基本信息
- 项目名称：
- 浮海型立轴风机与波浪混合发电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品设计了一种集海洋风能与波浪能开发于一体的浮海型混合发电系统。采用模块化设计思想，立轴风力发电装置与波浪发电装置设计成可独立运行的模块。立轴风力发电模块与波浪发电模块安装在浮体平台上，通过锚泊浮于工作海域。本作品走多能互补道路，实现了风能和波浪能的综合利用。
- 详细介绍：
- 浮海型立轴风机与波浪混合发电系统是为了解决能源危机以及环境污染问题而提出的一种开发利用清洁可再生能源的发电系统。混合发电系统综合开发海洋风能和波浪能，走多能互补道路降低了单独开发的投入成本，提高了单位空间的发电量。浮海型立轴风机与波浪混合发电系统主要由浮体平台、变桨立轴风力发电模块、波浪发电模块、鸭肚形波浪采集浮子、控制系统以及储能装置组成。采用模块化的设计思路（波浪发电模块与变桨立轴风力发电模块可以独立运行），发电平台可以比较方便地进行扩展。 采用浮海型结构，降低了建设成本以及维修费用，而且增加了混合发电系统的机动性。海上立轴风力机的应用，提高了抗台风能力，智能变桨距技术的应用，可以在任意风向低风速起动，变桨规律的规划提高了风机的风能利用率。对于摆动式波浪发电单元，鸭肚形波浪采集浮子能够高效吸收波浪动能与势能，机械换向装置实现波浪上下起伏运动到发电机单向旋转运动的转化，提高能量转化效率。 摆动式波浪发电模块将波浪的起伏运动转化为发电机轴上的单向转动，带动发电机转动产生电能。波浪发电模块主要包括浮子、摆杆、换向装置、发电机、蓄电池以及控制器等。换向装置主要由驱动链轮、换向齿轮、带超越离合器的链轮（自行车飞轮）等组成。俘获的动力分别由两条并行的传动链输入，当输入轴在重力作用下向下运动，外侧的传动链中的超越离合器咬合，带动发电机旋转，里侧传动链中的超越离合器脱离，使得整条里侧传动链处于不工作状态；当输入轴在波浪浮力与推力作用下向上运动，外侧的传动链中的超越离合器脱离，整条外侧传动链处于不工作状态，里侧传动链中的超越离合器咬合，带动发电机旋转。由于换向齿轮的存在，使得发电机的转向始终是朝一个方向的。整套装置运输、安装、维护方便，运行可靠，可适应波浪较大范围的变化，具有较大的能量转换效率。 立轴风力机采用同步齿形带驱动叶片，单片机根据风速和风向信息自动调节桨距角，实现自动变桨。 本作品创新点主要体现在综合利用海洋风能与波浪能，风能与波浪能互补工作,提高了单位时间与空间的发电量；浮海型结构基本不受海域的限制，利于更加充分地利用海洋风能与波浪能；立轴风力发电模块采用变桨距技术，能够适应任意方向来流，起动风速低，风能利用系数较高，具有较强的抗风能力，能够更好适应海上的恶劣天气;摆动式波浪发电模块利用超越离合器机构，将波浪的上下运动转换成发电机的单向转动，结构简单，能够适应任意方向的波浪来流。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1．作品设计发明的目的和基本思路： 海洋风能与波浪能是可以互补开发的，而目前风能与波浪能的开发利用大多是相互独立的。 本作品设计一种集海洋风能与波浪能开发于一体的浮海型混合发电系统，浮体平台锚泊于工作海域，降低海域限制；立轴风机发电模块采用变桨控制，实现风能高效采集与转换；摆式波浪发电模块由浮子俘获波浪能，经传动及换向装置实现能量转换。 2．创新点： （1）海洋风能和波浪能互补开发，弥补风能与波浪能独立发电的不连续性，二种能源的综合利用提高了单位时间与空间的发电量。 （2）浮海型发电平台提高了混合发电系统的灵活性，工作地基本不受海域限制，便于开发不同海域的风能与波浪能。 （3）风力发电模块采用立轴风机，运用变桨距技术能够适应任意风向的低风速启动，风能利用系数较高；摆式波浪发电模块采用超越离合器换向机构，将波浪的上下运动转换成发电机的单向转动。 3．技术关键和主要技术指标： 通过单片机控制叶片驱动电机，自动调节叶片桨距角实现位置伺服控制，以获得最大的驱动力矩和发电效率；波浪收集浮子采用鸭肚形，高效吸收波浪的动能与势能，通过两条传动链，利用超越离合器，实现波浪上下起伏到发电机单向转动的变换。 风机高度1.5m，风轮直径1.0m，4组叶片，叶片展长1m，，启动风速2m/s，额定风速9m/s下发电功率80w，发电效率约20.8%；单个波浪发电模块的发电功率为200-350w,发电效率70%。
科学性、先进性
- 1．科学性： （1）海平面是两相界面，海浪通常是随机的湍流，当风速达到可利用范围时，海浪呈现比较有规律的脉动流，且波浪能主要集中在频率f小于0.2Hz的范围内；随着风速进一步增大，脉动频率反而减小，足见海洋风能与波浪能的互补开发具有科学依据。 （2）立轴变桨风力发电机采用智能变桨控制策略，能获得最大风能利用率。启动风速2m/s，相同功率下的水平轴风机启动风速在4-5m/s。 （3）结合叶素理论与多流管模型，构建风机系统的数学模型。 2．先进性： （1）该作品通过海上浮体将风力发电和波浪发电结合在一起，能够实现对海上风能与波浪能的综合利用，弥补了单独使用风力发电与波浪发电的工作不连续性。 （2）立轴风机叶片寿命较长且制造成本廉价。水平轴风机桨叶占总成本的20%，远超立轴风力发电机。 （3）本作品的立轴变桨风力发电机可以高效吸收从任意方向来的风能，而水平轴风力发电机风向偏转40度，风能捕捉率下降50%；采用摆式波浪发电模块，可吸收任意方向的波浪。
获奖情况及鉴定结果
- 第十七届“五四杯”课外科技作品竞赛中获一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1．技术特点和优势： （1）综合利用海洋风能与波浪能，两种能源互补开发降低了基础设施的投入成本，增加了单位时间与空间的发电量。 （2）立轴风力机通过同步齿形带驱动四组叶片，实现风力机智能变桨，提高了风能利用率；摆式波浪发电模块采用超越离合器，将摆杆往复摆动转换成发电机的单向转动，提高了波浪能转化效率。 （3）混合发电系统可接受任意方向的风能与波浪能，没有同类产品中的来流偏航装置，降低了成本。 （4）立轴风力发电机叶片比水平轴风力发电机叶片寿命更长，安装和维护也更加方便，制造较容易且廉价。 2．适用范围： 可以为沿海和岛屿居民提供生活用电，解决当地用电紧张的问题。 3．市场分析和经济效益预测： 海岛电力供应是本作品的潜在市场，我国岛屿海岸线长，有大小岛屿6500多个，其中433个海岛有常住居民，人口达3 000多万。以国家拟定的家庭月均87度用电量计算，本作品功率为1Kw，假设工作30×12小时,月发电量大约为360 Kw•h，可以满足4户人家的日常用电。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外对风能—波浪能混合发电系统的研究较少，各国专家多是从原理上介绍风能和波浪能的综合利用。 澳大利亚学者V. N. M. R. Lakkoju提出了一种离岸式风力机与岸式波浪能混合发电系统，如图1所示。作者建立了该混合发电系统的功率模型，同时也证明两者互补开发的大功率输出时间比两者单独开发时要长。国外学者提出的另一种风能与波浪能发电系统，构建在海上固定平台上，在平台上安装有水平轴风力发电机与波浪发电装置。波浪发电装置通过波浪的摆动，带动液压马达，液压马达带动发电机发电。 我国风能和波浪能的综合利用技术则走在了世界前列。珠海担杆岛的海岛可再生独立能源发电系统，该系统是国家“十一五”863科技计划项目，其综合利用太阳能、风能和波浪能，采用了多项自主研发的专利技术，无需电网或其他任何动力系统辅助，便可独立运行，可为300人左右的海岛提供电力和淡水，在系统优化集成、抗台风、能量利用率等方面具有先进性和独创性。 国内研制出了两种相关成果： （1）申请号为200910144352.3，专利名称为《一种利用水力和自然风力为混合动力的发电装置》。 由浮体、上下甲板、底座、吊装架、固定盘、转盘、吊装臂、升降臂、连体轴、潜水叶轮、增臂加速器及发电机组成。当潮水流速较大时，潜水叶轮没于水下，利用水底的流速向飞轮及增臂加速器输送动力，驱动发电机发电；在潮水静止流速小时，将叶轮吊出水面进入风力发电状态。此发明在同一时刻只能进行风力发电或潮汐能发电，不能很好地对风能与潮汐能进行综合利用。 （2）申请号为200910176412.X，专利名称为《风浪双效发电装置》。 其基座内部设有下凹的弧形通道，在弧形通道两端分别形成进出水口与进出风口，基座顶侧进出风口处设有第一涡轮，海水自进出水口进入气密弧形通道并形成水柱活塞，利用海浪推动通道内的空气形成气流，推动第一涡轮转动，进而带动发电装置发电。第二涡轮直接利用海面上的风力推动其旋转，带动发电装置产生电能。此发明只能对单一方向的来流起到较好的捕获作用，风能与波浪能的利用率较差。
