CN113202699A - 一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于浮式平台的风能‑波浪能发电装置，包括：风力发电组件、浮式平台、波浪能发电组件；风力发电组件设置于浮式平台的平台上；浮式平台的周圈均匀设置数个波浪能发电组件；波浪能发电组件可以根据波浪起伏高度调节高度；浮子中有摆重式发电机构，通过浮子的随波浪的起伏摆动带动摆重做圆周运动进行发电。本发明在不同波浪起伏大小时，可以通过调节移动板的位置，来调整浮子可上下浮动的空间，增加浮子的浮动幅度；本发明在浮子中增加了一套发电机构，并通过可以异向输入同向输出的齿轮组来实现无论摆重正转还是逆转都能让发电机转动，保证了持续发电。

Description

一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置及其工作方法。
背景技术
近年来，风能、波浪能发电和潮汐能发电已逐渐成为新能源发电的热点方向。随着近海区域风电资源的开发逐渐饱和以及人们对近海环境的保护呼吁日益强烈，海上风力发电和波浪能发电走向深海领域将是必然趋势。风能发电已具备成熟的技术支撑，而波浪能发电处于发展的起步阶段，因此在深海领域利用浮式平台来实现风能和波浪能一体式发电将成为新的技术话题。
深海的环境与近海大不相同，深海的环境更加复杂，以浮式为基础的发电平台已成为主流，但如何让浮式平台更加稳定的漂浮在海面上以及实现高效的发电仍然是难以解决的问题。
波浪能发电由于其成本高昂，发电装置转换效率低，发展速度较为缓慢。中国专利文献CN 112302877 A公开了一种海上风电和波浪能联合发电***，实现发电风机平台和振荡式浮子联合发电，但浮子发电***是利用波浪压缩气室内气体发电，其工作效率不高。中国专利文献CN 112283010 A公开了一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，采用多个运动单元并用连接臂连接在一起，能够在多个自由度上采集波浪能，但该发明装置仅利用液压能发电，发电效果好坏受限于液压杆的长度以及运动幅度的大小。中国专利文献CN110145431 A公开了一种多自由度筏式波浪能发电装置及发电方法，利用两个工作箱在海面上产生的相对位移，通过换向齿轮组实现发电机的发电，但此装置在恶劣的海况中易发生损坏，结构较为脆弱。
在风力发电中风能转化为电能时，受到风机捕获风能的效率最多达到40％，机械传动损耗以及传输中电能的损耗，因此单独的风力发电装置具有发电效率不高以及不稳定的劣势，将风力发电和波浪能发电有效的结合起来，并借助可升降的浮式平台的稳定性，利用多自由的波浪能发电装置实现波浪多角度的发电，从而发电装置的发电效率得到显著提升。
发明内容
本发明提供了一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置及其工作方法，以解决现有技术中不能同时实现风能和波浪能发电，在深海环境下输出不稳定性和可持续性低的问题。
本发明提供了一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，包括：风力发电组件、浮式平台、波浪能发电组件；所述风力发电组件设置于所述浮式平台的平台上；所述浮式平台的周圈均匀设置数个所述波浪能发电组件；
所述波浪能发电组件包括：第一液压杆、连接板、连接杆、浮子、移动板、移动板驱动机构、液压发电机组；所述浮式平台设置所述波浪能发电组件处的外壁上沿轴向开设有凹槽；所述移动板驱动机构设置于所述浮式平台内；所述移动板嵌入所述浮式平台上的所述凹槽内，受所述移动板驱动机构的驱动在所述凹槽内沿轴向运动；所述连接板沿所述浮式平台的径向水平设置，一端与所述移动板铰接，另一端与所述连接杆一端通过万向轴连接，所述连接板以铰接点为轴沿垂直方向运动；所述第一液压杆一端铰接于所述浮式平台外壁上所述凹槽的上部，另一端铰接于所述连接板上，所述第一液压杆与所述液压发电机组连接；所述连接杆另一端通过万向轴与所述浮子连接；
所述浮子包括：浮子壳体、摆重、圆形轨道、底板、齿轮组、发电机组；所述圆形轨道水平固定于所述浮子壳体内壁的周圈；所述底板水平固定于所述浮子壳体内；所述齿轮组设置于所述圆形轨道和所述底板之间的空间内；所述发电机组设置于所述底板与所述浮子壳体底部之间的空间内；所述齿轮组的输入轴与所述浮子壳体同轴；所述摆重的连接端与所述齿轮组的输入轴连接，摆头在所述圆形轨道上运动；所述齿轮组的输出轴与所述发电机组的输入轴连接；所述齿轮组为双向输入单向输出的齿轮组。
进一步地，所述浮子还包括一对鳍翼；一对所述鳍翼设置于所述浮子壳体外壁的两侧。
进一步地，一对所述鳍翼在所述浮子壳体外壁上的固定存在高度落差。
进一步地，所述浮子还包括方向舵；所述方向舵设置于所述浮子壳体外壁上，与一对所述鳍翼的对称轴同轴。
进一步地，所述鳍翼的迎浪侧高度高于所述鳍翼的背浪侧，或所述鳍翼的迎浪侧高度低于所述鳍翼的背浪侧。
进一步地，所述齿轮组包括：第一单向棘轮、第二单向棘轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一传动轴、第二传动轴；第一单向棘轮与第二单向棘轮之间为异向单向棘轮；所述第一传动轴的一端为所述齿轮组的输入轴，与所述摆重的连接端连接；所述第一传动轴上套接所述第一单向棘轮、第二单向棘轮，所述第一传动轴均与两个单向棘轮的内圈齿轮传动连接；所述第二传动轴上套接所述第二齿轮、第三齿轮，所述第二传动轴与所述第二齿轮、第三齿轮传动连接；所述第一单向棘轮与所述第一齿轮啮合；所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合；所述第二单向棘轮的外圈齿轮与所述第三齿轮啮合；所述第二单向棘轮的外圈齿轮作为所述齿轮组的输出端与所述发电机组连接。
进一步地，所述第二传动轴也作为所述齿轮组的输出轴与所述发电机组连接。
进一步地，所述波浪能发电组件还包括：第二液压杆；所述连接板通过所述万向轴与所述移动板连接；所述第二液压杆的一端铰接于所述连接板所在平面内的所述浮式平台的外壁上，另一端铰接于所述连接板上，所述第二液压杆与所述液压发电机组连接。
本发明还提供了上述基于浮式平台的风能-波浪能发电装置的工作方法，包括：
基于浮式平台的风能-波浪能发电装置通过浮式平台浮在海面上，通过风力发电组件进行风力发电，通过波浪能发电组件进行波浪能发电；
波浪能发电组件进行波浪能发电的具体工作方法如下：
波浪带动浮子上下浮动，浮子带动连接板以与移动板连接处为支撑点上下左右运动，连接板带动第一液压杆、第二液压杆伸缩通过液压发电机组发电；
波浪带动浮子摆动，摆重受浮子的摆动和惯性作用在圆形轨道上做圆周运动，带动第一传动轴转动，第一传动轴通过可双向输入单向输出的齿轮组将摆重的圆周运动传输至发电机组进行发电。
进一步地，当波浪起伏较小时，移动板驱动机构驱动移动板沿凹槽向上运动直至最高点；当波浪起伏较大时，移动板驱动机构驱动移动板沿凹槽向下运动直至最低点。
本发明的有益效果：
本发明将连接板与可以在浮式平台外壁上上下运动的移动板连接，在不同波浪起伏大小时，可以通过调节移动板的位置，来调整浮子可上下浮动的空间，增加浮子的浮动幅度。
本发明在浮子中增加了一套发电机构，通过浮子的在波浪中的摆动来带动摆重做圆周运动，通过摆重的圆周运动来带动齿轮组的转动轴转动来发电，并通过可以异向输入同向输出的齿轮组来实现无论摆重正转还是逆转都能让发电机转动，保证了持续发电。
本发明在浮子壳体上增加鳍翼，可以增加浮子在波浪中的摆动幅度，来增加摆重的推动力，时摆重持续运动。设置不同高度的鳍翼，可以使浮子以一个摆动方向进行摆动，保证摆重的运动方向不变。鳍翼具有一定的仰角、倾角可以进一步增加浮子的摆动幅度。设置方向舵可以时浮子的鳍翼一直处于迎浪状态，时浮子处于更好的摆动状态。
本发明采用两个相互异向的单齿棘轮配合其他齿轮，实现可以异向输入同向输出的齿轮组，避免了摆重运动方向与发电机输入轴转向不同时无法发电的情况。同时采用两个传动轴，可以在第二传动轴的输出端也接入一个发电机，实现一轴输入多轴输出，增加发电量。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施例的主视图；
图2为本发明具体实施例的俯视图；
图3为本发明具体实施例中波浪能发电组件的主视图；
图4为本发明具体实施例中波浪能发电组件的俯视图；
图5为本发明具体实施例中波浪能发电组件的除浮子以外的侧视图；
图6为本发明具体实施例中齿轮组的主视图
图7为本发明具体实施例中齿轮组的俯视图；
图8为本发明具体实施例中齿轮组去除圆形轨道的俯视图；
图9为本发明具体实施例中方向舵的示意图；
图10为本发明具体实施例中波浪能发电装置的能量转换流程图；
图11为本发明具体实施例中总能量转化转换示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-9所示，本发明实施例提供一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，包括：风力发电组件1、浮式平台2、波浪能发电组件3；风力发电组件1设置于浮式平台2的平台上；浮式平台2的周圈均匀设置数个波浪能发电组件3；
如图3-6所示波浪能发电组件3包括：第一液压杆31、连接板32、连接杆33、浮子34、移动板35、移动板驱动机构、液压发电机组、第二液压杆36；浮式平台2设置波浪能发电组件3处的外壁上沿轴向开设有凹槽；移动板驱动机构设置于浮式平台2内；移动板35嵌入浮式平台上的凹槽内，受移动板驱动机构的驱动在凹槽内沿轴向运动；连接板32沿浮式平台2的径向水平设置，一端通过万向轴与移动板35连接，另一端与连接杆33一端通过万向轴连接，连接板32以铰接点为轴沿垂直方向运动；第一液压杆31一端铰接于浮式平台2外壁上凹槽的上部，另一端铰接于连接板32上，第一液压杆31与液压发电机组连接；第二液压杆36的一端铰接于连接板32所在平面内的浮式平台2的外壁上，另一端铰接于连接板32上，第二液压杆36与液压发电机组连接；连接杆33另一端通过万向轴与浮子34连接。
由于浮式平台2由于自身的设计，其在深海中的随海浪的波动较小，同时深海的海浪波动并不大，所以现有的波浪能发电组件容易导致浮子的波动幅度不大，无法有效的带动液压杆的伸缩来使液压发电机发电。将连接板32与浮式平台2之间通过可以移动的移动板35连接，移动板35在移动板驱动机构的驱动下调整连接板32与浮式平台2的连接位置，通过连接位置的改变，可以增加浮子的摆动幅度，连接位置越高摆动空间越大，所以在波浪起伏较小时，可以将连接位置上移，来增加浮子的摆动幅度空间。由于浮子不光受到波浪起伏作用，还会受到波浪的冲击作用，增加一个水平设置的液压杆，可以在吸收了波浪的起伏能量的基础上，再吸收波浪的冲击能量，增加发电量。
浮子34包括：浮子壳体341、摆重342、圆形轨道343、底板344、齿轮组、发电机组、一对鳍翼345、方向舵346；圆形轨道343水平固定于浮子壳体341内壁的周圈；底板344水平固定于浮子壳体341内；齿轮组设置于圆形轨道343和底板344之间的空间内；发电机组设置于底板344与浮子壳体341底部之间的空间内；齿轮组的输入轴与浮子壳体341同轴；摆重342的连接端与齿轮组的输入轴连接，摆头在圆形轨道343上运动；齿轮组的输出轴与发电机组的输入轴连接；齿轮组为双向输入单向输出的齿轮组；一对鳍翼设置于浮子壳体外壁的两侧；方向舵设置于浮子壳体外壁上，与一对鳍翼的对称轴同轴。；为了更好地吸收波浪能，一对鳍翼在浮子壳体外壁上的固定存在高度落差，和/或鳍翼的迎浪侧高度高于鳍翼的背浪侧，或鳍翼的迎浪侧高度低于鳍翼的背浪侧。
由于浮子内的发电过程是用过摆重的顺时针或逆时针的转动，来带动齿轮组，再通过齿轮组带动发电机发电。所以摆重的运动过程直接影响了发电效果。摆重的摆动过程是在浮子发生倾斜时，通过摆重的自身重力产生的惯性带动摆重运动。所以浮子的倾斜幅度直接影响了摆重的运动。在浮子壳体上增加鳍翼，可以更好的吸收波浪的起伏，使浮子的倾斜角度增加。增加方向舵可以控制浮子方向，使鳍翼一直迎着波浪行进方向，错落高低的鳍翼也可以在迎浪时使得浮子的倾斜过程是一个连续的，可以使摆重会沿一个方向连续运动，避免了摆重在变化运动方向时的能量损耗。鳍翼的角度也是为了增加浮子的倾斜幅度。
如图6-8所示，齿轮组包括：第一单向棘轮41、第二单向棘轮42、第一齿轮43、第二齿轮44、第三齿轮45、第一传动轴46、第二传动轴47；第一单向棘轮41与第二单向棘轮42之间为异向单向棘轮；第一传动轴46的一端为齿轮组的输入轴，与摆重342的连接端连接；第一传动轴46上套接第一单向棘轮41、第二单向棘轮42，第一传动轴46均与两个单向棘轮的内圈齿轮传动连接；第二传动轴47上套接第二齿轮44、第三齿轮45，第二传动轴47与第二齿轮44、第三齿轮45传动连接；第一单向棘轮41与第一齿轮43啮合；第一齿轮43与第二齿轮44啮合；第二单向棘轮42的外圈齿轮与第三齿轮45啮合；第二单向棘轮42的外圈齿轮作为齿轮组的输出端与发电机组连接；第二传动轴47也作为齿轮组的输出轴与发电机组连接。
假设第一单向棘轮是逆时针联动，第二单向棘轮是顺时针联动，当摆重沿逆时针转动时，第一单向棘轮的内圈齿轮带动外圈齿轮一起逆时针转动，第二单向棘轮因为顺时针联动，所以其外圈齿轮不会跟随内圈齿轮一起做逆时针转动，第一齿轮顺时针转动，第二齿轮逆时针转动，第三齿轮因与第二齿轮同轴也逆时针转动，第二传动轴也逆时针转动，第二单向棘轮的外齿轮顺时针转动，带动发电机组的一个发电机输入轴顺时针转动发电，第二转动轴的逆时针转动会带动发电机组的另一个发电机输入轴逆时针转动发电；
当摆重沿顺时针转动时，第一单向棘轮因为逆时针联动，所以其外圈齿轮不会跟随内圈齿轮一起做顺时针转动，第二单向棘轮是顺时针联动，第二单向棘轮的内圈齿轮带动外圈齿轮一起顺时针转动，第三齿轮逆时针转动，第三齿轮与第二齿轮同轴，第二齿轮也逆时针转动，第二传动轴也逆时针转动，第二单向棘轮的外齿轮顺时针转动，带动发电机组的一个发电机输入轴顺时针转动发电，第二转动轴的逆时针转动会带动发电机组的另一个发电机输入轴逆时针转动发电。通过本发明提供的齿轮组的齿轮搭配可以实现齿轮组双向输入单向双轴输出。
如图9所示，方向舵346成十字型，一端与浮子壳体341连接，另三端上都设有导向鳍，可以提高方向舵346的灵敏性。
本发明还提供了上述基于浮式平台的风能-波浪能发电装置的工作方法，包括：
基于浮式平台的风能-波浪能发电装置通过浮式平台浮在海面上，通过风力发电组件进行风力发电，通过波浪能发电组件进行波浪能发电；
波浪能发电组件进行波浪能发电的具体工作方法如下：
波浪带动浮子上下浮动，浮子带动连接板以与移动板连接处为支撑点上下左右运动，连接板带动第一液压杆、第二液压杆伸缩通过液压发电机组发电；当波浪起伏较小时，移动板驱动机构驱动移动板沿凹槽向上运动直至最高点；当波浪起伏较大时，移动板驱动机构驱动移动板沿凹槽向下运动直至最低点；
波浪带动浮子摆动，摆重受浮子的摆动和惯性作用在圆形轨道上做圆周运动，带动第一传动轴转动，第一传动轴通过可双向输入单向输出的齿轮组将摆重的圆周运动传输至发电机组进行发电。
如图10所示，波浪能发电装置进行发电时，电力电子能量转换***可将浮子内各个发电机产生的不规则交流电转换为可利用的工频交流电，并通过AC/DC转换模块和DC/AC转换模块进行整流，最后通过电缆输出至电网。AC/DC转换模块和DC/AC转换模块可分别利用导线与所述波浪能发电装置的各个发电机连接，所以这些模块也可安装在浮子中，从而减小波浪对其的作用。
如图11所示，输电电路包括三个发电装置的输出电路，分别是风力发电组件1的输出电路、液压发电机5的输出电路和浮子内发电机6的输出电路。其中，风力发电组件1的输出端与整流器18相连接，在整流器18的两端并联有电能储能模块19来存储整流器18输出的直流电流；液压发电机5的输出端与AC/DC整流器和DC/AC整流器相连接，从而实现对电流进行整流，同时在两个整流器的两端并联有电能储能模块19来存储整流器输出的直流电流；浮子内齿轮发电机6的输出端连接有AC/DC整流器和DC/AC整流器，同时在两个整流器的两端并联有电能储能模块19。将三个发电装置的输出电路的输出线路在中心立柱内汇聚成一个母线输出，该母线由海底电缆与外部的逆变器70连接，并利用升压控制器71对电路中的电压进行升压处理，最后电流输出至电网，从而实现供电。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，包括：风力发电组件、浮式平台、波浪能发电组件；所述风力发电组件设置于所述浮式平台的平台上；所述浮式平台的周圈均匀设置数个所述波浪能发电组件；
所述波浪能发电组件包括：第一液压杆、连接板、连接杆、浮子、移动板、移动板驱动机构、液压发电机组；所述浮式平台设置所述波浪能发电组件处的外壁上沿轴向开设有凹槽；所述移动板驱动机构设置于所述浮式平台内；所述移动板嵌入所述浮式平台上的所述凹槽内，受所述移动板驱动机构的驱动在所述凹槽内沿轴向运动；所述连接板沿所述浮式平台的径向水平设置，一端与所述移动板铰接，另一端与所述连接杆一端通过万向轴连接，所述连接板以铰接点为轴沿垂直方向运动；所述第一液压杆一端铰接于所述浮式平台外壁上所述凹槽的上部，另一端铰接于所述连接板上，所述第一液压杆与所述液压发电机组连接；所述连接杆另一端通过万向轴与所述浮子连接；
所述浮子包括：浮子壳体、摆重、圆形轨道、底板、齿轮组、发电机组；所述圆形轨道水平固定于所述浮子壳体内壁的周圈；所述底板水平固定于所述浮子壳体内；所述齿轮组设置于所述圆形轨道和所述底板之间的空间内；所述发电机组设置于所述底板与所述浮子壳体底部之间的空间内；所述齿轮组的输入轴与所述浮子壳体同轴；所述摆重的连接端与所述齿轮组的输入轴连接，摆头在所述圆形轨道上运动；所述齿轮组的输出轴与所述发电机组的输入轴连接；所述齿轮组为双向输入单向输出的齿轮组。
2.如权利要求1所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，所述浮子还包括一对鳍翼；一对所述鳍翼设置于所述浮子壳体外壁的两侧。
3.如权利要求2所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，一对所述鳍翼在所述浮子壳体外壁上的固定存在高度落差。
4.如权利要求2或3所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，所述鳍翼的迎浪侧高度高于所述鳍翼的背浪侧，或所述鳍翼的迎浪侧高度低于所述鳍翼的背浪侧。
5.如权利要求2所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，所述浮子还包括方向舵；所述方向舵设置于所述浮子壳体外壁上，与一对所述鳍翼的对称轴同轴。
6.如权利要求1所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，所述齿轮组包括：第一单向棘轮、第二单向棘轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一传动轴、第二传动轴；第一单向棘轮与第二单向棘轮之间为异向单向棘轮；所述第一传动轴的一端为所述齿轮组的输入轴，与所述摆重的连接端连接；所述第一传动轴上套接所述第一单向棘轮、第二单向棘轮，所述第一传动轴均与两个单向棘轮的内圈齿轮传动连接；所述第二传动轴上套接所述第二齿轮、第三齿轮，所述第二传动轴与所述第二齿轮、第三齿轮传动连接；所述第一单向棘轮与所述第一齿轮啮合；所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合；所述第二单向棘轮的外圈齿轮与所述第三齿轮啮合；所述第二单向棘轮的外圈齿轮作为所述齿轮组的输出端与所述发电机组连接。
7.如权利要求6所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，所述第二传动轴也作为所述齿轮组的输出轴与所述发电机组连接。
8.如权利要求1所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，所述波浪能发电组件还包括：第二液压杆；所述连接板通过所述万向轴与所述移动板连接；所述第二液压杆的一端铰接于所述连接板所在平面内的所述浮式平台的外壁上，另一端铰接于所述连接板上，所述第二液压杆与所述液压发电机组连接。
9.一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置的工作方法，适用于如权利要求1-8所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，其特征在于，包括：
基于浮式平台的风能-波浪能发电装置通过浮式平台浮在海面上，通过风力发电组件进行风力发电，通过波浪能发电组件进行波浪能发电；
波浪能发电组件进行波浪能发电的具体工作方法如下：
波浪带动浮子上下浮动，浮子带动连接板以与移动板连接处为支撑点上下左右运动，连接板带动第一液压杆、第二液压杆伸缩通过液压发电机组发电；
波浪带动浮子摆动，摆重受浮子的摆动和惯性作用在圆形轨道上做圆周运动，带动第一传动轴转动，第一传动轴通过可双向输入单向输出的齿轮组将摆重的圆周运动传输至发电机组进行发电。
10.如权利要求9所述的基于浮式平台的风能-波浪能发电装置的工作方法，其特征在于，还包括：当波浪起伏较小时，移动板驱动机构驱动移动板沿凹槽向上运动直至最高点；当波浪起伏较大时，移动板驱动机构驱动移动板沿凹槽向下运动直至最低点。
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