CN109441727B - 海上波能-风能集成***及集成发电方法 - Google Patents
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Abstract
海上波能‑风能集成***及集成发电方法，属于海洋可再生能源利用领域，为解决现有风能和波浪能存在的技术问题，包括浮式平台***、风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***及锚泊***，所述的风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***安装在浮式平台***，且所述的浮式平台***连接锚泊***以将其与海底连接，效果是整体发电量得到有效的提升，海洋能源利用率大大提高，收益显著增加，推动了商业化的进程。
Description
技术领域
本发明属于海洋可再生能源利用领域，尤其涉及一种波浪能-风能联合发电***及方法。
背景技术
近年来，随着世界能源问题与环境问题的日益突出，传统能源和新型能源的议题正被广大学者及工程人员所研究和讨论。为解决传统能源污染环境较严重及其利用率不足等问题，各国正大力倡导开发新能源，发展低碳电力。其中海上风电因其无污染、不占用耕地，储量丰富等优势越发收到关注。
海上风电主要分为固定式风电和浮式风电，随着水深的增加，传统的固定式基础成本过高，无法应用于深海风电的开发。浮式风电由于在深海中独特的优势开始受到各国的青睐。风力发电机主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，目前采用的大多为水平轴风力发电机。随着风电技术的不断开发，垂直轴风力发电机也越发受到关注。垂直轴风力发电机主要有以下优势：垂直轴风力机的整体质量较轻，可以减少对于海洋平台的负载，垂直轴风力机对于风向的敏感度要求不高，没有偏航***可以进一步的减少垂直轴风机的质量。特别在深海浮式风机领域中，由于垂直轴风力风电机重心较低，垂直轴风力发电机与浮式基础的结合能有效的降低平台本身的运动，使风机更加平稳的发电。有研究学者提出基于垂直轴风力机的海上浮式风机***，但所有的方案共同的特点均为单转子设计，风机在风力的作用下，单向运转易产生过大的弯矩，对锚泊***提出了较大的挑战。在风能资源丰富的区域波浪能资源的储量往往也十分可观，而且波浪能发电装置简单，机械装置不易受海水腐蚀，可适应性较强。然而，波浪能发电装置因其建造费用高，能量转化率低等因素，一定程度限制了其商业化和规模化。
发明内容
为解决现有风能和波浪能存在的技术问题，本发明以浮式平台为基础，结合垂直轴风力发电机与振荡浮子式波浪能捕获装置，提出一种新型风能-波浪能联合发电装置。是一种对系泊***要求不高，平台稳定性能和安全性能良好的海上双转子垂直轴风力发电机和振荡浮子式波浪能发电装置的集成发电***。风力发电机与振荡浮子式波浪能发电装置布置在浮式平台上，两者共享支撑结构以及电力输送***，海洋能利用率大大提高，并且发电成本也大大降低，实现了资源的有效利用，为海上浮式风电的大规模化应用提供了可能。
为了解决上述问题，本发明提出如下技术方案：
一种海上波能-风能集成***，包括浮式平台***、风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***及锚泊***，所述的风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***安装在浮式平台***，且所述的浮式平台***连接锚泊***以将其与海底连接。
进一步的，所述风力发电***包括垂直轴叶片、主轴、发电***以及电力传输***，垂直轴叶片安装在主轴，主轴连接发电机、发电机连接电力传输***，风力发电***包括两台，两台风力发电***安装在上风向同一方向的两个顶角的位置，且两台风力发电机***的风轮结构是关于浮式平台的迎浪方向对称，两个顶角的两台风力发电机***的叶片安装角α数值相等且方向相反。
进一步的，所述的浮式平台***包括浮式平台、钢撑以及垂荡板，浮式平台中间为镂空状，浮式平台其下方连接钢撑，钢撑与垂荡板连接。
进一步的，振荡浮子式波浪能发电***包括球式振荡浮子、齿轮传动***、缆绳、发电***以及输电***，球式振荡浮子位于浮式平台的中心镂空处，且其与缆绳连接，缆绳与齿轮传动***连接，且缆绳通过齿轮传动***连接在发电***，并以其随动球式振荡浮子而带动发电***机械运动产生电能，发电***连接输电***。
进一步的，所述的锚泊***主要由锚链组成，面对迎浪方向的浮式平台的侧面，其两边布置两根锚链，面对下风向的浮式平台的侧面，其中间布置三根锚链。
本发明还涉及一种海上风机波能-风能集成发电方法，来流风作用在叶片上时，风力发电机***的叶片带动垂直轴转动，并由其带动垂直轴连接的主轴转动，将风能转化为机械能，并带动发电机转动，进而将机械能转化为电能；振荡浮子式波浪能发电***中球式振荡浮子在波浪的作用下产生运动，通过齿轮传动***以及缆绳，将球式振荡浮子的运动转化为发电机处缆绳的水平运动，将波浪能转化为机械能，进而通过发电机，将机械能转化为电能，风力发电机***与振荡浮子式波浪能发电装置产生的电能汇集后通过输电***传送至电网。
本发明的有益效果：
1).相比于水平轴风力发电机，垂直轴风力机的整体质量较轻，可以减少对于海洋平台的负载，垂直轴风力机对于风向的敏感度要求不高，没有偏航***可以进一步的减少垂直轴风机的质量。特别在深海浮式风机领域中，由于垂直轴风力风电机重心较低，垂直轴风力发电机与浮式基础的结合能有效的降低平台本身的运动，使风机更加平稳的发电。
2).在来流风的作用下，结构对称的垂直轴风力发电机反向运转，产生一组反向弯矩，因其方向相反，可以互相抵消。相比于单转子垂直轴风力发电机，该发明能够有效的降低浮式基础的艏摇弯矩，进而减小锚泊***荷载，降低***造价并提高***安全性能。
3).浮式平台采用中心镂空形式，能有效的降低平台总重量，进而降低成本。并且由于中心镂空的结构形式，水线面面积较小，平台的抗风抗浪能力较强，平台的纵荡和纵摇运动较小。
4).浮式平台下方布置垂荡板结构，能够增加垂荡阻尼，有效的减小平台的垂荡、横纵摇运动。并且垂荡板的布置能有效的降低***的总重心，进一步降低浮式平台的运动。
5).在浮式平台的中心镂空处布置振荡浮子式波浪能发电装置，两者共享浮式平台，变压，输电***以及锚泊***，***的整体发电量得到有效的提升，海洋能源利用率大大提高，收益显著增加，推动了商业化的进程。
6).该波浪能发电装置能将球式振荡浮子任意方向的运动转化为缆绳的水平运动(即控制齿轮传动***的安装方向，其连接浮子的一端，与其连接发电机的一端均是横向连接，并在两端间形成了竖向距离)，进而带动发电机发电，波浪能捕获效率较高。并且该波浪能发电装置结构简单，成本较低。
7).风和浪大部分时候是同强或同弱，对于单独的波浪能和风能的取得方式，风浪过大，容易导致能量转换装置抗风浪能力差，平台非常不稳定，风量大，对波浪能量收集具有破坏性，波浪大，对风能收集也就具有破坏性，是因为不为收集的那种能量极大影响了平台稳定性，并产生了能量流失，在这种情况下，对于风能收集时候，如果对波浪能同时收集，就可以降低对波浪能由于未被收集而更大的对平台稳定性的影响，在这种情况下，不仅使得能量可以由同一平台同时收集、转换并传输，对能量和设施充分与合理使用，另一方面，能够降低单独收集且风浪很大时，不收集的能量对平台稳定性影响。
附图说明
图1是本发明的海上波能-风能集成***的结构示意图。
图中：1垂直轴叶片；2主轴；3支撑结构；4浮式平台；5钢撑；6垂荡板；7锚泊***；8球式振荡浮子；9发电机；10齿轮传动***；11缆绳。
具体实施方式
为了进一步加深对本发明的理解，下面结合说明书附图进一步阐释：
图1示出了本发明所述的海上波能-风能集成***，其用于实现深海资源的有效开发，将基于垂直轴风力发电机的新型浮式风机***与波浪能发电装置实现有效的结合，共享支撑平台以及输电***，提高空间利用率，不仅能有效的降低成本，而且能提高发电效率，加快海上浮式风电商业化发展的进程。
其具体方案是：
一种基于浮式平台的垂直轴风力发电机-振荡浮子式波浪能捕获装置集成***，该集成***主要由四部分组成：风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***、浮式平台以及锚泊***：
风力发电***主要包括两台垂直轴风力发电机，其中，垂直轴风力发电机主要由叶片1、主轴2、发电机***以及电力传输***所组成。叶片1安装在垂直轴风力发电机主轴2上。垂直轴风力发电机通过支撑结构3实现与浮式平台的刚性连接。为了解决风机在单向运转时会产生过大弯矩的问题。在浮式平台上布置两台垂直轴风力发电机，两台垂直轴风力发电***安装在上风向同一方向的两个顶角的位置，且两台垂直轴风力发电机***的风轮结构是关于浮式平台的迎浪方向对称；其中左角的垂直轴风力发电机***的叶片安装角α与右角的垂直轴风力发电机***的叶片安装角α数值相等方向相反。
所述的浮式平台***主要包括浮式平台4、钢撑5以及垂荡板6所组成。浮式平台4中间为镂空状，能够有效的降低平台总重量，减小成本；并且，浮式平台4的水线面面积较小，在波浪载荷作用时，平台的纵荡以及纵摇运动较小。垂荡板6通过钢撑5实现与平台的连接，垂荡板6不光起增加垂荡阻尼的作用，同时也能降低平台的重心，有效的减小平台本身的运动。
所述的振荡浮子波浪能发电***主要包括：球式振荡浮子8、发电***9、齿轮传动***10、缆绳11以及输电***(即与上述电力传输***为同一***，是二者共用***)。球式振荡浮子8位于浮式平台4的中心镂空处。球式振荡浮子8在波浪的作用下产生运动，通过齿轮传动***10以及缆绳11带动发电机产生运动，进而产生电能。
所述的锚泊***主要由锚链8组成，在迎浪方向，即平台布置垂直轴风力发电机一侧两边分别布置两根锚链，在下风向中间布置三根锚链，通过锚链8实现***与海底的连接，维持浮式平台的稳定。
本发明的主要工作原理如下：
来流风作用在叶片1上时，垂直轴风力发电机开始转动，随后带动主轴2开始转动，将风能转化为机械能，随后带动发电机转动，进而将机械能转化为电能。振荡浮子式波浪能发电***中球式振荡浮子8在波浪的作用下产生运动，通过齿轮传动***10以及缆绳11，将球式振荡浮子8的运动转化为发电机9处缆绳的水平运动，将波浪能转化为机械能，进而通过发电机9，将机械能转化为电能。垂直轴风力发电机与振荡浮子式波浪能发电装置产生的电能汇集后通过输电***传送至电网，用以满足用户的用电需求。
垂直轴风力发电机通过支撑结构3实现与浮式平台4的固接。浮式平台内置压舱水，通过调节压舱水使浮式平台达到指定吃水。振荡浮子式波浪能发电装置的球式振荡浮子8位于浮式平台4的中心镂空处。球式振荡浮子8位于浮式平台4的中心镂空处。球式振荡浮子8在波浪的作用下产生运动，通过齿轮传动***10以及缆绳11带动发电机产生运动，进而产生电能。垂直轴风力机在来流风的作用下绕中心轴做旋转运动，可以接受来自不同方向的来流风，无需偏航装置即可获得最大的风能捕获效率。来流风进而转化为机械能，随后带动带动发电机发电，将机械能转化为电能。垂荡板6通过钢撑5实现与浮式平台4的连接，垂荡板能有效增加垂荡阻尼，进而减小平台的垂荡以及横纵摇运动。浮式风机***通过锚泊***7实现与海床的连接，从而维持平台的稳定。
一种新型海上波能-风能集成***的施工安装流程如下：
首先海上浮式平台包括垂直轴风力发电机以及振荡浮子式波浪能发电装置在陆上组装完成后，采用专业的风机安装船将浮式平台湿拖至指定海域，通过调节浮式平台内的压舱水使平台达到额定吃水。随后将锚泊***安装，实现平台与海床的连接。随后，将垂荡板采用人工安装的方法放置于平台底部，随后调整压舱水，使***达到额定吃水深度。新型海上风机波能-风能集成的安装完成。
本发明采用的海上波能-风能集成***稳定性能良好，结构简单，成本较低。两者共享支撑平台以及电力输送***，能有效地减低风力发电成本，并提高收益。采用双转子垂直轴风机后，结构对称的垂直轴风力发电机在来流风的作用下反向运转，产生一组反向弯矩，因其方向相反，可以互相抵消。相比于单转子垂直轴风力发电机，该发明能够有效的降低浮式基础的艏摇弯矩，进而减小锚泊***荷载，降低***造价并提高***安全性能。该发明结构简单，可行性高，符合国家能源发展战略要求，能有效的推动海上浮式风电的商业化发展。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种海上波能-风能集成***，其特征在于，包括浮式平台***、风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***及锚泊***（7），所述的风力发电***、振荡浮子式波浪能发电***安装在浮式平台***，且所述的浮式平台***连接锚泊***（7）以将其与海底连接；振荡浮子式波浪能发电***包括球式振荡浮子（8）、齿轮传动***（10）、缆绳（11）、发电***以及输电***，球式振荡浮子（8）位于浮式平台（4）的中心镂空处，且其与缆绳（11）连接，缆绳（11）与齿轮传动***（10）连接，且缆绳（11）通过齿轮传动***（10）连接在发电***，控制齿轮传动***的安装方向，其连接球式振荡浮子（8）的一端，与其连接发电机***的一端均是横向连接，将球式振荡浮子任意方向的运动转化为缆绳的水平运动，并以缆绳（11）随动球式振荡浮子（8）而带动发电***机械运动产生电能，发电***连接输电***。
2.如权利要求1所述的海上波能-风能集成***，其特征在于，所述风力发电***包括垂直轴叶片（1）、主轴（2）、发电***以及电力传输***，垂直轴叶片（1）安装在主轴（2），主轴（2）连接发电机（9）、发电机（9）连接电力传输***，风力发电***包括两台，两台风力发电***安装在上风向同一方向的两个顶角的位置，且两台风力发电机***的风轮结构是关于浮式平台（4）的迎浪方向对称，两个顶角的两台风力发电机***的叶片安装角α数值相等且方向相反。
3.如权利要求1所述的海上波能-风能集成***，其特征在于，所述的浮式平台***包括浮式平台（4）、钢撑（5）以及垂荡板（6），浮式平台（4）中间为镂空状，浮式平台（4）其下方连接钢撑（5），钢撑（5）与垂荡板（6）连接。
4.如权利要求1所述的海上波能-风能集成***，其特征在于，所述的锚泊***（7）主要由锚链组成，面对迎浪方向的浮式平台（4）的侧面，其两侧布置两根锚链，面对下风向的浮式平台（4）的侧面，其中间布置三根锚链。
5.一种海上波能-风能集成发电方法，其特征在于，由权利要求1所述的海上波能-风能集成***实施，步骤是：
来流风作用在叶片上时，风力发电机***的叶片带动垂直轴转动，并由其带动垂直轴连接的主轴（2）转动，将风能转化为机械能，并带动发电机（9）转动，进而将机械能转化为电能；振荡浮子式波浪能发电***中球式振荡浮子（8）在波浪的作用下产生运动，通过齿轮传动***（10）以及缆绳（11），将球式振荡浮子（8）的运动转化为发电机（9）处缆绳（11）的水平运动，将波浪能转化为机械能，进而通过发电机（9），将机械能转化为电能，风力发电机***与振荡浮子式波浪能发电装置产生的电能汇集后通过输电***传送至电网。
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