多能混合波浪能發電系統的製作方法

2023-06-06 06:45:21 2

本發明涉及一種多能混合的波浪能發電系統，尤其是一種應用於廣闊海洋海況多變區域實現波浪能高效捕獲，且採用多能耦合確保發電輸出功率相對穩定的波浪能發電系統。
背景技術：
：為應對偏遠海島、航海設備等能源供給問題，合理開發海流能和波浪能等海洋能量已關乎國家安全以及海洋權益維護，刻不容緩。海洋波浪能嚴格無汙染，蘊含容量大，非常適合解決海島居民生活以及確保航海安全設備的電源供給。目前，波浪能發電裝置有鴨式、振蕩水柱式、聚波儲能式、推擺式、振蕩浮子式等多種形式，但普遍存在捕獲效率相對較低、能量輸出不穩定以及抗海浪衝擊能力弱等問題。尤其是其間歇性和波動性問題，導致輸出功率波動，影響捕獲設備穩定，嚴重製約波浪能發電系統的真正實用化。目前一般波浪能發電一般採用電池和液壓兩種儲能方式平抑和解決波浪能的波動問題，但電池生產和廢棄處理的汙染問題，以及液壓儲能洩漏問題，直接導致海水汙染，破壞自然環境。而壓縮空氣儲能是以空氣為壓縮介質，嚴格汙染，具有存儲容量大，同時易於和深度海水勢能天然耦合，非常適合解決氣罐氣壓波動所致的壓縮儲能效率低下以及波浪能輸出功率波動性問題。技術實現要素：本發明的技術任務是針對上述技術中存在的不足，提供一種新型多能混合波浪能發電系統。本發明解決上述技術問題採用的技術方案為：多能混合波浪能發電系統包括波浪能捕獲、機械耦合裝置、直線發電機、壓縮空氣儲能、中心浮球、水勢蓄能以及壓縮氣壓調控，採用壓縮空氣和海水勢能平抑海浪波動；兩蝶式橢球俯仰式捕獲波浪能量，機械耦合裝置對雙翼俯仰升速、換向、機械耦合，與壓縮空氣儲能共同驅動動子和活塞高速直線運動，實現發電和壓縮/膨脹雙重功能；直線發電機定子繞組內嵌在圓桶形立式定子鐵芯內，盤式永磁體動子和活塞構成鼠籠型一體化支撐結構，內嵌壓縮空氣儲能的吸氣管路；低壓閥和高壓閥協同控制，實現活塞無阻回落和波動海浪功率的柔性消納；中心浮球為封閉式剛性外殼，用於穩定雙翼俯仰基準，提高捕獲能量；水勢蓄能藉助桶型腔室上側端板所受海水重力，捕獲海水勢能和潮汐能，並由壓縮氣壓調控裝置，動態調控氣罐氣壓，提升壓縮儲能效率。機械耦合裝置包括翼變齒輪、換向軸、電磁離合器以及曲柄聯杆，翼變齒輪對兩翼俯仰升速，換向軸則將兩翼俯仰轉化至高速旋轉，並經電磁離合器和曲柄聯杆上端相聯；所述曲柄聯杆為兩個經軸承互聯的輕質鋼杆，並下端經軸承和直線發電機動子相聯，將換向軸高速旋轉運動轉化為動子上下運動；所述電磁離合器為兩翼捕獲能量和壓縮空氣儲能耦合裝置，驅動直線發電機動子和壓縮機活塞直線運動，實現發電和壓縮/膨脹雙重功能；所述直線發電機為圓筒形立式結構，定子鐵芯內嵌三相對稱定子繞組，鐵芯內置盤式中空永磁體動子，動子受曲柄聯杆和活塞共同作用，切割磁力線發電；中心浮球為封閉剛性外殼，內置大容量空隙，完全浸潤於水，穩定雙翼中心基準，提升動子和活塞的有效直線位移，有效提高波浪能捕獲。壓縮空氣儲能包括活塞、吸氣管、封閉腔室、低壓閥、高壓閥、壓儲氣罐，活塞和動子構成鼠籠式輕型鋼製結構，吸氣管內嵌在活塞和動子內部，並在活塞中心處設置低壓閥，控制吸氣管和封閉腔室的開通，封閉腔室底部經高壓閥和壓儲氣罐相連，高/低壓閥協同開啟/閉合，消納海浪波動功率；當波浪能存在多餘功率時，高壓閥關閉、低壓閥開通，活塞上移、中空管吸入氣體，吸氣結束後低壓閥和高壓閥關閉，活塞下移壓縮氣體並排出至高壓氣罐；當波浪能不足滿足負荷時，低壓閥關閉、高壓閥開通，高壓氣體流入膨脹腔室，推動活塞上移並達到吸入體積，高壓閥關閉，高壓氣體膨脹達到膨脹排氣壓力時，低壓閥開通，氣體排出。水勢蓄能包括高壓桶型腔室和剛性端板，封閉腔室內為高壓氣體，端板上端直接浸入海水，捕獲海水潮汐能量，端板在海水重力作用和壓縮氣體氣壓共同作用下位移變化，用於調控壓縮氣罐氣壓相對恆定；壓縮氣壓調控環節包括電磁閥調控通道以及壓縮機和單向閥通道，電磁閥控制膨脹進氣流量，氣流流向從水勢蓄能到壓縮氣罐，確保壓儲氣壓在膨脹高效範圍內；壓縮機和單相閥通道用於壓縮氣罐內氣壓提升，轉化至水勢蓄能，確保壓縮氣壓在壓縮高效區間，降低活塞移動能量轉化過程中的過/欠壓縮和膨脹所致的功率損耗。本發明所帶來的有益效果是：1)本發明採用壓縮空氣和海水勢能兩種儲能方式，有效消除波浪能波動性和間歇性對負荷供電質量的影響；2)創新性地將直線電機發電驅動、壓縮和膨脹多功能納為一體，大幅減緩了海況變化對機械結構以及發電機動子的衝擊，同時高速曲柄聯杆所儲動能快速改變俯仰上下限的工作狀態，提升波浪能捕獲效率；3)水勢蓄能充分利用海水勢能以及潮汐變化，拓寬了波浪能捕獲範圍，同時動態調控壓儲氣罐氣壓，降低過欠壓縮和膨脹所致功率損耗，提升壓縮儲能效率；4)本發明具有結構緊湊、易維護、抗海浪衝擊能力強、能量轉化效率高、發電輸出功率穩定等優點，必將大幅推動波浪能發電系統實用化。附圖說明圖1多能混合的波浪能發電系統結構示意圖。圖2曲柄聯杆和發電機動子聯接結構圖。圖3直線電機動子剖面圖。圖4鼠籠式動子支撐架剖面圖。圖5機械耦合裝置結構圖。圖6多能混合的波浪能發電系統多種工作模式選擇流程圖。表1變量說明變量說明H海浪波高hmin啟動波浪波高Pw波浪能捕獲功率Pload負載功率pmax壓儲氣罐內最大氣壓pmin壓儲氣罐內最小氣壓註：HPload時，且Pw-Pload>Pc時系統運行在「波浪壓縮發電」，反之系統仍然工作在「獨立波浪發電」；當系統捕獲功率Pw<Pload，且Pload-Pw<Pe時，系統運行在「波浪膨脹發電」，反之系統仍然工作「獨立波浪發電」；當系統捕獲功率H≤hmin時，系統運行在「水勢壓儲發電」。1、獨立波浪發電當海況較好，系統捕獲波浪能基本滿足負載需求，壓縮空氣儲能和水勢蓄能不工作，蝶式兩翼2捕獲能量驅動動子26發電，完成波浪能和電能轉化。在此狀態下，活塞11在曲柄聯杆(圖2)驅動下運動，低壓閥10開通、高壓閥13關閉，實現封閉腔室12和大氣壓力一致，活塞11無氣阻移動；電磁離合器30吸合，兩翼2捕獲能量經換向軸31與曲柄聯杆5耦合驅動動子7，此時系統捕獲能量基本滿足負載需要。兩翼俯仰經變比升速和中軸換向，高速驅動動子7上移，切割磁力線發電，達到俯仰上限時，兩翼在曲柄動能作用下，快速下抑改變捕獲運動狀態，後經換向軸31和曲柄傳遞、驅動活塞11和動子7下移，完成俯仰周期過程。此時可調整發電機負載轉矩，促使兩翼俯仰頻率逼近波浪頻率，實現波浪最大捕獲。2、波浪壓縮發電當海況較好時，系統捕獲的波浪能除滿足負載外還存在多餘功率，可驅動活塞11壓縮空氣存儲至壓儲氣罐14，以待能量不足時補充差額功率。在此狀態下，兩翼2需與曲柄聯杆7耦合，同時協同調控高13低壓10閥門開啟和關閉，實現活塞11上移吸氣、下移壓縮以及氣壓調控，其中，活塞上移吸氣是在兩翼捕獲機械能作用下，實現動子7發電和活塞11低壓吸氣雙重功能；下移壓縮是將兩翼捕獲能用於驅動動子發電，多餘能量壓縮儲存高壓氣體，壓儲調控環節重點在活塞11下移時，調控壓儲氣罐氣壓，確保壓縮儲能效率。此時狀態下，除高速驅動動子7切割磁力線發電外，協同控制高低壓閥以及壓儲調控環節，將多餘波浪能以壓縮空氣和水勢蓄能形式進行存儲。活塞上11移時，電磁離合器30將換向軸31與曲柄聯杆5耦合，兩翼俯仰驅動活塞和動子上移，切割磁力線發電，同時，低壓閥開通、高壓閥閉合，壓縮腔室吸入低壓氣體，直至達到腔室頂部，活塞上移結束；進而動子在兩翼俯仰和曲柄聯杆5動能雙重作用下，快速回落，切割磁力線發電，同時低壓閥10關閉，高壓閥13開通，腔室氣體隨活塞回落壓縮至壓儲氣罐，直至達到腔室底端，高壓閥13關閉、低壓閥10開通。進而在兩翼捕獲能量作用下，再次驅動活塞11上移復位，進行下一周期循環工作。壓縮氣罐14氣壓達到pmax時，壓縮氣壓調控環節的壓縮機16啟動，向水勢蓄氣罐18壓縮空氣。此狀態下可經由調整活塞11上移吸入氣體體積，即調控壓縮儲能功率改變兩翼俯仰頻率，實現最大波浪能捕獲。3、波浪膨脹發電當海況較差，系統捕獲波浪能無法滿足負載所需功率，差額功率需由壓縮空氣儲能和水勢蓄能共同完成。在此狀態下，兩翼2需與曲柄聯杆5機械耦合，同時協同調控高13低10壓閥開啟和關閉，實現活塞11膨脹上移、活塞無阻回落以及壓儲氣壓調控，其中，活塞11上移時，兩翼捕獲的波浪能和膨脹能機械耦合，共同驅動動子7發電，同時調控壓儲氣罐14氣壓，確保膨脹效率；活塞11回落，動子7在兩翼下抑以及曲柄動能作用下快速回落，切割磁力線發電。在此狀態下，壓儲氣罐14高壓氣體釋放經高壓閥13進入封閉腔室膨脹助力發電；電磁離合器30將換向軸31與曲柄聯杆5機械耦合，活塞11上移時低壓閥10閉合，高壓閥13開通，壓儲氣罐14內氣體經高壓閥13流入膨脹腔室，推動活塞11上移到0.5V時高壓閥13關閉，高壓氣體繼續膨脹，當氣壓達到膨脹排氣壓力時，低壓閥10打開，氣體迅速排出降低腔室氣壓，為活塞11歸位做準備；活塞11下移時低壓閥10開通，高壓閥13關閉，活塞11回落，動子7在兩翼2下仰和曲柄動能作用下，活塞11快速回落，驅動動子7切割磁力線，並將腔室內氣體由中空管4無阻排出。當壓儲氣罐14內氣體壓力低於pmin時，單向電磁閥15打開，水勢蓄氣罐18內氣體在海水重力的作用下，進入壓儲氣罐14，直至氣壓達到pmax時，電磁閥15關閉，以確保膨脹助力效率。此狀態下可經由調整活塞11上移時，高壓氣體吸入體積，即調控膨脹助力功率改變兩翼俯仰頻率，實現波浪能最大捕獲。4、水勢壓儲發電當海況較差時，波浪能具備捕獲價值，負載功率需壓縮空氣儲能和水勢蓄能釋能發電提供，在此工作狀態下，兩翼2需與曲柄聯杆5解耦，按功能分為活塞11上移、活塞11回落以及壓儲氣壓調控三環節。活塞11上移，壓縮氣體膨脹做功推動活塞11和動子7發電；活塞11回落，動子7在重力輔助下受曲柄5動能作用，下移切割磁力線發電；上述兩環節中均存在壓儲氣壓調控環節，即將海水勢能轉化為壓縮空氣儲能，儘量減小過欠膨脹，確保壓縮儲能效率。在此狀態下，壓儲氣罐14氣體膨脹做功，驅動活塞11和動子7上移，切割磁力線發電為負載獨立供電；電磁離合器30將換向軸31與曲柄聯杆5解耦，消除雙翼2被動俯仰所致的功率損耗，活塞11上移時低壓閥10閉合，高壓閥13開通，壓儲氣罐14氣體經高壓閥13流入封閉腔室，推動活塞11上移到0.5V時高壓閥13關閉，高壓氣體繼續膨脹，當氣壓達到膨脹排氣壓力時，低壓閥10打開，氣體迅速排出降低腔室氣壓，為活塞11歸位做準備；活塞11下移時低壓閥10開通，高壓閥13關閉，活塞11和動子7在重力輔助下受曲柄動能作用快速回落，切割磁力線發電功能，腔室內氣體由中空管4無阻排出。膨脹驅動過程由高/低壓閥的協同控制完成。當壓儲氣罐14內氣體壓力低於pmin時，單向電磁閥15打開，水勢蓄氣罐內氣體在海水重力的作用下，進入壓儲氣罐，直至氣壓達到pmax時，電磁閥15關閉。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp