆形轨道37回绕换向轴31旋转，驱动动子7和活塞鼠笼式一体化38结构上下运动，发电和膨胀/压缩双重功能；所述直线发电机是机械能到电能转化装置，其内动子7在曲柄联杆、鼠笼式支撑机构38以及活塞11的共同作用下切割定子9磁力线发电，实现输出功率恒定；所述压缩空气储能则是通过活塞11上下移动，并在高低压阀(10、13)协同作用下，压缩和膨胀封闭腔室12气体，消纳波浪波动功率；所述压储气压调控部分用于控制压缩气罐14内气压在[pmin,pmax]内，确保压缩和膨胀两工况下无过欠压缩和膨胀损耗，当压力大于pmax时，压缩机16工作将气体再次压缩，经单向阀17存储至水势蓄气罐18内，而当压力低于pmin时，水势蓄气罐内高压气体经单向电磁阀15进气至压储气罐14；所述水势蓄能部分包括水势蓄气罐18和端板19，用于捕获海水重力势能以及潮汐波动功率。

鉴于波浪能的波动性和间歇性以及负载的不确定性，系统存在四种工作模式如图6所示，系统实时检测波浪工况、气罐气压以及负荷，并藉此计算对应波浪捕获功率Pw、负载功率Pload、膨胀功率Pe和压缩功率Pc，Pe和Pc分别对应压储气罐气压[pmin,pmax]内，气压在此范围内压储气压调控部分不工作。当系统捕获功率Pw＝Pload时，系统运行在“独立波浪发电”；当系统捕获功率Pw>Pload时，且Pw-Pload>Pc时系统运行在“波浪压缩发电”，反之系统仍然工作在“独立波浪发电”；当系统捕获功率Pw<Pload，且Pload-Pw<Pe时，系统运行在“波浪膨胀发电”，反之系统仍然工作“独立波浪发电”；当系统捕获功率H≤hmin时，系统运行在“水势压储发电”。

1、独立波浪发电

当海况较好，系统捕获波浪能基本满足负载需求，压缩空气储能和水势蓄能不工作，蝶式两翼2捕获能量驱动动子26发电，完成波浪能和电能转化。

在此状态下，活塞11在曲柄联杆(图2)驱动下运动，低压阀10开通、高压阀13关闭，实现封闭腔室12和大气压力一致，活塞11无气阻移动；电磁离合器30吸合，两翼2捕获能量经换向轴31与曲柄联杆5耦合驱动动子7，此时系统捕获能量基本满足负载需要。两翼俯仰经变比升速和中轴换向，高速驱动动子7上移，切割磁力线发电，达到俯仰上限时，两翼在曲柄动能作用下，快速下抑改变捕获运动状态，后经换向轴31和曲柄传递、驱动活塞11和动子7下移，完成俯仰周期过程。此时可调整发电机负载转矩，促使两翼俯仰频率逼近波浪频率，实现波浪最大捕获。

2、波浪压缩发电

当海况较好时，系统捕获的波浪能除满足负载外还存在多余功率，可驱动活塞11压缩空气存储至压储气罐14，以待能量不足时补充差额功率。在此状态下，两翼2需与曲柄联杆7耦合，同时协同调控高13低压10阀门开启和关闭，实现活塞11上移吸气、下移压缩以及气压调控，其中，活塞上移吸气是在两翼捕获机械能作用下，实现动子7发电和活塞11低压吸气双重功能；下移压缩是将两翼捕获能用于驱动动子发电，多余能量压缩储存高压气体，压储调控环节重点在活塞11下移时，调控压储气罐气压，确保压缩储能效率。

此时状态下，除高速驱动动子7切割磁力线发电外，协同控制高低压阀以及压储调控环节，将多余波浪能以压缩空气和水势蓄能形式进行存储。活塞上11移时，电磁离合器30将换向轴31与曲柄联杆5耦合，两翼俯仰驱动活塞和动子上移，切割磁力线发电，同时，低压阀开通、高压阀闭合，压缩腔室吸入低压气体，直至达到腔室顶部，活塞上移结束；进而动子在两翼俯仰和曲柄联杆5动能双重作用下，快速回落，切割磁力线发电，同时低压阀10关闭，高压阀13开通，腔室气体随活塞回落压缩至压储气罐，直至达到腔室底端，高压阀13关闭、低压阀10开通。进而在两翼捕获能量作用下，再次驱动活塞11上移复位，进行下一周期循环工作。压缩气罐14气压达到pmax时，压缩气压调控环节的压缩机16启动，向水势蓄气罐18压缩空气。此状态下可经由调整活塞11上移吸入气体体积，即调控压缩储能功率改变两翼俯仰频率，实现最大波浪能捕获。

3、波浪膨胀发电

当海况较差，系统捕获波浪能无法满足负载所需功率，差额功率需由压缩空气储能和水势蓄能共同完成。在此状态下，两翼2需与曲柄联杆5机械耦合，同时协同调控高13低10压阀开启和关闭，实现活塞11膨胀上移、活塞无阻回落以及压储气压调控，其中，活塞11上移时，两翼捕获的波浪能和膨胀能机械耦合，共同驱动动子7发电，同时调控压储气罐14气压，确保膨胀效率；活塞11回落，动子7在两翼下抑以及曲柄动能作用下快速回落，切割磁力线发电。

在此状态下，压储气罐14高压气体释放经高压阀13进入封闭腔室膨胀助力发电；电磁离合器30将换向轴31与曲柄联杆5机械耦合，活塞11上移时低压阀10闭合，高压阀13开通，压储气罐14内气体经高压阀13流入膨胀腔室，推动活塞11上移到0.5V时高压阀13关闭，高压气体继续膨胀，当气压达到膨胀排气压力时，低压阀10打开，气体迅速排出降低腔室气压，为活塞11归位做准备；活塞11下移时低压阀10开通，高压阀13关闭，活塞11回落，动子7在两翼2下仰和曲柄动能作用下，活塞11快速回落，驱动动子7切割磁力线，并将腔室内气体由中空管4无阻排出。当压储气罐14内气体压力低于pmin时，单向电磁阀15打开，水势蓄气罐18内气体在海水重力的作用下，进入压储气罐14，直至气压达到pmax时，电磁阀15关闭，以确保膨胀助力效率。此状态下可经由调整活塞11上移时，高压气体吸入体积，即调控膨胀助力功率改变两翼俯仰频率，实现波浪能最大捕获。

4、水势压储发电

当海况较差时，波浪能具备捕获价值，负载功率需压缩空气储能和水势蓄能释能发电提供，在此工作状态下，两翼2需与曲柄联杆5解耦，按功能分为活塞11上移、活塞11回落以及压储气压调控三环节。活塞11上移，压缩气体膨胀做功推动活塞11和动子7发电；活塞11回落，动子7在重力辅助下受曲柄5动能作用，下移切割磁力线发电；上述两环节中均存在压储气压调控环节，即将海水势能转化为压缩空气储能，尽量减小过欠膨胀，确保压缩储能效率。

在此状态下，压储气罐14气体膨胀做功，驱动活塞11和动子7上移，切割磁力线发电为负载独立供电；电磁离合器30将换向轴31与曲柄联杆5解耦，消除双翼2被动俯仰所致的功率损耗，活塞11上移时低压阀10闭合，高压阀13开通，压储气罐14气体经高压阀13流入封闭腔室，推动活塞11上移到0.5V时高压阀13关闭，高压气体继续膨胀，当气压达到膨胀排气压力时，低压阀10打开，气体迅速排出降低腔室气压，为活塞11归位做准备；活塞11下移时低压阀10开通，高压阀13关闭，活塞11和动子7在重力辅助下受曲柄动能作用快速回落，切割磁力线发电功能，腔室内气体由中空管4无阻排出。膨胀驱动过程由高/低压阀的协同控制完成。当压储气罐14内气体压力低于pmin时，单向电磁阀15打开，水势蓄气罐内气体在海水重力的作用下，进入压储气罐，直至气压达到pmax时，电磁阀15关闭。

Claims (3)

1.一种应用于广阔海洋、多海况高效运行的多能混合波浪能发电系统，其特征是包括波浪能捕获、机械耦合装置、直线发电机、压缩空气储能、中心浮球、水势蓄能以及压缩气压调控，压缩空气储能和水势蓄能经压缩气压调控单元、机械耦合装置，驱动直线发电机动子和活塞鼠笼式一体化结构，切割磁力线发电和压缩/膨胀消纳波动功率双重功能；所述波浪能捕获为两只正面迎浪的蝶式椭球，在海浪浮力和激振力作用下做俯仰运动，捕获波浪能；所述机械耦合装置包括翼变齿轮、换向轴、电磁离合器以及曲柄联杆，所述翼变齿轮为两翼俯仰升速装置；所述换向轴为两端为锥形齿轮两翼互联中轴，锥形轮将两翼俯仰转化为高速旋转；所述曲柄联杆为两个经轴承互联的轻质钢杆，上端经电磁离合器、轴承和换向轴耦合，下端经轴承和直线发电机动子相联，将换向轴高速旋转转化为动子上下运动；所述电磁离合器为换向轴和曲柄联杆可控耦合结构，将两翼捕获能量和压缩空气储能耦合确保发电输出功率恒定；所述直线发电机为圆筒形立式结构，定子铁芯内嵌三相对称定子绕组，铁芯内置盘式中空永磁体动子，动子受曲柄联杆和活塞共同作用上下运动；所述中心浮球为系统封闭刚性外壳，内置大容量空隙产生恒定浮力，确保双翼中心稳定，提升动子和活塞有效直线位移。

2.根据权利要求1所述的多能混合波浪能发电系统，其特征是所述压缩空气储能包括活塞、吸气管、封闭腔室、低压阀、高压阀、压储气罐，所述活塞和动子间为鼠笼式轻型钢制结构，吸气管内嵌在活塞和动子内部，并在活塞中心处设置低压阀，控制吸气管和封闭腔室的开通，封闭腔室底部经高压阀和压储气罐相连，高/低压阀协同开启/闭合；封闭腔室由活塞、高低压阀以及圆桶腔室组成，高压阀关闭、低压阀开通，活塞上移经中空管吸入低压气体，活塞下移压缩并排气至压储气罐，高压气体在低压阀关闭、高压阀开通下，流入封闭腔室，高压气体膨胀助推活塞上移。

3.根据权利要求1所述的多能混合波浪能发电系统，其特征是所述水势蓄能包括高压桶型腔室和刚性端板，封闭腔室内为高压气体，端板上端直接浸入海水，捕获海水潮汐能量，端板在海水重力作用和压缩气体气压共同作用下位移变化，用于调控压缩气罐气压相对恒定；所述压缩气压调控环节包括电磁阀调控通道以及压缩机和单向阀通道，电磁阀控制膨胀进气流量，气流流向从水势蓄能到压缩气罐，确保压储气压在膨胀高效范围内；压缩机和单相阀通道用于压缩气罐内气压提升，转化至水势蓄能，确保压缩气压在压缩高效区间，降低活塞移动能量转化过程中的过/欠压缩和膨胀所致的功率损耗。