CN101915202B - 风能波浪能联合发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种海洋能源利用技术领域的风能波浪能联合发电系统，包括：浮式基础、风力发电机组和若干波浪能发电装置，其中：波浪能发电装置设置在浮式基础周围的圆周方向上，波浪能发电装置与浮式基础固连，风力发电机组安装在浮式基础上，风力发电机组和波浪能发电装置分别与同一输电线路相连传输电能，浮式基础固定在海上。本发明避免了重复建设，达到了减少建设成本的目的；增大了浮式基础的水线面面积，有助于提高整套系统的稳性；提高了波浪利用率；节省了空间，且加强了装置的保护。

Description

风能波浪能联合发电系统
技术领域
本发明涉及的是一种海洋能源利用技术领域的系统，具体是一种风能波浪能联合发电系统。
背景技术
随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求与日俱增。然而，常规能源由于其不可再生性，其储量正在日益减少，同时使用常规能源所产生的环境污染已经成为人类生存发展所面临的严峻挑战。目前，世界各国的相关机构都在积极开发利用可再生的清洁能源。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得海上风力发电技术成为近年来应用的热点。我国近海风能资源预计可达7.5亿千瓦，是陆上风能资源3倍，海上风力发电场将成为未来发展的重点。
波浪能发电装置将波浪能转换成液压能，再通过发电机转换成电能。该技术具有俘获波浪能效率以及转换效率高、制造简单和集成性好等优点，适用于大规模发电系统。
经对现有技术的文献检索发现，2007年8月8日中国科学院广州能源研究所盛松伟等人公开了一种“浮体下挂液压缸式波浪发电装置”(申请号：200610124330.7)，该装置包括一个漂浮于海面的浮体，浮体下端通过柔性钢索与倒立的弹簧回复液压缸底部连接，弹簧回复液压缸内的活塞杆伸向下端，通过锚链系泊于海底；弹簧回复液压缸的液压回路连接液压蓄能器，液压蓄能器连接液压马达，液压马达连接发电机。但是该技术实现大规模发电需要建设单独的输电线路，同时需要为每套发电装置设置系泊设备，因而成本较高，实用性差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种风能波浪能联合发电系统。本发明将风力发电机组和波浪能发电装置有机结合在一起，可以经济、高效、灵活的工作，尤其适用于外海深水区域。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：浮式基础、风力发电机组和若干波浪能发电装置，其中：波浪能发电装置设置在浮式基础周围的圆周方向上，波浪能发电装置与浮式基础固连，风力发电机组安装在浮式基础上，风力发电机组和波浪能发电装置分别与同一输电线路相连传输电能，浮式基础固定在海上。
所述的浮式基础上设置有系泊装置，以保证风力发电机组的平稳运行。
所述的浮式基础是单柱式浮式基础，或者是张力腿式浮式基础。
所述的风力发电机组和所述的波浪能发电装置分别与控制装置相连，该控制装置包括：风电能控制设备和波浪电能控制设备，其中：风力发电机组和风电能控制设备相连传输风力发电得到的电能，波浪能发电装置与波浪电能控制设备相连传输波浪能发电得到的电能。
所述的波浪能发电装置包括：波浪能捕获设备、液压设备和发电设备，其中：波浪能捕获设备与液压设备相连传输波浪能，液压设备与发电设备相连传输液压能，发电设备与输电线路相连传输电能，发电设备设置在浮式基础内。
所述的波浪能捕获设备是振荡水柱式，或者是摆式，或者是点头鸭式，或者是浮子式，或者是筱式。
所述的波浪能捕获设备的周围设置有若干浮子。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)通过将风力发电机组和波浪能发电装置有机结合，二者共用一套输电线路，从而避免了重复建设，达到了减少建设成本的目的；2)波浪能捕获单元按圆周方向布置，通过钢架连接于浮式基础上，从而增大了浮式基础的水线面面积，有助于提高整套系统的稳性；3)为提高波浪利用率，波浪能捕获单元周围设置了增加浮力的浮子；4)波浪能发电装置的发电设备和控制装置等布置在浮式基础内，节省了空间，且加强了对发电设备和控制装置的保护。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
其中：(a)是实施例1的主视图；(b)是实施例1的侧视图；(c)是实施例1的俯视图。
图2是实施例2的结构示意图；
其中：(a)是实施例2的主视图；(b)是实施例2的侧视图；(c)是实施例2的俯视图。
图3是本发明系统的液压设备组成连接示意图。
其中：1-风轮、2-发电机、3-塔架、4-张力腿式浮式基础、5-系泊装置、6-波浪、7-钢架、8-浮子、9-液压缸体、10-活塞杆、11-液箱、12-第一单向阀、13-第二单向阀、14-第三单向阀、15-第四单向阀、16-溢流阀、17-节流阀、18-蓄能器、19-液压马达、20-发电设备，21-单柱式浮式基础。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的系统进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，本实施例包括：张力腿式浮式基础4、风力发电机组、8个波浪能发电装置和控制装置，其中：8个波浪能发电装置均匀设置在距张力腿式浮式基础4的35m的圆周方向上，波浪能发电装置通过钢架7与张力腿式浮式基础4固连，风力发电机组安装在张力腿式浮式基础4上，张力腿式浮式基础4固定在海上，风力发电机组和8个波浪能发电装置分别与控制装置相连传输得到的电能，控制装置与输电线路相连传输电能。
所述的张力腿式浮式基础4上设置有8个系泊装置5，以保证风力发电机组的平稳运行。本实施例中的系泊装置5为半张紧悬链线系泊系统。
所述的张力腿式浮式基础4通过设置张力腿产生大于结构自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分就为剩余浮力，这部分剩余浮力与预张力平衡。预张力作用在张力腿浮式基础的垂直张力腿上，使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态。较大的张力腿预张力使张力腿浮式基础平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小，近似于刚性。
本实施例中的张力腿式浮式基础4的主体圆柱直径16m，高度70m，吃水40m，在主体周围均匀设置了3组张力腿结构。
所述的控制装置包括：风电能控制设备和波浪电能控制设备，其中：风力发电机组和风电能控制设备相连传输风力发电得到的电能，波浪能发电装置与波浪电能控制设备相连传输波浪能发电得到的电能。
本实施例中风电能控制设备采用现有的变速恒频控制技术，波浪能控制设备采用现有的闭式控制的比例系统以控制液压马达输出变速的变化范围。
所述的风力发电机组包括：风轮1、发电机2、机舱、塔架3和轮毂，其中：风轮1设置在轮毂上，风轮1与发电机2相连传输风能，发电机2设置在机舱内，机舱设置在塔架3上，轮毂设置在塔架3顶部，塔架3设置在张力腿式浮式基础4顶部。
所述的波浪能发电装置包括：波浪能捕获设备、液压设备、发电设备20和8个浮子8，其中：波浪能捕获设备与液压设备相连传输波浪能，液压设备与发电设备20相连传输液压能，发电设备20与波浪电能控制设备相连传输电能，发电设备20设置在张力腿式浮式基础4内，8个浮子8均匀设置在距波浪能捕获设备35m的圆周方向上。
所述的浮子8内是泡沫填充物，以增加波浪能捕获设备的浮力。
所述的波浪能捕获设备用于捕获波浪能，本实施例采用浮子式，包括：两个相对运动的物体，其中：第一物体在波浪6中相对于第二物体运动产生机械能，第二物体与液压设备相连传输波浪能。
如图3所示，所述的液压设备将波浪能转换为液压能，包括：液压缸体9、活塞杆10、液箱11、第一单向阀12、第二单向阀13、第三单向阀14、第四单向阀15、溢流阀16、节流阀17、蓄能器18和液压马达19，其中：活塞杆10位于液压缸体9内，液压缸体9与浮子8相连，活塞杆10的两端分别与钢架7固连，钢架7与张力腿式浮式基础4固连，液压马达19的一端分别与液箱11的液体和溢流阀16相连，液压马达19的另一端分别与发电设备20和蓄能器18相连，发电设备20与波浪电能控制设备相连，蓄能器18与节流阀17相连，节流阀17分别与溢流阀16、第三单向阀14和第四单向阀15相连，第一单向阀12和第二单向阀13与液箱11的底部相连，第一单向阀12和第三单向阀14分别与液压缸体9的上端相连，第二单向阀13和第四单向阀15分别与液压缸体9的下端相连。
所述的液压设备的工作过程为：当浮子8带动液压缸体9随着波浪6沿活塞杆10向上运动时，液箱11中的液体经单向阀12进入液压缸体9上部腔室，下部腔室压力液体经单向阀15和节流阀17进入蓄能器18和液压马达19，驱动液压马达19旋转，从而带动发电设备20发电。反之，当浮子8带动液压缸体9随着波浪6沿活塞杆10向下运动时，液箱11中的液体经单向阀13进入液压缸体9下部腔室，上部腔室压力液体经单向阀14和节流阀17进入液压马达19，驱动液压马达19旋转，从而带动发电设备20发电。蓄能器18和溢流阀16用来稳定和控制液压系统的压力，起到稳压和保护液压系统的作用。发电设备20所发出的电能通过波浪电能控制设备后与风能发电装置发出的电能并网，从而实现联合发电。
所述的发电设备20将液压能转换为电能。
本实施例的工作过程如下：当风力作用在风轮1上时，风轮1开始旋转并带动发电机2发电；与此同时，当波浪力作用在波浪能发电装置上时，浮子8带动液压缸体9运动并驱动液压马达19旋转，从而带动发电设备20发电；风能发电装置中发电机2发出的电能和波浪能发电装置中发电设备20发出的电能并网，从而实现联合发电。
本实施例的风力发电机组的发电功率为5MW，每套波浪能发电装置的额定发电功率为300kW，故整个系统总的发电功率可达7.4MW；同时，通过设置张力腿式浮式基础获得了较大的预张力，使得整套装置平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小，近似于刚性，从而保证了整套装置的平稳运行，具有更好的垂向运动性能和相对较小的结构自重。
实施例2
如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，本实施例包括：单柱式基础21、风力发电机组、8个波浪能发电装置和控制装置，其中：8个波浪能发电装置均匀设置在距单柱式浮式基础21的35m的圆周方向上，波浪能发电装置通过钢架7与单柱式浮式基础21固连，风力发电机组安装在单柱式浮式基础21上，单柱式浮式基础21固定在海上，风力发电机组和8个波浪能发电装置分别与控制装置相连传输得到的电能，控制装置与输电线路相连传输电能。
所述的单柱式浮式基础21上设置有4个系泊装置5，以保证风力发电机组的平稳运行。本实施例中的系泊装置5为半张紧悬链线系泊系统。
所述的单柱式浮式基础21通过设置压载舱使得整个系统的重心位于浮心之下，从而保证了整套装置的稳性；同时设置了半张紧的悬链线系泊系统来限制单柱式浮式基础各个方向上的运动。
本实施例中的单柱式式浮式基础21的主体圆柱直径18m，高度70m，吃水40m，主体圆柱与塔架3相连处采用变截面过渡。
所述的控制装置包括：风电能控制设备和波浪电能控制设备，其中：风力发电机组和风电能控制设备相连传输风力发电得到的电能，波浪能发电装置与波浪电能控制设备相连传输波浪能发电得到的电能。
本实施例中风电能控制设备采用现有的变速恒频控制技术，波浪能控制设备采用现有的闭式控制的比例系统以控制液压马达输出变速的变化范围。
所述的风力发电机组包括：风轮1、发电机2、机舱、塔架3和轮毂，其中：风轮1设置在轮毂上，风轮1与发电机2相连传输风能，发电机2设置在机舱内，机舱设置在塔架3上，轮毂设置在塔架3顶部，塔架3设置在单柱式浮式基础21顶部。
所述的波浪能发电装置包括：波浪能捕获设备、液压设备、发电设备20和8个浮子8，其中：波浪能捕获设备与液压设备相连传输波浪能，液压设备与发电设备20相连传输液压能，发电设备20与波浪电能控制设备相连传输电能，发电设备20设置在单柱式浮式基础21内，8个浮子8均匀设置在距波浪能捕获设备35m的圆周方向上。
所述的浮子8内是泡沫填充物，以增加波浪能捕获设备的浮力。
所述的波浪能捕获设备用于捕获波浪能，本实施例采用浮子式，包括：两个相对运动的物体，其中：第一物体在波浪6中相对于第二物体运动产生机械能，第二物体与液压设备相连传输波浪能。
如图3所示，所述的液压设备将波浪能转换为液压能，包括：液压缸体9、活塞杆10、液箱11、第一单向阀12、第二单向阀13、第三单向阀14、第四单向阀15、溢流阀16、节流阀17、蓄能器18和液压马达19，其中：活塞杆10位于液压缸体9内，液压缸体9与浮子8相连，活塞杆10的两端分别与钢架7固连，钢架7与单柱式浮式基础21固连，液压马达19的一端分别与液箱11的液体和溢流阀16相连，液压马达19的另一端分别与发电设备20和蓄能器18相连，发电设备20与波浪电能控制设备相连，蓄能器18与节流阀17相连，节流阀17分别与溢流阀16、第三单向阀14和第四单向阀15相连，第一单向阀12和第二单向阀13与液箱11的底部相连，第一单向阀12和第三单向阀14分别与液压缸体9的上端相连，第二单向阀13和第四单向阀15分别与液压缸体9的下端相连。
所述的液压设备的工作过程为：当浮子8带动液压缸体9随着波浪6沿活塞杆10向上运动时，液箱11中的液体经单向阀12进入液压缸体9上部腔室，下部腔室压力液体经单向阀15和节流阀17进入蓄能器18和液压马达19，驱动液压马达19旋转，从而带动发电设备20发电。反之，当浮子8带动液压缸体9随着波浪6沿活塞杆10向下运动时，液箱11中的液体经单向阀13进入液压缸体9下部腔室，上部腔室压力液体经单向阀14和节流阀17进入液压马达19，驱动液压马达19旋转，从而带动发电设备20发电。蓄能器18和溢流阀16用来稳定和控制液压系统的压力，起到稳压和保护液压系统的作用。发电设备20所发出的电能通过波浪电能控制设备后与风能发电装置发出的电能并网，从而实现联合发电。
所述的发电设备20将液压能转换为电能。
本实施例的工作过程如下：当风力作用在风轮1上时，风轮1开始旋转并带动发电机2发电；与此同时，当波浪力作用在波浪能发电装置上时，浮子8带动液压缸体9运动并驱动液压马达19旋转，从而带动发电设备20发电；风能发电装置中发电机2发出的电能和波浪能发电装置中发电设备20发出的电能并网，从而实现联合发电。
本实施例的风力发电机组的发电功率为5MW，每套波浪能发电装置的额定发电功率为300kW，故整个系统总的发电功率可达7.4MW。本实施例与实施例1相比，具有更好的平面运动性能和稳定性，以及更大的甲板负载。

Claims (1)

1.一种风能波浪能联合发电系统，包括：风力发电机组、浮式基础和若干波浪能发电装置，其特征在于，波浪能发电装置设置在浮式基础周围的圆周方向上，波浪能发电装置与浮式基础固连，风力发电机组安装在浮式基础上，风力发电机组和波浪能发电装置分别与同一输电线路相连传输电能，浮式基础固定在海上；所述的波浪能发电装置包括：波浪能捕获设备、液压设备和发电设备，其中：波浪能捕获设备与液压设备相连传输波浪能，液压设备与发电设备相连传输液压能，发电设备与输电线路相连传输电能，发电设备设置在浮式基础内；所述的液压设备将波浪能转换为液压能，包括：液压缸体、活塞杆、液箱、四个单向阀、溢流阀、节流阀、蓄能器和液压马达，其中：活塞杆位于液压缸体内，液压缸体与浮子相连，活塞杆的两端分别与浮式基础固连，钢架与浮式基础固连，液压马达的一端分别与液箱的液体和溢流阀相连，液压马达的另一端分别与发电设备和蓄能器相连，发电设备与波浪电能控制设备相连，蓄能器与节流阀相连，节流阀分别与溢流阀、第三单向阀和第四单向阀相连，第一单向阀和第二单向阀与液箱的底部相连，第一单向阀和第三单向阀分别与液压缸体的上端相连，第二单向阀和第四单向阀分别与液压缸体的下端相连。
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