CN102162432A - 海上浮动式风力洋流和波浪发电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型海上发电站，特别是涉及一种海上浮动式风力洋流和波浪发电站。结构主要包括：中心浮筒、悬浮仓、万向弹性支撑、风力涡轮机、波浪动力装置、连接臂、稳定浮筒、水力涡轮机、储能装置、发电系统等。由于采用了大直径低高度的H型垂直轴风轮、头轻脚重中间弹性支撑的结构，能够稳定的漂浮和固定在海面上运行；还由于采用了由蓄能器、油箱构成的集中式液压储能装置和多台发电机、液压马达构成的并列式发电系统，能够保证低风速、低流速和小风浪的情况下发电效率和恒定频率；适合于深海风能、波浪能和洋流能资源的综合利用。

Description

海上浮动式风力洋流和波浪发电站

技术领域

本发明涉及一种新型海上发电站，特别是涉及一种海上浮动式风力洋流和波浪发电站。

背景技术

海洋是地球能源储存的宝地，蕴藏着丰富的风能、波浪能和洋流能资源。海上风能资源作为一种清洁可再生能源，其蕴量巨大，中国东部沿海的海上可开发风能资源约达7.5亿千瓦；中国陆地海岸线长达一万八千多公里、大小岛屿6960多个，据海洋观测资料统计，总量约有5亿千瓦波浪能资源，可开发利用的约1亿千瓦；中国的洋流能源也很丰富，沿海洋流的理论平均功率为1.4亿千瓦。

利用海洋能源，是当今世界能源研究的方向，特别是在能源关系到国家安全、地球矿物能源逐渐枯竭及环境状况日益恶化的形势下，如何有效利用资源丰富、可再生的海洋能源，显得十分重要。但是，目前广泛应用的海洋风能、波浪能和洋流能的利用技术或多或少在以下方面存在一些缺陷。

1、大多数海上风力发电技术由于采用了水平轴风轮，整体的稳定性差

在近海或浅海区域，通过打桩，做出牢固基础，安装水平轴风力发电机组，由于水平轴风力发电机组重心很高，在深海或者是在浮动的船体、浮筒上安装很难保证整体的稳定性，限制了深海海上风力发电的发展。201020266817.0海上风力发电系统是一种可用于海上的水平轴风力发电机组。200820008283.4海上发电塔是将塔架固定在海底，平台上安装水平轴风力发电机。200920076010.8一种2MW海上风力发电机组在船体上安装水平轴风力发电机组，整体稳定性难以保证。200920311946.4基于三角帆动力的竖直轴海上风力发电机采用了三角帆作动力，效率低，难以做成大型的风力发电系统。201010286167.0海上风力及洋流发电系统采用了Φ型垂直轴风轮，重心仍然很高，通常还需要钢丝绳系统保持风轮运行的稳定性。200710062752.0一种带球铰底座的垂直轴风电机组，采用了Φ型垂直轴风轮和钢丝绳系统，适合在陆地运行。200520113458.4串接式垂直轴风电机组，有Φ型和H型2种垂直轴风轮，由于采用了串接式构造，整体重心很高，需要钢丝绳系统，只能在陆地运行。

2、风能、波浪能和洋流能资源的综合利用效率低、结构复杂

水平轴风力发电机组特点是风轮的旋转轴与风向平行，通常通过增速齿轮箱带动发电机发电，叶片变截面，运行时需要对准风向和调整叶片迎风角，这些装置一般是安装在几十米高的塔柱顶上的机舱内，结构复杂。波浪能是一种密度低、不稳定、利用难的能源，目前应用基本上有三种类形。振荡水拄型、机械型和水流型，但中间转换环节多，效率低。海水流动可以推动水轮机发电，通常在半潜式浮船上安装水下叶片和水下发电机，利用洋流进行发电。利用海上风力、波浪和洋流发电，基本上都设有平台、浮筒或船体，都通过转换装置进行发电，结构复杂，设备的综合利用效率低。90101868.6海上发电站所述的船体底部安装一套包括动力体、变速器和发电机的发电装置利用海洋波力进行发电。200910305561.1摇摆式水下波浪发电装置，采用波浪摇摆受力器驱动发电机发电。201010298866.7一种海上波浪发电装置，浮筒可伸展内置液压油压缩室，经传动连接液压发动机。00813816.8洋流发电装置，浮筒安装中空外壳和叶轮，利用洋流发电。200810070549.2海上发电平台单元机组，包括平台、波浪和潮流集能装置、伞形风能收集装置和发电机。200720153736.8波浪发电装置及波浪发电机组，包括浮球、齿轮箱、换向器、变速器和发电机。

3、风能、波浪能和洋流能分别转换成电能，效率低、电力输出波动性大

风能和风速有关，运行时发电机输出功率和频率变化很大，波浪能和洋流能是分散、低密度、不稳定的，发电机的输出也不稳定，把它们集中吸收起来，经济、高效地转化为有用的电能是当今的难题。200820134737.2海上发电厂，采用了圆形高大塔架固定在海底，海面以下设多块永磁板由海流推动发电，海面以上设多台小型风力发电机利用风能发电。201010286167.0海上风力及洋流发电系统，在浮式平台上设垂直轴风力发电机、下设水轮机，通过主轴、离合器、变速器、换向器共同使用一台发电机，可以同时利用风力和水动力进行发电。

4、采用的部件材料要求高，加工困难

水平轴风力发电机组一般应用变速恒频技术，采用了结构复杂的偏航系统、变浆距系统和双馈发电机，叶片用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)手工制造，洋流发电大多采用水轮机，叶片的加工困难。

以上这些缺陷，限制了深海风能、波浪能和洋流能资源的综合利用。

发明内容

本发明提出了一种海上浮动式风力洋流和波浪发电站，包括：中心浮筒及锚定1、悬浮仓2、万向弹性支撑3、风力涡轮机4、波浪动力装置5、铰接支座6、连接臂7、稳定浮筒8、水力涡轮机9、球轴承支撑10、储能装置11、发电系统12、控制系统13和辅助系统14。其中：中心浮筒及锚定1通过拉索和地锚固定漂浮在海面上，悬浮仓2通过万向弹性支撑3安装在中心浮筒及锚定1上，风力涡轮机4安装在悬浮仓2上；在中心浮筒及锚定1的周围布置4-8个稳定浮筒8，连接臂7通过铰接支座6铰接在中心浮筒及锚定1上，一端连接波浪动力装置5，另一端连接稳定浮筒8；水力涡轮机9通过球轴承支撑10安装在稳定浮筒8的底部；悬浮仓2内部布置储能装置11、发电系统12、控制系统13和辅助系统14，并加装压仓水或其它压仓物。此外，风力涡轮机4包括：H型垂直轴风轮15、风轮主轴16、轮辐17、叶片18、垂直液压支撑19、水平滚轮支撑20、盘式制动装置21、大齿圈22、小齿轮23、液压泵24、发电机25、直驱发电机26；水力涡轮机9包括：水力涡轮27、弹性支撑28、液压泵29；储能装置11包括：蓄能器30和油箱31；发电系统12包括：发电机32和液压马达33。

本发明的工作原理如下。

风能由风力涡轮机4采集转换：H型垂直轴风轮15中心有风轮主轴16，主轴16上安装2-4组轮辐17，每组轮辐17安装1-4个等截面直叶片18，垂直液压支撑19和水平滚轮支撑20分别在垂直和水平2个方向支撑着风轮15，确保风轮15的正常旋转运行，盘式制动装置21在风轮15减速停车时使用，并在停车状态下确保风轮15不会旋转。在有风状态下发电可以采用四种方案：一是风轮主轴16安装有大齿圈22，通过2-4个小齿轮23驱动2-4台液压泵24输出高压油，二是驱动2-4台发电机25发电，三是通过4个小齿轮23驱动2台液压泵24和2台发电机25，四是风轮主轴16直接驱动直驱发电机26发电，其中1至三方案可以根据风速的大小确定投入液压泵或者发电机的台数。

波浪能由波浪动力装置5采集转换：稳定浮筒8在海面波浪的作用下相对与中心浮筒及锚定1作垂直上下运动或水平偏摆运动，连接臂7绕铰接支座6来回摇摆或转动，驱动波浪动力装置5中的往复式液压泵输出高压油到集中式液压储能装置11中，同时也能够起到液压缓冲的作用，阻碍了中心浮筒及锚定1和稳定浮筒8的相对运动。

洋流能由水力涡轮机9采集转换：水力涡轮机9安装稳定浮筒8底部，竖轴式水力涡轮27深入海水，通过球轴承支撑10连接液压泵29，在洋流的作用下旋转，驱动液压泵29输出高压油到集中式液压储能装置11中。弹性支撑28支撑液压泵29，防止旋转并适应浮筒8偏摆，球轴承支撑10还具有密封功能防止海水渗透。

集中式液压储能装置11由蓄能器30和油箱31组成，通过管道收集并储存来自风力涡轮机4、波浪动力装置5和水力涡轮机9产生的高压油，并列式发电系统12由2-4台发电机32和2-4台液压马达33组成，来自集中式液压储能装置11高压油驱动液压马达33带动发电机32发电。发出的电能可以通过海底电缆送回陆地，连接电网输送至用户，或者就近输送至海洋石油平台等设施。

海上浮动式风力洋流和波浪发电站不需要在海底打桩固定，能够稳定的漂浮和固定在海面上运行，可以在船厂或港口进行建造、安装和初步调试，然后拖到海面预定位置锚定、调试、运行发电，当有巨大台风或出现重大故障时还可以拖回港口、船厂避风或维修，也可以根据情况移动位置，适合于深海风能、波浪能和洋流能资源的综合利用。

本发明采用了以下技术，解决了现有应用中的不足。

1、通过以下途径改善目前海上浮动式风力发电站的稳定性。

1)本发明的中心浮筒及锚定1通过拉索和地锚固定漂浮在海面上，其中包括了3组以上的拉索和地锚，防止了漂移和转动。

2)本发明在中心浮筒及锚定1的周围布置4-8个稳定浮筒8，连接臂7通过铰接支座6铰接在中心浮筒及锚定1上，一端连接由往复式液压泵组成的波浪动力装置5，另一端连接安装有水力涡轮机9的稳定浮筒8，由于波浪动力装置5靠近铰接支座6构成了大杠杆比的结构，不仅可以提高波浪利用率还可以减小中心浮筒及锚定1在风浪中摇摆幅度。

3)本发明采用了大直径低高度的H型垂直轴风力涡轮机4，在不降低输出功率的前提下，降低了风轮高度，同时将发电机等主要设备安装在风轮底部，使得垂直轴风力涡轮机比水平轴涡轮机整机重心要低，安装在浮筒上稳定性也好。

4)本发明采用了由H型垂直轴风力涡轮机4、悬浮仓2和万向弹性支撑3组成的头轻脚重中间弹性支撑的自动调节稳定结构。将风力涡轮机4安装在悬浮仓2上，在悬浮仓2内部布置储能装置11、发电系统12、控制系统13和辅助系统14，同时在仓内加装压仓水或其它压仓物，使悬浮仓2的重量大于安装在上面的风力涡轮机4的重量，悬浮仓2通过万向弹性支撑3安装在中心浮筒及锚定1上，形成一个头轻脚重中间弹性支撑的结构，这样的结构当海面波浪引起中心浮筒及锚定1摇摆或大风引起风力涡轮机4倾斜时，由于万向弹性支撑3的作用，能够减小悬浮仓2和风力涡轮机4的影响，可以自动调节、稳定到竖直状态。

2、分别布置，综合利用，提高效率

风能转换由布置在悬浮仓2上的风力涡轮机4完成，波浪能转换由布置在中心浮筒及锚定1中的波浪动力装置5完成，洋流能转换由布置在稳定浮筒8底部的水力涡轮机9完成，通过管道将风力涡轮机4、波浪动力装置5和水力涡轮机9产生的高压油输送到集中式液压储能装置11储存。稳定浮筒8不仅可以安装水力涡轮机9，而且远离中心浮筒及锚定1，可以提高整体的稳定性。波浪动力装置5不仅可以用于波浪发电，而且也能够起到液压缓冲的作用，减缓中心浮筒及锚定1和稳定浮筒8的在波浪中的波动。

3、采用集中储能并列发电方式提高发电效率和发电品质

本发明利用了由蓄能器30和油箱31构成的集中式液压储能装置11和多台发电机32和液压马达33构成的并列式发电系统12，能够克服目前低风速、低流速和小风浪的情况下发电效率低和速度变化难以保持恒定频率的缺点，这样的技术方案采用同步发电机不仅提高了效率而且能够保证稳定的频率。

4、充分利用现有成熟技术，加工制造和安装简便

1)采用了大直径低高度的H型垂直轴风轮15，风轮主轴16上安装2-4组轮辐17，每组轮辐17安装1-4个等截面直叶片18，这样的风轮可以保证所需的扫风面积和实度要求，大直径的风轮转速低稳定性好，叶片远离主轴提高了效率，低高度的风轮降低了重心，提高了整机稳定性，低高度的风轮叶片也短，短且等截面的直叶片可以采用不锈钢钢板焊接制造，低高度的风轮还可以取消大多数垂直轴风力发电机组使用的钢丝绳张拉系统。

2)水力涡轮机9采用了竖轴式水力涡轮27，不受水流方向的影响，来自任意方向的水流均能驱动液压泵29输出高压油到集中式液压储能装置11中，不仅能够提高洋流能的利用率，还由于水力涡轮27的叶片也是等截面的直叶片，可以采用不锈钢钢板焊接制造。

3)在并列式发电系统12中应用液压马达33驱动同步发电机32发电，结构简单，效率也高，发电品质也好。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1：海上浮动式风力洋流和波浪发电站组成

图2：H型垂直轴风力机通过齿轮啮合驱动液压泵或发电机

图3：H型垂直轴风力机直接驱动立轴直驱发电机

图4：水力涡轮机组成

图5：悬浮仓设备组成

图中：1.中心浮筒及锚定、2.悬浮仓、3.万向弹性支撑、4.风力涡轮机、5.波浪动力装置、6.铰接支座、7.连接臂、8.稳定浮筒、9.水力涡轮机、10.球轴承支撑、11.储能装置、12.发电系统、13.控制系统、14.辅助系统、15.H型垂直轴风轮、16.风轮主轴、17.轮辐、18.叶片、19.垂直液压支撑、20.水平滚轮支撑、21.盘式制动装置、22.大齿圈、23.小齿轮、24.液压泵、25.发电机、26.直驱发电机、27.水力涡轮、28.弹性支撑、29.液压泵、30.蓄能器、31.油箱、32.发电机、33.液压马达

具体实施方式

图1是一种海上浮动式风力洋流和波浪发电站结构组成，中心浮筒及锚定1通过拉索和地锚的固定漂浮在海面上。风力涡轮机4安装在悬浮仓2上，在悬浮仓2内部布置储能装置11、发电系统12、控制系统13和辅助系统14，还加装压仓水或其它压仓物，悬浮仓2通过万向弹性支撑3安装在中心浮筒及锚定1上，形成一个头轻脚重中间弹性支撑结构。在中心浮筒及锚定1的周围布置4-8个稳定浮筒8，水力涡轮机9通过球轴承支撑10安装在稳定浮筒8的底部，连接臂7通过铰接支座6铰接在中心浮筒及锚定1上，一端连接波浪动力装置5，另一端连接稳定浮筒8。

图1所示的结构中风力涡轮机4采用了H型垂直轴风轮15，在风力的作用下旋转，垂直安装的风轮主轴16通过齿轮啮合驱动液压泵24输出高压油到集中式液压储能装置11中，也可以通过齿轮啮合驱动发电机25发电或直接驱动直驱发电机26发电。

图1所示的结构中稳定浮筒8在海面波浪的作用下相对与中心浮筒及锚定1作垂直上下运动或水平偏摆运动，连接臂7绕铰接支座6来回摇摆或转动，驱动波浪动力装置5中的往复式液压泵输出高压油到集中式液压储能装置11中。

图1所示的结构中稳定浮筒8底部安装水力涡轮机9，竖轴式水力涡轮27深入海水，在洋流的作用下旋转，驱动液压泵29输出高压油到集中式液压储能装置11中。

图1所示的结构中采用由蓄能器30和油箱31组成的集中式液压储能装置11，通过管道收集并储存来自风力涡轮机4、波浪动力装置5和水力涡轮机9产生的高压油。

图1所示的结构采用由2-4台发电机32和2-4台液压马达33组成的并列式发电系统12，来自集中式液压储能装置11的高压油驱动液压马达33带动发电机32发电。

图2是H型垂直轴风力机通过齿轮啮合驱动液压泵或发电机的结构组成，风力涡轮机4采用大直径低高度的H型垂直轴风轮15，风轮主轴16上安装2-4组轮辐17，每组轮辐17安装1-4个等截面直叶片18，风轮主轴16安装有大齿圈22，通过2-4个小齿轮23驱动2-4台液压泵24输出高压油，或者驱动2-4台发电机25发电，或者通过4个小齿轮23驱动2台液压泵24和2台发电机25；垂直液压支撑19和水平滚轮支撑20分别在垂直和水平2个方向支撑着风轮15，确保风轮15的正常旋转运行，盘式制动装置21在风轮15减速停车时使用，并在停车状态下确保风轮15不会旋转。

图3是H型垂直轴风力机直接驱动立轴直驱发电机的结构组成，风力涡轮机4的风轮主轴16直接驱动一台立式直驱发电机26发电，和图2结构相比，除采用直驱发电机26外，还少了大齿圈22、小齿轮23、液压泵24和发电机25。

图4是水力涡轮机结构组成，竖轴式水力涡轮27深入海水，通过球轴承支撑10连接液压泵29，弹性支撑28支撑液压泵29，防止旋转并适应稳定浮筒8的偏摆，球轴承支撑10还具有密封功能防止海水渗透。

图5是悬浮仓设备组成，悬浮仓2内部有由蓄能器30和油箱31组成的集中式液压储能装置11、2-4台发电机32和2-4台液压马达33组成的并列式发电系统12、控制系统13和辅助系统14，悬浮仓2内部还可以加装压仓水或其它压仓物，通过万向弹性支撑3安装在中心浮筒及锚定1上。

Claims (10)

1.一种海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于包括中心浮筒及锚定(1)、悬浮仓(2)、万向弹性支撑(3)、风力涡轮机(4)、波浪动力装置(5)、铰接支座(6)、连接臂(7)、稳定浮筒(8)、水力涡轮机(9)、球轴承支撑(10)、储能装置(11)、发电系统(12)、控制系统(13)、辅助系统(14)；其中：中心浮筒及锚定(1)通过拉索和地锚固定漂浮在海面上，悬浮仓(2)通过万向弹性支撑(3)安装在中心浮筒及锚定(1)上，风力涡轮机(4)安装在悬浮仓(2)上，在中心浮筒及锚定(1)的周围布置4-8个稳定浮筒(8)，连接臂(7)通过铰接支座(6)铰接在中心浮筒及锚定(1)上，一端连接波浪动力装置(5)，另一端连接稳定浮筒(8)，水力涡轮机(9)通过球轴承支撑(10)安装在稳定浮筒(8)的底部，悬浮仓(2)内部布置储能装置(11)、发电系统(12)、控制系统(13)、辅助系统(14)。

2.如权利要求1所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于悬浮仓(2)中加装压仓水或其它压仓物，由风力涡轮机(4)、悬浮仓(2)和万向弹性支撑(3)组成头轻脚重中间弹性支撑的自动调节稳定结构。

3.如权利要求1所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于波浪动力装置(5)靠近铰接支座(6)，构成大杠杆比的结构。

4.如权利要求1和2所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于风力涡轮机(4)采用大直径低高度的H型垂直轴风轮(15)，风轮主轴(16)上安装2-4组轮辐(17)，每组轮辐(17)安装1-4个等截面直叶片(18)，结构还包括：垂直液压支撑(19)、水平滚轮支撑(20)和盘式制动装置(21)。

5.如权利要求1、2和4所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于风力涡轮机(4)的风轮主轴(16)安装有大齿圈(22)，通过2-4个小齿轮(23)分别驱动液压泵(24)或发电机(25)。

6.如权利要求1、2和4所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于风力涡轮机(4)的风轮主轴(16)直接驱动立轴式直驱发电机(26)。

7.如权利要求1和2所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于波浪动力装置(5)结构为往复式液压泵。

8.如权利要求1和2所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于水力涡轮机(9)采用等截面直叶片的竖轴式水力涡轮(27)、结构还包括：弹性支撑(28)和液压泵(29)。

9.如权利要求1、5、7和8所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于采用集中液压储能装置(11)，风力涡轮机(4)、波浪动力装置(5)和水力涡轮机(9)产生的高压油汇集至集中式液压储能装置(11)中，结构包括：蓄能器(30)和油箱(31)。

10.如权利要求1和9所述的海上浮动式风力洋流和波浪发电站，其特征在于采用并列式发电系统(12)，来自集中液压储能装置(11)的高压油驱动液压马达和发电机发电，结构包括：2-4台同步发电机(32)和2-4台液压马达(33)。

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