一种差速耦合式风浪互补发电系统、方法及互补发电装置

1.本发明属于海洋机电装备技术领域，尤其涉及一种差速耦合式风浪互补发电系统、方法及互补发电装置。


背景技术：

2.海洋能种类丰富，绿色可再生，综合开发海洋能源具有深远意义。但单一海洋能源的捕获往往输出功率不稳定，存在维护费用高与能量损耗大的缺点。由于海上风能与波浪能在时间和空间上的互补性，两种能量汇合可明显降低获取单一能源时的输出功率波动，因此，海上风浪互补发电系统已成为了近些年的研究热点。
3.风浪互补发电系统包含三个部分：风能捕获子系统、波浪能捕获子系统、能量耦合系统。首先，风能、波浪能捕获子系统分别将风能与波浪能转化为其他形式的能量；其次，能量耦合系统将两股能量耦合起来，从而实现对两种海洋能源的获取。
4.目前的风浪互补发电系统按照能量传输方式可以分为以下三类：
5.(1)电力传输式
6.电力传输式(cn 109611275a)，系统中的风能、波浪能捕获子系统直接将风能与波浪能转换为电能，之后通过电器元件对两股能量进行传输、调节与耦合。此类方案是目前应用最多的联合发电方案，但由于电器元件较多，造成了电路布置过于复杂，以及较高的安装维护成本；其次，由于电器元件功能的局限性，尽管输出功率的波动被削弱，但会造成较大的能量损失；最后，电路传输由于发热问题，在能量传输过程中的损耗较大。
7.(2)液压传输式
8.液压传输式(cn 102182641a)，系统中的风能、波浪能捕获子系统首先将风能与波浪能转换为液压能，之后通过液压元件对两股能量进行调节与耦合，最后再将液压能转换为电能。这类方案有效解决了能量在传输过程中的损耗问题，但在两种能量的耦合阶段，两路油液压力等级不匹配会阻碍两子系统(风能、波浪能捕获子系统)的获能；虽然有些方案提出了控制方法来削弱该消极耦合作用，但整体系统的能量捕获效率被大幅降低。
9.(3)机械传输式
10.机械传输式(cn 201943876u)，系统中的风能、波浪能捕获子系统首先将风能与波浪能转换为机械能，之后通过机械结构对两股能量进行传输与耦合，并最终驱动发电机发电。该类方案在能量传输过程中无法对能量波动进行有效的调节，输出功率波动性较大。该类系统机械零部件较多，传动过程中能量损耗较大，整体系统的能量捕获效率较低；此外，由于振动与摩擦的影响，后期维护成本较高。由于存在较多关键问题，该类方案在实际工程应用中较少被采用。
11.通过上述分析，已有的风浪互补发电方案普遍存在能量捕获效率较低的问题，该问题主要源于两个方面：(1)由于能量传输方式或内部元器件功能的局限性，造成了能量在传输及调节过程中的损耗较大；(2)两能量捕获子系统之间的消极耦合作用较大，或者以较大能量损失为代价降低该消极耦合作用；目前还没有任何一个方案可以同时解决上述两个
问题。
12.解决以上问题及缺陷的难度为：目前的风浪互补发电系统能量捕获效率普遍偏低，这是由于：该领域为新兴领域，相关研究较少，深入的研究还不够多。风-浪能本身就是波动性较大的两股能量，将其高效捕获、并实现高效耦合难度较大，目前的方案效果都不理想，而本方案有效解决了这个问题。
13.为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型的差速耦合式风浪互补发电系统。该方案采用了液压系统进行能量的调节与传输，大幅降低了能量传输过程中的波动与损耗；针对两能量捕获子系统之间的消极耦合作用，本发明采用了一套差速行星齿轮机构对两股能量进行耦合，极大地提高了整体系统的能量捕获效率。


技术实现要素：

14.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种差速耦合式风浪互补发电系统、方法及互补发电装置。具体涉及一种可用于海上风能与波浪能互补发电的技术方案。
15.所述技术方案如下：一种差速耦合式风浪互补发电方法，包括：
16.利用液压系统进行海上风能与波浪能的能量调节与传输；
17.采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加，并有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用。
18.在一实施例中，所述采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加包括：
19.当系统达到平衡时，有
[0020][0021]
fa、fb为第一半轴齿轮、第二半轴齿轮与第一行星齿轮在啮合点处，对行星齿轮的作用力；m3为单个行星齿轮质量，n
p
为行星齿轮数量；r0为壳体大齿轮的半径；i0为壳体大齿轮的转动惯量；为壳体大齿轮的角速度；t0为壳体大齿轮的受力，当达到平衡时，其值等同于风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的耦合输出转矩。
[0022]
所述有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用包括：
[0023]va-vb＝ω1r
1-ω2r2＝-2ω3r3[0024][0025]va
、vb为第一半轴齿轮、第二半轴齿轮与第一行星齿轮在啮合点处的绝对速度；r1、r2、r3分别为第一半轴齿轮、第二半轴齿轮与第一行星齿轮的半径；ω1、ω2、ω3为第一半轴齿轮、第二半轴齿轮与第一行星齿轮的角速度。
[0026]
如上所示，当两个半轴齿轮存在速度差异时，第一行星齿轮可通过差速运转来抵消该影响。利用上述的叠加与差速，本发明便实现了功率的高效耦合叠加。
[0027]
在一实施例中，所述液压系统进行海上风能的能量调节与传输包括：
[0028]
风能捕获子系统的风机叶轮的主轴与液压泵的主轴通过联轴器连接在一起，当风力驱使风机叶轮旋转时，液压泵被带动开始旋转，将风能转换为液压能；
[0029]
液压泵的进油口与第一过滤器的出油口相连，第一过滤器的进油口与油箱相连；液压泵工作时，液压油被从油箱吸出，经第一过滤器过滤后进入液压泵；
[0030]
液压泵的出口外连接有第一溢流阀与第一蓄能器；第一溢流阀用于限定风能捕获子系统管路中的最高压力，当回路油压达到设定值(本系统的适用性较强，可用于不同的风、浪子系统。而不同的子系统管路压力是不同的。在实际工程应用中，需要对该压力的最大值进行限定，而限定为多少，要视具体系统而定)时，第一溢流阀阀口打开，将多余液压油引入油箱；
[0031]
第一蓄能器用于控制管路内部压力与流量的波动，当液压油压力超出第一蓄能器内部充气压力，第一蓄能器内部气囊被压缩，将多余能量转换为势能；当液压油压力低于第一蓄能器内部充气压力，第一蓄能器内部气囊被还原，将储存的能量释放；
[0032]
第一液压马达的入油口与第一蓄能器相连，第一蓄能器出油口与油箱相连；液压油经过第一蓄能器的调节后，驱动第一液压马达进行旋转，将液压油排回油箱；
[0033]
液压油经过调节后，压力值保持稳定，因此由系统压力、液压马达排量、以及液压马达输出转矩之间的关系计算得出第一液压马达的输出转矩保持稳定。
[0034]
在一实施例中，所述液压系统进行波浪能的能量调节与传输包括：
[0035]
第一液压马达的输出轴与第二半轴齿轮的齿轮轴相连；当第一液压马达转动时，第一液压马达所输出的转矩作用在第二半轴齿轮上，以带动第二半轴齿轮旋转；
[0036]
第一液压缸第一个油口连接第一单向阀与第二单向阀，第二个油口连接第三单向阀与第四单向阀；第一液压缸的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第二单向阀与第三单向阀的进油口与第二过滤器相连；第二过滤器的进油口与油箱相连；
[0037]
在波浪的驱动下，波浪能捕获子系统开始工作，并带动与波浪能捕获子系统相连的第一液压缸开始往复运动；当第一液压缸向下运动时，第一单向阀与第三单向阀关闭，第二单向阀与第四单向阀开启，液压油通过第二过滤器过滤后，进入第一液压缸上腔，与此同时，第一液压缸下腔的液压油被排出；
[0038]
当第一液压缸向上运动时，第二单向阀与第四单向阀关闭，第一单向阀与第三单向阀开启，液压油通过第二过滤器过滤后，进入第一液压缸下腔，与此同时，第一液压缸上腔的液压油被排出；
[0039]
第二液压缸第一个油口连接第五单向阀与第六单向阀，第二个油口连接第七过滤器与第八过滤器；第二液压缸的活塞杆与外部的波浪能捕获子系统相连；
[0040]
第六单向阀与第七过滤器的进油口与第三过滤器相连；第三过滤器的进油口与油箱相连；
[0041]
在波浪的驱动下，带动与波浪能捕获子系统相连的第二液压缸开始往复运动；
[0042]
当第二液压缸向下运动时，第五单向阀与第七过滤器关闭，第六单向阀与第八过滤器开启，液压油通过第三过滤器过滤后，进入第二液压缸上腔，与此同时，第二液压缸下腔的液压油被排出；
[0043]
当第二液压缸向上运动时，第六单向阀与第八过滤器关闭，第五单向阀与第七过滤器开启，液压油通过第三过滤器过滤后，进入第二液压缸下腔，与此同时，第二液压缸上
腔的液压油被排出；
[0044]
第一液压缸与第二液压缸的油路汇为一路，并与第二溢流阀和第二蓄能器相连；
[0045]
两个液压缸的位移相位差为180
°
，实现所输出油液之间的互补；第二溢流阀用于限定波浪能捕获子系统管路内的最高压力，当回路油压达到设定值时，第二溢流阀阀口打开，将多余液压油引入油箱；
[0046]
第二蓄能器用于控制管路内部压力与流量的波动，当液压油压力超出第二蓄能器内部充气压力，第二蓄能器内部气囊被压缩，将多余能量转换为势能；反之，当液压油压力低于第二蓄能器内部充气压力，第二蓄能器内部气囊被还原，将储存的能量释放，实现对管路内部压力与流量的稳定性调节；
[0047]
第二液压马达的入油口与第二蓄能器相连，第二蓄能器出油口与油箱相连；液压油经过第二蓄能器的调节后，驱动第二液压马达进行旋转，被排回油箱；液压油经过调节后，压力值保持稳定，由系统压力、液压马达排量以及液压马达输出转矩之间的关系计算出第二液压马达的输出转矩并保持稳定。
[0048]
在一实施例中，所述液压系统压力、液压马达排量以及液压马达输出转矩之间的关系为：
[0049][0050]
式中：tm为液压马达输出转矩；p为液压系统压力；vm为液压马达排量。
[0051]
在一实施例中，所述采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加进一步包括：
[0052]
第二液压马达的输出轴与波浪能捕获子系统的第一半轴齿轮的齿轮轴相连；当第二液压马达转动时，所输出的转矩作用在第一半轴齿轮上，以带动第一半轴齿轮旋转；
[0053]
壳体大齿轮、第一行星齿轮与第二行星齿轮、第一半轴齿轮与第二半轴齿轮构成周转轮系；
[0054]
第二半轴齿轮通过轴承与壳体大齿轮安装在一起；第二半轴齿轮第二半轴齿轮的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮的内孔配合于轴承外圈，第一半轴齿轮与第二半轴齿轮相对于各自轴线进行旋转；
[0055]
第一行星齿轮和第二行星齿轮通过轴承安装于壳体大齿轮上，第一行星齿轮和第二行星齿轮的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮上的轴孔配合于轴承外圈；
[0056]
第一行星齿轮和第二行星齿轮相对于壳体大齿轮轴线的公转，还能相对于各自轴线的自转；
[0057]
第一半轴齿轮分别与第一行星齿轮、第二行星齿轮啮合，第二半轴齿轮分别与第一行星齿轮、第二行星齿轮啮合；
[0058]
第一半轴齿轮、第二半轴齿轮通过与第一行星齿轮、第二行星齿轮的啮合传动，驱动壳体大齿轮进行旋转；
[0059]
第一半轴齿轮、第二半轴齿轮所输出的转矩值与转速值不相同；第一半轴齿轮、第二半轴齿轮的转矩首先作用在第一行星齿轮、第二行星齿轮上，之后在壳体大齿轮上进行叠加，实现两个半轴齿轮所传递的功率在壳体大齿轮上的叠加；壳体大齿轮与外接齿轮啮合，并驱动外接齿轮旋转；
[0060]
外接齿轮的齿轮轴与发电机的输入轴相连，带动发电机工作。
[0061]
在一实施例中，所述有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用进一步包括：
[0062]
第一行星齿轮、第二行星齿轮进行自转，使两个半轴齿轮在传递转矩的同时，不发生相互阻碍，以抵消因速度差异所产生的风能捕获子系统与波浪能捕获子系统之间的消极耦合影响。
[0063]
本发明另一目的在于提供一种实施所述差速耦合式风浪互补发电方法的差速耦合式风浪互补发电系统，包括：
[0064]
液压系统，与风能捕获子系统和波浪能捕获子系统连接，用于进行海上风能与波浪能的能量调节与传输；
[0065]
差速行星齿轮机构，用于对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统输出功率的进行耦合叠加，并有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统耦合过程中的消极耦合作用。
[0066]
在一实施例中，所述风能捕获子系统包括风机叶轮、第一过滤器、液压泵、第一溢流阀、第一蓄能器、第一液压马达；
[0067]
所述波浪能捕获子系统包括：液压马达、第二蓄能器、第二溢流阀、第一单向阀、第一液压缸、第二单向阀、第二过滤器、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、第六单向阀、第三过滤器、第七单向阀、第八单向阀以及第二液压缸；
[0068]
其中，风机叶轮的主轴与液压系统的液压泵的主轴连接在一起；液压泵的进油口与第一过滤器的出油口相连，第一过滤器的进油口与油箱相连；液压泵的出口外连接有第一溢流阀与第一蓄能器；第一液压马达的入油口与第一蓄能器相连，出油口与油箱相连；
[0069]
第一液压马达的输出轴与第二半轴齿轮的齿轮轴相连；第一液压缸的第一个油口连接第一单向阀与第二单向阀，第二个油口连接第三单向阀与第四单向阀；第一液压缸的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第二单向阀与第三单向阀的进油口与第二过滤器相连；第二过滤器的进油口与油箱相连；
[0070]
第二液压缸的第一个油口连接第五单向阀与第六单向阀，第二个油口连接第七过滤器与第八过滤器；第二液压缸的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；
[0071]
第六单向阀与第七过滤器的进油口与第三过滤器相连；第三过滤器的进油口与油箱相连；
[0072]
第一液压缸与第二液压缸的油路汇为一路，并与第二溢流阀和第二蓄能器相连；第二液压马达的入油口与第二蓄能器相连，出油口与油箱相连；第二液压马达的输出轴与差速行星齿轮机构的第一半轴齿轮的齿轮轴相连。
[0073]
在一实施例中，所述差速行星齿轮机构包括：壳体大齿轮、第一行星齿轮与第二行星齿轮、第一半轴齿轮与第二半轴齿轮构成周转轮系；
[0074]
第二半轴齿轮通过轴承与壳体大齿轮安装在一起，第二半轴齿轮的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮的内孔配合于轴承外圈；第一行星齿轮和第二行星齿轮通过轴承安装于壳体大齿轮上，第一行星齿轮和第二行星齿轮的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮上的轴孔配合于轴承外圈；
[0075]
第一半轴齿轮分别与第一行星齿轮和第二行星齿轮啮合，第二半轴齿轮分别与第一行星齿轮和第二行星齿轮啮合；壳体大齿轮与外接齿轮啮合；外接齿轮的齿轮轴与发电
机的输入轴相连。
[0076]
本发明的另一目的在于提供一种可用于海上风能与波浪能互补发电装置，所述可用于海上风能与波浪能互补发电装置实施所述差速耦合式风浪互补发电方法。
[0077]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明在能量传输过程中对能量进行高效地传输与调节，有效降低能量的波动及损耗。大幅降低两个能量捕获子系统之间的消极耦合作用，有效减少能量耦合过程中的能量损失。提高整体系统的能量捕获效率。降低系统的复杂程度。
[0078]
相比于现有技术，本发明的积极效果进一步包括：
[0079]
相比现有技术中的电力传输系统以及纯机械式的传动系统，本发明创造性地将液压传输与机械传输相结合，极大地简化了系统的复杂程度。由于液压蓄能器工作过程中的能量损失很低，并且液压蓄能器可对能量的波动性进行高效地调节，因此本发明方案极大地提高了能量传递效率，降低了能量在传输与调节过程中的损耗与波动。
[0080]
相比于传统的液压传输式方案，本发明采用了一套差速行星齿轮机构对能量进行耦合，该方案不仅实现了两个能量捕获子系统之间输出功率的叠加，而且通过行星齿轮的自转极大地降低了两个子系统因转速差异而产生的消极耦合影响，保证了系统的高效运行。本发明结构更为简单，拥有比以往方案更高的寿命以及更低的安装维护成本，所适用的工况条件更为广泛。
[0081]
比已有技术中的电力传输系统以及纯机械式的传动系统，本发明创造性地将液压传输与机械传输相结合，极大地简化了系统的复杂程度。由于液压蓄能器工作过程中的能量损失很低，并且液压蓄能器可对能量的波动性进行高效地调节，因此本发明方案极大地提高了能量传递效率，降低了能量在传输与调节过程中的损耗与波动。
[0082]
相比于传统的液压传输式方案，本发明采用了一套差速行星齿轮机构对能量进行耦合，该方案不仅实现了两个能量捕获子系统之间输出功率的叠加，而且通过行星齿轮的自转极大地降低了两个子系统因转速差异而产生的消极耦合影响，保证了系统的高效运行。该方案结构更为简单，拥有比以往方案更高的寿命以及更低的安装维护成本，所适用的工况条件更为广泛。
[0083]
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
[0084]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0085]
图1是本发明实施例提供的差速耦合式风浪互补发电系统示意图。
[0086]
图中：1、油箱；2、风机叶轮；3、第一过滤器；4、液压泵；5、第一溢流阀；6、第一蓄能器；7、第一液压马达；8、发电机；9、壳体大齿轮；10、外接齿轮；11、第一行星齿轮；12、第二行星齿轮；13、第一半轴齿轮；14、第二半轴齿轮；15、第二液压马达；16、第二蓄能器；17、第二溢流阀；18、第一单向阀；19、第一液压缸；20、第二单向阀；21、第二过滤器；22、第三单向阀；23、第四单向阀；24、第五单向阀；25、第六单向阀；26、第三过滤器；27、第七单向阀；28、第八单向阀；29、第二液压缸。
[0087]
图2是本发明实施例提供的风能捕获子系统单独发电发电机转速图。
[0088]
图3是本发明实施例提供的波浪能能捕获子系统单独发电发电机转速图。
[0089]
图4是本发明实施例提供的风浪互补系统发电机转速图。
具体实施方式
[0090]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0091]
如图1所示，本发明实施例提供一种差速耦合式风浪互补发电系统包括：风机叶轮2；风机叶轮2的主轴与液压泵4的主轴连接在一起；液压泵4的进油口与第一过滤器3的出油口相连，第一过滤器3的进油口与油箱1相连；液压泵4的出口外连接有第一溢流阀5与第一蓄能器6；第一液压马达7的入油口与第一蓄能器6相连，其出油口与油箱1相连。
[0092]
第一液压马达7的输出轴与第二半轴齿轮14的齿轮轴相连；第一液压缸19 的第一个油口连接第一单向阀18与第二单向阀20，第二个油口连接第三单向阀 22与第四单向阀23；第一液压缸19的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第二单向阀20与第三单向阀22的进油口与第二过滤器21相连；第二过滤器21的进油口与油箱相连。
[0093]
第二液压缸29的第一个油口连接第五单向阀24与第六单向阀25，第二个油口连接第七过滤器27与第八过滤器28；第二液压缸29的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第六单向阀25与第七过滤器27的进油口与第三过滤器26相连；第三过滤器26的进油口与油箱相连。
[0094]
第一液压缸19与第二液压缸29的油路汇为一路，并与第二溢流阀17和第二蓄能器16相连；第二液压马达15的入油口与第二蓄能器16相连，其出油口与油箱1相连；第二液压马达15的输出轴与第一半轴齿轮13的齿轮轴相连。
[0095]
壳体大齿轮9、第一行星齿轮11与12、第一半轴齿轮13与第二半轴齿轮 14构成周转轮系；第二半轴齿轮14通过轴承与壳体大齿轮9安装在一起，第二半轴齿轮14的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮9的内孔配合于轴承外圈；第一行星齿轮11和第二行星齿轮12通过轴承安装于壳体大齿轮9上，第一行星齿轮11和第二行星齿轮12的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮9上的轴孔配合于轴承外圈。
[0096]
第一半轴齿轮13分别与第一行星齿轮11和第二行星齿轮12啮合，第二半轴齿轮14分别与第一行星齿轮11和第二行星齿轮12啮合；壳体大齿轮9与外接齿轮10啮合；外接齿轮10的齿轮轴与发电机8的输入轴相连。
[0097]
本发明一优选实施例中，提供一种差速耦合式风浪互补发电方法包括：利用液压系统进行海上风能与波浪能的能量调节与传输；
[0098]
采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统输出功率的进行耦合叠加，并有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统耦合过程中的消极耦合作用。
[0099]
具体地，所述采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统输出功率的进行耦合包括：当系统达到平衡时，有
[0100]
[0101]
fa、fb为第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮14与第一行星齿轮11在啮合点处，对行星齿轮的作用力；m3为单个行星齿轮质量，n
p
为行星齿轮数量；r0为壳体大齿轮9的半径；i0为壳体大齿轮9的转动惯量；为壳体大齿轮9的角速度；t0为壳体大齿轮9的受力，当达到平衡时，其值等同于风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的耦合输出转矩。
[0102]
所述有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统耦合过程中的消极耦合作用包括：
[0103]va-vb＝ω1r
1-ω2r2＝-2ω3r3[0104][0105]va
、vb为第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮14与第一行星齿轮11在啮合点处的绝对速度；r1、r2、r3分别为第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮14与第一行星齿轮11的半径；ω1、ω2、ω3分别为第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮14与第一行星齿轮11的角速度。
[0106]
如上所示，当两个半轴齿轮存在速度差异时，第一行星齿轮(11)通过差速运转抵消第一半轴齿轮(11)与第二行星齿轮(14)间的转速差。
[0107]
利用上述的叠加与差速，本发明便实现了功率的高效耦合叠加。
[0108]
下面结合具体实施例对本发明差速耦合式风浪互补发电方法的技术方案作进一步描述。
[0109]
实施例
[0110]
本发明提供的差速耦合式风浪互补发电方法包括：
[0111]
风机叶轮2的主轴与液压泵4的主轴通过联轴器连接在一起，当风力驱使风机叶轮2旋转时，液压泵4被带动开始旋转，从而将风能转换为液压能。
[0112]
液压泵4的进油口与第一过滤器3的出油口相连，第一过滤器3的进油口与油箱1相连；液压泵4工作时，液压油被从油箱1吸出，经第一过滤器3过滤后进入液压泵4。
[0113]
液压泵4的出口外连接有第一溢流阀5与第一蓄能器6；第一溢流阀5用于限定风能捕获子系统管路中的最高压力，当回路油压达到设定值时，其阀口打开，将多余液压油引入油箱1，从而起到对系统的保护。第一蓄能器6用于控制管路内部压力与流量的波动，当液压油压力超出其内部充气压力，其内部气囊被压缩，将多余能量转换为势能；反之，当液压油压力低于其内部充气压力，其内部气囊被还原，将储存的能量释放，从而实现了对管路内部压力与流量的稳定性调节。
[0114]
第一液压马达7的入油口与第一蓄能器6相连，其出油口与油箱1相连；液压油经过第一蓄能器6的调节后，
[0115]
之后驱动第一液压马达7进行旋转，之后被排回油箱1。液压油经过调节后，其压力值基本保持稳定，因此由系统压力、液压马达排量、以及液压马达输出转矩之间的关系可知，第一液压马达7的输出转矩将保持基本稳定。
[0116]
第一液压马达7的输出轴与第二半轴齿轮14的齿轮轴相连。当第一液压马达7转动时，其所输出的转矩作用在第二半轴齿轮14上，以带动第二半轴齿轮 14旋转。
[0117]
第一液压缸19第一个油口连接第一单向阀18与第二单向阀20，第二个油口连接第三单向阀22与第四单向阀23；第一液压缸19的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第二单向阀20与第三单向阀22的进油口与第二过滤器21相连；第二过滤器21的进油口
与油箱相连。在波浪的驱动下，波浪能捕获子系统开始工作，并带动与之相连的第一液压缸19开始往复运动。当第一液压缸19向下运动时，第一单向阀18与第三单向阀22关闭，第二单向阀20与第四单向阀23开启，液压油通过第二过滤器21过滤后，进入第一液压缸19上腔，与此同时，第一液压缸19下腔的液压油被排出。当第一液压缸19向上运动时，第二单向阀20与第四单向阀23关闭，第一单向阀18与第三单向阀22 开启，液压油通过第二过滤器21过滤后，进入第一液压缸19下腔，与此同时，第一液压缸19上腔的液压油被排出。
[0118]
第二液压缸29第一个油口连接第五单向阀24与第六单向阀25，第二个油口连接第七过滤器27与第八过滤器28；第二液压缸29的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第六单向阀25与第七过滤器27的进油口与第三过滤器26相连；第三过滤器26的进油口与油箱相连。在波浪的驱动下，波浪能捕获子系统开始工作，并带动与之相连的第二液压缸29开始往复运动。当第二液压缸29向下运动时，第五单向阀24与第七过滤器27关闭，第六单向阀25与第八过滤器28开启，液压油通过第三过滤器26过滤后，进入第二液压缸29上腔，与此同时，第二液压缸29下腔的液压油被排出。当第二液压缸29向上运动时，第六单向阀25与第八过滤器28关闭，第五单向阀24与第七过滤器27 开启，液压油通过第三过滤器26过滤后，进入第二液压缸29下腔，与此同时，第二液压缸29上腔的液压油被排出。
[0119]
第一液压缸19与第二液压缸29的油路汇为一路，并与第二溢流阀17和第二蓄能器16相连。两个液压缸的位移相位差为180
°
，从而实现所输出油液之间的互补；第二溢流阀17用于限定波浪能捕获子系统管路内的最高压力，当回路油压达到设定值时，其阀口打开，将多余液压油引入油箱1，从而起到保护作用。第二蓄能器16用于控制管路内部压力与流量的波动，当液压油压力超出其内部充气压力，其内部气囊被压缩，将多余能量转换为势能；反之，当液压油压力低于其内部充气压力，其内部气囊被还原，将储存的能量释放，从而实现了对管路内部压力与流量的稳定性调节。
[0120]
第二液压马达15的入油口与第二蓄能器16相连，其出油口与油箱1相连；液压油经过第二蓄能器16的调节后，驱动第二液压马达15进行旋转，之后被排回油箱1。液压油经过调节后，其压力值基本保持稳定，因此由系统压力、液压马达排量、以及液压马达输出转矩之间的关系可知，第二液压马达15的输出转矩将保持基本稳定。
[0121]
第二液压马达15的输出轴与第一半轴齿轮13的齿轮轴相连。当第二液压马达15转动时，其所输出的转矩作用在第一半轴齿轮13上，以带动第一半轴齿轮13旋转。
[0122]
壳体大齿轮9、第一行星齿轮11与第二行星齿轮12、第一半轴齿轮13与第二半轴齿轮14构成周转轮系。
[0123]
第二半轴齿轮14通过轴承与壳体大齿轮9安装在一起。第二半轴齿轮第二半轴齿轮14的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮9的内孔配合于轴承外圈，因此两个齿轮可实现相对于各自轴线的旋转。
[0124]
第一行星齿轮11和第二行星齿轮12通过轴承安装于壳体大齿轮9上，第一行星齿轮11和第二行星齿轮12的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮9上的轴孔配合于轴承外圈。因此，第一行星齿轮11和第二行星齿轮12既可实现相对于壳体大齿轮9轴线的公转，亦可实现相对于各自轴线的自转。
[0125]
第一半轴齿轮13分别与第一行星齿轮11、第二行星齿轮12啮合，第二半轴齿轮14分别与第一行星齿轮11、第二行星齿轮12啮合。第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮14通过与第
一行星齿轮11、第二行星齿轮12的啮合传动，驱动壳体大齿轮9进行旋转。
[0126]
由于两个能量捕获子系统所捕获的能量值不同，第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮14所输出的转矩值与转速值亦不相同。第一半轴齿轮13、第二半轴齿轮 14的转矩首先作用在第一行星齿轮11、第二行星齿轮12上，之后在壳体大齿轮9上进行叠加，以实现两个半轴齿轮所传递的功率在壳体大齿轮9上的叠加。为使两个半轴齿轮在传递转矩的同时，各自的运转不会发生相互阻碍，第一行星齿轮11、第二行星齿轮12可实现自转，以抵消因速度差异所产生的两个能量捕获子系统之间的消极耦合影响。
[0127]
壳体大齿轮9与外接齿轮10啮合，并驱动外接齿轮10旋转。
[0128]
外接齿轮10的齿轮轴与发电机8的输入轴相连，从而带动发电机工作。
[0129]
在本发明一优选实施例中，液压系统压力、液压马达排量以及液压马达输出转矩之间的关系：
[0130][0131]
式中：tm为液压马达输出转矩；p为液压系统压力；vm为液压马达排量。
[0132]
下面结合具体仿真实验对本发明的积极效果作进一步描述。
[0133]
通过专业仿真软件搭建仿真模型，并进行仿真验证，结果如下：
[0134]
风能捕获子系统单独发电发电机转速，如图2所示。波浪能能捕获子系统单独发电发电机转速，如图3所示。风浪互补系统发电机转速，如图4所示。可见，相比于两个能量捕获子系统，发电机转速的稳定性有了较高的提升。
[0135]
发电机功率的均值为18890.91w，两个子系统的输入端功率皆为10kw，因此该系统的能量耦合效率达到了94.45％，而目前已知最高的只有85％。
[0136]
上述仿真表明：发电机的稳定性有了极大的提升，且实现了两股能量的高效耦合。
[0137]
本发明在具体的应用中表明：通过液压系统对能量进行传输与调节，大幅降低了系统结构的复杂程度以及能量的波动与损耗，解决了以往大多数方案在能量传输与调节过程中存在的能量损耗大的问题。
[0138]
采用了一套差速行星齿轮机构进行两个子系统能量的高效耦合。本发明中的能量耦合机构不仅实现了两个子系统输出功率的耦合叠加，而且通过自身的运动特性有效降低了两个子系统能量耦合过程中的消极耦合影响，从而大幅提升了整体系统的能量捕获效率。
[0139]
该方案结构更加简单，可适用的工况更为广泛；而且集成化的差速行星齿轮机构大幅降低了机械机构的安装及维护成本，具有更长的工作寿命。
[0140]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
[0141]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种差速耦合式风浪互补发电方法，其特征在于，利用液压系统进行海上风能与波浪能的能量调节与传输；采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加，并有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用。2.根据权利要求1所述的差速耦合式风浪互补发电方法，其特征在于，所述液压系统进行海上风能的能量调节与传输包括：风能捕获子系统的风机叶轮(2)的主轴与液压泵(4)的主轴通过联轴器连接在一起，当风力驱使风机叶轮(2)旋转时，液压泵(4)被带动开始旋转，将风能转换为液压能；液压泵(4)的进油口与第一过滤器(3)的出油口相连，第一过滤器(3)的进油口与油箱(1)相连；液压泵(4)工作时，液压油被从油箱(1)吸出，经第一过滤器(3)过滤后进入液压泵(4)；液压泵(4)的出口外连接有第一溢流阀(5)与第一蓄能器(6)；第一溢流阀(5)用于限定风能捕获子系统管路中的最高压力，当回路油压达到设定值时，第一溢流阀(5)阀口打开，将多余液压油引入油箱(1)；第一蓄能器(6)用于控制管路内部压力与流量的波动，当液压油压力超出第一蓄能器(6)内部充气压力，第一蓄能器(6)内部气囊被压缩，将多余能量转换为势能；当液压油压力低于第一蓄能器(6)内部充气压力，第一蓄能器(6)内部气囊被还原，将储存的能量释放；第一液压马达(7)的入油口与第一蓄能器(6)相连，第一蓄能器(6)出油口与油箱(1)相连；液压油经过第一蓄能器(6)的调节后，驱动第一液压马达(7)进行旋转，将液压油排回油箱(1)；液压油经过调节后，压力值保持稳定，由系统压力、液压马达排量以及液压马达输出转矩之间的关系计算得出第一液压马达(7)的输出转矩并保持稳定。3.根据权利要求1所述的差速耦合式风浪互补发电方法，其特征在于，所述液压系统进行波浪能的能量调节与传输包括：第一液压马达(7)的输出轴与第二半轴齿轮(14)的齿轮轴相连；当第一液压马达(7)转动时，第一液压马达(7)所输出的转矩作用在第二半轴齿轮(14)上，以带动第二半轴齿轮(14)旋转；第一液压缸(19)第一个油口连接第一单向阀(18)与第二单向阀(20)，第二个油口连接第三单向阀(22)与第四单向阀(23)；第一液压缸(19)的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第二单向阀(20)与第三单向阀(22)的进油口与第二过滤器(21)相连；第二过滤器(21)的进油口与油箱相连；在波浪的驱动下，波浪能捕获子系统开始工作，并带动与波浪能捕获子系统相连的第一液压缸(19)开始往复运动；当第一液压缸(19)向下运动时，第一单向阀(18)与第三单向阀(22)关闭，第二单向阀(20)与第四单向阀(23)开启，液压油通过第二过滤器(21)过滤后，进入第一液压缸(19)上腔，同时，第一液压缸(19)下腔的液压油被排出；当第一液压缸(19)向上运动时，第二单向阀(20)与第四单向阀(23)关闭，第一单向阀(18)与第三单向阀(22)开启，液压油通过第二过滤器(21)过滤后，进入第一液压缸(19)下腔，与此同时，第一液压缸(19)上腔的液压油被排出；第二液压缸(29)第一个油口连接第五单向阀(24)与第六单向阀(25)，第二个油口连接
第七过滤器(27)与第八过滤器(28)；第二液压缸(29)的活塞杆与外部的波浪能捕获子系统相连；第六单向阀(25)与第七过滤器(27)的进油口与第三过滤器(26)相连；第三过滤器(26)的进油口与油箱相连；在波浪的驱动下，带动与波浪能捕获子系统相连的第二液压缸(29)开始往复运动；当第二液压缸(29)向下运动时，第五单向阀(24)与第七过滤器(27)关闭，第六单向阀(25)与第八过滤器(28)开启，液压油通过第三过滤器(26)过滤后，进入第二液压缸(29)上腔，与此同时，第二液压缸(29)下腔的液压油被排出；当第二液压缸(29)向上运动时，第六单向阀(25)与第八过滤器(28)关闭，第五单向阀(24)与第七过滤器(27)开启，液压油通过第三过滤器(26)过滤后，进入第二液压缸(29)下腔，与此同时，第二液压缸(29)上腔的液压油被排出；第一液压缸(19)与第二液压缸(29)的油路汇为一路，并与第二溢流阀(17)和第二蓄能器(16)相连；两个液压缸的位移相位差为180
°
，实现所输出油液之间的互补；第二溢流阀(17)用于限定波浪能捕获子系统管路内的最高压力，当回路油压达到设定值时，第二溢流阀(17)阀口打开，将多余液压油引入油箱(1)；第二蓄能器(16)用于控制管路内部压力与流量的波动，当液压油压力超出第二蓄能器(16)内部充气压力，第二蓄能器(16)内部气囊被压缩，将多余能量转换为势能；反之，当液压油压力低于第二蓄能器(16)内部充气压力，第二蓄能器(16)内部气囊被还原，将储存的能量释放，实现对管路内部压力与流量的稳定性调节；第二液压马达(15)的入油口与第二蓄能器(16)相连，第二蓄能器(16)出油口与油箱(1)相连；液压油经过第二蓄能器(16)的调节后，驱动第二液压马达(15)进行旋转，被排回油箱(1)；液压油经过调节后，压力值保持稳定，由系统压力、液压马达排量以及液压马达输出转矩之间的关系计算出第二液压马达(15)的输出转矩并保持稳定。4.根据权利要求2～3任意一项所述的差速耦合式风浪互补发电方法，其特征在于，所述液压系统压力、液压马达排量以及液压马达输出转矩之间的关系为：式中：t
m
为液压马达输出转矩；p为液压系统压力；v
m
为液压马达排量。5.根据权利要求1所述的差速耦合式风浪互补发电方法，其特征在于，所述采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加包括：当系统达到平衡时，有f
a
、f
b
为第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)与第一行星齿轮(11)在啮合点处对行星齿轮的作用力；m3为单个行星齿轮质量，n
p
为行星齿轮数量；r0为壳体大齿轮(9)的半径；i0为壳体大齿轮(9)的转动惯量；为壳体大齿轮(9)的角速度；t0为壳体大齿轮(9)的受力，当达到平衡时，壳体大齿轮(9)的受力值等同于风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的耦
合输出转矩；所述有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用包括：v
a-v
b
＝ω1r
1-ω2r2＝-2ω3r
3va
、v
b
为第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)与第一行星齿轮(11)在啮合点处的绝对速度；r1、r2、r3分别为第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)与第一行星齿轮(11)的半径；ω1、ω2、ω3分别为第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)与第一行星齿轮(11)的角速度；当两个半轴齿轮存在速度差异时，第一行星齿轮(11)通过差速运转抵消第一半轴齿轮(11)与第二行星齿轮(14)间的转速差。6.根据权利要求5所述的差速耦合式风浪互补发电方法，其特征在于，所述采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加进一步包括：第二液压马达(15)的输出轴与波浪能捕获子系统的第一半轴齿轮(13)的齿轮轴相连；当第二液压马达(15)转动时，所输出的转矩作用在第一半轴齿轮(13)上，以带动第一半轴齿轮13旋转；壳体大齿轮(9)、第一行星齿轮(11)与第二行星齿轮(12)、第一半轴齿轮(13)与第二半轴齿轮(14)构成周转轮系；第二半轴齿轮(14)通过轴承与壳体大齿轮(9)安装在一起；第二半轴齿轮第二半轴齿轮(14)的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮(9)的内孔配合于轴承外圈，第一半轴齿轮(13)与第二半轴齿轮(14)相对于各自轴线进行旋转；第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)通过轴承安装于壳体大齿轮(9)上，第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮(9)上的轴孔配合于轴承外圈；第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)相对于壳体大齿轮(9)轴线的公转，还能相对于各自轴线的自转；第一半轴齿轮(13)分别与第一行星齿轮(11)、第二行星齿轮(12)啮合，第二半轴齿轮(14)分别与第一行星齿轮(11)、第二行星齿轮(12)啮合；第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)通过与第一行星齿轮(11)、第二行星齿轮(12)的啮合传动，驱动壳体大齿轮(9)进行旋转；第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)所输出的转矩值与转速值不相同；第一半轴齿轮(13)、第二半轴齿轮(14)的转矩首先作用在第一行星齿轮(11)、第二行星齿轮(12)上，之后在壳体大齿轮(9)上进行叠加，实现两个半轴齿轮所传递的功率在壳体大齿轮(9)上的叠加；壳体大齿轮(9)与外接齿轮(10)啮合，并驱动外接齿轮(10)旋转；外接齿轮(10)的齿轮轴与发电机(8)的输入轴相连，带动发电机工作；消除风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用进一步包括：第一行星齿轮(11)、第二行星齿轮(12)进行自转，使两个半轴齿轮在传递转矩的同时，不发生相互阻碍，以抵消因速度差异所产生的风能捕获子系统与波浪能捕获子系统之间的
消极耦合影响。7.一种实施权利要求1～6任意一项所述差速耦合式风浪互补发电方法的差速耦合式风浪互补发电系统，其特征在于，所述差速耦合式风浪互补发电系统包括：液压系统，与风能捕获子系统和波浪能捕获子系统连接，用于进行海上风能与波浪能的能量调节与传输；差速行星齿轮机构，用于对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加，并有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用。8.根据权利要求7所述的差速耦合式风浪互补发电系统，其特征在于，所述风能捕获子系统包括风机叶轮(2)、第一过滤器(3)、液压泵(4)、第一溢流阀(5)、第一蓄能器(6)、第一液压马达(7)；所述波浪能捕获子系统包括：液压马达(15)、第二蓄能器(16)、第二溢流阀(17)、第一单向阀(18)、第一液压缸(19)、第二单向阀(20)、第二过滤器(21)、第三单向阀(22)、第四单向阀(23)、第五单向阀(24)、第六单向阀(25)、第三过滤器(26)、第七单向阀(27)、第八单向阀(28)以及第二液压缸(29)；其中，风机叶轮(2)的主轴与液压系统的液压泵(4)的主轴连接在一起；液压泵(4)的进油口与第一过滤器(3)的出油口相连，第一过滤器(3)的进油口与油箱(1)相连；液压泵(4)的出口外连接有第一溢流阀(5)与第一蓄能器(6)；第一液压马达(7)的入油口与第一蓄能器(6)相连，出油口与油箱(1)相连；第一液压马达(7)的输出轴与第二半轴齿轮(14)的齿轮轴相连；第一液压缸(19)的第一个油口连接第一单向阀(18)与第二单向阀(20)，第二个油口连接第三单向阀(22)与第四单向阀(23)；第一液压缸(19)的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第二单向阀(20)与第三单向阀(22)的进油口与第二过滤器(21)相连；第二过滤器(21)的进油口与油箱相连；第二液压缸(29)的第一个油口连接第五单向阀(24)与第六单向阀(25)，第二个油口连接第七过滤器(27)与第八过滤器(28)；第二液压缸(29)的活塞杆与系统外部的波浪能捕获子系统相连；第六单向阀(25)与第七过滤器(27)的进油口与第三过滤器(26)相连；第三过滤器(26)的进油口与油箱相连；第一液压缸(19)与第二液压缸(29)的油路汇为一路，并与第二溢流阀(17)和第二蓄能器(16)相连；第二液压马达(15)的入油口与第二蓄能器(16)相连，出油口与油箱(1)相连；第二液压马达(15)的输出轴与差速行星齿轮机构的第一半轴齿轮(13)的齿轮轴相连。9.根据权利要求7所述的差速耦合式风浪互补发电系统，其特征在于，差速行星齿轮机构包括：壳体大齿轮(9)、第一行星齿轮(11)与第二行星齿轮(12)、第一半轴齿轮(13)与第二半轴齿轮(14)构成周转轮系；第二半轴齿轮(14)通过轴承与壳体大齿轮(9)安装在一起，第二半轴齿轮(14)的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮(9)的内孔配合于轴承外圈；第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)通过轴承安装于壳体大齿轮(9)上，第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)的齿轮轴配合于轴承内圈，壳体大齿轮(9)上的轴孔配合于轴承外圈；第一半轴齿轮(13)分别与第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)啮合，第二半轴齿轮
(14)分别与第一行星齿轮(11)和第二行星齿轮(12)啮合；壳体大齿轮(9)与外接齿轮(10)啮合；外接齿轮(10)的齿轮轴与发电机(8)的输入轴相连。10.一种可用于海上风能与波浪能互补发电装置，其特征在于，所述可用于海上风能与波浪能互补发电装置实施权利要求1～6任意一项所述差速耦合式风浪互补发电方法。

技术总结
本发明属于海洋机电装备技术领域，公开了一种差速耦合式风浪互补发电系统、方法及互补发电装置。利用液压系统进行海上风能与波浪能的能量调节与传输；采用差速行星齿轮机构对风能捕获子系统与波浪能捕获子系统的输出功率进行耦合叠加，并有效降低风能捕获子系统与波浪能捕获子系统能量耦合过程中的消极耦合作用。本发明通过液压系统对能量进行传输与调节，大幅降低了系统结构的复杂程度，解决了以往大多数方案在能量传输与调节过程中存在的能量损耗大的问题。本发明采用了一套差速行星齿轮机构进行两个子系统能量的高效耦合，从而大幅提升了整体系统的能量捕获效率。大幅提升了整体系统的能量捕获效率。


技术研发人员：张保成 王博涵 邓子伟 刘辉 张开升 赵波 王强
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2023/6/27