CN109236548A - 一种风能、波浪能综合发电装置及其稳定运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风能、波浪能综合发电装置及其稳定运行控制方法，所述装置主要包括发电机舱、中空圆柱形支撑底座和限位连接筒，中空圆柱形支撑底座固定在海底，限位连接筒套设在中空圆柱形支撑底座内，并且限位连接筒和中空圆柱形支撑底座之间通过滚珠轴承转动连接，发电机舱安装在连接筒上方；所述方法是通过空气流量控制阀、空气流量传感器、风向风速传感器和控制器实现轴向气流发电机的恒向恒速运行、轴向风力发电机的恒速运行。本发明涉及的风能、波浪能综合发电装置及其稳定运行控制方法，具有海洋空间利用率高、运行效率高和稳定性强的优点。

Description

一种风能、波浪能综合发电装置及其稳定运行控制方法
技术领域
本发明涉及一种把风能和波浪能转换成电能的装置总成，以及该装置总成恒向恒速运行控制的方法，属于新能源开发和利用技术。
背景技术
浩瀚的海平面上，不仅存在丰富的风能，也存储着丰富的波浪能。目前，很多海域安装了风力发电装置，或者安装了波浪能发电装置。假如把风力发电装置和波浪能发电装置合成一体，这样不仅减少了海洋空间资源的占用，也提高了单位空间区域的新能源(风能和波浪能)利用率。并且，在采取优化控制方法的情况下，可以实现发电装置的恒速运行，这为风能和波浪能的开发利用奠定技术基础，并可促进风能、波浪能综合发电装置的市场化和经济化。
中国专利申请CN201710449822.1公开了一种新型固定式风能-波浪能集成发电系统。该集成发电系统主要由风机和摆动式波浪能发电装置组成。风机安装在集成系统的上端部，摆动式波浪能发电装置安装集成系统的中间部位(水平面上)。该集成系统利用了成熟的风机技术，具有良好的系统稳定性和海域利用率。但是，由于海洋波浪的周期和波高运动是不规则的、非线性的和时刻变化的，这使得摆动式波浪能发电装置的固有频率与波浪频率无法保持一致(共振状态)，从而降低了摆动式波浪能发电装置的运行效率。并且，由于风向也是随着海洋气候经常变化，导致该集成系统的风机无法时刻地与风向保持最优角度，从而降低了风机的运行效率。
中国专利申请CN201611051920.1公开了一种风能、海洋能综合发电装置。该综合发电装置主要由潮流能发电装置和波浪能发电装置组成。其中，潮流能发电装置安装在海平面以下，波浪能发电装置安装在海平面上，二者固定在同一轴上。该综合发电装置的优点是适合安装在近海区域，结构简单，易于维护和投资成本低。由于近海区域的波浪能密度较低，使得该综合发电装置的运行效率也比较低。并且，该综合发电装置并没由采集和利用风能，这使得该综合发电装置没有充分利用海域空间。
总体来讲，现有的风能、波浪能综合发电装置，存在以下弊端：没有采用适当的控制方法，导致综合发电装置的运行效率较差；没有充分利用海域空间，浪费了宝贵的海洋空间资源。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种风能、波浪能综合发电装置总成及其稳定运行控制方法。该综合发电装置总成可以把海洋空间领域的风能和波浪能转换成电能，从而提高海域空间的利用率；其稳定运行控制方法可以使综合发电装置以恒向恒速运行，从而实现电能的恒功率输出，最终有利于电能的变换和输送。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种风能、波浪能综合发电装置，主要包括发电机舱、中空圆柱形支撑底座和限位连接筒，中空圆柱形支撑底座固定在海底，限位连接筒套设在中空圆柱形支撑底座内，并且限位连接筒和中空圆柱形支撑底座之间通过滚珠轴承转动连接(同时保证密封，避免气流外泄)，发电机舱安装在连接筒上方；采用限位连接筒连接发电机舱和中空圆柱形支撑底座，可以保证两者连接的衔接性和密封性；
所述中空圆柱形支撑底座和限位连接筒中部连通形成内腔，在中空圆柱形支撑底座侧面开设一个连通内腔的通孔，通孔没于海平面下方，并且连接筒对通孔无遮挡；
所述发电机舱通过隔板和空气流量控制阀分为气流通道、自然风通道、上腔和下腔四个部分，气流通道与内腔连通；在上腔内安装有轴向气流发电机，在下腔内安装有轴向风力发电机；气流通道和上腔通过空气流量控制阀I和空气流量控制阀III连通，自然风通道和上腔通过空气流量控制阀IV和空气流量控制阀II连通，上腔通过空气流量控制阀I和空气流量控制阀II连通上腔的气口在轴向气流发电机的下方，空气流量控制阀III和空气流量控制阀IV连通上腔的气口在轴向气流发电机的上方；自然风通道和下腔通过空气流量控制阀V连通，空气流量控制阀VI设置在自然风通道上。
优选的，所述中空圆柱形支撑底座上安装有独立电源和驱动电机，通过驱动电机驱动限位连接筒相对于中空圆柱形支撑底座转动。
优选的，所述限位连接筒上安装有波浪波高传感器，发电机舱顶部安装有风向风速传感器，针对每个空气流量控制阀安装空气流量传感器。
优选的，所述轴向风力发电机的转子上安装有风力叶片和阻尼气流叶片，转子的外表面沿轴向均匀开设有一组凹槽；阻尼气流叶片包括安装在一个销轴上的两个半叶，两个半叶叠合后嵌入在凹槽内；阻尼气流叶片使用时，通过伸缩或转动销轴带动两个半叶伸出凹槽，伸出凹槽后两个半叶打开。
优选的，所述驱动电机的机壳上安装有控制器，控制器通过无线通信模块与波浪波高传感器、风向风速传感器、空气流量传感器、空气流量控制阀连通，控制器通过线缆与驱动电机连接。
一种基于上述风能、波浪能综合发电装置的稳定运行控制方法，所述内腔内的波浪起伏产生的气流，驱动轴向气流发电机进行发电，通过调节空气流量控制阀的开闭，实现轴向气流发电机的恒向运行，通过调节空气流量控制阀的开度，实现轴向气流发电机的恒速运行；所述风力叶片具有角度调节功能，风力叶片在正向风力的作用下带动转子逆时针旋转，驱动轴向风力发电机发电，通过调节空气流量控制阀的开闭和阻尼气流叶片，实现轴向风力发电机的恒速运行。
当海浪起伏时，海水通过中空圆柱形支撑底座上的通孔进出内腔，使得内腔内产生气流，通过空气流量控制阀引导气流的流动方向，可以驱动轴向气流发电机进行发电；通过调整空气流量控制阀的开度，可以使内腔内的气流以恒速的形式流经轴向气流发电机，从而保证轴向气流发电机的恒速运行。
阻尼气流叶片在气流的作用下能够降低轴向风力发电机的总力矩，避免轴向风力发电机的转子转动过快；因此，控制调节空气流量控制阀的开闭和阻尼气流叶片的动作，能够调节轴向风力发电机的总力矩，维持轴向风力发电机恒速运行。
优选的，所述轴向气流发电机的恒向恒速运行、轴向风力发电机的恒速运行，是通过空气流量控制阀、空气流量传感器、风向风速传感器和控制器实现的；
所述轴向气流发电机的恒向恒速运行控制过程为：通过控制器控制空气流量控制阀I和空气流量控制阀IV打开/闭合、空气流量控制阀III和空气流量控制阀II闭合/打开，控制轴向气流发电机的恒向运行；通过控制器控制打开的空气流量控制阀的开度，控制轴向气流发电机的恒速运行；简单描述为：控制器→空气流量控制阀的开闭→轴向气流发电机的恒向运行→空气流量控制阀的开度→轴向气流发电机的恒速运行；
所述轴向风力发电机的恒速运行控制过程为：风向风速传感器采集的数据信息发送给控制器，控制器根据风力叶片的力矩控制空气流量控制阀VI和空气流量控制阀V的开闭，并控制打开的空气流量控制阀的开度，控制器根据阻尼气流叶片的力矩调节轴向风力发电机的总力矩(风力叶片力矩-阻尼气流叶片力矩)，控制轴向风力发电机恒速运行；简单描述为：风向风速传感器→控制器→风力叶片的力矩→空气流量控制阀的开闭→空气流量控制阀的开度→气流叶片的力矩→调整轴向风力发电机的轴向总力矩(风力叶片力矩-气流叶片力矩)→轴向风力发电机恒速运行。
优选的，所述轴向风力发电机的恒速运行控制过程中，控制器基于风向风速传感器采集的数据信息，首先控制驱动电机工作，使得风力叶片正对风向运行，以提高风能利用率。
有益效果：本发明提供的风能、波浪能综合发电装置总成及其稳定运行控制方法，该装置能够可以把海洋空间领域的风能和波浪能转换成电能，从而提高海域空间的利用率；该稳定运行控制方法利用海浪产生的气流对发电机进行稳定运行调整，可以使综合发电装置以恒向恒速运行，从而实现电能的恒功率输出，最终有利于电能的变换和输送。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖面图；
图2为轴向气流发电机恒向恒速运行示意图；
图3为轴向风力发电机恒速运行示意图；
图4为气流叶片的折叠示意图；
图5为轴向气流发电机恒向恒速运行控制流程图；
图6为轴向风力发电机恒速运行控制流程图；
图7为发电机舱做水平旋转运动的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，为一种风能、波浪能综合发电装置的整体结构剖面图，该综合发电装置包括两部分：中空圆柱形支撑底座2和发电机舱15。中空圆柱形支撑底座2和发电机舱15之间通过限位连接筒9和滚珠轴承6连接，限位连接筒9的作用是保障中空圆柱形支撑底座2与发电机舱15之间良好的衔接性和密封性，滚珠轴承6的作用是使发电机舱15相对于中空圆柱形支撑底座2做水平方向旋转运动。
所述中空圆柱形支撑底座2固定安装在海底1，其材料选择耐海水腐蚀的不锈钢316，侧壁3的厚度是基于承载的发电机舱15重量而定。中空圆柱形支撑底座2上安装有驱动电机8、独立电源7、控制器和无线通信模块。其中，控制器和无线通信模块安装在驱动电机8的外壳上，独立电源7通过有线的形式向驱动电机8和无线通信模块提供电能。
所述发电机舱15通过隔板和空气流量控制阀分为气流通道、自然风通道、上腔和下腔四个部分，气流通道与内腔5连通；在上腔内通过连接杆21安装有轴向气流发电机18，在下腔内安装有轴向风力发电机12；气流通道和上腔通过空气流量控制阀I16和空气流量控制阀III19连通，自然风通道和上腔通过空气流量控制阀IV20和空气流量控制阀II17连通，上腔通过空气流量控制阀I16和空气流量控制阀II17连通上腔的气口在轴向气流发电机18的下方，空气流量控制阀III19和空气流量控制阀IV20连通上腔的气口在轴向气流发电机18的上方；自然风通道和下腔通过空气流量控制阀V14连通，空气流量控制阀VI13设置在自然风通道上。
所述轴向风力发电机12的转子24上安装有风力叶片10和阻尼气流叶片11，转子24的外表面沿轴向均匀开设有一组凹槽；阻尼气流叶片11包括安装在一个销轴上的两个半叶，两个半叶叠合后嵌入在凹槽内；阻尼气流叶片11使用时，通过伸缩或转动销轴带动两个半叶伸出凹槽，伸出凹槽后两个半叶打开。
所述限位连接筒9上安装有波浪波高传感器，发电机舱15顶部安装有风向风速传感器22，针对每个空气流量控制阀安装空气流量传感器。控制器通过无线通信模块与波浪波高传感器、风向风速传感器22、空气流量传感器、空气流量控制阀连通，控制器通过线缆与驱动电机8连接。
图2是轴向气流发电机18恒向恒速运行示意图。如图2所示，在海洋波浪4起伏运动情况下，中空圆柱形支撑底座2的内腔5内将会形成气流，该气流是双向流动的，通过开闭不同的空气流量控制阀，可以实现轴向气流发电机18的恒向运行，把波浪能转换成电能，过程是：
轴向气流发电机18正向运行(俯视图情况下)：波浪升高→打开空气流量控制阀16和20→气流流出发电机舱15→轴向气流发电机18正向运行；或者是波浪降低→打开空气流量控制阀17和19→气流流入发电机舱15→轴向气流发电机18正向运行。
轴向气流发电机18逆向运行(俯视图情况下)：波浪升高→打开空气流量控制阀19和17→气流流出发电机舱15→轴向气流发电机18逆向运行；或者是波浪降低→打开空气流量控制阀20和16→气流流入发电机舱15→轴向气流发电机18逆向运行。
特别地，调节空气流量控制阀的开度，可以控制气流的流速，进而可以控制轴向气流发电机18的运行速度。
图3是轴向风力发电机12恒速运行示意图。如图3所示，在外部大自然风力的作用下，风力叶片10将会做旋转运动，从而驱动轴向风力发电机12运行，把风能转换成电能。
特别地，风力叶片10具有调节角度的功能，这样可以使风力叶片10在正向风力的作用下始终做逆时针旋转运动，从而驱动轴向风力发电机12进行逆时针旋转运动和发电运行。
由于外部大自然风力是时刻变化的，这将使轴向风力发电机12的运行速度也是时刻变化的。通过空气流量控制阀13和14的开闭，可以实现轴向风力发电机12的恒速运行。
特别地，在实际海洋环境中，风速和波浪的波高是时刻变化的，这些因素将会影响到轴向气流发电机18和轴向风力发电机12的匀速运行值。基于控制器、传感器和空气流量控制阀的发电机匀速控制过程，详见图5和图6所示。
图4所示，是气流叶片11的折叠过程。每一个气流叶片11由两个半叶组成，假如轴向风力发电机12需要在自然条件下运行，则可以把气流叶片11的两个半叶折叠起来，折叠后的气流叶片23可以嵌入到转子24的凹槽之中。气流叶片11折叠并嵌入到凹槽后，轴向风力发电机12只受到风力叶片10的作用力，可以在自然状态下运行发电。
图5所示，是基于控制器、传感器、空气流量控制阀的轴向气流发电机18恒向恒速控制流程。特别地，轴向气流发电机18的设定值，是基于波浪波高数据信息而确定的，因为波浪波高数据信息将直接决定发电机舱气流的速度值。
根据实际需要，在选择不同空气流量控制阀开闭情况下，轴向气流发电机18可以实现正向或反向(俯视图情况下)的恒向运行。
图6所示，是基于控制器、传感器、空气流量控制阀的轴向风力发电机12恒速运行控制流程。特别地，在风力作用下，风力叶片10具有调节角度的功能，使风力叶片10在风力的作用下只进行逆时针旋转，并驱动轴向风力发电机12进行逆时针旋转发电。
图7所示，是发电机舱15做水平旋转运动的控制流程图。发电机舱15相对于中空圆柱形支撑底座2做水平旋转运动的目的是：使风力叶片10始终垂直于风向，这样可以最大化地捕获风能，从而提高轴向风力发电机12的运行效率。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风能、波浪能综合发电装置，其特征在于：包括发电机舱(15)、中空圆柱形支撑底座(2)和限位连接筒(9)，限位连接筒(9)套设在中空圆柱形支撑底座(2)内，并且限位连接筒(9)和中空圆柱形支撑底座(2)之间通过滚珠轴承(6)转动连接，发电机舱(15)安装在连接筒(9)上方；
所述中空圆柱形支撑底座(2)和限位连接筒(9)中部连通形成内腔(5)，在中空圆柱形支撑底座(2)侧面开设一个连通内腔(5)的通孔，通孔没于海平面下方，并且连接筒(9)对通孔无遮挡；
所述发电机舱(15)通过隔板和空气流量控制阀分为气流通道、自然风通道、上腔和下腔四个部分，气流通道与内腔(5)连通；在上腔内安装有轴向气流发电机(18)，在下腔内安装有轴向风力发电机(12)；气流通道和上腔通过空气流量控制阀I(16)和空气流量控制阀III(19)连通，自然风通道和上腔通过空气流量控制阀IV(20)和空气流量控制阀II(17)连通，上腔通过空气流量控制阀I(16)和空气流量控制阀II(17)连通上腔的气口在轴向气流发电机(18)的下方，空气流量控制阀III(19)和空气流量控制阀IV(20)连通上腔的气口在轴向气流发电机(18)的上方；自然风通道和下腔通过空气流量控制阀V(14)连通，空气流量控制阀VI(13)设置在自然风通道上。
2.根据权利要求1所述的风能、波浪能综合发电装置，其特征在于：所述中空圆柱形支撑底座(2)上安装有独立电源(7)和驱动电机(8)，通过驱动电机(8)驱动限位连接筒(9)相对于中空圆柱形支撑底座(2)转动。
3.根据权利要求1所述的风能、波浪能综合发电装置，其特征在于：所述限位连接筒(9)上安装有波浪波高传感器，发电机舱(15)顶部安装有风向风速传感器(22)，针对每个空气流量控制阀安装空气流量传感器。
4.根据权利要求1所述的风能、波浪能综合发电装置，其特征在于：所述轴向风力发电机(12)的转子(24)上安装有风力叶片(10)和阻尼气流叶片(11)，转子(24)的外表面沿轴向均匀开设有一组凹槽；阻尼气流叶片(11)包括安装在一个销轴上的两个半叶，两个半叶叠合后嵌入在凹槽内；阻尼气流叶片(11)使用时，通过伸缩或转动销轴带动两个半叶伸出凹槽，伸出凹槽后两个半叶打开。
5.根据权利要求1所述的风能、波浪能综合发电装置，其特征在于：所述驱动电机(8)的机壳上安装有控制器，控制器通过无线通信模块与波浪波高传感器、风向风速传感器(22)、空气流量传感器、空气流量控制阀连通，控制器通过线缆与驱动电机(8)连接。
6.一种权利要求1所述的风能、波浪能综合发电装置的稳定运行控制方法，其特征在于：所述内腔(5)内的波浪起伏产生的气流，驱动轴向气流发电机(18)进行发电，通过调节空气流量控制阀的开闭，实现轴向气流发电机(18)的恒向运行，通过调节空气流量控制阀的开度，实现轴向气流发电机(18)的恒速运行；所述风力叶片(10)在正向风力的作用下带动转子(24)逆时针旋转，驱动轴向风力发电机(12)发电，通过调节空气流量控制阀的开闭和阻尼气流叶片(11)，实现轴向风力发电机(12)的恒速运行。
7.根据权利要求6所述的风能、波浪能综合发电装置的稳定运行控制方法，其特征在于：所述轴向气流发电机(18)的恒向恒速运行、轴向风力发电机(12)的恒速运行，是通过空气流量控制阀、空气流量传感器、风向风速传感器(22)和控制器实现的；
所述轴向气流发电机(18)的恒向恒速运行控制过程为：通过控制器控制空气流量控制阀I(16)和空气流量控制阀IV(20)打开/闭合、空气流量控制阀III(19)和空气流量控制阀II(17)闭合/打开，控制轴向气流发电机(18)的恒向运行；通过控制器控制打开的空气流量控制阀的开度，控制轴向气流发电机(18)的恒速运行；
所述轴向风力发电机(12)的恒速运行控制过程为：风向风速传感器(22)采集的数据信息发送给控制器，控制器根据风向风速数据信息，计算风力叶片(10)的力矩，然后控制空气流量控制阀VI(13)和空气流量控制阀V(14)的开闭，并控制打开的空气流量控制阀的开度，控制器根据阻尼气流叶片(11)的力矩调节轴向风力发电机(12)的总力矩，控制轴向风力发电机(12)恒速运行。
8.根据权利要求6所述的风能、波浪能综合发电装置的稳定运行控制方法，其特征在于：所述轴向风力发电机(12)的恒速运行控制过程中，控制器基于风向风速传感器(22)采集的数据信息，首先控制驱动电机(8)工作，使得风力叶片(10)正对风向运行。
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