CN101981312A - 海上组合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发电的组合海上系统，包括：带有用于从风中汲取能量且将其转换为电力的发电机的海上风车，连接于该风车且用于将产生的电力输送至海上或陆地消费者的电力输出电缆，以及用于从波浪中汲取能量的至少一个海上波浪动力单元。该海上波浪动力单元的特征在于：所述波浪动力单元产生的电力与通过风车单元产生的电力通过相同的电力输出电缆被传送。

Description

海上组合发电系统
技术领域
本发明涉及一种用于从波浪运动主要是海浪或波浪以及从风中产生电力的组合海上系统，汲取的能量被转换为有效能量。使用现有装置将波浪能量转换为有效能量。
背景技术
参照如下公开文献：美国专利公开US6476511描述了用于从海浪中汲取能量的装置，其包括在末端处连接在一起以形成铰接链状结构的多个圆柱形浮体部件。每对圆柱形部件通过联接部件连接于相邻的一对部件，这就使得圆柱形部件能围绕至少一个横轴相对旋转运动。
美国专利公开US2003145587描述了一种风力和波浪能量发电厂，包括带有叶轮的风车以及可驱动涡轮机的被波浪启动的水泵。在此专利中，公开了如何通过稳固锚定的风车塔(mill tower)随着风车叶轮被强风抬高至一定高度时来更好地利用风能、并且同时通过将海水泵送至风车塔内并通过在此贮存海水可实现跨越涡轮叶轮的巨大压差，从而更好地利用波浪能量。
WO2006010783描述了风力、波浪和水流发电站，其具有用于制造、运输、安装和操作这些发电站的不同基本方案和方法。
在从风和波浪中汲取能量的发电厂中，产生的能量的最终价格部分取决于构造成本并且部分取决于总效率。已知的发电厂通常更复杂并且因此构造更为昂贵，此外实现的效率也不是最优的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于发电的组合海上系统，包括：带有用于从风中汲取能量且将其转换为电力的发电机的海上风车单元，连接于该风车且用于将产生的电力输送至海上或陆地消费者的电力输出电缆，以及用于从波浪中汲取能量的至少一个海上波浪动力单元，所述波浪动力单元产生的电力与通过风车单元产生的电力通过相同的电力输出电缆被传送。
通常通过水下电缆从海上涡轮机和发电机进行电力传输，这比陆地上安装电缆昂贵的多，并且如果覆盖距离相当长可能使用高压直流操作——这还需要更多的设备。这种盐水地带的海上环境也是腐蚀性和磨损性的，因此这类设施中维修也是重要问题。这比陆地涡轮机的修理和维修通常更加困难也通常更昂贵。海上风力涡轮机配备有大量防腐措施如涂层和阴极保护。此外，如果波浪动力单元不是孤立的单元而是可并入现有或已设计好的风车发电站或联接于一个或多个风车单元的话，那么可显著减少安装波浪动力单元许可手续的时间和成本。因此，通过使用已有的输出电缆网栅，本发明为一个或多个海上动力单元赋予了许可手续、安装和电力生产更容易和更经济的优点。
本发明的另一优点在于它使得维修更为简化。实际上，根据本发明，通过在已有的风车单元附近安装/系泊波浪动力单元并在其间建立赋能连接，波浪动力单元保护风车免受破坏性水波的危害同时为风车周围的维修船提供了更受保护的着陆区。
附图说明
下面将通过实施例并参照附图进一步详述本发明，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的前视图，其中波浪动力单元包括布里斯托尔缸，
图2示出根据本发明的另一实施例的前视图，其中波浪动力单元包括软管泵系统，
图3示出根据本发明的又一实施例，其中风车被紧紧地系泊于海底，
图4示出根据本发明的另一实施例，其中波浪动力单元包括浮体的铰接链状结构，
图5示出根据本发明的另一实施例，其中波浪动力单元具有被拉紧系泊线系泊于海底且被置于水面以下波浪活动深度处的主浮力结构，
图6示出根据图5所示实施例的风车内的电变压器设备的详图，并且
图8-11示出根据本发明的不同多个组合动力结构的俯视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明一个实施例的前视图，其中固定于海底的风车1连接到安装在海底上且将产生的电力输送至使用者和/或海岸的输出电缆2。附接(attached to)于风车1的两个波浪动力单元3、3’都配备有浮力模块4、4’。每个浮力模块4、4’都配备有附接于海底的拉紧系泊腿6，并且每个浮力模块4、4’还通过拉紧缆线7系于风车1。图1还示出每个浮力模块4通过赋能连接件5连接于风车。该赋能连接件可为电力电缆或承载流体(水力学的，空气，海水)的导管，所述流体由位于波浪动力单元的浮力模块与拉紧系泊腿6之间的线性动力输出系统(linear power take off system)加压。可选地，该线性动力输出系统可基于由美国专利US7038357或美国申请US11/684,426公开的由电活化聚合物(EAP)材料制成的管子或辊子。由于波浪作用，波浪动力单元将像布里斯托尔缸一样如箭头11所示开始旋转并且启动连接于拉紧系泊线的线性动力输出系统。这种构造的优点在于风车单元可用作波浪动力单元的系泊系统，并且例如波浪动力单元的电力转换设备如发电机、变压器和/或涡轮机都可被置于固定风车1内。根据本发明的构造的优点在于该设备的维护或更换被简化了，因为它处于水面之上稳定、不移动和干燥的环境中。另一个优点在于：通过从波浪动力单元去除该设备，波浪动力单元自身及其系泊系统可以更轻、更简单、更有效并且构造成本更低，这同时也简化了它的海上安装。
图2示出根据本发明的另一实施例的前视图。图2示出固定于海底的风车1连接于安装在海底上且将产生的电力输送至海上消费如平台或陆地消费者的输出电缆2。附接于风车1的两个波浪动力单元3、3’都配备有软管泵系统9。每个动力单元3、3’都系泊于海底并且附接于风车1从而固定其相对于风车的位置。该软管泵为当膨胀和收缩时能够泵送流体的细长中空弹性材料缸。在本实施例中，该软管泵连接于浮子13；因此可利用波浪作用通过可伸展软管泵的周期性膨胀和收缩来产生受压流体。如图2所示，波浪作用(见箭头10)促使软管泵9上下运动(箭头12)。图2还示出每个波浪动力单元都通过赋能连接件5连接于风车1。该赋能连接件可为承载受压流体的导管，所述受压流体通过风车1内的液力涡轮机和发电机(未示出)被转换为电力。可选地，该赋能连接件可为将波浪动力单元内涡轮机和发电机产生的电力传送至风车单元的电力电缆。
图3示出根据本发明的另一实施例，其中风车漂浮并且被紧紧地系泊于海底。在本实施例中，风车将作为点吸收器对波浪作用(箭头10)作出反应。点吸收器通常是绕纵轴呈轴对称的。风车1将以竖直模式运行并随着通过的波浪而升降，并且通过拉紧系泊线6(见箭头13)与海底相互作用，所述拉紧系泊线连接于上述可基于水力学、受压空气或海水、由电活化聚合物(EAP)材料制成的管子或辊子的线性动力输出系统。在本实施例中，风车连接于动力输出电缆2。当该输出电缆通过中间浮子19朝海底部延伸时具有“躺倒的S”构型。输出电缆从该中间浮子朝海底部以微小曲度伸长。
图4示出根据本发明的又一实施例，其中波浪动力单元是互连浮体的铰接结构。图4示出固定于海底的风车1连接于安装在海底上且将产生的电力输送至使用者和/或海岸的输出电缆2。附接于风车1的波浪动力单元3具有浮体14的铰接结构。波浪动力单元3通过连接器15附接于风车，该连接器使得波浪动力单元能够自由地随风摆动(weathervane)从而根据波浪的方向(见箭头10)以最有效的方向定向其自身(见箭头16)。该波浪动力单元还通过(转动的)赋能连接件5连接于风车。该赋能连接件可为电力电缆或承载受压流体的导管。在本实施例中，波浪动力单元3由以铰接接头链接的一连串部分没入水面的圆柱部分14构成。通过借助精加工液压蓄力器用液压马达泵送高压油的液压油缸来传送由波浪诱发的这些部件的相对彼此的运动。液压马达驱动发电机以产生电力。来自所有接头的电力沿单根电缆5被向下送至风车1上的接合处。多个波浪动力单元3可连接在一起并且通过单根电缆5链接于风车。可选地，其它动力输出系统也可用于将浮体的相对运动转换为电力，与使用电活化聚合物材料一样。其它可选方案是通过将波浪动力单元自由端与海底相连的系泊线将波浪动力单元相对于波浪置于固定航向位置(heading position)；在本实施例中波浪动力单元也可被置于风车的迎风处(未示出)。
图5示出根据本发明的另一实施例，其中波浪动力单元具有被拉紧系泊线18独立地系于海底且被置于水面以下波浪活动深度处的孤立主浮体结构17。该浮体结构17可配备有固定浮性和用于改变暴露于波浪动态压力下的浮体结构的表面的工具，从而优化用于一个以上波频和波高的有效动力输出的表面并且在最大允许的范围内维持拉紧系泊线18内的张力。优选地，改变浮体结构表面的工具包括具有可变几何形状的可膨胀元件如可被电力控制单元(未示出)启动的可充气气囊。图5还示出与波浪动力单元间隔一定距离设置并且固定于海底的风车1。该风车单元连接于安装在海底上用于将产生的电力输出至使用者和/或海岸的输出电缆2。
在本实施例中，波浪动力单元3不附接于风车1。每个波浪动力单元3通过赋能连接件5连接于风车1。该赋能连接件可为上述承载受压流体的导管或为电力电缆。在本实施例中，赋能连接件5具有“躺倒的S”构型，其中赋能连接件5通过中间浮子19朝与风车1的连接处延伸。赋能连接件5从该中间浮子19朝风车1以微小曲度伸长。
图6示出根据图5所示实施例的风车内的电变压器设备的详图。图6示出固定于海底的风车1连接于安装在海底上且将产生的电力输送至使用者和/或海岸的输出电缆2。风冲击安装在自由旋转的轴21上的叶片组20。风撞击叶片就产生了使轴21旋转的力，该轴链接于将旋转动能转换为电力的发电机22。通过电力电缆23将电力传送至置于风车内的与电力输出电缆2连接的转换器27。同时，波浪动力单元产生的机械能通过赋能连接件5被传送至置于风车单元内的涡轮机24和发电机22，从而将机械能转换为电力。接着该发电机产生的电力通过电力电缆28被传送至转换器27，并且通过输出电缆2从该转换器输出。
波浪动力单元的电力转换设备如发电机22、变压器和/或涡轮机24可被置于固定的风车1的干燥环境中，这样就使得该设备的检视、维修或更换更为容易。将该设备从波浪动力单元卸下的明显优点在于波浪动力单元及其系泊系统可具有更轻、更简单、更有效且成本更低的构造，这就使得海上安装更为容易。
图7示出与图5和图6所示实施例类似的实施例，区别在于波浪动力单元具有系于风车1的至少一个系泊腿。图7还示出船舶例如维修船可停泊在风车1旁边没有波浪动力单元的那侧。当该系住的波浪动力单元从波浪中汲取能量时其作为有效的挡水板(break water)。通过将波浪动力单元置于风车旁边，防止了风车被波浪冲击并且通过降低波高在风车周围为维修船25形成了更受保护的着陆区。因此，由于该平静的着陆地带，维修船将更容易接近组合的海上发电厂和风车单元。
图8、9和10示出根据本发明的配置的不同俯视图。图8示出多个垂直于波浪方向(见箭头10)设置的排成一行的圆柱形波浪动力单元3，为维修船形成了平静的海上着陆区。示出不同的动力单元是如何通过赋能连接线26彼此互连的，该连接线将一个动力单元3a产生的能量传送至另一动力单元3b。波浪动力单元3b通过赋能连接件5将两个单元产生的组合能量传送至风车，能量在此(电力或受压流体)被转换从而可通过输出电缆2被输出。图8还示出多个波浪动力单元(3b和3c)均可通过独立的赋能连接件5连接于风车1。
图9示出的实施例中，一组波浪动力单元以及单个波浪动力单元连接于风车1。图10示出的根据本发明的实施例中，一串波浪动力单元仅通过单个赋能连接件5连接于风车。
在图8-10的所有附图中，还示出不论怎样选择构型，波浪动力单元可被布置为使得它们能作为挡水板(breakwater)并且在风车1周围为维修船25形成了平静的海上着陆区。
图11示出的另一实施例中多个互连的波浪动力单元通过单个赋能连接件5直接在点30处连接于输出电缆2。在赋能连接件为电力电缆的情形下，连接点30可仅为没入水中的电连接器的形式或例如为固定平台的形式，该平台配备有中央变压器和用于通过输出电缆2传送波浪动力单元产生的电力所需的其它电力设备。
如果赋能连接件5传送产生的受压流体，连接点30可配备有涡轮机、发电机、变压器和能够将波浪动力单元产生的能量转换为电力并通过输出电缆2传送该电力所需的其它电力设备。

Claims (27)

1.一种用于发电的组合海上系统，包括：带有用于从风中汲取能量且将其转换为电力的发电机的海上风车单元，连接于该风车且用于将产生的电力输送至海上或陆地消费者的电力输出电缆，以及用于从波浪中汲取能量的至少一个海上波浪动力单元，其特征在于，所述波浪动力单元产生的电力与通过风车单元产生的电力通过相同的电力输出电缆被传送。
2.如权利要求1所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元通过赋能连接件连接于风车单元。
3.如权利要求1或2所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元配备有动力输出系统和将来自波浪的能量转换为电力的发电机。
4.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元与风车之间的赋能连接件为电力电缆。
5.如权利要求4所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元的电力电缆连接于被置于风车单元内的波浪动力单元的电变压器设备。
6.如权利要求2所述的组合海上系统，其特征在于，海上波浪动力单元与风车之间的赋能连接件为导管，该导管承载被波浪动力单元的动力输出系统加压的受压流体。
7.如权利要求6所述的组合海上系统，其特征在于，受压流体导管连接于被置于风车内以产生电力的涡轮机和发电机。
8.如权利要求5所述的组合海上系统，其特征在于，被置于风车单元内的电变压器设备通过电力电缆连接于风车发电机和波浪动力单元的发电机并且连接于电力输出电缆。
9.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，风车单元与波浪动力单元之间的距离至少为5米。
10.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，风车单元为固定于海底内的结构。
11.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，风车单元固定于海底并且波浪动力单元配备有至少一个系泊线，该系泊线在距离风车单元一定位置处连接于海底内的锚固点。
12.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，从波浪的方向来看，动力单元被置于风车单元之前，从而波浪动力单元将在波浪与风车接触之前从波浪中汲取能量。
13.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，从波浪的方向来看，至少两个波浪动力单元被置于风车单元之前，从而从波浪中汲取能量并且在风车周围为维修船形成了受保护的着陆区。
14.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，至少两个波浪动力单元通过导管或电缆彼此连接，并且一个波浪动力单元连接于风车内的电变压器设备。
15.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，至少两个波浪动力单元连接于风车内的电变压器设备，每个单元都独立地连接于风车。
16.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，至少两个波浪动力单元经由将每个波浪动力单元与风动力单元相连的电力电缆连接于置于风车单元内的电变压器设备。
17.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，两个波浪动力单元用其相应系泊线中的至少一个连接于海底内一个共同的锚固点。
18.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元以至少一个拉紧系泊线连接于海底内的锚固点。
19.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元以至少一个拉紧系泊线连接于海底的锚固点并且以另一系泊线连接于风车单元。
20.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元包括置于与风车单元距离一定位置处的拉紧系泊单元。
21.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元包括张紧系住的布里斯托尔缸型的波浪能量转换器。
22.如任意一项前述权利要求所述的组合海上系统，其特征在于，波浪动力单元包括具有固定浮性和暴露于波浪动态压力之下可变几何形状的元件的张紧浮体结构，从而优化用于一个以上波频的有效动力输出的波浪动力单元总表面并且控制拉紧系泊线内的张力。
23.一种用于安装组合海上系统的方法，包括如下步骤：安装一个或多个风车单元，将风车单元连接于输出电力电缆，输出通过风车单元产生的电力，在输出电力电缆附近安装一个或多个波浪动力单元并且在输出电力电缆与波浪动力单元之间形成电力连接以通过相同的输出电力电缆输出波浪动力单元和风车单元产生的电力。
24.一种用于安装组合海上系统的方法，包括如下步骤：安装一个或多个风车单元，将风车单元连接于输出电力电缆，将风车单元产生的电力输出至海上或陆地消费者，在风车单元附近安装一个或多个波浪动力单元并且在波浪动力单元与风车单元之间建立赋能连接。
25.一种用于安装组合海上系统的方法，包括如下步骤：安装一个或多个风车单元，将风车单元连接于输出电力电缆，将风车单元产生的电力输出至海上或陆地消费者，用系泊腿将波浪动力单元系于预先安装的风车单元并且在波浪动力单元与风车单元之间建立赋能连接。
26.一种用于安装组合海上系统的方法，包括如下步骤：安装一个或多个均配备有电变压器设备的风车单元，将风车单元连接于输出电力电缆，将风车单元产生的电力输出至海上或陆地消费者，在已布置的风车单元附近安装一个或多个波浪动力单元，在波浪动力单元与风车单元内的电变压器设备之间设置电力电缆。
27.一种用于安装组合海上系统的方法，包括如下步骤：安装一个或多个风车单元，将风车单元连接于输出电力电缆，将风车单元产生的电力输出至海上或陆地消费者，在风车单元附近系住至少一个波浪动力单元从而对波浪产生抑制作用并且在预先安装的风车单元周围形成相对平静的区域，在波浪动力单元之间布置电力电缆并与电力输出电缆形成电连接。
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