CN112145357A - 一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统 - Google Patents

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王志伟
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肖建丰
蔡诚晖
钟英豪
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Abstract

本发明涉及海洋可再生能源发电技术领域领域，更具体地，涉及一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统。该系统包括浮台以及设置于浮台上的风力发电装置、波浪能发电装置、耦合装置，所述耦合装置连接有发电机；所述风能发电装置、波浪发电能装置分别联动耦合装置，通过耦合装置驱动发电机进行发电。本发明利用耦合装置将风能发电装置、波浪发电能装置传输的动力进行耦合，集中输入至发电机发电，将海上风能与波浪能在时间上和空间上互补，减少发电过程的能力损耗，提高能源利用率。

Description

一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统
技术领域
本发明涉及海洋可再生能源发电技术领域领域，更具体地，涉及一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统。
背景技术
我国海洋面积辽阔，拥有储量丰富且形式众多的海洋能源，因而，关于具有清洁的可再生优势的海洋能源的研究探索显得愈发重要。但是，目前大多数的海洋能发电方式为单能源发电，存在能量的利用效率低，发电量供应小，连续性差，供应不稳定等缺点。在各类海洋能源中，经过各国学者长时间的探索发展，风能与波浪能的开发利用技术相对成熟，且大量研究表明两者在时间与空间上存在一定的互补特性。
公开号为CN102900623A的中国专利在2013年01月30日公开了漂浮式海洋风能与波浪能混合发电平台，在一个平台上同时采用漂浮式海洋风能与波浪能混合发电装置进行发电，但是，该方案中的发电过程是独立分开的，发电损耗较大，发电效率也大大降低。
发明内容
本发明为更好地提高风能与波浪能混合的发电效率，提供一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，利用海上风能与波浪能在时间上和空间上的互补特性，将风能、波浪能捕获装置传输到同一个耦合装置中进行耦合发电，减少发电过程的能力损耗，提高能源利用率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，包括浮台以及设置于浮台上的风力发电装置、波浪能发电装置、耦合装置，所述耦合装置连接有发电机；所述风能发电装置、波浪发电能装置分别联动耦合装置，通过耦合装置驱动发电机进行发电。发电机连接有储能设备。
所述耦合装置包括空心轴、轮轴、太阳轮、至少两个行星轮、行星排齿圈和轮架，所述轮轴一端连接风力发电装置，另一端与太阳轮连接固定；所述空心轴一端连接波浪能发电装置，另一端与行星排齿圈连接固定；所述行星轮环绕太阳轮啮合，同时行星排齿圈也围绕行星轮啮合；各行星轮均与轮架连接固定，通过轮架连接至发电机，输出动力进行发电。
耦合装置将风能发电装置、波浪发电能装置传输的动力进行耦合，集中输入至发电机发电，将海上风能与波浪能在时间上和空间上互补，减少发电过程的能力损耗，提高能源利用率。
优选地，所述风能发电装置包括机架、若干风轮叶片、竖直主轴和传动组件，所述机架设置固定于浮台，所述风轮叶片均匀连接竖直主轴，并通过竖直主轴转动固定于机架；所述竖直主轴端部连接传动组件，所述传动组件联动耦合装置。风轮叶片的设置位置一般位于竖直主轴的较高一端，以便尽可能地捕获海风。
优选地，所述传动组件包括锥齿轮传动部和皮带轮传动部，锥齿轮传动部一端连接竖直主轴，另一端与皮带轮传动部连接；所述皮带轮传动部则联动耦合装置的轮轴。锥齿轮传动部、皮带轮传动部主要用于将竖直主轴的动力传输至耦合装置的轮轴。
优选地，所述风能发电装置还包括支撑臂，所述风轮叶片为升力式直叶片结构，各风轮叶片通过支撑臂环绕连接于竖直主轴，两两风轮叶片夹角相等。一般采用风轮叶片的数量在三个以上，确保各个方向的海风均能驱动风轮叶片整体转动。由于风轮叶片为升力式矩形直叶片，所以整体的转动方向始终保持一个方向，避免逆向转动的情况发生，整体结构简单，同时也便于维修。
优选地，所述支撑臂包括顶轮、底轮和若干组连接臂，所述连接臂包括上臂和下臂，所述顶轮与底轮相平行并固定于竖直主轴，所述上臂一端连接于顶轮，另一端连接风轮叶片；所述下臂一端连接于底轮，另一端连接风轮叶片；同一组连接臂连接同一风轮叶片。风轮叶片带动支撑臂，进而带动竖直主轴转动。
优选地，所述波浪发电能装置为振荡浮子式结构，包括相互连接传动的吸收机构和转换机构，所述吸收机构捕获波浪能，通过转换机构联动耦合装置。
优选地，所述吸收机构设置于浮台下方，吸收机构包括连杆和在海上振荡运动的浮子；所述转换机构包括双面齿条、转换轴、两个单向齿轮和两侧齿轮轴，双面齿条竖直设置，双面齿条与连杆连为一体化结构，通过连杆与浮子连接；两侧齿轮轴平行且同向设置；两个单向齿轮分别啮合于双面齿条两面，所述单向齿轮连接有单向离合器，并且单向齿轮固定于齿轮轴；所述转换轴夹于两侧齿轮轴之间，并与两侧齿轮轴啮合传动；所述转换轴联动耦合装置的空心轴。单向离合器可选用滚柱式单向离合器，利用两侧单向离合器的作用，无论双面齿条上移或下移，都可以带动转换轴，并使转换轴的转动方向保持不变。
优选地，所述连杆贯穿浮台设置，并相对浮台上下运动。浮子在海浪冲击下振荡，带动连杆上下运动。
优选地，所述吸收机构还包括若干与浮子相连接的导杆，所述导杆与连杆相平行；各导杆贯穿浮台，相对浮台上下运动。浮台上设有多个数量对应的导向孔，连杆和导杆均穿过导向孔，并可自由运动。
优选地，所述转换机构还包括壳体，所述转换轴、齿轮轴均转动固定于壳体中。壳体主要用于保护各传动轴，减少海水海风的腐蚀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，利用海上风能与波浪能在时间上和空间上的互补特性，两种能源有效耦合，可以有效地提高发电效率的同时优化电能经济性。同时，本发明采用的风力发电装置能捕获各方向海风，风能利用率较高，且维修保养方便。
附图说明
图1是整体结构示意图。
图2是耦合装置内部示意图。
图3是耦合装置半剖视图。
图4是风力发电装置结构示意图。
图5是风力发电装置俯视图。
图6是波浪能发电装置结构示意图。
图7是整体连接示意图。
图8是整体连接结构图。
其中，1浮台，2风力发电装置，3波浪能发电装置，4耦合装置，5发电机，21机架，22风轮叶片，23竖直主轴，24传动组件，241锥齿轮传动部，242皮带轮传动部，25支撑臂，251顶轮，252底轮，253上臂，254下臂，31连杆，32浮子，33双面齿条，34转换轴，35单向齿轮，36齿轮轴，37导杆，38单向离合器，39壳体，41空心轴，42轮轴，43太阳轮，44行星轮，45行星排齿圈，46轮架。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，包括浮台1以及设置于浮台1上的风力发电装置2、波浪能发电装置3、耦合装置4，耦合装置4连接有发电机5，一般地，发电机5连接有储能设备。其中，风能发电装置、波浪发电能装置分别联动耦合装置4，通过耦合装置4驱动发电机5进行发电。
具体地，如图2-3所示，耦合装置4包括空心轴41、轮轴42、太阳轮43、两个行星轮44、行星排齿圈45和轮架46。轮轴42一端连接风力发电装置2，另一端与太阳轮43连接固定。空心轴41一端连接波浪能发电装置3，另一端与行星排齿圈45连接固定。行星轮44环绕太阳轮43啮合，同时行星排齿圈45也围绕行星轮44啮合。空心轴41、轮轴42分别带动行星排齿圈45、太阳轮43转动，行星排齿圈45、太阳轮43同时驱使行星轮44往同一方向转动，这样风力发电装置2才与波浪能发电装置3起到互补的作用。
各行星轮44均与轮架46连接固定，通过轮架46连接至发电机5，输出动力进行发电，轮架46的输出轴与发电机5的输入轴相接。如图1所示，耦合装置4的传动简图。另外，耦合装置4还包括机壳，机壳将太阳轮43、行星轮44、行星排齿圈45等部件进行包裹保护。
具体地，如图4-5所示，风能发电装置包括机架21、五个风轮叶片22、竖直主轴23、支撑臂25和传动组件24，机架21设置固定于浮台1甲板上，对整体进行安装固定。
其中，支撑臂25包括顶轮251、底轮252和五组连接臂，连接臂包括上臂253和下臂254，一组连接臂对应同一风轮叶片22。顶轮251与底轮252相平行并固定于竖直主轴23，上臂253一端连接于顶轮251，另一端连接风轮叶片22，而下臂254一端连接于底轮252，另一端连接风轮叶片22。具体地，风轮叶片22为升力式矩形直叶片结构，各风轮叶片22通过支撑臂25环绕连接于竖直主轴23，两两风轮叶片22夹角相等，确保各个方向的海风均能驱动风轮叶片22整体转动，且转动方向始终保持一个方向，始终向耦合装置4输入同一方向的转动力，避免逆向转动的情况发生。
风轮叶片22带动支撑臂25，进而带动竖直主轴23转动，竖直主轴23的下端部连接传动组件24，传动组件24联动耦合装置4。为了更好地安装，实际应用中会将竖直主轴23分成多段传动轴，并分别使用联轴器进行连接，以便装卸更换，而且竖直主轴23各端也采用轴承进行转动固定。传动组件24包括锥齿轮传动部241和皮带轮传动部242，锥齿轮传动部241和皮带轮传动部242均为现有常用的传动机构，此处不具体描述。具体地，锥齿轮传动部241一端连接竖直主轴23，另一端与皮带轮传动部242的输入端连接，皮带轮传动部242的输出端则联动耦合装置4的轮轴42，将竖直主轴23的动力传输至耦合装置4，如图7-8所示。
此外，如图6所示，波浪发电能装置为振荡浮子32式结构，包括相互连接传动的吸收机构和转换机构，吸收机构捕获波浪能，通过转换机构联动耦合装置4。
具体地，吸收机构设置于浮台1下方，吸收机构包括连杆31和在海上振荡运动的浮子32，另外还包括若干与浮子32相连接的导杆37。连杆31、导杆37均贯穿浮台1设置，导杆37与连杆31相平行，浮台1上设有多个数量对应的导向孔，连杆31和导杆37均穿过导向孔，并相对浮台1上下运动。
同时，转换机构包括双面齿条33、转换轴34、两个单向齿轮35和两侧齿轮轴36，双面齿条33竖直设置，双面齿条33与连杆31连为一体化结构，通过连杆31与浮子32连接。
进一步，转换机构位于浮台1甲板上，两个单向齿轮35分别啮合于双面齿条33两面，且单向齿轮35分别固定于两侧齿轮轴36，两侧齿轮轴36因此保持平行且同向设置。转换轴34夹于两侧齿轮轴36之间，并与两侧齿轮轴36啮合传动，转换轴34联动耦合装置4的空心轴41，具体地，转换轴34与空心轴41之间采用齿轮传动，如图7-8所示。
另外，转换机构还包括壳体39，转换轴34、齿轮轴36均转动固定于壳体39中，壳体39主要用于保护各传动轴，减少海水海风的腐蚀。当然，壳体39中还包括其他用于安装的连接部件，该类部件均为领域内常用部件，此处不详细描述。
值得注意的是，单向齿轮35中嵌合连接有单向离合器38，单向离合器38可选用滚柱式单向离合器。单向齿轮35利用两侧单向离合器38的作用，无论双面齿条33上移或下移，都可以带动转换轴34，并使转换轴34的转动方向保持不变，从而始终向耦合装置4输入同一方向的转动力。
具体地如下：
浮子32随着海洋波浪上升时，连杆31带动双面齿条33向上运动，双面齿条33带动左右两边单向齿轮35同时转动，一侧单向齿轮35逆时针转动，另一侧单向齿轮35顺时针转动，其中，一侧单向齿轮35带动其内部单向离合器38逆时针转动，该单向离合器38内部打滑，因此该侧齿轮轴36不发生转动。同时，另一侧单向齿轮35带动其内部单向离合器38顺时针转动，此侧单向离合器38带动齿轮轴36转动，从而使转换轴34转动。
当浮子32随着海洋波浪下降时，两侧单向齿轮35转向相反，单向离合器38也相反作用，因此转换轴34的转向不发生改变，依然维持原方向转动。
振荡的浮子32上升过程和下降过程中，转换轴34都是同一方向转动，使发电机5始终一个方向旋转发电，这样便可防止有些发电机5因为正反转的交替导致发电机5烧坏的现象，并且从理论和实际上都提高了波浪能的发电效率。
所以，风能发电装置、波浪发电能装置通过太阳轮43、行星排齿圈45，始终同时驱使行星轮44往同一方向转动，这样风力发电装置2才与波浪能发电装置3起到互补的作用，两种能源有效耦合，可以有效地提高发电效率的同时优化电能经济性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：包括浮台(1)以及设置于浮台(1)上的风力发电装置(2)、波浪能发电装置(3)、耦合装置(4)，所述耦合装置(4)连接有发电机(5)；
所述风能发电装置、波浪发电能装置分别联动耦合装置(4)，通过耦合装置(4)驱动发电机(5)进行发电；
所述耦合装置(4)包括空心轴(41)、轮轴(42)、太阳轮(43)、至少两个行星轮(44)、行星排齿圈(45)和轮架(46)，所述轮轴(42)一端连接风力发电装置(2)，另一端与太阳轮(43)连接固定；所述空心轴(41)一端连接波浪能发电装置(3)，另一端与行星排齿圈(45)连接固定；所述行星轮(44)环绕太阳轮(43)啮合，同时行星排齿圈(45)也围绕行星轮(44)啮合；各行星轮(44)均与轮架(46)连接固定，通过轮架(46)连接至发电机(5)，输出动力进行发电。
2.根据权利要求1所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述风能发电装置包括机架(21)、若干风轮叶片(22)、竖直主轴(23)和传动组件(24)，所述机架(21)设置固定于浮台(1)，所述风轮叶片(22)均匀连接竖直主轴(23)，并通过竖直主轴(23)转动固定于机架(21)；所述竖直主轴(23)端部连接传动组件(24)，所述传动组件(24)联动耦合装置(4)。
3.根据权利要求2所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述传动组件(24)包括锥齿轮传动部(241)和皮带轮传动部(242)，锥齿轮传动部(241)一端连接竖直主轴(23)，另一端与皮带轮传动部(242)连接；所述皮带轮传动部(242)则联动耦合装置(4)的轮轴(42)。
4.根据权利要求2所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述风能发电装置还包括支撑臂(25)，所述风轮叶片(22)为升力式直叶片结构，各风轮叶片(22)通过支撑臂(25)环绕连接于竖直主轴(23)，两两风轮叶片(22)夹角相等。
5.根据权利要求4所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述支撑臂(25)包括顶轮(251)、底轮(252)和若干组连接臂，所述连接臂包括上臂(253)和下臂(254)，所述顶轮(251)与底轮(252)相平行并固定于竖直主轴(23)，所述上臂(253)一端连接于顶轮(251)，另一端连接风轮叶片(22)；所述下臂(254)一端连接于底轮(252)，另一端连接风轮叶片(22)；同一组连接臂连接同一风轮叶片(22)。
6.根据权利要求3或5所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述波浪发电能装置为振荡浮子(32)式结构，包括相互连接传动的吸收机构和转换机构，所述吸收机构捕获波浪能，通过转换机构联动耦合装置(4)。
7.根据权利要求6所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述吸收机构设置于浮台(1)下方，吸收机构包括连杆(31)和在海上振荡运动的浮子(32)；
所述转换机构包括双面齿条(33)、转换轴(34)、两个单向齿轮(35)和两侧齿轮轴(36)，双面齿条(33)竖直设置，双面齿条(33)与连杆(31)连为一体化结构，通过连杆(31)与浮子(32)连接；
两侧齿轮轴(36)平行且同向设置；两个单向齿轮(35)分别啮合于双面齿条(33)两面，所述单向齿轮(35)连接有单向离合器(38)，并且单向齿轮(35)固定于齿轮轴(36)；
所述转换轴(34)夹于两侧齿轮轴(36)之间，并与两侧齿轮轴(36)啮合传动；所述转换轴(34)联动耦合装置(4)的空心轴(41)。
8.根据权利要求7所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述连杆(31)贯穿浮台(1)设置，并相对浮台(1)上下运动。
9.根据权利要求8所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述吸收机构还包括若干与浮子(32)相连接的导杆(37)，所述导杆(37)与连杆(31)相平行；各导杆(37)贯穿浮台(1)，相对浮台(1)上下运动。
10.根据权利要求9所述同时采集风能与波浪能的漂浮式耦合发电系统，其特征在于：所述转换机构还包括壳体(39)，所述转换轴(34)、齿轮轴(42)(36)均转动固定于壳体(39)中。
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