CN116799939A - 一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于风‑光‑浪多能互补的不间断供电浮标，属于浮标供电领域；包括电力模块、控制模块与装配模块；电力模块包括垂直轴风力发电装置、太阳能电池板发电装置、点吸式波浪能发电装置、负载端口与储能装置，通过三个发电装置俘能发电，电流输入储能装置；负载端口用于连接需供电的外接电子设备；控制模块包括单片机、Buck‑boost升降压电路、双向全控IGBT电桥与直流母线；装配模块用于搭载电力模块、控制模块，构成浮标整体。本发明利用太阳能、风能和波浪能三种海洋环境能源，结合电池储能及电源管理技术组成多能互补不间断电源装置，为长续航浮标系统的传感、探测、信号处理、控制、通信等提供充足、稳定、不间断、长续航的原位电能供应。
Description
技术领域
本发明属于海洋观测与导航、水下航行器充电、多能互补装置设计、波浪能浮标供电领域，具体涉及一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，用于近远海区域设备的供电与装置的充电。
背景技术
随着浮标系统挂载能力的提升、搭载电子设备的增多、系统功能的扩展,浮标系统的用电量急剧增加，传统的太阳能蓄电池系统已经不能满足浮标系统长续航力的需求。并且鉴于风能、太阳能和波浪能等海洋环境能源呈现强烈的随机性和间歇性，如何提高原位能源技术的输出功率稳定性和可靠性一直是工程应用难题。
现有的海上供电方案主要以单能源供电为主，常见的有以下3种：
1.海上风电。海上风电是指在海上建设风力发电设施，以水平轴风力发电机居多，风力带动叶片转动，将风能转化为机械能，叶片转动带动发电机旋转进而产生电能。但是风力发电需要有持续稳定的风速才能实现稳定供电，不适用于风力资源弱的场景。
2.海上太阳能发电。发电机制原理与陆上太阳能的原理一致，根据光生伏特效应，将太阳辐射所带来的太阳能转化为电能。但是太阳能发电具有强烈的间歇性，光伏发电系统仅能在白天发电，晚上不能发电，许多情况下不能满足用电需求。并且容易受到气候环境的影响，在阴雨天气、雾天都会严重影响发电系统的正常发电。
3.波浪能发电。波浪能分布广泛、储量巨大，与风能和太阳能相比，能流密度更大，能源的品味性更高，并且波浪能发电运营成本较低，具有商业吸引力。波浪能发电装置分类有点吸式、消波式、截止式、振荡水柱式，其基本原理都是实现波浪能—机械能—电能的能量转换。但目前波浪能发电技术的成熟性较低，且工作情况也会受到天气等自然条件的影响。
面对当今日益增长的海上新能源供电需求，本发明将风光浪三种能源综合使用，一方面关注了供电方案的适应性，即在不同海上条件通过不同能源供电形式的切换来提供稳定的供电效果，较好地实现了因地制宜的海上工作特性；另一方面兼顾了能源的多样性以及供电的高效性，具有稳定、可靠、安全、长续航的供电特性，因此可以利用该种风-光-浪多能互补不间断供电浮标作为近远海供电设备，依靠三种能源的互补来实现海上供电。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，通过综合、高效利用太阳能、风能和波浪能三种海洋环境能源，结合电池储能及电源管理技术组成风能-光伏-波浪多能互补不间断电源装置，为长续航浮标系统的传感、探测、信号处理、控制、通信等提供充足、稳定、不间断、长续航的原位电能供应。
本发明的技术方案是：一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：包括电力模块、控制模块与装配模块；
所述电力模块包括垂直轴风力发电装置1-1、太阳能电池板发电装置1-2、点吸式波浪能发电装置1-3、负载端口1-4与储能装置1-5，通过三个发电装置俘能发电，电流输入储能装置1-5；负载端口1-4用于连接需供电的外接电子设备；
所述控制模块2包括单片机、Buck-boost升降压电路、双向全控IGBT电桥与直流母线；所述单片机开发板引出5个PWM脉冲宽度调制端口，其中3个端口分别接在三个发电装置的输出电路上，另外两个接在储能装置1-5的输入电路上；利用单片机进行PWM波控制调节输出信号占空比，使用双向全控IGBT电桥对垂直轴风力发电装置1-1产生的电流进行AC-DC转化，使用Buck-boost升降压电路对太阳能电池板发电装置1-2产生的电流进行DC-DC升降压处理，使用双向全控IGBT电桥对点吸式波浪能发电装置1-3产生的电流进行的AC-DC转化，使用Buck-boost升降压电路对储能装置1-5的输入电流进行升降压处理；通过直流母线向储能装置1-5充电；
所述装配模块用于搭载电力模块、控制模块，构成浮标整体。
本发明的进一步技术方案是：所述装配模块包括浮标外壳3-1、电路保护盒3-3、分隔板3-8与浮心配重3-9；所述垂直轴风力发电装置1-1和太阳能电池板发电装置1-2分别通过连接件安装于浮标外壳3-1的顶部；所述点吸式波浪能发电装置1-3和浮心配重3-9安装于浮标外壳3-1内，并通过分隔板3-8分隔于浮标外壳3-1内的独立空间；所述电路保护盒3-3位于浮标外壳3-1上，用于安装负载端口1-4、储能装置1-5和控制模块2。
本发明的进一步技术方案是：所述浮标外壳3-1为桶体结构，其顶端开口处封装有桶盖3-6；其内由分隔板3-8分为上下两个腔体；
所述垂直轴风力发电装置1-1通过法兰连接件3-5安装于风机底座3-4上；所述太阳能电池板发电装置1-2通过太阳能板支架3-2安装于风机底座3-4上；所述风机底座3-4安装于桶盖3-6上方；
所述电路保护盒3-3安装于桶盖3-6和风机底座3-4之间，并进行水密处理；
所述点吸式波浪能发电装置1-3通过支杆3-7安装于浮标外壳3-1内的上腔体，浮心配重3-9位于浮标外壳3-1内的下腔体。
本发明的进一步技术方案是：所述点吸式波浪能发电装置1-3包括沿浮标外壳3-1轴向设置的圆柱形永磁体定子，永磁体定子上套有绕组构成的内部振子，内部振子底部通过沿周向设置的多根支撑弹簧与分隔板3-8连接；
所述永磁体定子上下两端各装有一根碰振弹簧，用于限制内部振子与浮标外壳3-1的相对位移；波浪作用时，内部振子和浮标外壳3-1在竖直方向上产生相对位移，将波浪能俘获并转换为机械能；同时带动绕组线圈切割永磁体产生的磁感线，从而产生电能。
本发明的进一步技术方案是：当所述内部振子与浮标外壳3-1相对位移超过行程约束时，会接触到碰振弹簧触发碰振机制；所述碰振机制能够拓宽点吸式波浪能发电装置1-3对波浪能的捕获频带范围，并提高点吸式波浪能发电装置1-3在极端海况下的生存能力。
本发明的进一步技术方案是：所述垂直轴风力发电装置1-1采用磁悬浮风力发电机。
本发明的进一步技术方案是：所述太阳能电池板发电装置1-2材质为钢化玻璃集成的多晶硅片，采用氧化铝合金边框，并且使用光伏专用胶做密封处理，与水平面之间的夹角成45°。
本发明的进一步技术方案是：所述储能装置1-5为锂电池与超级电容。
本发明的进一步技术方案是：所述浮标外壳3-1材质为316无缝钢管。
本发明的进一步技术方案是：还包括混合储能系统，所述储能系统包括能量管理模块，能量管理模块根据测量到的直流母线电压与参考电压之差，产生PWM波信号控制储能装置1-5进行充、放电；当系统输入的能量较高时，通过直流母线向储能装置1-5充电，当系统输入的能量不足时，通过储能装置1-5向直流母线放电。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种能够进行风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，通过综合、高效利用太阳能、风能和波浪能三种海洋环境能源，结合电池储能及电源管理技术组成风能-光伏-波浪多能互补不间断电源装置，为长续航浮标系统的传感、探测、信号处理、控制、通信等提供充足、稳定、不间断、长续航的原位电能供应。
有益效果体现为以下四个方面：
(1)融合风能、太阳能和波浪能三种能源，利用三者的相关性和互补性提高平均功率和供电可靠性，能满足大部分浮标的功率要求，在海洋观测与导航、水下航行器充电等民用和军用领域具有广阔的应用前景采用的技术具有创新性。
(2)选取垂直轴风力发电装置保证输出电流的同向性，选取45度角度放置的太阳能电池板发电装置确保其受辐射面积最大化，选取点吸式波浪能发电装置保证机械结构的简单性。从上到下依次为垂直轴风力发电装置、太阳能电池板发电装置、点吸式波浪能发电装置，这样放置可以将浮标的体积最小化并且符合三种能源的空间分布，通过一体化设计优化配置风能、太阳能和波浪能模块的装机容量与电池储能模块容量，在技术集成和工程应用上具有创新性。
(3)针对波浪能设备在极端海况下安全性低的难题，提出了内置振子双体点吸式波浪能装置，利用非线性碰振机制提高波浪能装置的安全性，在装置研发和优化方法上具有创新性。
(4)风、光、浪发电系统共用一套混合储能系统，该系统能量管理模块根据测量到的直流母线电压与参考电压之差，产生PWM波信号控制储能元件(锂电池和超级电容)进行充、放电。当系统输入的能量较高时，通过直流母线向储能元件充电，当系统输入的能量不足时，通过储能元件向直流母线放电，以此达到“削峰填谷”，实现向直流负载稳定供电的目的，在控制设计与电路一体化管理上具有创新性。
附图说明
图1为一种能够进行风-光-浪多能互补的不间断供电浮标的结构图。
图2为控制模块的单片机电路框图、PWM调控电路框图。
图3为内置双体碰振机制点吸式波浪能装置的示意图与效果图。
图4为南中国海地区2022年太阳能、风能与波浪能两两相关系数图。
附图标记说明：1-1垂直轴风力发电装置、1-2太阳能电池板发电装置、1-3点吸式波浪能发电装置、1-4负载端口、1-5储能装置，2.控制模块，3-1浮标外壳、3-2太阳能板支架、3-3电路保护盒、3-4风机底座、3-5法兰连接组块、3-6桶盖、3-7支杆、3-8分隔板、3-9浮心配重。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，本实施例一种能够进行风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，包括电力模块、控制模块与装配模块；
所述的电力模块包括垂直轴风力发电装置1-1、太阳能电池板发电装置1-2、点吸式波浪能发电装置1-3、负载端口1-4与储能装置1-5；通过三个发电装置俘能发电，电流输入储能装置1-5；负载端口1-4用于连接需供电的外接电子设备；
参照图2(a)和2(b)所示，所述的控制模块2包括单片机、Buck-boost升降压电路、双向全控IGBT电桥与直流母线，为自主设计的控制方案，其内部连接方式为：单片机开发板引出5个PWM(脉冲宽度调制)端口，PWM端口1接在太阳能电池板发电装置1-2的输出电路上；PWM端口2接在垂直轴风力发电装置1-1的输出电路上；PWM端口3接在点吸式波浪能发电装置1-3的输出电路上；PWM端口4与5接在储能装置1-5的输入电路上。
所述的装配模块包括浮标外壳3-1、太阳能板支架3-2、电路保护盒3-3、风机底座3-4、法兰连接件3-5、桶盖3-6、支杆3-7、分隔板3-8与浮心配重3-9。
所述一种能够进行风-光-浪多能互补的不间断供电浮标从上到下的组装方式为：垂直轴风力发电装置1-1通过法兰连接件3-5与风机底座3-4连接；太阳能电池板发电装置1-2通过三角形结构的太阳能板支架3-2来固定；太阳能板支架3-2焊接在风机底座3-4上；储能装置1-5与控制模块2置于电路保护盒3-3内；电路保护盒3-3预留负载端口1-4；电路保护盒3-3组装在桶盖3-6上；桶盖3-6与浮标外壳3-1采用螺纹连接；分隔板3-8与浮标外壳3-1内壁采用螺栓连接；支杆3-7与分隔板3-8、桶盖3-6、风机底座3-4的连接方式为螺纹连接；点吸式波浪能发电装置1-3通过支杆3-7来固定。
所述垂直轴风力发电装置1-1采用磁悬浮风力发电机。
所述太阳能电池板发电装置1-2材质为钢化玻璃集成的多晶硅片，采用氧化铝合金边框，并且使用光伏专用胶做密封处理，放置角度45度。
所述点吸式波浪能发电装置1-3为自主设计的内置双体碰振机制点吸式波浪能发电机，主体为浮于海面的圆柱结构物。该装置内部中心处安装有圆柱形永磁体定子，永磁体上套有绕组构成的内部振子，内部振子底部通过四根支撑弹簧与浮体连接，永磁体上下两端各装有一根碰振弹簧限制内部振子和浮体的相对位移。波浪作用时，俘能装置(内部振子和浮体)在竖直方向上会产生相对位移将波浪能俘获并转换为机械能，带动绕组线圈切割永磁体产生的磁感线，从而产生电能；内部振子与浮体相对位移超过行程约束时，会接触到碰振弹簧触发碰振机制，该碰振机制可以有效拓宽装置对波浪能的捕获频带范围，并提高装置在极端海况下的生存能力。
优选的，所述的负载端口1-4可连接灯泡、传感器、摄像头以及其他电子设备。
优选的，所述的储能装置1-5为锂电池与超级电容。
优选的，所述的浮标外壳3-1材质为316无缝钢管。
优选的，所述的太阳能板支架3-2材质为铝合金。
优选的，所述的电路保护盒3-3材质为有机玻璃。
优选的，所述的风机底座3-4材质为防锈漆处理过的铁。
优选的，所述的法兰连接件3-5材质为防锈漆处理过的铁，采用螺纹连接。
优选的，所述的桶盖3-6材质为316钢。
优选的，所述的支杆3-7材质为铁合金。
优选的，所述的分隔板3-8材质为316钢。
优选的，所述的浮心配重3-9可使用铁块、沙子以及其他重物。
具体实施例：
本实施例一种能够进行风-光-浪多能互补的不间断供电浮标被投放至水域，垂直轴风力发电装置1-1额定功率为10W，额定风速为13m/s，额定电压为12V；太阳能电池板发电装置1-2额定功率为10W，额定电压为16V，开路电流0.6A；点吸式波浪能发电装置1-3半径为1m，额定功率200W，额定电压220V。
参照图2(a)和2(b)所示，垂直轴风力发电装置1-1所产生的电为三相交流电，输出电流0.48A；太阳能电池板发电装置1-2所产生的电为直流电，4块太阳能电池板输出电流2.4A；点吸式波浪能发电装置1-3所产生的电为单相交流电，输出电流0.91A；
利用控制模块2使用单片机进行PWM波控制调节输出信号占空比，使用双向全控IGBT电桥对垂直轴风力发电装置1-1产生的电流进行AC-DC转化，使用Buck-boost升降压电路对太阳能电池板发电装置1-2产生的电流进行DC-DC升降压处理，使用双向全控IGBT电桥对点吸式波浪能发电装置1-3产生的电流进行的AC-DC转化，使用Buck-boost升降压电路对储能装置1-5的输入电流进行升降压处理。
关于最优功率控制，因为风机发电和光伏发电的输出功率在一定范围内与风速和光照强度呈线性关系，单片机产生的控制垂直轴风力发电装置、太阳能电池板发电装置的PWM波控制信号参考现有技术，相关发电技术较为成熟。所以最优功率控制主要面向波浪能转换系统的最大化波浪能捕获。具体控制策略为：控制系统基于阻抗匹配原理，根据观测到的俘能装置运行速度产生参考电流，通过电流跟踪模块计算产生PWM波控制信号，从而改变永磁同步电机对俘能装置施加的能量摄取(Power take-off，PTO)作用力，进而实现最大化波浪能捕获。
参照图3所示，自主设计的内置双体碰振机制点吸式波浪能发电机可以捕获波浪能并且将其转换为机械能，该种设计结构一方面可以保护发电机避免与浮标内壁碰撞，另一方面扩大了可用于发电的波浪频率带宽，其内部发电装置的本质为直驱式发电机，在内部发电装置的作用下又将机械能转换为电能，带动其上连接的信号发生器经信号中继站传送至地面控制中心。
图4所示的是南中国海地区2022年太阳能、风能与波浪能两两相关系数图。两种能源之间的相关系数与能源之间的相关互补关系如下表：
| 相关系数 | 相关/互补程度 | 相关系数 | 相关/互补程度 |
| [-1,-0.6] | 强互补 | [0,0.2] | 无互补无相关 |
| [-0.6,-0.4] | 中等程度互补 | [0.2,0.4] | 弱相关 |
| [-0.4,-0.2] | 弱互补 | [0.4,0.6] | 中等程度相关 |
| [-0.2,0] | 无互补无相关 | [0.6,1] | 强相关 |
根据图4，2022年南中国海地区：太阳能与风能资源大部分区域具有强互补性，太阳能与波浪能资源大部分区域具有强相关性，风能与波浪能资源大部分区域具有强相关性。资源分布相关情况意味着所设计的一种能够进行风-光-浪多能互补的不间断供电浮标在南中国海大部分区域有非常实用的价值意义，可以实现稳定、可靠、安全、长续航的供电。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：包括电力模块、控制模块与装配模块；
所述电力模块包括垂直轴风力发电装置(1-1)、太阳能电池板发电装置(1-2)、点吸式波浪能发电装置(1-3)、负载端口(1-4)与储能装置(1-5)，通过三个发电装置俘能发电，电流输入储能装置(1-5)；负载端口(1-4)用于连接需供电的外接电子设备；
所述控制模块(2)包括单片机、Buck-boost升降压电路、双向全控IGBT电桥与直流母线；所述单片机开发板引出5个PWM脉冲宽度调制端口，其中3个端口分别接在三个发电装置的输出电路上，另外两个接在储能装置(1-5)的输入电路上；利用单片机进行PWM波控制调节输出信号占空比，使用双向全控IGBT电桥对垂直轴风力发电装置(1-1)产生的电流进行AC-DC转化，使用Buck-boost升降压电路对太阳能电池板发电装置(1-2)产生的电流进行DC-DC升降压处理，使用双向全控IGBT电桥对点吸式波浪能发电装置(1-3)产生的电流进行的AC-DC转化，使用Buck-boost升降压电路对储能装置(1-5)的输入电流进行升降压处理；通过直流母线向储能装置(1-5)充电；
所述装配模块用于搭载电力模块、控制模块，构成浮标整体。
2.根据权利要求1所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述装配模块包括浮标外壳(3-1)、电路保护盒(3-3)、分隔板(3-8)与浮心配重(3-9)；所述垂直轴风力发电装置(1-1)和太阳能电池板发电装置(1-2)分别通过连接件安装于浮标外壳(3-1)的顶部；所述点吸式波浪能发电装置(1-3)和浮心配重(3-9)安装于浮标外壳(3-1)内，并通过分隔板(3-8)分隔于浮标外壳(3-1)内的独立空间；所述电路保护盒(3-3)位于浮标外壳(3-1)上，用于安装负载端口(1-4)、储能装置(1-5)和控制模块(2)。
3.根据权利要求2所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述浮标外壳(3-1)为桶体结构，其顶端开口处封装有桶盖(3-6)；其内由分隔板(3-8)分为上下两个腔体；
所述垂直轴风力发电装置(1-1)通过法兰连接件(3-5)安装于风机底座(3-4)上；所述太阳能电池板发电装置(1-2)通过太阳能板支架(3-2)安装于风机底座(3-4)上；所述风机底座(3-4)安装于桶盖(3-6)上方；
所述电路保护盒(3-3)安装于桶盖(3-6)和风机底座(3-4)之间，并进行水密处理；
所述点吸式波浪能发电装置(1-3)通过支杆(3-7)安装于浮标外壳(3-1)内的上腔体，浮心配重(3-9)位于浮标外壳(3-1)内的下腔体。
4.根据权利要求3所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述点吸式波浪能发电装置(1-3)包括沿浮标外壳(3-1)轴向设置的圆柱形永磁体定子，永磁体定子上套有绕组构成的内部振子，内部振子底部通过沿周向设置的多根支撑弹簧与分隔板(3-8)连接；
所述永磁体定子上下两端各装有一根碰振弹簧，用于限制内部振子与浮标外壳(3-1)的相对位移；波浪作用时，内部振子和浮标外壳(3-1)在竖直方向上产生相对位移，将波浪能俘获并转换为机械能；同时带动绕组线圈切割永磁体产生的磁感线，从而产生电能。
5.根据权利要求4所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：当所述内部振子与浮标外壳(3-1)相对位移超过行程约束时，会接触到碰振弹簧触发碰振机制；所述碰振机制能够拓宽点吸式波浪能发电装置(1-3)对波浪能的捕获频带范围，并提高点吸式波浪能发电装置(1-3)在极端海况下的生存能力。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述垂直轴风力发电装置(1-1)采用磁悬浮风力发电机。
7.根据权利要求1-5任一项所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述太阳能电池板发电装置(1-2)材质为钢化玻璃集成的多晶硅片，采用氧化铝合金边框，并且使用光伏专用胶做密封处理，与水平面之间的夹角成45°。
8.根据权利要求1-5任一项所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述储能装置(1-5)为锂电池与超级电容。
9.根据权利要求1-5任一项所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：所述浮标外壳(3-1)材质为316无缝钢管。
10.根据权利要求1-5任一项所述一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标，其特征在于：还包括混合储能系统，所述储能系统包括能量管理模块，能量管理模块根据测量到的直流母线电压与参考电压之差，产生PWM波信号控制储能装置(1-5)进行充、放电；当系统输入的能量较高时，通过直流母线向储能装置(1-5)充电，当系统输入的能量不足时，通过储能装置(1-5)向直流母线放电。
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|---|---|---|---|
| CN202310611773.2A CN116799939A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种基于风-光-浪多能互补的不间断供电浮标 |
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| CN (1) | CN116799939A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117543843A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-02-09 | 广州菲利斯太阳能科技有限公司 | 一种可移动离网发电储能供电系统及方法 |
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2023
- 2023-05-29 CN CN202310611773.2A patent/CN116799939A/zh active Pending
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