CN113027686A - 一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，包括垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)、悬浮平台(4)、连杆(5)，系统中垂直轴风机(1)安装在连杆(5)的最上部，而两自由度发电机(2)安装在连杆(5)的底部，两自由度发电机(2)固定在海上的悬浮平台(4)上。连杆(5)与垂直轴风机(1)相连随风旋转，同时也连接在振荡浮子(4)之上随着海浪上下运动，因此两自由度发电机(3)的动子相对于定子旋转运动、直线运动或螺旋运动，这三种运动都会使得旋转直线发电机产生感应电动势，从而实现有效发电。这种系统将单独的旋转发电系统与单独的直线发电系统集成在一个单元当中，节省了许多能量转换装置，因此该系统的成本相较于传统风浪结合发电系统更低。

Description

一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统
技术领域
本发明涉及到风能与波浪能综合利用发电领域，具体涉及到风浪结合发电系统，特别涉及一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统。
背景技术
在全球能源日益短缺、人类呼唤“绿色”浪潮的今天，世界能源专家为了探寻人类未来的理想新能源，便将研究的触角伸向了广阔的海洋。海洋领域的可再生能源包括风能、波浪能、潮汐能、热能和太阳能等，充分利用海洋领域中巨大的、环保的能量进行发电，能大大缓解化石能源枯竭的危机，还能为世界能源增添新的版图。在海洋领域的多种绿色能源中，风能和波浪能的能量密度较高，能量形式更为集中，因此近年来海上风能和波浪能的开发引起了广泛关注。目前，独立开发海上风能或波浪能的发电系统较多，但是两种独立的发电系统占据了过多的海洋空间，造成了海域面积紧缺、开发成本高等问题，风能和波浪能的波动性、间歇性和不连续性还使得单独的风电系统/波浪能发电系统难以持续稳定地输出电能。近年来一种将海上风能和波浪能综合利用的海上风浪结合发电系统引起了广泛关注，它相较于单独的风电系统/波浪能发电系统具有单位海域能量产出更高、成本低、不工作小时数少等优势，成为了新能源发电领域的研究热点之一。针对海上风能和波浪能的综合开发，国内外相继提出了一些风浪结合发电系统，整体可以分为平台共用式与机械耦合式两类。较为典型的平台共用式风浪结合发电系统包括挪威远洋能源公司开发的三角形单浮体双风机平台W2Power和苏格兰绿色海洋能源公司研制的Wave Treader。在这种系统中，风能与波浪能共享平台、设备及海域，但是风力发电装置与波浪能发电装置仍是两个独立的体系，需要多台发电机(风力发电机和波浪能发电机)同时工作，系统体积依然庞大。而机械耦合式风浪结合发电系统虽然可以通过机械装置实现风能与波浪能的耦合，然后利用同一台发电机将收集的耦合动能同时转换，但是系统中需要过多的机械设备，存在多级能量转换过程，因而普遍具有效率低、可靠性低、稳定性差、维护成本高的问题。为了改善传统风浪结合发电系统中所存在的问题，将两自由度电机与风浪结合发电系统进行结合成为了一种减小系统体积、提高系统效率的有效方案，一种基于两自由度电机的新型风浪结合发电系统亟待提出。
综上所述，提供一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有风浪结合发电系统效率低、可靠性低、稳定性差、维护成本高的问题，本发明设计了一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，结合两自由度电机集成度高的优势，以期减小系统体积并提高系统效率。
为了解决上述技术问题，本申请的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，包括垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)、悬浮平台(4)、连杆(5)。
可选地，垂直轴风机(1)安装在连杆(5)的最上部，而两自由度发电机(2)安装在连杆(5)的底部，两自由度发电机(2)固定在海上的悬浮平台(4)上。连杆(5)与垂直轴风机(1)相连随风旋转，同时也连接在振荡浮子(4)之上随着海浪上下运动，因此两自由度发电机(3)的动子相对于定子旋转运动、直线运动或螺旋运动，这三种运动都会使得旋转直线发电机产生感应电动势，从而实现有效发电，结合电能后处理电路后，通过输电电路并入电网或是直接供应给用户。
可选地，垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)与连杆(5)同轴放置，保证同心状况良好，悬浮平台(4)上开有与略大于连杆(5)直径的孔道，连杆(5)穿过孔道与振荡浮子(3)相连接。
可选地，漂浮在海面上的振荡浮子(3)数量为一个，位于连杆(5)的底部。
可选地，垂直轴风机(1)的叶片收集海上风能后进行旋转，带动连杆(5)进行同速旋转，连杆(5)与两自由度发电机(1)的动子相连接，可以实现两自由度发电机(1)动子的旋转运动，这是两自由度发电机(1)动子进行螺旋运动的两个先决条件之一。
可选地，振荡浮子(3)漂浮在海水之上，当海浪上下波动时，振荡浮子(3)随着海面上下波动，振荡浮子(3)与连杆(5)同轴相连，连杆(5)在振荡浮子(3)的带动下也进行上下往复运动，连杆(5)与两自由度发电机(1)的动子相连接，可以实现两自由度发电机(1)动子的直线运动，这是两自由度发电机(1)动子进行螺旋运动的另一个先决条件。
可选地，连杆(5)穿过悬浮平台(4)的孔道与振荡浮子(3)相连，海水除了上下浮动的动力外还有水平方向推动的动力，通过悬浮平台(4)孔道的合理设计，可以将海水水平方向推动的动力作用于悬浮平台上，该部分能量得以释放后，可以降低海水水平方向推动的动力对系统造成冲击。
可选地，两自由度发电机(2)的动子在风浪能输入下进行旋转运动、直线运动或螺旋运动，两自由度发电机绕组中产生交变的磁通，从而实现有效发电，系统经过电能后处理电路后，将电能输送给用户和电网。
本发明的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统的有益效果有：这种系统将单独的旋转发电系统与单独的直线发电系统集成在一个单元当中，节省了许多能量转换装置，因此该系统的成本相较于传统理念中的风浪结合发电系统更低。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书部分阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统示意图。
图2是本发明的作为对比的一种传统风浪结合发电系统示意图。
图3是本发明实施例的一种两自由度永磁发电机轴向截面示意图。
图4是本发明实施例的一种两自由度永磁发电机横向截面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于本限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，为本申请实施例提供的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统示意图。
本实施例的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统由垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)、悬浮平台(4)、连杆(5)，垂直轴风机(1)安装在连杆(5)的最上部，而两自由度发电机(2)安装在连杆(5)的底部，两自由度发电机(2)固定在海上的悬浮平台(4)上。垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)与连杆(5)同轴放置，保证同心状况良好，漂浮在海面上的振荡浮子(3)数量为一个，位于连杆(5)的底部。悬浮平台(4)上开有与略大于连杆(5)直径的孔道，连杆(5)穿过孔道与振荡浮子(3)相连接，连杆(5)与垂直轴风机(1)相连随风旋转，同时也连接在振荡浮子(4)之上随着海浪上下运动，海水除了上下浮动的动力外还有水平方向推动的动力，通过悬浮平台(4)孔道的合理设计，可以将海水水平方向推动的动力作用于悬浮平台上，该部分能量得以释放后，可以降低海水水平方向推动的动力对系统造成冲击。垂直轴风机(1)的叶片收集海上风能后进行旋转，带动连杆(5)进行同速旋转，连杆(5)与两自由度发电机(1)的动子相连接，可以实现两自由度发电机(1)动子的旋转运动，振荡浮子(3)漂浮在海水之上，当海浪上下波动时，振荡浮子(3)随着海面上下波动，振荡浮子(3)与连杆(5)同轴相连，连杆(5)在振荡浮子(3)的带动下也进行上下往复运动，连杆(5)与两自由度发电机(1)的动子相连接，可以实现两自由度发电机(1)动子的直线运动。通过这两种方式实现风能和波浪能的将收集，带动两自由度发电机(3)的动子相对于定子旋转运动、直线运动或螺旋运动，这三种运动都会使得旋转直线发电机产生感应电动势，从而实现有效发电。图3和图4所示为本实施例的一种两自由度永磁发电机轴向截面及横向截面示意图，它由外定子铁心(13)、外定子永磁体(18)、外定子绕组(19)、动子(12)、内定子铁心(14)、内定子永磁体(15)、内定子绕组(17)、圆饼型辅助铁心(16)组成，外定子永磁体(18)沿切向充磁，内定子永磁体(15)沿轴向充磁，外定子铁心(13)、外定子永磁体(18)、外定子绕组(19)以及动子(12)外侧磁极和轭部构成旋转发电机单元，内定子铁心(14)、内定子永磁体(15)、内定子绕组(17)、圆饼型辅助铁心(16)以及动子(12)轭部和内侧磁极构成直线发电机单元该发电机的动子在风机和振荡浮子的带动下进行运动，两个发电机单元中的磁通回路方向不断反转，在“磁通切换”的机理下定子内部的集中绕组感应出交变的磁链，从而实现风能和波浪能的同时转换。发出的电能通过电能后处理电路处理后，通过输电电路并入电网或是直接供应给用户
图2是本发明的作为对比的一种传统风浪结合发电系统示意图，其由风力发电机(6)，水平轴风机(7)、振荡浮子(8)、波浪能发电机(9)、液压装置(10)和桩基(11)组成，在桩基(11)的顶部安装水平轴风机(7)，水平轴风机(7)与风力发电机(6)相联，水平轴风机(7)叶片转动驱动风力发电机(6)发出的电通过输电电路并入电网。桩基(11)与海面相交的位置套设振荡浮子(8)，振荡浮子(8)之上的桩基(11)位置安装液压装置(10)，该液压装置(10)中液压缸的活塞杆与振荡浮子(8)固定连接，在液压装置(10)内设直驱式波浪能发电机(9)，其发出的电通过输电电路并入电网。可见，这种传统结构的风浪结合发电系统具有多台发电机及较多机械传动装置，系统整体效率较低，本发明的提出可以较好地解决这一问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本分发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，包括垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)、悬浮平台(4)、连杆(5)，其特征在于垂直轴风机(1)安装在连杆(5)的最上部，而两自由度发电机(2)安装在连杆(5)的底部，两自由度发电机(2)固定在海上的悬浮平台(4)上。连杆(5)与垂直轴风机(1)相连随风旋转，同时也连接在振荡浮子(4)之上随着海浪上下运动，因此两自由度发电机(3)的动子相对于定子旋转运动、直线运动或螺旋运动，这三种运动都会使得旋转直线发电机产生感应电动势，从而实现有效发电，结合电能后处理电路后，通过输电电路并入电网或是直接供应给用户。
2.根据权利要求1所述的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，其特征在于垂直轴风机(1)、两自由度发电机(2)、振荡浮子(3)与连杆(5)同轴放置，保证同心状况良好，悬浮平台(4)上开有与略大于连杆(5)直径的孔道，连杆(5)穿过孔道与振荡浮子(3)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，其特征在于漂浮在海面上的振荡浮子(3)数量为一个，位于连杆(5)的底部。
4.根据权利要求1所述的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，其特征在于垂直轴风机(1)的叶片收集海上风能后进行旋转，带动连杆(5)进行同速旋转，连杆(5)与两自由度发电机(1)的动子相连接，可以实现两自由度发电机(1)动子的旋转运动，这是两自由度发电机(1)动子进行螺旋运动的两个先决条件之一。
5.根据权利要求1所述的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，其特征在于振荡浮子(3)漂浮在海水之上，当海浪上下波动时，振荡浮子(3)随着海面上下波动，振荡浮子(3)与连杆(5)同轴相连，连杆(5)在振荡浮子(3)的带动下也进行上下往复运动，连杆(5)与两自由度发电机(1)的动子相连接，可以实现两自由度发电机(1)动子的直线运动，这是两自由度发电机(1)动子进行螺旋运动的另一个先决条件。
6.根据权利要求1所述的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，其特征在于连杆(5)穿过悬浮平台(4)的孔道与振荡浮子(3)相连，海水除了上下浮动的动力外还有水平方向推动的动力，通过悬浮平台(4)孔道的合理设计，可以将海水水平方向推动的动力作用于悬浮平台上，该部分能量得以释放后，可以降低海水水平方向推动的动力对系统造成冲击。
7.根据权利要求1所述的一种基于两自由度发电机的新型风浪结合发电系统，其特征在于两自由度发电机(2)的动子在风浪能输入下进行旋转运动、直线运动或螺旋运动，两自由度发电机绕组中产生交变的磁通，从而实现有效发电，系统经过电能后处理电路后，将电能输送给用户和电网。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113446145A (zh) * 2021-07-01 2021-09-28 广东海洋大学 一种基于摩擦纳米发电的海风能-海流能耦合发电装置
CN113619743A (zh) * 2021-08-26 2021-11-09 王闻杰 一种海上波浪风力发电装置
CN113653584A (zh) * 2021-08-24 2021-11-16 江苏科技大学 一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置

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