CN215566361U - 海上风能和波浪能耦合发电系统 - Google Patents

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陈亚宾
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Abstract

本实用新型公开了一种海上风能和波浪能耦合发电系统，包括：风力发电系统，包括固定于海底的基座和塔架、安装于塔架顶部设有风力发电机组的机舱，以及通过轴承与机舱相连并将风能转换为机械能的风机叶片；至少两台波浪能发电系统，围绕塔架均匀分布，波浪能发电系统包括设置于塔架上的支撑平台、内部设有发电系统的摆体，以及将摆体连接至支撑平台的悬挂钢架，摆体位于水面以下并可相对于支撑平台偏航旋转，实现正向迎波以带动波浪能发电系统发电。

Description

海上风能和波浪能耦合发电系统
技术领域
本实用新型属于海上可再生能源利用领域，更具体地说，本实用新型涉及一种海上风能和波浪能耦合发电系统。
背景技术
海上风电场选址具有良好的风力资源和波浪能资源，将海上风电开发和波浪能资源利用结合，不仅可有效提高海上风电场的资源开发利用率，也是解决海洋可再生能源综合利用的有效途径。
相关技术虽然公开了利用海上太阳能、风能和波浪能的各种发电设备，但是，相关技术的发电系统结构复杂，能量转换效率低。有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、高效的海上风能和波浪能耦合发电系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、高效的海上风能和波浪能耦合发电系统。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种海上风能和波浪能耦合发电系统，其包括：
风力发电系统，包括固定于海底的基座和塔架、安装于塔架顶部设有风力发电机组的机舱，以及通过轴承与机舱相连并将风能转换为机械能的风机叶片；
至少两台波浪能发电系统，围绕塔架均匀分布，波浪能发电系统包括设置于塔架上的支撑平台、内部设有发电系统的摆体，以及将摆体连接至支撑平台的悬挂钢架，摆体位于水面以下并可相对于支撑平台偏航旋转，实现正向迎波以带动波浪能发电系统发电。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述支撑平台设有与悬挂钢架连接的升降系统，升降系统通过悬挂钢架带动摆体升降，控制摆体在水中的浸没深度。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述升降系统和悬挂钢架设有管廊，所述摆体内部的电缆通过管廊引出到支撑平台上。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述支撑平台上设有偏航系统，偏航系统通过升降系统和悬挂钢架带动摆体旋转，使摆体正对来波。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述悬挂钢架设有支撑轴，所述摆体与支撑轴相对转角不超过90度，摆体与支撑轴之间设有柔性密封。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述摆体通过止推轴承与悬挂钢架的支撑轴相连。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述摆体内设有与摆体刚性连接的支撑梁、支撑在支撑梁上的多个质心调节机构和质量块。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述悬挂钢架上设有支撑轴，所述质量块距离支撑轴的位置可调，以使得装置与波浪调谐，波浪能系统实现共振。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述摆体的横截面呈C型。
作为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的一种改进，所述波浪能发电系统包括发电机轴齿轮支架、固接于摆体内部的内齿圈、发电机齿轮、发电机和发电机支架，所述发电机齿轮通过发电机轴齿轮支架与悬挂钢架上的支撑轴刚接，所述发电机通过发电机支架与悬挂钢架上的支撑轴刚接，所述发电机与发电机齿轮之间通过联轴器连接，所述摆体通过内齿圈带动发电机齿轮旋转并带动发电机实现发电。
相对于现有技术，本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统通过风机叶片转动带动机舱中的风力发电机组发电，同时，通过位于水下的摆体相对于支撑平台偏航旋转，使得摆体正向迎波并带动摆体内的发电系统发电，从而实现海上风能和波浪能耦合发电，不仅结构简单，而且能量转换效率高，可显著提高目标海域海洋可再生能源利用效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统及其技术效果进行详细说明，其中：
图1为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统的结构示意图。
图2为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统中摆体的剖视示意图。
图3为本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统中摆体的另一剖视示意图。
图4为图3中圆圈部A的局部剖视示意图。
1--风机叶片；2--机舱；3--基座和塔架；4--支撑平台；5--升降系统；6--偏航系统；7--悬挂钢架；8--摆体；9--质心调节机构；10--质量块；11--质心调节机构支撑梁；12--止推轴承；13--柔性密封；14--发电机轴齿轮支架；15--内齿圈；16--发电机齿轮；17--发电机；18--发电机支架。
具体实施方式
为了使本实用新型的实用新型目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。
请参照图1至图4所示，本实用新型提供了一种海上风能和波浪能耦合发电系统，其包括：
风力发电系统，包括固定于海底的基座和塔架3、安装于塔架3顶部且内部设有风力发电机的机舱2，和通过轴承与机舱2相连并将风能转换为机械能的风机叶片；以及
至少两台波浪能发电系统，围绕塔架3均匀分布，波浪能发电系统包括固定设置于塔架3上的支撑平台4、内部设有发电系统的摆体8，以及将摆体8连接至支撑平台4的悬挂钢架7，其中，悬挂钢架7设有支撑轴，摆体8位于水面以下并可相对于支撑平台偏航旋转，实现正向迎波以带动波浪能发电系统发电。
根据本实用新型的一个实施方式，机舱2内设有齿轮增速机构、风力发电机、整流逆变器、刹车和电气设备，风机叶片1通过机舱2中的齿轮增速机构带动发电机转动，实现发电，将风机叶片1的机械能转化为电能，风力发电机产生的电经过整流逆变器后转换成需要的电，最后与波浪能发电系统产生的电能交汇后并入电网或接入负载。
请参照图1所示，支撑平台4的主要功能是安放摆体8和输变电设备。摆体8的横截面为C型，以位于支撑平台4下方的悬挂钢架7下端的支撑轴为支撑，支撑轴为悬挂钢架7的组成部分，与悬挂钢架7刚性连接。支撑平台4设有与悬挂钢架7相连的升降系统5，升降系统5通过悬挂钢架7带动摆体8升降，控制摆体8在水中的浸没深度，实现最优捕能。在图1所示实施方式中，支撑平台4上设有偏航系统6，偏航系统6通过升降系统5和悬挂钢架7带动摆体8旋转，使摆体8正对来波。
根据本实用新型的一个实施方式，升降系统5和悬挂钢架7设有圆形的管廊，摆体8内部的电缆通过圆形的管廊引出到支撑平台4上。
根据本实用新型的一个实施方式，升降系统5包括升降杆、传动齿条和第一驱动电机。升降杆的一端穿过支撑平台4与悬挂钢架7相连，传动齿条设置在升降杆上，第一驱动电机设置在支撑平台4上，第一驱动电机输出轴上的传动齿轮与传动齿条啮合，以驱使升降杆上下移动，进而实现摆体8的升降。
根据本实用新型的一个实施方式，偏航系统6包括第一外齿轮和第二驱动电机。第二驱动电机设置在支撑平台4上，升降杆穿过第一外齿轮并与第一外齿轮固定连接，第二驱动电机设置有第二外齿轮，第二外齿轮与第一外齿轮啮合。当第二驱动电机驱动第二外齿轮绕其自身轴线转动时，第一外齿轮在第二外齿轮的啮合传动下，使得第一外齿轮绕其自身轴线转动，进而带动升降杆绕其自身轴线转动，最终使得波浪能发电系统能够绕升降杆的轴线发生转动，以使得波浪能发电系统能够更好的正对波浪，进而俘获更多的波浪能。
请参照图2和3所示，摆体8与支撑轴相对转角不超过90度，摆体8与支撑轴之间需要进行水密封处理。传统的密封方式会引起过大的摩擦阻尼，有可能使波浪能系统进入过阻尼状态，大幅降低波浪能转换的效率，同时磨损可能会引起密封水性能失效，可靠性低。为了避免传统密封方式引起的过大摩擦阻尼，图2和图3所示实施方式采用波纹管状橡胶管形成柔性密封13，以解决传统密封技术的不足。
摆体8通过止推轴承12与悬挂钢架7的支撑轴相连，发电时，摆体8相对支撑轴旋转运动。摆体8内设有与摆体8刚性连接的支撑梁11、支撑在支撑梁11上的质心调节机构9和质量块10。在图示实施方式中，质量块10纵剖面呈长方形，横剖面为长方形和梯形组合，底部沿纵横方向剖去部分体积，以增加质心调节范围，使波浪能系统最低可调周期尽可能小。根据本实用新型的一个优选实施方式，质量块10距离支撑轴的位置可调，以使得摆体8与波浪调谐，波浪能系统(摆体8+水)实现共振。C型摆体8工作时处于调谐共振状态，其摆幅大，直接驱动发电机进行发电，不需要液压换能，结构简单，可靠性高，易维护，制造安装和运行维护成本低。在图2和图3所示的实施方式中，摆体8内设置多个质心调节机构，以降低单个质量块10的重量，提高质心位置调节精度。
请一并参照图2至4所示，波浪能发电系统包括发电机轴齿轮支架14、固接于摆体8内部的内齿圈15、发电机齿轮16、发电机17和发电机支架18，发电机齿轮16通过发电机轴齿轮支架14与悬挂钢架7上的支撑轴刚接，发电机17通过发电机支架14与悬挂钢架7上的支撑轴刚接，发电机17与发电机齿轮16之间通过联轴器连接，摆体8通过内齿圈15带动发电机齿轮16旋转，并带动发电机17实现发电。发电机17产生的电用电缆通过管廊输送到支撑平台4上，用支撑平台4上的电气设备进行整流逆变处理，处理后再与风力发电系统产生的电能交汇并入电网或接入负载。
相对于现有技术，本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统通过风机叶片1转动带动机舱中的风力发电机组发电，同时，通过位于水下的摆体8相对于支撑平台4偏航旋转，使得摆体8正向迎波并带动摆体8内的发电系统发电，从而实现海上风能和波浪能耦合发电，不仅结构简单，而且能量转换效率高，可显著提高目标海域海洋可再生能源利用效率。此外，本实用新型海上风能和波浪能耦合发电系统采用C式浮力摆作为其基本的振动形式，可通过改变设置在其内质量块10的位置来改变波浪能系统的自振频率，主动与波浪实现调谐，实现持续高效利用波浪能发电。
根据上述原理，本实用新型还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，包括：
风力发电系统，包括固定于海底的基座和塔架、安装于所述塔架顶部设有风力发电机组的机舱，以及通过轴承与所述机舱相连并将风能转换为机械能的风机叶片；以及
至少两台波浪能发电系统，围绕所述塔架均匀分布，所述波浪能发电系统包括设置于所述塔架上的支撑平台、内部设有发电系统的摆体，以及将所述摆体连接至所述支撑平台的悬挂钢架，所述摆体位于水面以下并可相对于所述支撑平台偏航旋转，实现正向迎波以带动波浪能发电系统发电。
2.根据权利要求1所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述支撑平台设有与所述悬挂钢架连接的升降系统，所述升降系统通过所述悬挂钢架带动所述摆体升降，控制所述摆体在水中的浸没深度。
3.根据权利要求2所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述升降系统和所述悬挂钢架设有管廊，所述摆体内部的电缆通过所述管廊引出到所述支撑平台上。
4.根据权利要求2所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述支撑平台上设有偏航系统，所述偏航系统通过所述升降系统和悬挂钢架带动所述摆体旋转，使所述摆体正对来波。
5.根据权利要求1所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述悬挂钢架设有支撑轴，所述摆体与所述支撑轴相对转角小于90度，所述摆体与所述支撑轴之间设有柔性密封。
6.根据权利要求5所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述摆体通过止推轴承与所述悬挂钢架的支撑轴相连。
7.根据权利要求1所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述摆体内设有与所述摆体刚性连接的支撑梁、支撑在所述支撑梁上的多个质心调节机构和质量块。
8.根据权利要求7所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述悬挂钢架上设有支撑轴，所述质量块距离所述支撑轴的位置可调。
9.根据权利要求1所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述摆体的横截面呈C型。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的海上风能和波浪能耦合发电系统，其特征在于，所述波浪能发电系统包括发电机轴齿轮支架、固接于所述摆体内部的内齿圈、发电机齿轮、发电机和发电机支架，所述发电机齿轮通过所述发电机轴齿轮支架与所述悬挂钢架上的支撑轴刚接，所述发电机通过所述发电机支架与所述悬挂钢架上的支撑轴刚接，所述发电机与所述发电机齿轮之间通过联轴器连接，所述摆体通过所述内齿圈带动所述发电机齿轮旋转并带动所述发电机实现发电。
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