CN108626061A - 一种新型风、浪和水流发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型风、浪和水流发电系统，浮筒和垂直水轮机为中空结构，所述风力机通过蜗轮箱与转轴相连，所述转轴穿过所述的浮筒和水轮机与双端口直线旋转两自由度电机的内端口相连。所述浮筒和水轮机依此同轴连接，并与双端口直线旋转两自由度电机的外端口相连接。在风力作用，风机带动内端口作旋转运动。在波浪驱动下，浮筒和所述动子往复运动。在水流作用下，所述垂直水轮机带动外端口做旋转运动。本发明提出的一种新型风、浪和水流集成发电系统，实现了海洋风能、波浪能和水流能的集成化搜集和转换，该发电系统功率密度高、集成度高、效率高，能够最大限度的实现多种能量的转换，为孤岛及近海发电提供了新的解决方案。

Description

一种新型风、浪和水流发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力、波浪及水流集成发电装置及其发电系统，适用于海洋、湖泊、河流等领域，属于发电技术领域。

背景技术

随着经济的发展和科技的进步，人类的生产和生活对能源的需求不断提高。而传统能源的高污染和不可再生性与环境污染资源枯竭的矛盾，迫使人们不得不寻求清洁的可再生能源(如太阳能、风能、潮沙能、波浪能、生物质能等等)。因此，对清洁能源的有效利用己成为保证全球经济发展、世界和平稳定和人类生存发展的重要因素。

我国河流和湖泊众多，且海洋辽阔、海岸线漫长，水能源丰富。尤其是辽阔的海洋疆域，蕴藏着巨大的能量，大力开发海上新能源，可以有效缓解传统能源枯竭、开发成本增加、配置不合理等问题。风能、波浪能及海流能是浩瀚海洋中蕴藏的绿色可再生能源，其含量巨大、取之不尽用之竭，具有广阔的应用前景。风能是地球自转导致的大气流动所产生的动能，波浪能是指海洋表面由风、月球引力等引起的海水波动所具有的动能和势能，海流能是指由于风、海水密度差、温度差等引起的海水流动动能。随着科学技术的发展及人类对风能和海洋能发电技术的深入认识，各种风力、波浪和海流发电装置不断涌现。英国、美国、日本、爱尔兰、挪威、西班牙、葡萄牙、瑞典、丹麦、印度及中国等国家对风力和海洋能发电系统投入巨大的人力和物力，建设了各种离岸漂浮和海岸固定式发电装置。目前，人们所利用风、波浪和水流能的方式是将动能或势能转换成电能，其转换装置基本上是面对单一输入源，要么是风能，要么是波浪能，要么是水流能。如何进步提高三种能源的利用率，增加能量转换装置的功率密度，共享投资成本对海洋资源的利用和发展具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种新型的风、浪及水流集成三维一体发电系统，旨在通过引入多自由度发电机，实现风能、波浪能和水流能的同时收集和转换，以增加能量转换装置的功率密度和提高转换效率。

技术方案：本发明所采用的技术方案是：

一种新型风、浪和水流发电系统，包括风力机(1)、涡轮箱(5)、浮筒(2)、垂直水轮机(3)、双端口两自由度电机(4)、固定座(6)、风机轴(7)；

风机轴(7)自上而下依次设有涡轮箱(5)、浮筒(2)、垂直水轮机(3)、双端口两自由度电机(4)、固定座(6)；

风机轴(7)上端通过涡轮箱(5)与风力机(1)相连接，风机轴(7)中部依次穿过浮筒(2)和垂直水轮机(3)，所述浮筒(2)与垂直水轮机(3)同轴，且依次与双端口两自由度电机(4)的外输出端口相连接，所述风机轴(7)下部与双端口两自由度电机(4)的内转子的轴相连接，所述双端口两自由度电机(4)的外输出轴能够旋转和往复运动；而所述双端口两自由度电机(4)的内输出轴仅能做旋转运动。

进一步，所述浮筒(2)和垂直水轮机(3)为中空结构，通过轴承(8)与风机轴(7)套连。

进一步，所述垂直水轮机(3)为水滴叶片结构。

进一步，所述双端口两自由度电机(4)包括旋转轴承(4-1)，直线旋转轴承(4-2)，外定子(4-3)，内定子(4-4)，外永磁体(4-5)，内永磁体a(4-6)，内永磁体b(4-7)，动子(4-8)，转子(4-9)，固定轴(4-10)，外输出轴(4-11)；

所述固定轴(4-10)的一端放置在固定座(6)上，固定轴(4-10)的另一端中部开有环形槽，环形槽两端面分别与外定子(4-3)，内定子(4-4)相连，形成双层杯状定子结构；所述动子(4-8)为杯状结构，动子(4-8)杯体部分设置在外定子(4-3)，内定子(4-4)之间，并通过直线旋转轴承(4-2)支撑，动子(4-8)底部与外输出轴(4-11)相连，外输出轴(4-11)套在转子(4-9)上，转子(4-9)的一端伸入环形槽内，所述动子(4-8)上与内定子(4-4)相对的部分粘贴有内永磁体a(4-6)，所述动子(4-8)上与外定子(4-3)相对的部分粘贴有外永磁体(4-5)，所述转子(4-9)上与内定子(4-4)相对的部分粘贴有内永磁体b(4-7)。

进一步，转子(4-9)与环形槽之间、转子(4-9)与外输出轴(4-11)之间均设有旋转轴承(4-1)。

进一步，所述内定子(4-4)周向布置外定子齿和内定子齿。

进一步，所述外定子(4-3)为圆筒状，由不同径向厚度的外定子叠片a(4-3a)和外定子叠片b(4-3b)交错叠加而成，外定子叠片a(4-3a)和外定子叠片b(4-3b)形成的槽内放置外定子绕组(4-3c)。

进一步，所述外定子(4-3)和动子(4-8)构成直线运动单元，内定子(4-4)和动子(4-8)构成旋转运动单元a，内定子(4-4)和内永磁体b(4-7)构成旋转运动单元b；

所述直线运动单元通过浮筒(2)上下运动实现波浪能的发电，所述旋转运动单元a通过垂直水轮机(3)旋转运动实现水流能的发电，而所述旋转运动单元b通过风力机(1)和涡轮箱(5)实现风力发电。

本发明的一种新型风、浪和水流集成发电系统，相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明提出的一种新型的风、浪和水流集成发电系统，在风力作用下，风力机(1)通过蜗轮箱使内转子(4-9)旋转径向充磁的永磁体(4-7)在内气隙2中建立旋转磁场，并通过绕组产生感应电动势；在波浪的作用下，与浮筒(2)相连的动子(4-8)上下运动，动子外表面的环形永磁体(4-5)在内气隙1中建立行波磁场，并产生感应电动势；在水流的作用下，与垂直水轮机(3)相连的动子(4-8)做旋转运动，动子(4-8)内表面的瓦形永磁体(4-6)在内气隙2中建立旋转磁场，并产生感应电动势。

一般情况下，所述发电装置同时受风力、波浪和水流的共同作用，构成风能、波浪能及水流能的同时回收和利用。本发明通过引入双端口直线旋转两自由度发电机，实现三种能量的回收和转换，降低了建造费用、增加了能量转换装置的功率密度、提高了发电效率。本发明基于双端口直线旋转两自由度电机所提出的一种新型的风、浪和水流集成发电系统还具有如下优点：

1)部分部件功能复用，实现多种能量转换的同时，降低了制造成本；

2)三种不同一次能源的组合发电形式，具有三维空间的共享性，系统结构紧凑，功率密度高；

3)发电装置为单电机结构，同时具有三个气隙，电机内部空间利用充分，系统体积和重量显著降低；

4)两个旋转运动部分共享定子叠片，且直线和旋转运动部分磁场机械解耦，定转子结构为传统永磁旋转电机和圆筒型直线电机结构，结构简单，容易设计、加工和制造；

5)三套绕组相互独立，易于实现输出电能的解相控制和调节。

6)具有高效率能量转换，传动机构少，一次能源捕获效率高；

附图说明

图1为风、浪和水流发电系统示意图。

图中：1-风力机，2-浮筒，3-垂直水轮机，4-双端口两自由度电机，5-涡轮箱，6-固定座，7-风机轴，8-轴承；

图2为双机械端口两自由度电机结构图。

图中：4-1为旋转轴承，4-2为直线旋转轴承，4-3为外定子，4-4为内定子，4-5为外永磁体，4-6为内永磁体a，4-7为内永磁体b，4-8为动子，4-9为转子，4-10为固定轴，4-11为外输出轴。

图3为内定子叠片图。

图4为外定子结构三维剖视图。

图中：4-3a为外定子叠片a，4-3b为外定子叠片b，4-3c为外定子绕组。

图5为垂直水轮机结构示意图，(a)为水轮机立体结构示意图；(b)为3-1为水轮机叶片。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步阐述。

一种新型风、浪和水流发电系统，包括风力机1、涡轮箱5、双端口两自由度电机4，浮筒2、垂直水轮机3。

所述浮筒和垂直水轮机为中空结构，通过直线旋转轴承4-1与风机轴7连接。所述风机轴7与双端口两自由度电机4的内输出口相连接。所述风机1通过涡轮箱5与风机轴7相连接。所述浮筒2与垂直水轮机3同轴，依次与双端口两自由度电机4的外输出口相连接。所述的风机轴穿过浮筒和垂直水轮机。所述双端口两自由度电机的外输出轴可以旋转和往复运动；而所述双端口两自由度电机的内输出轴仅能做旋转运动。

所述双端口两自由度电机包括直线运动单元、旋转运动单元1和旋转单元2；所述直线运动单元通过浮筒上下运动实现波浪能的发电，所述旋转运动单元1通过垂直水轮机旋转运动实现水流能的发电，而所述旋转运动单元2，通过风机和蜗轮箱实现风力发电。

所述直线运动单元和旋转运动单元1共用一个动子4-8，所述动子4-8为杯状结构，其与内外定子相对的部分，分别粘贴有沿轴向极性交替分布的外永磁体4-5和沿周向极性交替分布的内永磁体a4-6(为瓦状)，并分别形成内气隙a和内气隙b。所述动子4-8与外输出轴4-11相连。所述转子4-9与旋转运动单元b相对部分粘贴有沿周向极性交替分布的内永磁体b4-7(为瓦状)，并形成内气隙c。所述直线运动单元定子、旋转运动单元a定子和旋转运动单元b定子与固定轴4-10相连，形成双层杯状定子结构；所述动子4-8穿入所述双层杯状定子的上层，并通过直线旋转轴承支撑，其与动子形成直线旋转运动发电单元；所述内转子4-9穿入所述双层杯状定子中间，并与所述旋转涌动单元2定子构成旋转运动发电单元。

所述双端口直线旋转两自由度发电装置的三套绕组输出端连接有整流逆变装置和储能装置，通过该装置实现标准电能的转换和最大功率捕获控制。

本实施例的风、浪及水流发电系统，在风力作用下，风力机1通过蜗轮箱使内转子4-9旋转，径向充磁的内永磁体b4-7在内气隙b中建立旋转磁场，并通过绕组产生感应电动势；在波浪的作用下，与浮筒2相连的动子4-8上下运动，动子外表面的外永磁体4-5在内气隙a中建立行波磁场，并产生感应电动势；在水流的作用下，与垂直水轮机3相连的动子4-8做旋转运动，动子4-8内表面的瓦形内永磁体a4-6在内气隙b中建立旋转磁场，并产生感应电动势。本发明通过引入双端口直线旋转两自由度发电机，实现风能、波浪能和水流能的能量转换。

综上，浮筒和垂直水轮机为中空结构，所述风力机通过蜗轮箱与转轴相连，所述转轴穿过所述的浮筒和水轮机与双端口直线旋转两自由度电机的内端口相连。所述浮筒和水轮机依此同轴连接，并与双端口直线旋转两自由度电机的外端口相连接。在风力作用，风机带动内端口作旋转运动。在波浪驱动下，浮筒和所述动子往复运动。在水流作用下，所述垂直水轮机带动外端口做旋转运动。本发明提出的一种新型风、浪和水流集成发电系统，实现了海洋风能、波浪能和水流能的集成化搜集和转换，该发电系统功率密度高、集成度高、效率高，能够最大限度的实现多种能量的转换，为孤岛及近海发电提供了新的解决方案。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，包括风力机(1)、涡轮箱(5)、浮筒(2)、垂直水轮机(3)、双端口两自由度电机(4)、固定座(6)、风机轴(7)；

风机轴(7)自上而下依次设有涡轮箱(5)、浮筒(2)、垂直水轮机(3)、双端口两自由度电机(4)、固定座(6)；

风机轴(7)上端通过涡轮箱(5)与风力机(1)相连接，风机轴(7)中部依次穿过浮筒(2)和垂直水轮机(3)，所述浮筒(2)与垂直水轮机(3)同轴，且依次与双端口两自由度电机(4)的外输出端口相连接，所述风机轴(7)下部与双端口两自由度电机(4)的内转子的轴相连接，所述双端口两自由度电机(4)的外输出轴能够旋转和往复运动；而所述双端口两自由度电机(4)的内输出轴仅能做旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，所述浮筒(2)和垂直水轮机(3)为中空结构，通过轴承(8)与风机轴(7)套连。

3.根据权利要求1所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，所述垂直水轮机(3)为水滴叶片结构。

4.根据权利要求1所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，所述双端口两自由度电机(4)包括旋转轴承(4-1)，直线旋转轴承(4-2)，外定子(4-3)，内定子(4-4)，外永磁体(4-5)，内永磁体a(4-6)，内永磁体b(4-7)，动子(4-8)，转子(4-9)，固定轴(4-10)，外输出轴(4-11)；

所述固定轴(4-10)的一端放置在固定座(6)上，固定轴(4-10)的另一端中部开有环形槽，环形槽两端面分别与外定子(4-3)，内定子(4-4)相连，形成双层杯状定子结构；所述动子(4-8)为杯状结构，动子(4-8)杯体部分设置在外定子(4-3)，内定子(4-4)之间，并通过直线旋转轴承(4-2)支撑，动子(4-8)底部与外输出轴(4-11)相连，外输出轴(4-11)套在转子(4-9)上，转子(4-9)的一端伸入环形槽内，所述动子(4-8)上与内定子(4-4)相对的部分粘贴有内永磁体a(4-6)，所述动子(4-8)上与外定子(4-3)相对的部分粘贴有外永磁体(4-5)，所述转子(4-9)上与内定子(4-4)相对的部分粘贴有内永磁体b(4-7)。

5.根据权利要求4所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，转子(4-9)与环形槽之间、转子(4-9)与外输出轴(4-11)之间均设有旋转轴承(4-1)。

6.根据权利要求4所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，所述内定子(4-4)周向布置外定子齿和内定子齿。

7.根据权利要求4所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，所述外定子(4-3)为圆筒状，由不同径向厚度的外定子叠片a(4-3a)和外定子叠片b(4-3b)交错叠加而成，外定子叠片a(4-3a)和外定子叠片b(4-3b)形成的槽内放置外定子绕组(4-3c)。

8.根据权利要求4所述的一种新型风、浪和水流发电系统，其特征在于，所述外定子(4-3)和动子(4-8)构成直线运动单元，内定子(4-4)和动子(4-8)构成旋转运动单元a，内定子(4-4)和内永磁体b(4-7)构成旋转运动单元b；

所述直线运动单元通过浮筒(2)上下运动实现波浪能的发电，所述旋转运动单元a通过垂直水轮机(3)旋转运动实现水流能的发电，而所述旋转运动单元b通过风力机(1)和涡轮箱(5)实现风力发电。