CN114033618B - 一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深远海浮式风‑浪‑流联合发电装置，包括能浮于海面的半潜式基础，半潜式基础上部安装有风力发电机，半潜式基础的镂空处安装有至少一个振荡浮子式波浪能发电装置，振荡浮子式波浪能发电装置能利用半潜式基础上下浮动产生电能，半潜式基础在振荡浮子式波浪能发电装置外侧安装有若干个摆臂浮子式波浪能发电装置，摆臂浮子式波浪能发电装置能在波浪的作用下摆动，并利用该摆动产生电能，半潜式基础的底部安装有若干个垂直轴式海流发电装置，垂直轴式海流发电装置利用不同流向的海流产生电能。本发明将风能资源、波浪资源、海流资源在空间上进行了融合，实现了海洋能源的空间立体化开发利用，有效提高了海域面积使用效率。

Description

一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置
技术领域
本发明涉及海洋能利用技术领域，尤其涉及一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置。
背景技术
风能、波浪能、海流能是具有规模化发展前景的三种海洋能源。近年来，近海风能资源开发日趋饱和，在沿海可供海上风能、波浪能和海流能开发的海域慢慢减少。与近海水域相比，深远海水域的风能资源更为丰富、稳定，依托浮式风机技术的深海风能资源开发已成为全球海洋可再生能源的发展趋势。同时，风能资源丰富的海域也具有较为丰富的波浪能与海流能资源，而波浪能和海流能发电技术尚处于研发示范阶段，依托较为成熟的海上风机技术的风能-波浪能-海流能集成开发技术吸引了国内外学者的广泛兴趣。
现有技术中，海上风机的基础形式分为固定式和浮式。固定式基础包括：单桩式、多桩式、重力式、高桩承台式、导管架式等。浮式基础包括单柱式、张力腿式、半潜式、驳船式等。随着海上风电技术的成熟，海上风电场逐渐由近海走向深海，其基础形式也随着水深的改变由固定式基础向浮式基础转变。其中，半潜式浮式平台具有稳定性好、适用水深范围广和建造运输方便等优点，成为未来海上浮式风电场的主流基础形式。
目前，海上风机的使用成本依然较高，海域面积使用效率仍比较低，亟需提高海上风机的使用功效，以使该技术可以更为广泛的推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，包括能浮于海面的半潜式基础，其中：半潜式基础镂空设置，半潜式基础上部安装有风力发电机，半潜式基础的镂空处安装有至少一个振荡浮子式波浪能发电装置，振荡浮子式波浪能发电装置能利用半潜式基础上下浮动产生电能，半潜式基础在振荡浮子式波浪能发电装置外侧安装有若干个摆臂浮子式波浪能发电装置，摆臂浮子式波浪能发电装置能在波浪的作用下摆动，并利用该摆动产生电能，半潜式基础的底部安装有若干个垂直轴式海流发电装置，垂直轴式海流发电装置利用不同流向的海流产生电能。
本发明的进一步的优化方案为：
上述的半潜式基础上还设置有用于定位半潜式基础的柔性系泊***、用于对产生的电能进行升压的海上升压站和用于将升压后电能送出的送出电缆，风力发电机、振荡浮子式波浪能发电装置以及摆臂浮子式波浪能发电装置共用一套柔性系泊***、海上升压站和送出电缆。
上述的半潜式基础由底层水平三角架、上层水平三角架以及用于连接底层水平三角架、上层水平三角架的竖向支架构成，半潜式基础的镂空即为底层水平三角架、上层水平三角架和竖向支架之间的空隙。
上述的风力发电机为大兆瓦水平轴风力发电机，大兆瓦水平轴风力发电机包括塔筒、电力转换机舱、轮毂以及叶片，叶片通过轮毂与电力转换机舱连接，电力转换机舱固定在塔筒上部，塔筒底部与半潜式基础固定连接，电力转换机舱用于将叶片转动产生的机械能转换为电能，电力转换机舱与海上升压站连接。
上述的振荡浮子式波浪能发电装置包括振荡浮子外壳、下密封板、上活塞板、支撑柱以及涡轮发电机，振荡浮子外壳的底部设置有浮腔，下密封板与振荡浮子外壳固定连接，下密封板盖合在浮腔上使浮腔密封，上活塞板与支撑柱固定连接，上活塞板位于振荡浮子外壳内，与下密封板之间合围出空气舱，支撑柱内部中空，涡轮发电机安装在支撑柱内，支撑柱上端与上层水平三角架固定连接，支撑柱部分位于空气舱中，并通过开孔与空气舱连通，振荡浮子外壳部分位于海水中，当半潜式基础随海浪上下浮动时，浮腔通过浮力推动振荡浮子外壳上下移动，从而使振荡浮子外壳带动下密封板与上活塞板产生相对位移，从而使空气舱压缩或吸入的空气，空气舱与支撑柱内腔产生空气对流，从而推动涡轮发电机发电，涡轮发电机与海上升压站连接。
上述的支撑柱下端穿过下密封板与底层水平三角架固定连接，支撑柱在上活塞板与下密封板之间安装有限位垫，限位垫用于防止下密封板过度上移与上活塞板碰撞。
上述的上活塞板与下密封板均为钢板，限位垫为橡胶块。
上述的摆臂浮子式波浪能发电装置包括摆臂浮子、摆臂、外环体、内环体、驱动棘爪、传动轴、棘轮、制动棘爪、片簧以及发电机，外环体、内环体和棘轮由外至内依次以传动轴为轴心安装，摆臂浮子通过摆臂与外环体的外侧面固定连接，摆臂浮子漂浮于海面上，随波浪摆动时，摆臂浮子能带动外环体绕传动轴转动，内环体上设置有周向设置的行程槽，外环体内侧面与驱动棘爪固定连接，驱动棘爪穿过行程槽与棘轮的棘齿咬合，制动棘爪固定在内环体上，制动棘爪也与棘轮的棘齿咬合，片簧压在制动棘爪上，使制动棘爪始终保持与棘轮的抵触状态，棘轮的轮心与传动轴固定连接，发电机与传动轴的一端固定连接，外环体在正转反转的过程中，带动驱动棘爪推动棘轮转动，制动棘爪则一直保持棘轮无法反转，棘轮带动传动轴转动，从而使发电机发电，发电机与海上升压站连接。
上述的垂直轴式海流发电装置包括竖直杆、垂直轴叶片以及动力输出结构，竖直杆上端与动力输出结构连接，动力输出结构安装在半潜式基础上，竖直杆在竖直方向上每隔一段距离安装一组垂直轴叶片，垂直轴叶片在海流的作用下带动竖直杆转动，动力输出结构将竖直杆转动的机械力转化为电力，动力输出结构与海上升压站连接。
上述的竖直杆底端安装有用于减缓竖直杆垂荡的垂荡抑制板。
本发明具有以下优点：
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明整合了大兆瓦水平轴风力发电机、振荡浮子式和摆臂浮子式波浪能发电设备、垂直轴式海流能发电设备，即将风能资源、波浪资源、海流资源在空间上进行了融合，实现了海洋能源的空间立体化开发利用，有效提高了海域面积使用效率。
2、本发明的振荡浮子式与摆臂浮子式发电装置有效利用了半潜式平台外部和内部中空区域波浪能，其中半潜式平台的聚波效应（半潜式平台的中空区域的波浪能流密度比***海域的波浪能流密度大）有利于提高振荡浮子式波浪能发电设备的发电效率。两种波浪能发电装置可以提高浮式平台的附加质量和粘性阻尼，有利于减少平台的运动幅值，提高稳性，具有良好的运动性能，使水平轴风力机的发电功率更加稳定，提高了风力机叶片的安全性。同时振荡浮子式和摆臂浮子式波浪能发电装置与风力机的结合也增加了平台的纵摇、横摇等方向的运动，促进浮子与平台产生相对运动，从而提高波浪能发电效率。
3、本发明的串联型垂直轴式海流能发电装置置于半潜式平台浮筒之下，并由多个垂直轴海流发电装置串联而成，可以利用不同流向的海流进行发电，并且考虑到了海洋的不同水深处流速的差异，采用了分段差速发电。
4、本发明将大兆瓦水平轴风力发电机和振荡浮子式波浪能发电设备、摆臂浮子式波浪能发电设备、串联型垂直轴式海流能发电设备共用同一半潜式平台作为支撑结构，提升了支撑结构的利用效率，同时多种发电设备共用一套柔性系泊***、海上升压站和送出电缆，节省了为设备单独配备这些模块的设备成本，提升了整体收益。
5、本发明将振荡浮子式、摆臂浮子式波浪能发电装置和串联式垂直轴海流能发电装置与水平轴风力机相结合，可以实现在一定海况下不间歇发电，在正常工况下风浪流联合发电，极端工况下风力机进行顺桨停机，波浪能和海流能装置进行不间歇发电。
附图说明
图1为一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置立体图。
图2为振荡浮子式波浪能发电设备结构示意图。
图3为摆臂浮子式波浪能发电设备结构示意图。
图4为摆臂浮子式波浪能发电设备发电原理示意图。
图5为串联型垂直轴式波浪能发电设备结构示意图。
图中标记名称：半潜式基础1、底层水平三角架11、上层水平三角架12、竖向支架13、风力发电机2、塔筒21、电力转换机舱22、叶片23、振荡浮子式波浪能发电装置3、浮腔3a、空气舱3b、振荡浮子外壳31、下密封板32、上活塞板33、支撑柱34、开孔34a、涡轮发电机35、限位垫36、摆臂浮子式波浪能发电装置4、摆臂浮子41、摆臂42、外环体43、内环体44、行程槽44a、驱动棘爪45、传动轴46、棘轮47、制动棘爪48、片簧49、发电机40、垂直轴式海流发电装置5、竖直杆51、垂直轴叶片52、垂荡抑制板53。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1至图5所示，本实施例所提供的海上多能集成装置，包括大兆瓦水平轴风力发电机、半潜式基础1、振荡浮子式波浪能发电装置3、摆臂浮子式波浪能发电装置4、串联型垂直轴式海流发电装置5、系泊***等。
半潜式浮式平台为三角形结构，其主要材质为高强度钢和混凝土，其中振荡浮子式波浪能发电装置3在半潜式基础1的底层水平三角架11、上层水平三角架12之间，并穿过一根竖向支撑柱34，每边各布置两个振荡浮子，总计六个。在振荡浮子内部，圆环状上活塞板33与竖向支撑柱34焊接，圆环状下密封板32与振荡浮子内壁焊接上活塞板33、下密封板32与振荡浮子内壁构成了空气舱3b，竖向支撑柱34在空气舱3b部分有若干个透气孔，涡轮发电机35位于空气舱3b上部的竖向支撑柱34内，当振荡浮子运动时，空气舱3b内的空气会受到挤出与吸入，气流会通过竖向支撑柱34上的透气孔进入支撑柱内部，从而带动涡轮发电机35叶轮旋转并进行发电，产生的电能进行升压处理后，通过海底中电缆送出到海上生压站，并有圆环形橡胶护垫固定于空气舱3b部分内的支撑柱上，防止振荡浮子运动幅度过大导致上活塞板33与下密封板32发生碰撞。
摆臂浮子式波浪能发电装置4包括摆臂浮子41、摆臂42、外环体43、内环体44、驱动棘爪45、传动轴46、棘轮47、制动棘爪48、片簧49以及发电机40，外环体43、内环体44和棘轮47由外至内依次以传动轴46为轴心安装，摆臂浮子41通过摆臂42与外环体43的外侧面固定连接，摆臂浮子41漂浮于海面上，随波浪摆动时，摆臂浮子41能带动外环体43绕传动轴46转动，内环体44上设置有周向设置的行程槽44a，外环体43内侧面与驱动棘爪45固定连接，驱动棘爪45穿过行程槽44a与棘轮47的棘齿咬合，制动棘爪48固定在内环体44上，制动棘爪48也与棘轮47的棘齿咬合，片簧49压在制动棘爪48上，使制动棘爪48始终保持与棘轮47的抵触状态，棘轮47的轮心与传动轴46固定连接，发电机40与传动轴46的一端固定连接，外环体43在正转反转的过程中，带动驱动棘爪45推动棘轮47转动，制动棘爪48则一直保持棘轮47无法反转，棘轮47带动传动轴46转动，从而使发电机40发电，发电机40与海上升压站连接。
垂直轴式海流发电装置5包括竖直杆51、垂直轴叶片52以及动力输出结构，竖直杆51上端与动力输出结构连接，动力输出结构安装在半潜式基础1上，竖直杆51在竖直方向上每隔一段距离安装一组垂直轴叶片52，垂直轴叶片52在海流的作用下带动竖直杆51转动，动力输出结构将竖直杆51转动的机械力转化为电力，动力输出结构与海上升压站连接。
大兆瓦水平轴风力发电机包括塔筒21、电力转换机舱22、轮毂、叶片23等主要部件及其它附属部件(图中未画出)。在正常工作状态下，叶轮在风力作用下转动，带动主轴旋转，将风能转化为机械能，主轴带动齿轮箱旋转，传递机械能，齿轮箱带动发电机转子运动，切割磁感线发电，实现机械能到电能的转换。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，包括能浮于海面的半潜式基础(1)，其特征是：所述的半潜式基础(1)镂空设置，所述的半潜式基础(1)上部安装有风力发电机(2)，所述的半潜式基础(1)的镂空处安装有至少一个振荡浮子式波浪能发电装置(3)，所述的振荡浮子式波浪能发电装置(3)能利用半潜式基础(1)上下浮动产生电能，半潜式基础(1)在振荡浮子式波浪能发电装置(3)外侧安装有若干个摆臂浮子式波浪能发电装置(4)，所述的摆臂浮子式波浪能发电装置(4)能在波浪的作用下摆动，并利用该摆动产生电能，所述的半潜式基础(1)的底部安装有若干个垂直轴式海流发电装置(5)，所述的垂直轴式海流发电装置(5)利用不同流向的海流产生电能，所述的振荡浮子式波浪能发电装置(3)包括振荡浮子外壳(31)、下密封板(32)、上活塞板(33)、支撑柱(34)以及涡轮发电机(35)，所述的振荡浮子外壳(31)的底部设置有浮腔(3a)，所述的下密封板(32)与振荡浮子外壳固定连接，下密封板(32)盖合在浮腔(3a)上使浮腔(3a)密封，所述的上活塞板(33)与支撑柱(34)固定连接，上活塞板(33)位于振荡浮子外壳(31)内，与下密封板(32)之间合围出空气舱(3b)，所述的支撑柱(34)内部中空，涡轮发电机(35)安装在支撑柱(34)内，所述的支撑柱(34)上端与上层水平三角架(12)固定连接，支撑柱(34)部分位于空气舱(3b)中，并通过开孔与空气舱(3b)连通，振荡浮子外壳(31)部分位于海水中，当半潜式基础(1)随海浪上下浮动时，浮腔(3a)通过浮力推动振荡浮子外壳(31)上下移动，从而使振荡浮子外壳(31)带动下密封板(32)与上活塞板(33)产生相对位移，从而使空气舱(3b)压缩或吸入的空气，空气舱(3b)与支撑柱(34)内腔产生空气对流，从而推动涡轮发电机(35)发电，所述的涡轮发电机(35)与海上升压站连接。
2.根据权利要求1所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：半潜式基础(1)上还设置有用于定位半潜式基础(1)的柔性系泊***、用于对产生的电能进行升压的海上升压站和用于将升压后电能送出的送出电缆，所述的风力发电机(2)、振荡浮子式波浪能发电装置(3)以及摆臂浮子式波浪能发电装置(4)共用一套柔性系泊***、海上升压站和送出电缆。
3.根据权利要求2所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的半潜式基础(1)由底层水平三角架(11)、上层水平三角架(12)以及用于连接底层水平三角架(11)、上层水平三角架(12)的竖向支架(13)构成，所述的半潜式基础(1)的镂空即为底层水平三角架(11)、上层水平三角架(12)和竖向支架(13)之间的空隙。
4.根据权利要求3所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的风力发电机(2)为大兆瓦水平轴风力发电机，大兆瓦水平轴风力发电机包括塔筒(21)、电力转换机舱(22)、轮毂以及叶片(23)，所述的叶片(23)通过轮毂与电力转换机舱(22)连接，所述的电力转换机舱(22)固定在塔筒(21)上部，塔筒(21)底部与半潜式基础(1)固定连接，电力转换机舱(22)用于将叶片(23)转动产生的机械能转换为电能，电力转换机舱(22)与海上升压站连接。
5.根据权利要求4所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的支撑柱(34)下端穿过下密封板(32)与底层水平三角架(11)固定连接，所述的支撑柱(34)在上活塞板(33)与下密封板(32)之间安装有限位垫(36)，所述的限位垫(36)用于防止下密封板(32)过度上移与上活塞板(33)碰撞。
6.根据权利要求5所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的上活塞板(33)与下密封板(32)均为钢板，限位垫(36)为橡胶块。
7.根据权利要求6所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的摆臂浮子式波浪能发电装置(4)包括摆臂浮子(41)、摆臂(42)、外环体(43)、内环体(44)、驱动棘爪(45)、传动轴(46)、棘轮(47)、制动棘爪(48)、片簧(49)以及发电机(40)，外环体(43)、内环体(44)和棘轮(47)由外至内依次以传动轴(46)为轴心安装，所述的摆臂浮子(41)通过摆臂(42)与外环体(43)的外侧面固定连接，摆臂浮子(41)漂浮于海面上，随波浪摆动时，摆臂浮子(41)能带动外环体(43)绕传动轴(46)转动，所述的内环体(44)上设置有周向设置的行程槽(44a)，所述的外环体(43)内侧面与驱动棘爪(45)固定连接，驱动棘爪(45)穿过行程槽(44a)与棘轮(47)的棘齿咬合，制动棘爪(48)固定在内环体(44)上，所述的制动棘爪(48)也与棘轮(47)的棘齿咬合，片簧(49)压在制动棘爪(48)上，使制动棘爪(48)始终保持与棘轮(47)的抵触状态，所述的棘轮(47)的轮心与传动轴(46)固定连接，发电机(40)与传动轴(46)的一端固定连接，外环体(43)在正转反转的过程中，带动驱动棘爪(45)推动棘轮(47)转动，制动棘爪(48)则一直保持棘轮(47)无法反转，棘轮(47)带动传动轴(46)转动，从而使发电机(40)发电，所述的发电机(40)与海上升压站连接。
8.根据权利要求7所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的垂直轴式海流发电装置(5)包括竖直杆(51)、垂直轴叶片(52)以及动力输出结构，所述的竖直杆(51)上端与动力输出结构连接，动力输出结构安装在半潜式基础(1)上，所述的竖直杆(51)在竖直方向上每隔一段距离安装一组垂直轴叶片(52)，所述的垂直轴叶片(52)在海流的作用下带动竖直杆(51)转动，动力输出结构将竖直杆(51)转动的机械力转化为电力，动力输出结构与海上升压站连接。
9.根据权利要求8所述的一种深远海浮式风-浪-流联合发电装置，其特征是：所述的竖直杆(51)底端安装有用于减缓竖直杆(51)垂荡的垂荡抑制板(53)。
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