CN108915942A - 一种储能式液压型波浪能发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种储能式液压型波浪能发电系统及其工作方法，属于波浪能发电技术领域，包括旋转机构、定量泵、变量马达、储能系统和发电机，所述旋转机构与所述定量泵同轴连接，所述定量泵经液压阀组与所述变量马达连接形成闭式容积调速回路，所述变量马达经储能系统连接所述发电机。本发明在保证常规发电系统可靠性的同时，有效地避免输出功率波动、储能性能差的缺点，提高能量转化效率。

Description

一种储能式液压型波浪能发电系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种储能式液压型波浪能发电系统及其工作方法，属于波浪能发电技术领域。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的资源，与人类生活息息相关，其中波浪能是海洋能中最引人注目的。波浪能具有巨大的开发潜力，在不受地形影响的广阔海域，波浪能蕴藏量丰富、分布广泛，是各国可再生能源利用的研究热点。同时，波浪能的充分利用将对缓解能源压力以及环境保护都具有重大的意义。
波浪能装置种类繁多，典型的波浪能发电装置有振荡浮子式、振荡水柱式、越浪式、摆式、横轴转子式等等，无论何种形式，提高波浪能的转换效率和可靠性都是共同的研究方向。振荡水柱式、越浪式、横轴转子式等类型虽然波浪捕获形式不同，但在能量传递过程中都是将波浪能量通过水体或气体带动叶轮转子或透平机构旋转，进而通过传动机构转化为电能。波浪能装置的传动系统主要分为齿轮箱式、直驱式及液压式三种传动形式。
采用合理、可靠、高效的能量转换系统至关重要。齿轮箱式技术相对成熟，齿轮箱为其关键零部件，输入为旋转机构的转速，输出为发电机的转速，具有稳定的速比，发电机一般采用双馈异步发电机，通过控制整流、逆变系统实现变速恒频；直驱式发电机组省去齿轮箱，旋转机构与电机直接连接，发电机通过整流器、逆变器等输出。由于波浪能旋转机构转速较低，要求直接连接的发电机能够在低转速下正常运行，发电机级数较多，体积、重量大，并且实现变频恒速的电子控制方法复杂。
针对以上旋转型输入的波浪能发电系统，液压型发电机组采用定量泵-变量马达闭式液压回路，旋转机构(叶轮转子或透平等)与定量泵连接，变量马达与发电机连接，采用液压系统代替齿轮箱，将刚性连接转化为了柔性传动，减轻了机组机舱重量并提高了输出的平稳性。但是，该液压型发电机组依然存在不足之处，由于波浪的随机性以及海浪剧烈程度的制约，很难实现波浪能的充分利用。在波浪能发生变化时，无法根据环境因素调节自身的发电功率，无法进行稳定发电，发电效率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种储能式液压型波浪能发电系统及其工作方法，以适应不稳定的波浪能流密度，在保证常规发电系统可靠性的同时，有效地避免输出功率波动、储能性能差的缺点，提高能量转化效率。
一方面，本发明提供储能式液压型波浪能发电系统，包括旋转机构、定量泵、变量马达、储能系统和发电机，所述旋转机构与所述定量泵同轴连接，所述定量泵经液压阀组与所述变量马达连接形成闭式容积调速回路，所述变量马达经储能系统连接所述发电机。旋转机构在波浪能的作用下旋转，驱动同轴的定量泵转动向系统中的变量马达供高压油，变量马达经储能系统驱动发电机发电。
根据本发明优选的，所述储能系统包括变量泵/马达、气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组，所述变量泵/马达与所述变量马达同轴连接，所述变量泵/马达的一端与所述气囊式蓄能器和活塞式蓄能器连接，另一端与所述发电机连接，所述变量泵/马达还连接有第一油箱，所述活塞式蓄能器与所述氮气瓶组连接。气囊式蓄能器具有容量大的优点，活塞式蓄能器具有反应迅速和动作快的优点，氮气瓶组具有价格低廉的优点，它们同时与变量泵/马达作用，能够在波浪能量较大时，变量泵/马达发挥泵的作用，吸收由波浪能转化而来的多余的液压能存储起来，在波浪能不足时，变量泵/马达发挥马达的作用，能够释放存储的液压能推动变量马达转动，从而确保变量马达的输出转速是恒定值，承受更大范围的频率波动，使系统的输出功率更加平滑。
根据本发明优选的，所述液压阀组包括第一溢流阀、第二溢流阀、单向阀和比例节流阀，所述定量泵的出油口连接所述第一溢流阀的进油口和所述比例节流阀的进油口，所述闭式容积调速回路中还包括液压定量补油泵，所述液压定量补油泵的出油口分别与所述单向阀的进油口、第二溢流阀的进油口、第一溢流阀的出油口和定量泵的进油口连接，所述液压定量补油泵的进油口和第二溢流阀的出油口均连接至第二油箱；所述单向阀的出油口与所述比例节流阀的进油口连接，单向阀能够防止液压油出现反方向回流，第二溢流阀的作用也是在系统压力过高时打开，实现液压油的流通，防止系统因压力过高而受到损坏，所述比例节流阀的出油口连接所述变量马达的进油口，比例节流阀通过调节阀口开度大小实现对变量马达的输出转速的调整。
旋转机构的叶片在波浪能的作用下驱动定量泵转动，油液经第一溢流阀在系统压力过高时打开，实现油液的流通，防止系统因压力过高而受到损坏；一路流经比例节流阀驱动变量马达转动后，经油路流回定量泵的进油口，构成闭式容积调速回路。单向阀、第二溢流阀、液压定量补油泵以及第二油箱构成补油系统，及时补充液压系统中泄漏的液压油，进而保持液压系统持续工作，同时也能为液压系统中的液压油降温，提高液压元件的工作性能。
另一方面，本发明还提供一种上述储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，包括：
波浪经过波浪能捕获装置驱动所述旋转机构转动，旋转机构带动定量泵同步转动，所述定量泵输出高压油经过液压阀组驱动所述变量马达，所述变量马达驱动所述变量泵/马达，最后变量泵/马达带动发电机发电。整个过程中通过控制变量马达和变量泵/马达的摆角实现恒定转速输出，即保证电机额定恒转速稳定输入。
进一步的，所述波浪能捕获装置包括波浪入口流道和波浪出口流道，波浪通过波浪入口流道流入驱动所述旋转机构的叶轮旋转，从所述波浪出口流道流出。
进一步的，当波浪捕获能量较高时，系统中产生多余能量时，所述气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组与变量泵/马达作用，所述变量泵/马达发挥泵的作用，将波浪能转化而来的多余的液压能存储起来；
当输入能量较小时，变量泵/马达发挥马达的作用，所述气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组能够释放存储的液压能推动变量泵/马达转动，从而确保变量泵/马达的输出转速是恒定值。储能系统的作用是将变量马达输出的机械能与蓄能器中油液的压力能之间进行实时转换，实现系统中多余能量的存储和释放，进而满足机组输出功率均匀、平滑的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明系统通过调节液压管路中液压油的流量，便可以控制变量马达及变量泵/马达的转速,实现无极调速，体积小、效率高。
(2)本发明系统液压储能系统中变量泵/马达具有双向性，采用变量泵/马达元件和蓄能器组(气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组)作为中间能量的二次转换和存储系统，可根据系统需要实时地对能量进行存储和释放，提高了系统的工作效率和环境适应性，避免了波浪能量较大时造成的能源浪费。
(3)本发明中储能系统在整个系统中通过控制发电机输入转矩，起到“削峰填谷”的作用，使系统的输出功率更加平滑，有效的提高了系统电能质量。
(4)本发明系统选用的气囊式蓄能器容量较大,活塞式蓄能器反应迅速，而氮气瓶组价格较为低廉，三者组合在一起构成储能容量，既可以保障液压储能系统调节深度、承受更大范围的频率波动，同时整体造价不高，更便于实现产业化。
附图说明
图1为本发明的储能式液压型波浪能发电系统的一种实施例的连接关系示意图；
图2为本发明的储能式液压型波浪能发电系统中波浪能捕获装置的结构示意图；
图3为本发明的能量传递过程示意图；
其中：1-旋转机构，2-定量泵，3-变量马达，4-储能系统，5-发电机，6-变量泵/马达，7-气囊式蓄能器，8-活塞式蓄能器，9-氮气瓶组，10-第一溢流阀，11-第二溢流阀，12-单向阀，13-比例节流阀，14-液压定量补油泵，15-第二油箱，16-波浪能捕获装置，17-波浪入口流道，18-波浪出口流道，19-叶轮，20-第一油泵。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
如图1所示，一种储能式液压型波浪能发电系统，包括旋转机构1、定量泵2、变量马达3、储能系统4和发电机5，旋转机构1与定量泵2同轴连接，定量泵2经液压阀组与变量马达3连接形成闭式容积调速回路，变量马达3经储能系统4连接发电机5。旋转机构1在波浪能的作用下旋转，驱动同轴的定量泵2转动向系统中的变量马达3供高压油，变量马达3经储能系统4驱动发电机5发电。
实施例2：
一种储能式液压型波浪能发电系统，结构如实施例1所示，所不同的是，储能系统4包括变量泵/马达6、气囊式蓄能器7、活塞式蓄能器8和氮气瓶组9，变量泵/马达6与变量马达3同轴连接，变量泵/马达6的一端与气囊式蓄能器7和活塞式蓄能器8连接，另一端与发电机5连接，变量泵/马达6还连接有第一油箱20，活塞式蓄能器8与氮气瓶组9连接。气囊式蓄能器7具有容量大的优点，活塞式蓄能器8具有反应迅速和动作快的优点，氮气瓶组9具有价格低廉的优点，它们同时与变量泵/马达6作用，能够在波浪能量较大时，变量泵/马达6发挥泵的作用，吸收由波浪能转化而来的多余的液压能存储起来，在波浪能不足时，变量泵/马达6发挥马达的作用，能够释放存储的液压能推动变量马达3转动，从而确保变量马达3的输出转速是恒定值，承受更大范围的频率波动，使系统的输出功率更加平滑。
实施例3：
一种储能式液压型波浪能发电系统，结构如实施例2所示，所不同的是，液压阀组包括第一溢流阀10、第二溢流阀11、单向阀12和比例节流阀13，定量泵2的出油口连接第一溢流阀10的进油口和比例节流阀13的进油口，闭式容积调速回路中还包括液压定量补油泵14，液压定量补油泵14的出油口分别与单向阀12的进油口、第二溢流阀11的进油口、第一溢流阀10的出油口和定量泵2的进油口连接，液压定量补油泵14的进油口和第二溢流阀11的出油口均连接至第二油箱15；单向阀12的出油口与比例节流阀13的进油口连接，单向阀12能够防止液压油出现反方向回流，第二溢流阀11的作用也是在系统压力过高时打开，实现液压油的流通，防止系统因压力过高而受到损坏，比例节流阀13的出油口连接变量马达3的进油口，比例节流阀13通过调节阀口开度大小实现对变量马达3的输出转速的调整。
旋转机构1的叶片在波浪能的作用下驱动定量泵2转动，油液经第一溢流阀10在系统压力过高时打开，实现油液的流通，防止系统因压力过高而受到损坏；一路流经比例节流阀13驱动变量马达3转动后，经油路流回定量泵2的进油口，构成闭式容积调速回路。单向阀12、第二溢流阀11、液压定量补油泵14以及第二油箱15构成补油系统，及时补充液压系统中泄漏的液压油，进而保持液压系统持续工作，同时也能为液压系统中的液压油降温，提高液压元件的工作性能。
实施例4：
一种实施例3的储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，包括：
如图1和图2所示，波浪经过波浪能捕获装置16驱动旋转机构1转动，旋转机构1带动定量泵2同步转动，定量泵2输出高压油经过液压阀组驱动变量马达3，变量马达3驱动变量泵/马达6，最后变量泵/马达6带动发电机5发电。整个过程中通过控制变量马达3和变量泵/马达6的摆角实现恒定转速输出，即保证电机额定恒转速稳定输入。
实施例5：
一种储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，方法如实施例4所示，所不同的是，波浪能捕获装置16包括波浪入口流道17和波浪出口流道18，波浪通过波浪入口流道17流入驱动旋转机构的叶轮19旋转，从波浪出口流道18流出。
实施例6：
一种储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，方法如实施例4所示，所不同的是，当波浪捕获能量较高时，系统中产生多余能量时，气囊式蓄能器7、活塞式蓄能器8和氮气瓶组9与变量泵/马达6作用，变量泵/马达6发挥泵的作用，将波浪能转化而来的多余的液压能存储起来；
当输入能量较小时，变量泵/马达6发挥马达的作用，气囊式蓄能器7、活塞式蓄能器8和氮气瓶组9能够释放存储的液压能推动变量泵/马达6转动，从而确保变量泵/马达6的输出转速是恒定值。储能系统4的作用是将变量马达3输出的机械能与蓄能器(气囊式蓄能器7、活塞式蓄能器8和氮气瓶组9)中油液的压力能之间进行实时转换，实现系统中多余能量的存储和释放，进而满足机组输出功率均匀、平滑的要求。
本发明中，能量的转换过程如图3所示，旋转机构1将波浪能转化为机械能，由定量泵2将机械能转化为液压能，液压能传递至变量马达3，再由变量马达3将液压能转化为机械能，带动储能系统4的变量泵/马达6转动进行能量存储和释放，变量泵/马达6带动发电机5将机械能转化为电能。
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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种储能式液压型波浪能发电系统，其特征在于，包括旋转机构、定量泵、变量马达、储能系统和发电机，所述旋转机构与所述定量泵同轴连接，所述定量泵经液压阀组与所述变量马达连接形成闭式容积调速回路，所述变量马达经储能系统连接所述发电机。
2.根据权利要求1所述的储能式液压型波浪能发电系统，其特征在于，所述储能系统包括变量泵/马达、气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组，所述变量泵/马达与所述变量马达同轴连接，所述变量泵/马达的一端与所述气囊式蓄能器和活塞式蓄能器连接，另一端与所述发电机连接，所述变量泵/马达还连接有第一油箱，所述活塞式蓄能器与所述氮气瓶组连接。
3.根据权利要求2所述的储能式液压型波浪能发电系统，其特征在于，所述液压阀组包括第一溢流阀、第二溢流阀、单向阀和比例节流阀，所述定量泵的出油口连接所述第一溢流阀的进油口和所述比例节流阀的进油口，所述闭式容积调速回路包括液压定量补油泵，所述液压定量补油泵的出油口分别与所述单向阀的进油口、第二溢流阀的进油口、第一溢流阀的出油口和定量泵的进油口连接，所述液压定量补油泵的进油口和第二溢流阀的出油口均连接至第二油箱；所述单向阀的出油口与所述比例节流阀的进油口连接，所述比例节流阀的出油口连接所述变量马达的进油口。
4.一种权利要求3所述的储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，其特征在于，波浪经过波浪能捕获装置驱动所述旋转机构转动，旋转机构带动定量泵同步转动，所述定量泵输出高压油经过液压阀组驱动所述变量马达，所述变量马达驱动所述变量泵/马达，最后变量泵/马达带动发电机发电。
5.根据权利要求4所述的储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，其特征在于，所述波浪能捕获装置包括波浪入口流道和波浪出口流道，波浪通过波浪入口流道流入驱动所述旋转机构的叶轮旋转，从所述波浪出口流道流出。
6.根据权利要求4所述的储能式液压型波浪能发电系统的工作方法，其特征在于，当波浪捕获能量较高时，系统中产生多余能量时，所述气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组与变量泵/马达作用，所述变量泵/马达发挥泵的作用，将波浪能转化而来的多余的液压能存储起来；
当输入能量较小时，变量泵/马达发挥马达的作用，所述气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶组能够释放存储的液压能推动变量泵/马达转动，从而确保变量泵/马达的输出转速是恒定值。
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