一种海上风力发电设备

1.本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种海上风力发电设备。


背景技术：

2.在石油资源形势日益严峻的情况下，各国均将眼光投向了风力资源巨大的海域，作为一种清洁能源，风力发电本身就具有许多优点，对环境友好、建设周期短、运维成本低等，而新兴的海上风电比陆地风电更优秀。现有风力发电设备一般都设置有尾翼，但由于海洋风向及风速的波动较大，为了保证发电机转叶始终正对风向，尾翼需要不断调整方向，造成发电机叶片频繁的晃动，加速发电设备的磨损；若遇到狂风天气时，大风还会直接冲击发电机叶片，造成叶片损坏，缩短发电设备的使用寿命。因此，急需设计一款海上风力发电设备，能够有效避免海上风向或风速变化对发电装置的影响，提高发电效率和发电设备的使用寿命。
3.经检索，如申请号2019104312965的申请案提供了一种海上风力发电设备，包括浮体，浮体的上侧面竖直转动设置有立柱，立柱的上端固设有u型支架，u型支架包括两个竖直部，其中一个竖直部的顶部固设有设备箱一，另一个竖直部的顶部固设有设备箱二，设备箱一上水平转动设置有转轴一，转轴一上固设有叶轮一，设备箱一内设有能够利用叶轮一的转动进行发电的发电机构一，设备箱二上转动设置有转轴二，转轴二上固设有叶轮二，设备箱二内设有能够利用叶轮二的转动进行发电的发电机构二，u型支架上还设有能够根据风向调节立柱的转动角度，使海风正面吹向叶轮一和叶轮二的调节机构。该发明能够降低风向变化对发电设备的影响，发电效率较高，但是仍然无法完全避免风向对发电设备的影响。
4.又如申请号2021105417158的申请案提供了一种带有减速装置的海上风力发电机，包括基座、塔架、机舱、机组及设置在机组的转轴一端上的若干摆动组件，塔架上设置有第一和第二文丘里装置，第一和第二文丘里装置均包括文丘里管、滑管、滑块及减速组件，第一和第二文丘里装置一端设置有挡风组件和推送组件；推送组件带动挡风组件依次打开第一文丘里装置和第二文丘里装置内文丘里管的进风口，并在滑管处形成负压区，滑块在气压的推动下在滑管内上下移动，带动减速组件对转轴进行减速。该方案解决了目前海上风力发电机遇到强风时不能利用风力对发电机转轴进行有效降速、能源消耗较大以及发电机使用寿命较短等问题。


技术实现要素：

5.1.发明要解决的技术问题
6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种海上风力发电设备，能够有效避免海上风向或风速变化对发电装置的影响，提高发电效率和发电设备的使用寿命。
7.2.技术方案
8.为达到上述目的，本发明的一种海上风力发电设备，包括风速风向仪、聚风机构和
发电机构：聚风机构，所述聚风机构具有一进风口，该进风口用于捕捉海风，且进风口可通过所述风速风向仪发出的信号进行方位调整；发电机构，所述发电机构具有与所述聚风机构出风口相连通的风力发电腔室，所述风力发电腔室内设置有风轮，所述聚风机构捕捉收集的海风进入风力发电腔室内，并驱动风轮转动用于风力发电。
9.进一步地，聚风机构包括聚风上壳和聚风腔室，所述聚风上壳的一侧壁设有进风口，且所述聚风上壳的底部转动设于聚风腔室的上方，该聚风腔室的横截面从上到下逐渐缩小。
10.进一步地，聚风上壳通过转动连接单元与聚风腔室转动相连，其中转动连接单元包括相啮合的行星轮和行星齿条，所述行星轮与聚风上壳相连，该行星轮由聚风舵机控制转动，所述行星齿条环绕周向设于聚风腔室上。
11.进一步地，行星轮包括与聚风舵机相连的行星轴，所述行星轴的底部设有与所述行星齿条相啮合的行星齿轮。
12.进一步地，转动连接单元还包括相配合的轨道和小滚轮，所述轨道环绕周向设于聚风腔室的顶部，所述小滚轮设于聚风上壳的内侧壁。
13.进一步地，风力发电腔室呈敞口的圆筒形结构，且所述风力发电腔室上下两端均设置有虹膜机构，所述虹膜机构在虹膜驱动单元的控制下进行开合动作，实现对风力发电腔室的开启或关闭。
14.进一步地，虹膜机构呈圆环形结构，所述虹膜机构的内部空腔内环绕周向设有多个虹膜齿片，多个虹膜齿片在虹膜驱动单元的控制下进行转动，实现对虹膜机构的内部空腔的开启或关闭，且所述虹膜齿片为多个相互嵌套的齿片结构。
15.进一步地，虹膜驱动单元包括竖直分布的连接轴和设置在连接轴两端的虹膜齿轮，所述虹膜机构与虹膜齿轮相对应的位置设置有相啮合的外齿条，所述连接轴由虹膜舵机控制转动，并同步带动虹膜齿轮在外齿条上转动。
16.进一步地，虹膜驱动单元还包括内齿条，所述内齿条环绕设于虹膜机构的周向侧壁上，且所述虹膜齿片上设置有与所述内齿条相啮合的小齿轮。
17.进一步地，风轮通过增速箱与发电机相连。
18.3.有益效果
19.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
20.(1)本发明的一种海上风力发电设备，超声波风速风向仪随时捕捉海风的风向和风速信息，并将信号传送至控制模块，控制模块发送信号至聚风舵机，控制聚风上壳的转动，使得进风口对准海风风向，便于随时调整捕捉海风，以便进行高效率的风力发电，且由于海风的风向变化，不会直接冲击风轮，能够有效避免海上风向或风速变化对风轮以及其他发电部件的影响，提高发电效率和发电设备的使用寿命。
21.(2)本发明的一种海上风力发电设备，聚风腔室的横截面从上到下逐渐缩小，通过聚风腔室将海风加速导入至风力发电腔室内以供风力发电用，由于风力发电腔室的内径小于聚风腔室的底部出口内径，使得聚风腔室和风力发电腔室组合形成文丘里管效应，能够对海风进行一级加速处理，提高发电效率。
22.(3)本发明的一种海上风力发电设备，当遭遇狂风或者暴雨等恶劣情况时，控制模块可控制虹膜驱动单元驱动虹膜机构进行闭合动作，关闭进入风力发电腔室的通道，有效
避免恶劣天气对风力发电设备的损坏。
附图说明
23.图1为本发明的一种海上风力发电设备的发电流程图；
24.图2为本发明的一种海上风力发电设备的结构示意图；
25.图3为本发明的一种海上风力发电设备的剖视结构示意图；
26.图4为本发明中行星轮的结构示意图；
27.图5为本发明中导流板的结构示意图；
28.图6为本发明中聚风机构去掉聚风上壳后的结构示意图；
29.图7为本发明中风轮的结构示意图；
30.图8为本发明中虹膜机构的结构示意图；
31.图9为本发明中虹膜机构去掉上盖板后的结构示意图。
32.示意图中的标号说明：
33.1、聚风上壳；11、进风口；12、风速风向仪；13、转动连接单元；131、聚风舵机；132、行星轮；1321、行星轴；1322、连接轴承座；1323、行星齿轮；133、小滚轮；14、信号接发器；15、配重块；16、控制模块；17、导流板；171、导板一；172、导板二；173、调节铰链173；174、连接铰链；
34.2、聚风腔室；21、轨道；22、行星齿条；
35.3、风力发电腔室；31、风轮；311、叶轮；312、转轴；32、制动器；33、锥齿轮；34、卡架；341、卡环；342、连接件；
36.4、防风罩；
37.51、虹膜机构；511、外齿条；512、虹膜齿片；513、内齿条；514、小齿轮；52、虹膜舵机；53、连接轴；54、虹膜齿轮；
38.6、增速箱；61、增速轴；62、增速齿轮；63、发电齿轮；64、接收齿轮；
39.7、发电机；
40.8、变频器；
41.9、超级电容模组。
具体实施方式
42.为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
45.实施例
46.结合图1-图9，本实施例的一种海上风力发电设备，包括风速风向仪12、聚风机构和发电机构，所述聚风机构具有一进风口11，该进风口11用于捕捉海风，且进风口11可通过
所述风速风向仪12发出的信号进行方位调整，具体的，如图2所示，本实施例中所述聚风机构包括聚风上壳1和聚风腔室2，所述聚风上壳1的一侧壁设有进风口11，且所述聚风上壳1的底部转动设于聚风腔室2的上方，该聚风腔室2的横截面从上到下逐渐缩小，通过聚风腔室2将海风加速导入至风力发电腔室3内以供风力发电用，由于风力发电腔室3的内径小于聚风腔室2的底部出口内径，使得聚风腔室2和风力发电腔室3组合形成文丘里管效应，能够对海风进行一级加速处理，提高发电效率。
47.本实施例中发电机构具有与所述聚风机构出风口相连通的风力发电腔室3，所述风力发电腔室3内设置有风轮31，所述聚风机构捕捉收集的海风进入风力发电腔室3内，并驱动风轮31转动用于风力发电。由于聚风机构捕捉的海风进入风力发电腔室3内的流向均为向下，保持一致，无需调整风轮31的角度和方向，就能够保证风轮31始终保持正转，有效避免风轮31反转造成的发电机7损坏。同时风轮31设于风力发电腔室3内，避免与外界直接接触，减少雨水和暴风对风轮31的侵蚀和损坏。
48.更进一步地，如图2和图6所示，本实施例中聚风上壳1通过转动连接单元与聚风腔室2转动相连，其中转动连接单元包括相啮合的行星轮132和行星齿条22，所述行星轮132与聚风上壳1相连，该行星轮132由聚风舵机131控制转动，所述行星齿条22环绕周向设于聚风腔室2上，聚风舵机131驱动行星轮132环绕行星齿条22进行周向运动，进而带动聚风上壳1进行周向转动，实现对进风口11方位的调整。在一些实施例中，如图6所示，行星齿条22环绕周向设于聚风腔室2的顶部内侧，或者在另一些实施例中行星齿条22环绕周向设于聚风腔室2的外侧壁上。
49.本实施例中行星轮132包括与聚风舵机131相连的行星轴1321，所述行星轴1321的底部设有与所述行星齿条22相啮合的行星齿轮1323。其中行星轴1321上还设置有与聚风上壳1相连的连接轴承座1322，所述连接轴承座1322的数量可以是一个或者两个或者多个，且连接轴承座1322内设置有与行星轴1321相配合的转动轴承。更优选的，本实施例中为了使得聚风上壳1的受力和运转更加平稳性，在与聚风舵机131相连的行星轮132两侧对称设置有一对辅助行走的行星轮132，且两侧辅助行走的行星轮132均与聚风上壳1相连，且不受聚风舵机131驱动，当与聚风舵机131相连的行星轮132转动时，会同步带动两侧的辅助行走的行星轮132进行同步转动，保证运转的平稳性。
50.更进一步的，本实施例中转动连接单元还包括相配合的轨道21和小滚轮133，所述轨道21环绕周向设于聚风腔室2的顶部，所述小滚轮133设于聚风上壳1的内侧壁。如图6所示，本实施例中小滚轮133为多个，均匀间隔设于聚风上壳1的周向内侧壁上，具体的，本实施例中聚风舵机131驱动行星轮132转动，并带动聚风上壳1进行周向转动，进而带动小滚轮133在轨道21内进行滚动行走，进一步保证运行的平稳性以及结构的稳定性。
51.本实施例中超声波风速风向仪12设于聚风上壳1的顶部，且超声波风速风向仪12与控制模块16相连。超声波风速风向仪12随时捕捉海风的风向和风速信息，并将信号传送至控制模块16，控制模块16发送信号至聚风舵机131，控制聚风上壳1的转动，使得进风口11对准海风风向，便于随时调整捕捉海风，以便进行高效率的风力发电，且由于海风的风向变化，不会直接冲击风轮31，能够有效避免海上风向或风速变化对风轮31以及其他发电部件的影响，提高发电效率和发电设备的使用寿命。
52.本实施例中聚风上壳1的顶部还设有信号接发器14以及配重块15，配重块15的数
量为多个，设于聚风上壳1上与聚风舵机131相对的一侧，防止聚风上壳1的重心偏移，保证结构的稳定性。本实施例中聚风上壳1内部顶端与进风口11相对于的位置设置有导流板17，导流板17能够有效将海风顺利导入聚风腔室2内，防止气流混乱，同时导流板17由导流舵机控制进行角度变化。具体的，如图5所示，导流板17包括导板一171和导板二172，导板一171和导板二172之间转动连接，且导板一171或导板二172与导流舵机相连，控制导板一171或导板二172的运动。本实施例中导板一171和导板二172的上下两端通过调节铰链173相连，且导板一171和导板二172的中间还设置有连接铰链174。
53.更进一步的，本实施例中风力发电腔室3呈敞口的圆筒形结构，且所述风力发电腔室3上下两端均设置有虹膜机构51，所述虹膜机构51在虹膜驱动单元的控制下进行开合动作，实现对风力发电腔室3的开启或关闭。当遭遇狂风或者暴雨等恶劣情况时，控制模块16可控制虹膜驱动单元驱动虹膜机构51进行闭合动作，关闭进入风力发电腔室3的通道，有效避免恶劣天气对风力发电设备的损坏。本实施例中风力发电腔室3的底部还设有防风罩4。
54.本实施例中虹膜机构51开启状态下呈圆环形结构，如图8所示，虹膜机构51关闭状态下呈圆盘结构。本实施例中虹膜机构51的内部空腔内环绕周向设有多个虹膜齿片512，多个虹膜齿片512在虹膜驱动单元的控制下进行转动，实现对虹膜机构51的内部空腔的开启或关闭，且所述虹膜齿片512为多个相互嵌套的齿片结构，多个相互嵌套的齿片结构能够逐步嵌套于最内侧的齿片中，也可逐步展开，多个展开的虹膜齿片512能够实现对虹膜机构51内部空腔的关闭。本实施例中虹膜齿片512也可展开一部分，即能够调整虹膜机构51内部空腔进口的大小，进而能够对进入风力发电腔室3内的海风进行控制，避免风速过大造成叶轮310的损坏。
55.本实施例中虹膜驱动单元包括竖直分布的连接轴53和设置在连接轴53两端的虹膜齿轮54，所述风力发电腔室3上下两端的虹膜机构51与连接轴53两端的虹膜齿轮54相对应的位置均设置有相啮合的外齿条511，所述连接轴53由虹膜舵机52控制转动，并同步带动虹膜齿轮54在外齿条511上转动，实现风力发电腔室3上下两端虹膜机构51的开启或关闭，或者调节风力发电腔室3进出口的大小。
56.本实施例中虹膜驱动单元还包括内齿条513，所述内齿条513环绕设于虹膜机构51的周向侧壁上，且所述虹膜齿片512上设置有与所述内齿条513相啮合的小齿轮514，当所述虹膜舵机52驱动虹膜齿轮54在外齿条511上转动时，带动内齿条513以及小齿轮514进行转动，进而实现虹膜齿片512的展开或收缩。
57.更优选的，本实施例中风力发电腔室3内沿高度方向间隔设置有2个风轮31，所述风轮31包括转轴312以及设置在转轴312外周的多个叶轮311。所述风轮31均通过卡架34固定于风力发电腔室3的内侧壁上，且所述卡架34包括卡环341，卡环341的中心设有供安装环343，所述卡环341和安装环343之间环绕周向均匀间隔设置有多个连接件342。所述风轮31的转轴312上还套设有制动器32，能够在紧急情况下断开风轮31和发电机7之间的联系，避免造成发电机7损坏。本实施例中风轮31的底部还设有锥齿轮33。
58.本实施例中风轮31通过增速箱6与发电机7相连，增速箱6的增速轴61的一端上套设有与锥齿轮33相啮合的接收齿轮64，增速轴61的另一端套设有增速齿轮62，所述增速齿轮62与发电机7的转轴上套设的发电齿轮63相啮合，通过大传动比的增速箱6的设置，能够进一步提升发电效率。发电机7的输出端通过变频器8与超级电容模组9，即最终风力发电产
生的电能通过超级电容模组9进行存储，并通过远程输电线路和逆变器输入国家电网内，供各地使用。
59.本实施例的海上风力发电设备具体使用时，风速风向仪12监测海风风向和风速，发送海风风向和风速信号至信号接发器14后，信号接发器14发送信号至控制模块16，其中控制模块16可通过陆上风电站进行远程操控和设定，控制模块16控制聚风舵机131转动，进而带动聚风上壳1进行转动，调整进风口11的方位，同时还能够控制导流舵机驱动导流板17进行角度调整，以期达到最大捕风效率，虹膜机构51正常情况下处于常开状态，当遭遇大风或暴雨等恶劣天气时，控制模块16控制虹膜舵机52驱动虹膜机构51关闭或者开口减小。当遭遇突发状况时，通过控制模块16控制制动器32启动，使风轮31与发电机7相脱离，避免对发电机7造成损坏。
60.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种海上风力发电设备，其特征在于，包括风速风向仪(12)、聚风机构和发电机构：聚风机构，所述聚风机构具有一进风口(11)，该进风口(11)用于捕捉海风，且进风口(11)可通过所述风速风向仪(12)发出的信号进行方位调整；发电机构，所述发电机构具有与所述聚风机构出风口相连通的风力发电腔室(3)，所述风力发电腔室(3)内设置有风轮(31)，所述聚风机构捕捉收集的海风进入风力发电腔室(3)内，并驱动风轮(31)转动用于风力发电。2.根据权利要求1所述的一种海上风力发电设备，其特征在于，所述聚风机构包括聚风上壳(1)和聚风腔室(2)，所述聚风上壳(1)的一侧壁设有进风口(11)，且所述聚风上壳(1)的底部转动设于聚风腔室(2)的上方，该聚风腔室(2)的横截面从上到下逐渐缩小。3.根据权利要求2所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述聚风上壳(1)通过转动连接单元与聚风腔室(2)转动相连，其中转动连接单元包括相啮合的行星轮(132)和行星齿条(22)，所述行星轮(132)与聚风上壳(1)相连，该行星轮(132)由聚风舵机(131)控制转动，所述行星齿条(22)环绕周向设于聚风腔室(2)上。4.根据权利要求3所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述行星轮(132)包括与聚风舵机(131)相连的行星轴(1321)，所述行星轴(1321)的底部设有与所述行星齿条(22)相啮合的行星齿轮(1323)。5.根据权利要求1所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述转动连接单元还包括相配合的轨道(21)和小滚轮(133)，所述轨道(21)环绕周向设于聚风腔室(2)的顶部，所述小滚轮(133)设于聚风上壳(1)的内侧壁。6.根据权利要求1所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述风力发电腔室(3)呈敞口的圆筒形结构，且所述风力发电腔室(3)上下两端均设置有虹膜机构(51)，所述虹膜机构(51)在虹膜驱动单元的控制下进行开合动作，实现对风力发电腔室(3)的开启或关闭。7.根据权利要求6所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述虹膜机构(51)呈圆环形结构，所述虹膜机构(51)的内部空腔内环绕周向设有多个虹膜齿片(512)，多个虹膜齿片(512)在虹膜驱动单元的控制下进行转动，实现对虹膜机构(51)的内部空腔的开启或关闭，且所述虹膜齿片(512)为多个相互嵌套的齿片结构。8.根据权利要求7所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述虹膜驱动单元包括竖直分布的连接轴(53)和设置在连接轴(53)两端的虹膜齿轮(54)，所述虹膜机构(51)与虹膜齿轮(54)相对应的位置设置有相啮合的外齿条(511)，所述连接轴(53)由虹膜舵机(52)控制转动，并同步带动虹膜齿轮(54)在外齿条(511)上转动。9.根据权利要求8所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述虹膜驱动单元还包括内齿条(513)，所述内齿条(513)环绕设于虹膜机构(51)的周向侧壁上，且所述虹膜齿片(512)上设置有与所述内齿条(513)相啮合的小齿轮(514)。10.根据权利要求1-9任一一项所述的一种海上风力发电设备，其特征在于：所述风轮(31)通过增速箱(6)与发电机(7)相连。

技术总结
本发明公开了一种海上风力发电设备，属于风力发电领域。本发明包括风速风向仪、聚风机构和发电机构：聚风机构，所述聚风机构具有一进风口，该进风口用于捕捉海风，且进风口可通过所述风速风向仪发出的信号进行方位调整；发电机构，所述发电机构具有与所述聚风机构出风口相连通的风力发电腔室，所述风力发电腔室内设置有风轮，所述聚风机构捕捉收集的海风进入风力发电腔室内，并驱动风轮转动用于风力发电。本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种海上风力发电设备，能够有效避免海上风向或风速变化对发电装置的影响，提高发电效率和发电设备的使用寿命。电设备的使用寿命。电设备的使用寿命。


技术研发人员：石方志 吴金龙 于永麟 张晨阳 张子豪 付浩达 陈旭杰 王鼎 向明丽 周宇航 周峰 郭云川 耿喜珠 袁野
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/6/13