專利名稱：利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種利用風能及洋流能的發(fā)電系統(tǒng)，屬可再生能源發(fā)電技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
海洋上不但擁有巨大的風力資源，同時也具有豐富的水動力資源?，F(xiàn)有技術(shù)中，除了利用海上風力發(fā)電大規(guī)模實施外，美國可再生能源實驗室(NREL)提出海上浮臺洋流發(fā)電設想并進行了相關(guān)理論的研究，但還沒有同時使用風能和洋流能兩種可再生資源大規(guī)模發(fā)電。無論是單獨的利用海上風力發(fā)電，還是單獨使用洋流發(fā)電都會造成海洋可再生資源發(fā)電利用不足的問題。整合兩種豐富資源同時發(fā)電能夠有效的利用資源，減少設備投資成本、提高發(fā)電質(zhì)量。中國專利[201010286167.0]公開了一種“海上風力及洋流發(fā)電系統(tǒng)”，該專利通過控制器控制兩個離合器、一個換向器、一個伺服電機和一個變速器的不同動作，控制并調(diào)整風力機、水輪機垂直旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動的定向傳動及發(fā)電機恒速發(fā)電。但該系統(tǒng)沒有考慮能量的存儲問題，使資源利用率降低；發(fā)電機實現(xiàn)定向轉(zhuǎn)動及恒頻發(fā)電過程相對復雜，增加了系統(tǒng)控制的復雜性；剛性的連接使系統(tǒng)極易受到可再生資源瞬時載荷影響，縮短了系統(tǒng)的使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出了一種利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)。本實用新型專利利用液壓傳動與儲能技術(shù)，實現(xiàn)因風向、流向變化引起風力機、水輪機垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向變化的問題，達到隨機性、間歇性的風能洋流能連續(xù)、穩(wěn)定、恒頻發(fā)電的目的。本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本實用新型包括風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、儲能裝置、發(fā)電系統(tǒng)和檢測控制系統(tǒng)。風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)分別通過風能齒輪箱和洋流能齒輪箱直接連接，儲能裝置通過電磁換向閥連接在液壓系統(tǒng)中的液壓整流板和開停閥之間，液壓系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)由聯(lián)軸器連接。所述風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括固定在工作浮臺上部的風力機、固定安裝在工作浮臺上的垂直轉(zhuǎn)軸、風能聯(lián)軸器和風能齒輪箱組成。其中固定安裝在工作浮臺上部的風力機將風能轉(zhuǎn)換成工作浮臺上的垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動的機械能，經(jīng)風能聯(lián)軸器與風能齒輪箱連接，完成從風能-機械能的采集轉(zhuǎn)換過程；所述洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括固定在工作浮臺下部的水輪機、固定安裝在工作浮臺下的垂直轉(zhuǎn)軸、洋流能聯(lián)軸器和洋流能齒輪箱組成，其中固定安裝在工作浮臺下部的水輪機把洋流能轉(zhuǎn)變成工作浮臺下的垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動的機械能，經(jīng)洋流能聯(lián)軸器與洋流能齒輪箱連接，實現(xiàn)從洋流能-機械能的采集轉(zhuǎn)換過程。[0008]所述液壓系統(tǒng)包括風能雙向液壓泵、洋流能雙向液壓泵、液壓整流板、開停閥、安全閥、溢流閥、補油泵和變量馬達組成，其中風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機械能，經(jīng)風能齒輪箱和洋流能齒輪箱的輸出軸直接與風能雙向液壓泵和洋流能雙向液壓泵連接，風能雙向液壓泵和洋流能雙向液壓泵分別將來自不同能源、不同方向的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌较蛏系膲毫δ?，?jīng)液壓整流板將其全部調(diào)整為單向流動，再通過開停閥驅(qū)動變量馬達轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)壓力能到機械能的轉(zhuǎn)換。安全閥連接在液壓系統(tǒng)中的液壓整流板和開停閥之間的主回路上，保護系統(tǒng)安全；補油泵連接在風能雙向液壓泵和洋流能雙向液壓泵與液壓整流板的回路上，為系統(tǒng)定期補油，溢流閥穩(wěn)定補油泵供油壓力恒定。開停閥在停機檢修時進行切換，安全閥保護系統(tǒng)安全，補油泵為系統(tǒng)定期補油，溢流閥確保補油泵供油壓力恒定。所述發(fā)電系統(tǒng)由聯(lián)軸器、發(fā)電機組成。其中變量馬達輸出軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機連接，并將產(chǎn)生的電能直接與電網(wǎng)連接。所述蓄能裝置包括蓄能器和電磁換向閥。其中蓄能器通過電磁換向閥被連接在液壓系統(tǒng)的液壓整流板和開停閥之間的主回路上，通過控制換向閥的切換，實現(xiàn)能量的存儲和釋放。所述檢測控制系統(tǒng)包括流速流向傳感器、風速風向傳感器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、壓力流量傳感器和系統(tǒng)控制器。其中流速流向傳感器安裝在水輪機上，用于檢測洋流流速大小和方向；風速風向傳感器安裝在風力機上，用于檢測風速大小和方向；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在馬達輸出軸上，用于檢測馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；壓力流量傳感器安置在蓄能器出口，用于檢測蓄能器內(nèi)油液的壓力和流出、流入蓄能器的流量；系統(tǒng)具體工作過程為風能使固定安裝在工作浮臺上的風力機轉(zhuǎn)動，風力機帶動固定垂直安裝在工作浮臺上的風力機垂直轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，然后經(jīng)過風能聯(lián)軸器與風能齒輪箱連接，風能齒輪箱輸出軸直接與風能雙向液壓泵連接，隨著風向變化，風能雙向液壓泵能輸出不同方向的壓力油液;洋流能使固定安裝在工作浮臺下的水輪機轉(zhuǎn)動，水輪機帶動固定垂直安裝在工作浮臺下的水輪機垂直轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，然后經(jīng)過洋流能聯(lián)軸器與洋流能齒輪箱連接，洋流能齒輪箱輸出軸直接與洋流能雙向液壓泵連接，隨著流向變化，洋流能雙向液壓泵也輸出不同方向的壓力油液；風能雙向液壓泵和洋流能雙向液壓泵分別將風能、洋流能轉(zhuǎn)換來的不同方向上流動的高壓油液輸送到液壓系統(tǒng)中，經(jīng)過液壓整流板調(diào)整為定向流動。整流后的定向高壓油液通過開停閥驅(qū)動變量馬達轉(zhuǎn)動，將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，變量馬達輸出軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機連接，并帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電。同時為了實現(xiàn)能量的存儲，在液壓整流板與開停閥之間的液壓回路上，并聯(lián)了一個液壓支路，該支路通過電磁換向閥與蓄能器連接，通過控制電磁換向閥的切換，實現(xiàn)儲能器的儲能和釋能。液壓系統(tǒng)運行一段時間后，由于泄露等原因，由補油泵定期向液壓系統(tǒng)補油，保證系統(tǒng)正常工作，溢流閥保證補油泵補油壓力，安全閥保證液壓系統(tǒng)的安全。所述的檢測控制系統(tǒng)由安裝在風力機上的流速流量傳感器、安裝在水輪機上的風速風向傳感器、安裝在蓄能器出口的壓力流量傳感器和安裝在變量馬達輸出軸上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器組成。在正常風速、流速下，液壓系統(tǒng)高壓油液經(jīng)液壓整流板整流后，直接通過開停閥驅(qū)動變量馬達轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的輸入信號，控制器對變量馬達排量進行調(diào)節(jié)，使變量馬達輸出轉(zhuǎn)速恒定，實現(xiàn)恒頻發(fā)電；當輸入風速、流速較大時，控制系統(tǒng)控制電磁換向閥使蓄能器與液壓主回路接通，富裕的高壓油液經(jīng)過電磁換向閥進入到蓄能器中儲能，同時其他壓力油液按正常風速、流速情況驅(qū)動變量馬達轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)發(fā)電機恒頻發(fā)電；風速、流速較小時，控制系統(tǒng)控制電磁換向閥接通蓄能器與液壓回路，由于蓄能器內(nèi)儲有高壓油液，通過蓄能器釋放一部分壓力油液，匯同液壓系統(tǒng)提供的壓力油液一起驅(qū)動變量馬達轉(zhuǎn)動，同時，控制器控制變量馬達排量，保持轉(zhuǎn)速恒定。停機發(fā)電及檢修時，控制器控制變量馬達入口換向閥換向，實現(xiàn)停機檢修。本實用新型將風能、洋流能轉(zhuǎn)變的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，經(jīng)液壓系統(tǒng)整流板將不同方向的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ虻膲毫δ?，并能通過蓄能器實現(xiàn)能量過剩、不足的調(diào)整，再控制變量馬達恒轉(zhuǎn)速輸出，實現(xiàn)發(fā)電機恒頻發(fā)電。本實用新型的有益效果是1、既利用了海洋平面上空的風能，也利用了海平面下的洋流能發(fā)電，采用風機、水輪機分體式結(jié)構(gòu)，使兩種資源具有更好互補性，為發(fā)電機提供更為可靠的動力源，減少了兩種資源間的相互干擾。2、采用傳統(tǒng)的定量泵-變量馬達容積調(diào)速回路，不僅實現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電，而且避免了傳統(tǒng)變速恒頻發(fā)電所需要的電力電子設備，降低了發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時對隨機性瞬時沖擊性具有很好的緩沖作用，有效提高了系統(tǒng)的使用壽命。3、采用液壓整流板，有效的解決了因風向、流向變化引起風力機垂直轉(zhuǎn)軸、水輪機垂直軸旋轉(zhuǎn)方向隨機變化問題。大大的簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)控制更為簡單可靠。4、采用儲能裝置，解決風能、洋流能的間歇性問題，即能充分的利用資源，又能保證發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)電。

圖1為利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)控制框圖。圖中1風速風向傳感器、2風力機、3風力機垂直轉(zhuǎn)軸、4洋流能聯(lián)軸器、5液壓整流板、6蓄能器、7壓力流量傳感器、8電磁換向閥、9安全閥、10開停閥、11轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、12發(fā)電機、13聯(lián)軸器、14變量馬達、15洋流能雙向液壓泵、16洋流能齒輪箱、17工作浮臺、18工作浮臺固定鋼纜、19水輪機、20流速流向傳感器、21水輪機垂直轉(zhuǎn)軸、22控制器、23溢流閥、24補油泵、25風能齒輪箱、26風能雙向液壓泵、27風能聯(lián)軸器。
具體實施方式
以圖1為實施方式來說明本實用新型的具體實施過程。當風速和洋流在額定風速、流量下時，風力機2在風能作用下旋轉(zhuǎn)，并通過固定在工作浮臺17上部的風機垂直轉(zhuǎn)軸3、風能聯(lián)軸器27、風能齒輪箱25驅(qū)動風能雙向液壓泵26轉(zhuǎn)動，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌较蛏系膲毫δ?；所述系統(tǒng)中水輪機19在洋流作用下旋轉(zhuǎn)運動，并通過固定在工作浮臺17下部的水輪機垂直轉(zhuǎn)軸21、洋流能聯(lián)軸器4、洋流能齒輪箱16驅(qū)動洋流能雙向液壓泵15轉(zhuǎn)動，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌较蛏系膲毫δ?；無論風能、洋流能方向如何變化，風能雙向液壓泵26、洋流能雙向液壓泵15都能產(chǎn)生壓力油液。不同方向的壓力油液通過液壓系統(tǒng)中的液壓整流板5被調(diào)整為定向流動；經(jīng)過整流后的高壓油通過開停閥10直接驅(qū)動變量馬達14轉(zhuǎn)動，將液壓系統(tǒng)的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并由控制器22對變量馬達14排量控制使其輸出轉(zhuǎn)速恒定；再通過聯(lián)軸器13帶動發(fā)電機12實現(xiàn)恒頻發(fā)電；安全閥9保證液壓系統(tǒng)安全，補油泵24定期向液壓系統(tǒng)補油并由溢流閥23確保補油的壓力。當風速和洋流高于額定風速和流量時，所述液壓油經(jīng)液壓整流板5整流后，在控制器22控制下，切換電磁換向閥8，使蓄能器與主油路接通，壓力油液一部分通過電磁換向閥8進入儲能器6中儲能，另一分部經(jīng)開停閥10驅(qū)動變量馬達14 ;同樣，控制變量馬達14的排量使其輸出轉(zhuǎn)速維持恒定，再通過聯(lián)軸器13使發(fā)電機12恒頻發(fā)電。當風速和洋流低于額定風速和流量時，所述系統(tǒng)在控制器22控制下，切換電磁換向閥8，使蓄能器7與主油路連通，釋放壓力油液，并匯同整流板5整流的壓力油液一起經(jīng)開停閥10驅(qū)動變量馬達14，同樣控制變量馬達14的排量，使其依然保持恒定轉(zhuǎn)速使發(fā)電機12恒頻發(fā)電。停止發(fā)電及系統(tǒng)檢修時，由控制器控制開停閥10切換來實現(xiàn)。圖2為利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)的檢測控制系統(tǒng)框圖，如圖所示風速風向傳感器I和流速流向傳感器20分別將檢測到的風能和洋流的方向、速度信號輸入到控制器22中，并通過控制器22輸出信號控制電磁換向閥8的接通切斷，完成蓄能器6蓄能和釋能，控制開停閥10實現(xiàn)停止發(fā)電檢修目的。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器11將變量馬達14輸出轉(zhuǎn)速信號傳遞到控制器22中，并由控制器22輸出控制信號調(diào)節(jié)變量馬達14的排量，使變量馬達無論在何種情況下都能保持輸出轉(zhuǎn)速恒定。最后說明的是以上實施例僅用來說明本專利的技術(shù)實施方案而非限制。對本專利的技術(shù)方案進行修改或等同替換、不脫離本專利技術(shù)方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本專利的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)，儲能裝置和發(fā)電系統(tǒng)；風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)連接，液壓系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)連接，儲能裝置與液壓系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 所述風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為，安裝在工作浮臺(17)上部的風力機(2)和安裝在工作浮臺(17)下部的水輪機(19)分別將風能和洋流能轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ò惭b在工作浮臺上、下方的風力機垂直轉(zhuǎn)軸(3)和水輪機垂直轉(zhuǎn)軸(21)旋轉(zhuǎn)的機械能，并分別通過風能聯(lián)軸器(27)和洋流能聯(lián)軸器(4)與風能齒輪箱(25)和洋流能齒輪箱(16)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 所述液壓傳動系統(tǒng)為，風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機械能，經(jīng)風能齒輪箱(25)和洋流能齒輪箱(16)的輸出軸分別與風能雙向液壓泵(26)和洋流能雙向液壓泵(15)連接；風能雙向液壓泵(26)和洋流能雙向液壓泵(15)提供的兩個不確定方向上流動的壓力油液，經(jīng)液壓整流板(5)調(diào)整為單向流動，再通過開停閥(10)驅(qū)動變量馬達(14)轉(zhuǎn)動，將壓力能轉(zhuǎn)換為機械能；安全閥(9)連接在液壓系統(tǒng)中的液壓整流板(5)和開停閥(10)之間的主回路上，保護系統(tǒng)安全；補油泵(24)連接在風能雙向液壓泵(26)和洋流能雙向液壓泵(15)與液壓整流板(5)的回路上，為系統(tǒng)定期補油，溢流閥(23)穩(wěn)定補油泵(24)供油壓力恒定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 所述儲能裝置為，蓄能器(6)通過電磁換向閥(8)連接在液壓系統(tǒng)中的液壓整流板(5)和開停閥(10)之間的主回路上，通過控制電磁換向閥(8)的切換，對蓄能器進行檢修、更換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 所述發(fā)電系統(tǒng)為，將變量馬達(14)輸出軸通過聯(lián)軸器(13)與發(fā)電機(12)連接，并將產(chǎn)生的電能直接與電網(wǎng)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括檢測控制系統(tǒng)，所述檢測控制系統(tǒng)為，流速流向傳感器(20)安裝在水輪機(19) 上，檢測洋流流速大小和方向；風速風向傳感器(I)安裝在風力機(2)上，檢測風速大小和方向；安裝在變量馬達(14)輸出軸上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器(11)，檢測馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；蓄能器(6)出口的壓力流量傳感器(7)，檢測蓄能器(6)內(nèi)油液的壓力和流量；通過所有檢測的信號通過控制器(22)對變量馬達(14)排量的調(diào)節(jié)、蓄能器(6)儲能釋能、開機停機控制。
專利摘要本實用新型公開了一種利用液壓傳動的海上風力及洋流儲能發(fā)電系統(tǒng)，屬可再生能源發(fā)電技術(shù)領域。本實用新型包括風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、儲能裝置、發(fā)電系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)。風能、洋流能采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分別通過風能聯(lián)軸器(27)和洋流能聯(lián)軸器(4)與液壓系統(tǒng)連接，液壓系統(tǒng)通過聯(lián)軸器(13)與發(fā)電系統(tǒng)連接，儲能裝置通過電磁換向閥(8)與液壓系統(tǒng)連接。本實用新型在充分整合風能、洋流能兩種可再生資源發(fā)電技術(shù)基礎上，利用液壓傳動與儲能技術(shù)，解決因風向、流向變化引起的能量傳遞方向變化的問題，達到采用隨機性、間歇性的風能和洋流能連續(xù)、穩(wěn)定、恒頻發(fā)電的目的。
文檔編號F03D11/02GK202883258SQ20122054718
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者李富柱, 王存堂, 郭玉琴, 楊明澤 申請人:江蘇大學