本實用新型涉及一種多能混合的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于廣闊海洋海況多變區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波浪能高效捕獲，且采用多能耦合確保發(fā)電輸出功率相對穩(wěn)定的波浪能發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：為應(yīng)對偏遠(yuǎn)海島、航海設(shè)備等能源供給問題，合理開發(fā)海流能和波浪能等海洋能量已關(guān)乎國家安全以及海洋權(quán)益維護(hù)，刻不容緩。海洋波浪能嚴(yán)格無污染，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(shè)備的電源供給。目前，波浪能發(fā)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(wěn)定以及抗海浪沖擊能力弱等問題。尤其是其間歇性和波動性問題，導(dǎo)致輸出功率波動，影響捕獲設(shè)備穩(wěn)定，嚴(yán)重制約波浪能發(fā)電系統(tǒng)的真正實用化。目前一般波浪能發(fā)電一般采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(chǎn)和廢棄處理的污染問題，以及液壓儲能泄漏問題，直接導(dǎo)致海水污染，破壞自然環(huán)境。而壓縮空氣儲能是以空氣為壓縮介質(zhì)，嚴(yán)格污染，具有存儲容量大，同時易于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(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的技術(shù)任務(wù)是針對上述技術(shù)中存在的不足，提供一種新型混合波浪能發(fā)電裝置。本實用新型解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：混合波浪能發(fā)電裝置包括波浪能捕獲、機械耦合裝置、直線發(fā)電機、壓縮空氣儲能、中心浮球、水勢蓄能以及壓縮氣壓調(diào)控，采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(qū)動動子和活塞高速直線運動，實現(xiàn)發(fā)電和壓縮/膨脹雙重功能；直線發(fā)電機定子繞組內(nèi)嵌在圓桶形立式定子鐵芯內(nèi)，盤式永磁體動子和活塞構(gòu)成鼠籠型一體化支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌壓縮空氣儲能的吸氣管路；低壓閥和高壓閥協(xié)同控制，實現(xiàn)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，用于穩(wěn)定雙翼俯仰基準(zhǔn)，提高捕獲能量；水勢蓄能借助桶型腔室上側(cè)端板所受海水重力，捕獲海水勢能和潮汐能，并由壓縮氣壓調(diào)控裝置，動態(tài)調(diào)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(lián)桿，翼變齒輪對兩翼俯仰升速，換向軸則將兩翼俯仰轉(zhuǎn)化至高速旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)電磁離合器和曲柄聯(lián)桿上端相聯(lián)；所述曲柄聯(lián)桿為兩個經(jīng)軸承互聯(lián)的輕質(zhì)鋼桿，并下端經(jīng)軸承和直線發(fā)電機動子相聯(lián)，將換向軸高速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(qū)動直線發(fā)電機動子和壓縮機活塞直線運動，實現(xiàn)發(fā)電和壓縮/膨脹雙重功能；所述直線發(fā)電機為圓筒形立式結(jié)構(gòu)，定子鐵芯內(nèi)嵌三相對稱定子繞組，鐵芯內(nèi)置盤式中空永磁體動子，動子受曲柄聯(lián)桿和活塞共同作用，切割磁力線發(fā)電；中心浮球為封閉剛性外殼，內(nèi)置大容量空隙，完全浸潤于水，穩(wěn)定雙翼中心基準(zhǔn)，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(gòu)成鼠籠式輕型鋼制結(jié)構(gòu)，吸氣管內(nèi)嵌在活塞和動子內(nèi)部，并在活塞中心處設(shè)置低壓閥，控制吸氣管和封閉腔室的開通，封閉腔室底部經(jīng)高壓閥和壓儲氣罐相連，高/低壓閥協(xié)同開啟/閉合，消納海浪波動功率；當(dāng)波浪能存在多余功率時，高壓閥關(guān)閉、低壓閥開通，活塞上移、中空管吸入氣體，吸氣結(jié)束后低壓閥和高壓閥關(guān)閉，活塞下移壓縮氣體并排出至高壓氣罐；當(dāng)波浪能不足滿足負(fù)荷時，低壓閥關(guān)閉、高壓閥開通，高壓氣體流入膨脹腔室，推動活塞上移并達(dá)到吸入體積，高壓閥關(guān)閉，高壓氣體膨脹達(dá)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(nèi)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，用于調(diào)控壓縮氣罐氣壓相對恒定；壓縮氣壓調(diào)控環(huán)節(jié)包括電磁閥調(diào)控通道以及壓縮機和單向閥通道，電磁閥控制膨脹進(jìn)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范圍內(nèi)；壓縮機和單相閥通道用于壓縮氣罐內(nèi)氣壓提升，轉(zhuǎn)化至水勢蓄能，確保壓縮氣壓在壓縮高效區(qū)間，降低活塞移動能量轉(zhuǎn)化過程中的過/欠壓縮和膨脹所致的功率損耗。本實用新型所帶來的有益效果是：1)本實用新型采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(fù)荷供電質(zhì)量的影響；2)創(chuàng)新性地將直線電機發(fā)電驅(qū)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(jié)構(gòu)以及發(fā)電機動子的沖擊，同時高速曲柄聯(lián)桿所儲動能快速改變俯仰上下限的工作狀態(tài)，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，拓寬了波浪能捕獲范圍，同時動態(tài)調(diào)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)本實用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、易維護(hù)、抗海浪沖擊能力強、能量轉(zhuǎn)化效率高、發(fā)電輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點，必將大幅推動波浪能發(fā)電系統(tǒng)實用化。附圖說明圖1多能混合的波浪能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2曲柄聯(lián)桿和發(fā)電機動子聯(lián)接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖。圖6多能混合的波浪能發(fā)電系統(tǒng)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h(yuǎn)min啟動波浪波高Pw波浪能捕獲功率Pload負(fù)載功率pmax壓儲氣罐內(nèi)最大氣壓pmin壓儲氣罐內(nèi)最小氣壓注：H＜hmin時海浪蘊含能量少，無捕獲價值。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。本實用新型所公布的混合波浪能發(fā)電裝置(如圖1)包括護(hù)罩1、蝶式兩翼2、機械耦合裝置3(包括翼變齒輪34、換向軸31、錐齒輪II35、錐齒輪I36、軸承III22、電磁離合器30)、中空管4、曲柄聯(lián)桿(包括電磁離合器30、聯(lián)桿I32、聯(lián)桿II33、軸承I20、軸承II21、軸承III22)、直線發(fā)電機(包括動子7、定子9、桶狀直線電機外壁26、鼠籠式支撐結(jié)構(gòu)38、定子外撐23)、壓縮空氣儲能(包括活塞11、封閉腔室12、低壓閥10、高壓閥13、壓儲氣罐14)、水勢蓄能部分(包括水勢蓄氣罐18、端板19)、壓縮氣壓調(diào)控(包括壓縮機16、單向電磁閥15、單向閥17)、中心浮球24。所述蝶式雙翼2是波浪能捕獲以及波浪能轉(zhuǎn)化到機械能裝置；護(hù)罩1為設(shè)備上護(hù)套，頂端設(shè)置進(jìn)氣孔；所述機械耦合裝置3將兩翼2俯仰經(jīng)翼變齒輪34升速，并通過錐齒輪I35、錐齒輪II36、換向軸31、電磁離合器30、軸承III22和曲柄聯(lián)桿中的聯(lián)桿I32相聯(lián)，曲柄聯(lián)桿5以圓形軌道37回繞換向軸31旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動動子7和活塞鼠籠式一體化38結(jié)構(gòu)上下運動，發(fā)電和膨脹/壓縮雙重功能；所述直線發(fā)電機是機械能到電能轉(zhuǎn)化裝置，其內(nèi)動子7在曲柄聯(lián)桿、鼠籠式支撐機構(gòu)38以及活塞11的共同作用下切割定子9磁力線發(fā)電，實現(xiàn)輸出功率恒定；所述壓縮空氣儲能則是通過活塞11上下移動，并在高低壓閥(10、13)協(xié)同作用下，壓縮和膨脹封閉腔室12氣體，消納波浪波動功率；所述壓儲氣壓調(diào)控部分用于控制壓縮氣罐14內(nèi)氣壓在[pmin，pmax]內(nèi)，確保壓縮和膨脹兩工況下無過欠壓縮和膨脹損耗，當(dāng)壓力大于pmax時，壓縮機16工作將氣體再次壓縮，經(jīng)單向閥17存儲至水勢蓄氣罐18內(nèi)，而當(dāng)壓力低于Pmin時，水勢蓄氣罐內(nèi)高壓氣體經(jīng)單向電磁閥15進(jìn)氣至壓儲氣罐14；所述水勢蓄能部分包括水勢蓄氣罐18和端板19，用于捕獲海水重力勢能以及潮汐波動功率。鑒于波浪能的波動性和間歇性以及負(fù)載的不確定性，系統(tǒng)存在四種工作模式如圖6所示，系統(tǒng)實時檢測波浪工況、氣罐氣壓以及負(fù)荷，并藉此計算對應(yīng)波浪捕獲功率Pw、負(fù)載功率Pload、膨脹功率Pe和壓縮功率Pc，Pe和Pc分別對應(yīng)壓儲氣罐氣壓[pmin，pmax]內(nèi)，氣壓在此范圍內(nèi)壓儲氣壓調(diào)控部分不工作。當(dāng)系統(tǒng)捕獲功率Pw＝Pload時，系統(tǒng)運行在“獨立波浪發(fā)電”；當(dāng)系統(tǒng)捕獲功率Pw＞Pload時，且Pw-Pload＞Pc時系統(tǒng)運行在“波浪壓縮發(fā)電”，反之系統(tǒng)仍然工作在“獨立波浪發(fā)電”；當(dāng)系統(tǒng)捕獲功率Pw＜Pload，且Pload-Pw＜Pe時，系統(tǒng)運行在“波浪膨脹發(fā)電”，反之系統(tǒng)仍然工作“獨立波浪發(fā)電”；當(dāng)系統(tǒng)捕獲功率H≤hmin時，系統(tǒng)運行在“水勢壓儲發(fā)電”。1、獨立波浪發(fā)電當(dāng)海況較好，系統(tǒng)捕獲波浪能基本滿足負(fù)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(qū)動動子26發(fā)電，完成波浪能和電能轉(zhuǎn)化。在此狀態(tài)下，活塞11在曲柄聯(lián)桿(圖2)驅(qū)動下運動，低壓閥10開通、高壓閥13關(guān)閉，實現(xiàn)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(jīng)換向軸31與曲柄聯(lián)桿5耦合驅(qū)動動子7，此時系統(tǒng)捕獲能量基本滿足負(fù)載需要。兩翼俯仰經(jīng)變比升速和中軸換向，高速驅(qū)動動子7上移，切割磁力線發(fā)電，達(dá)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(tài)，后經(jīng)換向軸31和曲柄傳遞、驅(qū)動活塞11和動子7下移，完成俯仰周期過程。此時可調(diào)整發(fā)電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩，促使兩翼俯仰頻率逼近波浪頻率，實現(xiàn)波浪最大捕獲。2、波浪壓縮發(fā)電當(dāng)海況較好時，系統(tǒng)捕獲的波浪能除滿足負(fù)載外還存在多余功率，可驅(qū)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(tài)下，兩翼2需與曲柄聯(lián)桿7耦合，同時協(xié)同調(diào)控高13低壓10閥門開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)活塞11上移吸氣、下移壓縮以及氣壓調(diào)控，其中，活塞上移吸氣是在兩翼捕獲機械能作用下，實現(xiàn)動子7發(fā)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于驅(qū)動動子發(fā)電，多余能量壓縮儲存高壓氣體，壓儲調(diào)控環(huán)節(jié)重點在活塞11下移時，調(diào)控壓儲氣罐氣壓，確保壓縮儲能效率。此時狀態(tài)下，除高速驅(qū)動動子7切割磁力線發(fā)電外，協(xié)同控制高低壓閥以及壓儲調(diào)控環(huán)節(jié)，將多余波浪能以壓縮空氣和水勢蓄能形式進(jìn)行存儲?；钊?1移時，電磁離合器30將換向軸31與曲柄聯(lián)桿5耦合，兩翼俯仰驅(qū)動活塞和動子上移，切割磁力線發(fā)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(dá)到腔室頂部，活塞上移結(jié)束；進(jìn)而動子在兩翼俯仰和曲柄聯(lián)桿5動能雙重作用下，快速回落，切割磁力線發(fā)電，同時低壓閥10關(guān)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(dá)到腔室底端，高壓閥13關(guān)閉、低壓閥10開通。進(jìn)而在兩翼捕獲能量作用下，再次驅(qū)動活塞11上移復(fù)位，進(jìn)行下一周期循環(huán)工作。壓縮氣罐14氣壓達(dá)到pmax時，壓縮氣壓調(diào)控環(huán)節(jié)的壓縮機16啟動，向水勢蓄氣罐18壓縮空氣。此狀態(tài)下可經(jīng)由調(diào)整活塞11上移吸入氣體體積，即調(diào)控壓縮儲能功率改變兩翼俯仰頻率，實現(xiàn)最大波浪能捕獲。3、波浪膨脹發(fā)電當(dāng)海況較差，系統(tǒng)捕獲波浪能無法滿足負(fù)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(tài)下，兩翼2需與曲柄聯(lián)桿5機械耦合，同時協(xié)同調(diào)控高13低10壓閥開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)活塞11膨脹上移、活塞無阻回落以及壓儲氣壓調(diào)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(qū)動動子7發(fā)電，同時調(diào)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(fā)電。在此狀態(tài)下，壓儲氣罐14高壓氣體釋放經(jīng)高壓閥13進(jìn)入封閉腔室膨脹助力發(fā)電；電磁離合器30將換向軸31與曲柄聯(lián)桿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(nèi)氣體經(jīng)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(guān)閉，高壓氣體繼續(xù)膨脹，當(dāng)氣壓達(dá)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(zhǔn)備；活塞11下移時低壓閥10開通，高壓閥13關(guān)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(qū)動動子7切割磁力線，并將腔室內(nèi)氣體由中空管4無阻排出。當(dāng)壓儲氣罐14內(nèi)氣體壓力低于pmin時，單向電磁閥15打開，水勢蓄氣罐18內(nèi)氣體在海水重力的作用下，進(jìn)入壓儲氣罐14，直至氣壓達(dá)到pmax時，電磁閥15關(guān)閉，以確保膨脹助力效率。此狀態(tài)下可經(jīng)由調(diào)整活塞11上移時，高壓氣體吸入體積，即調(diào)控膨脹助力功率改變兩翼俯仰頻率，實現(xiàn)波浪能最大捕獲。4、水勢壓儲發(fā)電當(dāng)海況較差時，波浪能具備捕獲價值，負(fù)載功率需壓縮空氣儲能和水勢蓄能釋能發(fā)電提供，在此工作狀態(tài)下，兩翼2需與曲柄聯(lián)桿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(diào)控三環(huán)節(jié)?；钊?1上移，壓縮氣體膨脹做功推動活塞11和動子7發(fā)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(fā)電；上述兩環(huán)節(jié)中均存在壓儲氣壓調(diào)控環(huán)節(jié)，即將海水勢能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣儲能，盡量減小過欠膨脹，確保壓縮儲能效率。在此狀態(tài)下，壓儲氣罐14氣體膨脹做功，驅(qū)動活塞11和動子7上移，切割磁力線發(fā)電為負(fù)載獨立供電；電磁離合器30將換向軸31與曲柄聯(lián)桿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(jīng)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(guān)閉，高壓氣體繼續(xù)膨脹，當(dāng)氣壓達(dá)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(zhǔn)備；活塞11下移時低壓閥10開通，高壓閥13關(guān)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(fā)電功能，腔室內(nèi)氣體由中空管4無阻排出。膨脹驅(qū)動過程由高/低壓閥的協(xié)同控制完成。當(dāng)壓儲氣罐14內(nèi)氣體壓力低于pmin時，單向電磁閥15打開，水勢蓄氣罐內(nèi)氣體在海水重力的作用下，進(jìn)入壓儲氣罐，直至氣壓達(dá)到pmax時，電磁閥15關(guān)閉。當(dāng)前第1頁1 2 3