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基本信息
- 項目名稱：
- 浮海型立軸風(fēng)機與波浪混合發(fā)電系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品設(shè)計了一種集海洋風(fēng)能與波浪能開發(fā)于一體的浮海型混合發(fā)電系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計思想，立軸風(fēng)力發(fā)電裝置與波浪發(fā)電裝置設(shè)計成可獨立運行的模塊。立軸風(fēng)力發(fā)電模塊與波浪發(fā)電模塊安裝在浮體平臺上，通過錨泊浮于工作海域。本作品走多能互補道路，實現(xiàn)了風(fēng)能和波浪能的綜合利用。
- 詳細(xì)介紹：
- 浮海型立軸風(fēng)機與波浪混合發(fā)電系統(tǒng)是為了解決能源危機以及環(huán)境污染問題而提出的一種開發(fā)利用清潔可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)?；旌习l(fā)電系統(tǒng)綜合開發(fā)海洋風(fēng)能和波浪能，走多能互補道路降低了單獨開發(fā)的投入成本，提高了單位空間的發(fā)電量。浮海型立軸風(fēng)機與波浪混合發(fā)電系統(tǒng)主要由浮體平臺、變槳立軸風(fēng)力發(fā)電模塊、波浪發(fā)電模塊、鴨肚形波浪采集浮子、控制系統(tǒng)以及儲能裝置組成。采用模塊化的設(shè)計思路（波浪發(fā)電模塊與變槳立軸風(fēng)力發(fā)電模塊可以獨立運行），發(fā)電平臺可以比較方便地進(jìn)行擴展。 采用浮海型結(jié)構(gòu)，降低了建設(shè)成本以及維修費用，而且增加了混合發(fā)電系統(tǒng)的機動性。海上立軸風(fēng)力機的應(yīng)用，提高了抗臺風(fēng)能力，智能變槳距技術(shù)的應(yīng)用，可以在任意風(fēng)向低風(fēng)速起動，變槳規(guī)律的規(guī)劃提高了風(fēng)機的風(fēng)能利用率。對于擺動式波浪發(fā)電單元，鴨肚形波浪采集浮子能夠高效吸收波浪動能與勢能，機械換向裝置實現(xiàn)波浪上下起伏運動到發(fā)電機單向旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)化，提高能量轉(zhuǎn)化效率。 擺動式波浪發(fā)電模塊將波浪的起伏運動轉(zhuǎn)化為發(fā)電機軸上的單向轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。波浪發(fā)電模塊主要包括浮子、擺桿、換向裝置、發(fā)電機、蓄電池以及控制器等。換向裝置主要由驅(qū)動鏈輪、換向齒輪、帶超越離合器的鏈輪（自行車飛輪）等組成。俘獲的動力分別由兩條并行的傳動鏈輸入，當(dāng)輸入軸在重力作用下向下運動，外側(cè)的傳動鏈中的超越離合器咬合，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，里側(cè)傳動鏈中的超越離合器脫離，使得整條里側(cè)傳動鏈處于不工作狀態(tài)；當(dāng)輸入軸在波浪浮力與推力作用下向上運動，外側(cè)的傳動鏈中的超越離合器脫離，整條外側(cè)傳動鏈處于不工作狀態(tài)，里側(cè)傳動鏈中的超越離合器咬合，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。由于換向齒輪的存在，使得發(fā)電機的轉(zhuǎn)向始終是朝一個方向的。整套裝置運輸、安裝、維護(hù)方便，運行可靠，可適應(yīng)波浪較大范圍的變化，具有較大的能量轉(zhuǎn)換效率。 立軸風(fēng)力機采用同步齒形帶驅(qū)動葉片，單片機根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向信息自動調(diào)節(jié)槳距角，實現(xiàn)自動變槳。 本作品創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在綜合利用海洋風(fēng)能與波浪能，風(fēng)能與波浪能互補工作,提高了單位時間與空間的發(fā)電量；浮海型結(jié)構(gòu)基本不受海域的限制，利于更加充分地利用海洋風(fēng)能與波浪能；立軸風(fēng)力發(fā)電模塊采用變槳距技術(shù)，能夠適應(yīng)任意方向來流，起動風(fēng)速低，風(fēng)能利用系數(shù)較高，具有較強的抗風(fēng)能力，能夠更好適應(yīng)海上的惡劣天氣;擺動式波浪發(fā)電模塊利用超越離合器機構(gòu)，將波浪的上下運動轉(zhuǎn)換成發(fā)電機的單向轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)簡單，能夠適應(yīng)任意方向的波浪來流。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1．作品設(shè)計發(fā)明的目的和基本思路： 海洋風(fēng)能與波浪能是可以互補開發(fā)的，而目前風(fēng)能與波浪能的開發(fā)利用大多是相互獨立的。 本作品設(shè)計一種集海洋風(fēng)能與波浪能開發(fā)于一體的浮海型混合發(fā)電系統(tǒng)，浮體平臺錨泊于工作海域，降低海域限制；立軸風(fēng)機發(fā)電模塊采用變槳控制，實現(xiàn)風(fēng)能高效采集與轉(zhuǎn)換；擺式波浪發(fā)電模塊由浮子俘獲波浪能，經(jīng)傳動及換向裝置實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 2．創(chuàng)新點： （1）海洋風(fēng)能和波浪能互補開發(fā)，彌補風(fēng)能與波浪能獨立發(fā)電的不連續(xù)性，二種能源的綜合利用提高了單位時間與空間的發(fā)電量。 （2）浮海型發(fā)電平臺提高了混合發(fā)電系統(tǒng)的靈活性，工作地基本不受海域限制，便于開發(fā)不同海域的風(fēng)能與波浪能。 （3）風(fēng)力發(fā)電模塊采用立軸風(fēng)機，運用變槳距技術(shù)能夠適應(yīng)任意風(fēng)向的低風(fēng)速啟動，風(fēng)能利用系數(shù)較高；擺式波浪發(fā)電模塊采用超越離合器換向機構(gòu)，將波浪的上下運動轉(zhuǎn)換成發(fā)電機的單向轉(zhuǎn)動。 3．技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 通過單片機控制葉片驅(qū)動電機，自動調(diào)節(jié)葉片槳距角實現(xiàn)位置伺服控制，以獲得最大的驅(qū)動力矩和發(fā)電效率；波浪收集浮子采用鴨肚形，高效吸收波浪的動能與勢能，通過兩條傳動鏈，利用超越離合器，實現(xiàn)波浪上下起伏到發(fā)電機單向轉(zhuǎn)動的變換。 風(fēng)機高度1.5m，風(fēng)輪直徑1.0m，4組葉片，葉片展長1m，，啟動風(fēng)速2m/s，額定風(fēng)速9m/s下發(fā)電功率80w，發(fā)電效率約20.8%；單個波浪發(fā)電模塊的發(fā)電功率為200-350w,發(fā)電效率70%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1．科學(xué)性： （1）海平面是兩相界面，海浪通常是隨機的湍流，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到可利用范圍時，海浪呈現(xiàn)比較有規(guī)律的脈動流，且波浪能主要集中在頻率f小于0.2Hz的范圍內(nèi)；隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大，脈動頻率反而減小，足見海洋風(fēng)能與波浪能的互補開發(fā)具有科學(xué)依據(jù)。 （2）立軸變槳風(fēng)力發(fā)電機采用智能變槳控制策略，能獲得最大風(fēng)能利用率。啟動風(fēng)速2m/s，相同功率下的水平軸風(fēng)機啟動風(fēng)速在4-5m/s。 （3）結(jié)合葉素理論與多流管模型，構(gòu)建風(fēng)機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 2．先進(jìn)性： （1）該作品通過海上浮體將風(fēng)力發(fā)電和波浪發(fā)電結(jié)合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)對海上風(fēng)能與波浪能的綜合利用，彌補了單獨使用風(fēng)力發(fā)電與波浪發(fā)電的工作不連續(xù)性。 （2）立軸風(fēng)機葉片壽命較長且制造成本廉價。水平軸風(fēng)機槳葉占總成本的20%，遠(yuǎn)超立軸風(fēng)力發(fā)電機。 （3）本作品的立軸變槳風(fēng)力發(fā)電機可以高效吸收從任意方向來的風(fēng)能，而水平軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)向偏轉(zhuǎn)40度，風(fēng)能捕捉率下降50%；采用擺式波浪發(fā)電模塊，可吸收任意方向的波浪。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 第十七屆“五四杯”課外科技作品競賽中獲一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，現(xiàn)場演示，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1．技術(shù)特點和優(yōu)勢： （1）綜合利用海洋風(fēng)能與波浪能，兩種能源互補開發(fā)降低了基礎(chǔ)設(shè)施的投入成本，增加了單位時間與空間的發(fā)電量。 （2）立軸風(fēng)力機通過同步齒形帶驅(qū)動四組葉片，實現(xiàn)風(fēng)力機智能變槳，提高了風(fēng)能利用率；擺式波浪發(fā)電模塊采用超越離合器，將擺桿往復(fù)擺動轉(zhuǎn)換成發(fā)電機的單向轉(zhuǎn)動，提高了波浪能轉(zhuǎn)化效率。 （3）混合發(fā)電系統(tǒng)可接受任意方向的風(fēng)能與波浪能，沒有同類產(chǎn)品中的來流偏航裝置，降低了成本。 （4）立軸風(fēng)力發(fā)電機葉片比水平軸風(fēng)力發(fā)電機葉片壽命更長，安裝和維護(hù)也更加方便，制造較容易且廉價。 2．適用范圍： 可以為沿海和島嶼居民提供生活用電，解決當(dāng)?shù)赜秒娋o張的問題。 3．市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測： 海島電力供應(yīng)是本作品的潛在市場，我國島嶼海岸線長，有大小島嶼6500多個，其中433個海島有常住居民，人口達(dá)3 000多萬。以國家擬定的家庭月均87度用電量計算，本作品功率為1Kw，假設(shè)工作30×12小時,月發(fā)電量大約為360 Kw?h，可以滿足4戶人家的日常用電。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)外對風(fēng)能—波浪能混合發(fā)電系統(tǒng)的研究較少，各國專家多是從原理上介紹風(fēng)能和波浪能的綜合利用。 澳大利亞學(xué)者V. N. M. R. Lakkoju提出了一種離岸式風(fēng)力機與岸式波浪能混合發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示。作者建立了該混合發(fā)電系統(tǒng)的功率模型，同時也證明兩者互補開發(fā)的大功率輸出時間比兩者單獨開發(fā)時要長。國外學(xué)者提出的另一種風(fēng)能與波浪能發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)建在海上固定平臺上，在平臺上安裝有水平軸風(fēng)力發(fā)電機與波浪發(fā)電裝置。波浪發(fā)電裝置通過波浪的擺動，帶動液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動發(fā)電機發(fā)電。 我國風(fēng)能和波浪能的綜合利用技術(shù)則走在了世界前列。珠海擔(dān)桿島的海島可再生獨立能源發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)是國家“十一五”863科技計劃項目，其綜合利用太陽能、風(fēng)能和波浪能，采用了多項自主研發(fā)的專利技術(shù)，無需電網(wǎng)或其他任何動力系統(tǒng)輔助，便可獨立運行，可為300人左右的海島提供電力和淡水，在系統(tǒng)優(yōu)化集成、抗臺風(fēng)、能量利用率等方面具有先進(jìn)性和獨創(chuàng)性。 國內(nèi)研制出了兩種相關(guān)成果： （1）申請?zhí)枮?00910144352.3，專利名稱為《一種利用水力和自然風(fēng)力為混合動力的發(fā)電裝置》。 由浮體、上下甲板、底座、吊裝架、固定盤、轉(zhuǎn)盤、吊裝臂、升降臂、連體軸、潛水葉輪、增臂加速器及發(fā)電機組成。當(dāng)潮水流速較大時，潛水葉輪沒于水下，利用水底的流速向飛輪及增臂加速器輸送動力，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；在潮水靜止流速小時，將葉輪吊出水面進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電狀態(tài)。此發(fā)明在同一時刻只能進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電或潮汐能發(fā)電，不能很好地對風(fēng)能與潮汐能進(jìn)行綜合利用。 （2）申請?zhí)枮?00910176412.X，專利名稱為《風(fēng)浪雙效發(fā)電裝置》。 其基座內(nèi)部設(shè)有下凹的弧形通道，在弧形通道兩端分別形成進(jìn)出水口與進(jìn)出風(fēng)口，基座頂側(cè)進(jìn)出風(fēng)口處設(shè)有第一渦輪，海水自進(jìn)出水口進(jìn)入氣密弧形通道并形成水柱活塞，利用海浪推動通道內(nèi)的空氣形成氣流，推動第一渦輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動發(fā)電裝置發(fā)電。第二渦輪直接利用海面上的風(fēng)力推動其旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電裝置產(chǎn)生電能。此發(fā)明只能對單一方向的來流起到較好的捕獲作用，風(fēng)能與波浪能的利用率較差。
