CN103573535A

CN103573535A - 气囊式海上发电平台

Info

Publication number: CN103573535A
Application number: CN201310455175.7A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 丁汉卿; 韩蒙蒙
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103573535B

Abstract

一种气囊式海上发电平台，以锚泊方式固定于小岛附近的海域，由气囊提供浮力支持以螺栓连接起来的各个铝合金箱体组成的平台，每一个箱体上安装不同功能的组件，组成整个发电系统。发电系统由太阳能发电机、风力发电机、海流发电机、储能装置和配电装置组成。在平台工作时，发电机组产生的电能通过配电系统控制，多余的电能通过制氢电解池制取氢气，将氢气供给燃料电池。电力不足时便可使用燃料电池辅助供电。平台发出的电力通过海底电缆作为输电系统供给小岛上的用电设备。本发明全部采用清洁可再生能源供电，设置于小岛外的近海海域，系统的各个部件通过安装在不同的箱体上来实现模块化，有无污染，方便搭建，节省小岛空间的优点。

Description

气囊式海上发电平台

技术领域

本发明涉及发电装置，特别是一种气囊式海上发电平台。

背景技术

目前随着海洋的进一步开发，远海岛屿的供电问题亟需解决，一些较大的岛屿通常是在岛上建立电站，但这些岛上电站普遍存在以下不足之处：占用岛屿宝贵的土地资源；化石燃料为主的发电方式破坏生态坏境；在远海岛屿建电站这种大型工程工期很长，但远海岛屿天气多变不利于长期施工，原材料缺乏，所需的人力、物力依赖远洋运输成本较大。特别是还有一些岛礁会季节性的被海水淹没，根本不适合建立电站。但在一年的某些月份，这些岛屿需要驻人，因而这些岛屿一年中几个特定的月份需要供电。目前尚没有能够很好地满足这一特殊用电需求的解决方案，而我们设计的海上发电平台便于安装拆卸，能够在需要用电的岛屿附近快速搭建，用户岛屿不驻人之后可以托运到其他岛屿附近重复利用。而且对不同海域的适应性能力较强，可根据不同的海域的风能，太阳能，海流能地丰富度，较为方便的调整各种能源的发电比例，从而最大限度的提高能源的综合利用率。

经过文献资料的检索发现，申请号为201110041079.9的中国发明专利公开了一种深海漂浮式同步收集海风海浪海流能的海上发电平台，这种海上发电平台由四方体巨型框架连接多个浮箱，浮箱中设有相互用锥齿轮连接的纵轴和横轴，横轴上安设若干个浮体式波浪能收集装置。海风海流收集装置为发电短横轴以锥齿轮与横轴和纵轴连接，发电横轴伸入浮箱内部，驱动发电机发电。但浮体式和浮摆式的波浪能收集装置的效率是非常低的，如果只利用海流能和波浪能作为能源很难达到高发电功率，且发电电压不平稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气囊式海上发电平台，该气囊式海上发电平台针对目前远海岛屿用电的特点，综合利用风能、太阳能、波浪能，为小岛提供每日所需的电力，该发电平台由可拆卸的不同功能模块组成，运输、安装和使用方便，既具有降低环境污染，节约小岛空间，又提高了发电平台的利用率。

本发明的技术解决方案如下：

一种气囊式海上发电平台，其特点在于，包括：气囊、锚泊系统、发电系统、输配电系统和储能系统，以锚泊方式固定于小岛附近的海域，多个箱体用螺栓连成一体构成一个平台，箱体通过合金铰链与所述的气囊的围裙布连接在一起，所述的气囊为所述的平台提供浮力，所有箱体分为多个风力发电箱体、多个太阳能发电箱体、多个海流发电箱体和储能箱体：

每个风力发电箱体有一台风力发电机，顶部和侧壁分别开有通孔，风力发电机叶片通过风力发电机塔架固定在箱体顶上，箱体内设置有控制器和逆变器，风力发电机的输电线从箱体侧壁的开孔连接到所述的储能箱体；

每个太阳能发电箱体设有太阳能发电机，太阳能电池板塔架通过螺栓将太阳能电池板固定在太阳能发电箱体的顶部，逆变器和控制器安装在箱体内部，箱体侧壁有开孔，太阳能发电机自带的输电线经侧壁开孔连接到所述的储能箱体；

每个海流发电箱体有一台水轮发电机，箱体内设置有控制器和逆变器，箱体的底部开有工艺孔，海流发电机的叶轮轴的首部固定在箱体的顶部，通过箱体下部的工艺孔，将发电的叶轮放入水下，涡轮机带有自动对水装置，叶轮根据海流的方向转动，水平轴采用液压式伸缩轴；

所述的储能系统由电解池、氢储存罐和燃料电池组成，安装在所述的储能箱体中；所述的输配电系统包括升压变压器、输电线路、降压变压器。

所述的箱体为金属箱体，特别是铝合金箱体。

所述的塔架具有高度调整机构。

所述的气囊与箱体通过铰链连接，能够快速充气。

所述的储能系统由电解池、氢储存罐和燃料电池组成，电解池中产生氢气为燃料电池充电，在电力不足时，燃料电池即可作为辅助电源为负荷供电。

本发明相对于其他的小岛发电系统具有以下优点：

第一，由于本海上发电平台利用气囊式平台作为发电机的承载平台，不占用岛屿的陆地空间；

第二，本发电平台的各种发电机、控制器与储能系统均分别安装在金属箱体之中，在安装及拆卸的时候只需要将箱体整个装拆即可。

附图说明

图1为本发明气囊式发电平台三维总体视图。

图2为本发明铝合金箱体内部结构图。

图3为气囊式发电平台电路示意图。

图4为储能系统示意图。

图中

1：风力发电机叶片；2：太阳能电池板；3：太阳能电池板塔架；4：风力发电机塔架；5：铝合金箱体；6：气囊；7：海流发电机塔架；8：海流发电机涡轮。9：工艺孔；5：铝合金箱体；10：输电线路；11：控制器；12：逆变器。22：风力发电系统；23：太阳能发电系统；24：海流发电系统；25：直流总线；5：直流变流器；27：直流/交流逆变器；28：交流总线；29：负荷；26：电解池；30：氢储存罐；31：燃料电池；32:电解池；33：输气管；34：氢储存罐；35：输电线；36：海底电缆；37：降压变压器。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明气囊式发电平台三维总体视图。由图可见，本发明气囊式海上发电平台，包括：气囊6、锚泊系统、发电系统、输配电系统和储能系统，以锚泊方式固定于小岛附近的海域，多个箱体5用螺栓连成一体构成一个平台，箱体5通过合金铰链与所述的气囊6的围裙布连接在一起，所述的气囊6为所述的平台提供浮力，所有箱体5分为多个风力发电箱体、多个太阳能发电箱体、多个海流发电箱体和储能箱体：

每个风力发电箱体有一台风力发电机，顶部和侧壁分别开有通孔，风力发电机叶片1通过风力发电机塔架4固定在箱体顶上，箱体内设置有控制器11和逆变器12，风力发电机的输电线从箱体侧壁的开孔连接到所述的储能箱体；

每个太阳能发电箱体设有太阳能发电机，太阳能电池板塔架3通过螺栓将太阳能电池板2固定在太阳能发电箱体的顶部，逆变器和控制器安装在箱体内部，箱体侧壁有开孔，太阳能发电机自带的输电线经侧壁开孔连接到所述的储能箱体；

每个海流发电箱体有一台水轮发电机，箱体内设置有控制器11和逆变器12，箱体的底部开有工艺孔，海流发电机的叶轮轴的首部固定在箱体的顶部，通过箱体下部的工艺孔，将发电用的叶轮放入水下，涡轮机带有自动对水装置，叶轮根据海流的方向转动，水平轴采用液压式伸缩轴；

所述的储能系统由电解池32、氢储存罐34和燃料电池31组成，安装在所述的储能箱体中；

所述的输配电系统包括升压变压器、海底输电线路36、降压变压器37。

气囊式海上发电平台以锚泊方式固定于小岛附近的海域，以气囊提供浮力，由螺栓连接起来的不同功能的铝合金箱体组成，每种箱体上方及内部安装不同功能的组件，相互配合组成整个发电系统。

箱体按照功能可以分为太能能发电箱体，风能发电箱体，海流能发电箱体，储能箱体。本发明气囊式海上发电平台一个实施例的年发电量20万千瓦时，主要由气囊、72块太阳能电池板、18台风力发电机、8台海流发电机、17块燃料电池和配电装置组成。在平台工作时，三种发电机组（风力发电、太阳能发电、海流发电，以下有时简称为风、光、流发电系统）产生的电能通过配电系统控制为负载供电，多余的电能通过制氢电解池制取氢气储能，氢气供给燃料电池。电力不足时便可使用燃料电池辅助供电。平台发出的电力通过海底电缆供给小岛上的用电设备。

气囊环绕在铝合金箱体外层，铝合金箱体通过铝合金铰链与气囊的围裙布连接。铝合金箱体之间通过螺栓连接组合起来，形成一个大平台。铝合金箱内部侧壁上设有扶强材以增加系统强度，增强抗风浪能力。

每个风力发电箱体有一台风力发电机，风力发电机的塔架通过螺栓固定在风力发电箱体的顶部，塔架可调整高度，逆变器跟控制器固定在箱体内部，箱体侧壁有开孔，输电线通过开孔最终连接到储能箱体。

每个太阳能发电箱体有6快太阳能电池板，太阳能发电板安装在塔架上，塔架通过螺栓固定在太阳能发电箱体的顶部，逆变器跟控制器安装在箱体内部，箱体侧壁有开孔，输电线通过开孔最终连接到储能箱体。

海流发电机采用水平轴式涡轮发电机，轴的首部固定在箱体的顶部，工作的时候，通过箱体下部的工艺孔，将发电用的叶轮放入水下。涡轮机带有自动对水装置，叶轮可根据海流的方向转动。水平轴采用液压式伸缩轴，可以伸缩，搬运的过程中可以压缩起来收在铝合金箱体中。

储能系统由电解池、氢储存罐和燃料电池组成。发电量较高时，多余的电力支持电解池中电解水制取氢气的过程。制取的氢气储存在氢储存罐中，可以为燃料电池充电。在风光流发电系统发电量不足时，便可使用燃料电池作为辅助电源为负载供电。

海流发电机的具体设计如下：涡轮的主轴连接后边的变速箱，变速箱由齿轮组组成，变速箱与发电机相连。变速箱和发电机都装在一个密闭的箱体中，箱体焊接在中空的水平轴上，发电机电线通过中空的水平轴连接到上方的逆变器中。由于海流的方向按时间变化，因此为了保证涡轮随时正对水流保证最大发电效率，还需要一个专门的对水装置。对水装置的详细原理为：首先利用流向仪测得水流的流向，然后与实际涡轮角度相比较，决定叶轮的偏航角，之后驱动叶轮的变桨距机构使叶轮转向。

对于独立运行的海上平台发电系统，因为所供电的小岛离发电平台较远，因此就需要在系统中增加输电系统的部分，以增加电能传输的能力和距离，减小传输的损耗。类似于一般电力系统的输电系统，独立运行发电系统的输电系统主要由以下几部分构成:升压变压器、输电线路、降压变压器。三种发电系统的输出电压经过逆变器升压，通过海底电缆传输至小岛，经过小岛上的降压变压器调整为居民可用电压，为小岛居民提供电力。

在上述混合发电系统中，风、光、流互补发电为主用电源，当风能、太阳能、潮流能资源较充足时，风光流系统承担全部负荷的供电;当风能、太阳能、海流能资源不足，发电量较小不能满足全部负荷时，则由备用电源分担负荷，当无风、无光或机组故障时，备用电源单独供电。燃料电池为备用电源，配合风光流发电系统向负荷不间断供电。为保证用户24h的用电要求，该系统的主要运行方式为:

1)白天供电方式

①负荷较小时，主要由风力发电向用户供电，光伏阵列及潮流发电机产生的电能用于制取氢气储存起来，以备再生能源不足时使用，过剩的风电也可用于电解水制取氢气;

②负荷较大时，而风能较小时，由风、光、流联合向负荷供电。

③负荷较大而风能、太阳能、海流能资源不足时，由风能、太阳能、海流发电和备用电源联合向负荷供电。

2)夜晚供电方式

①在风能充足的情况下，主要由风力发电向负荷供电，过剩的电能可以用于电解水制取氢气;

②风能不足，负荷较大，风力发电无法满足电能需求时，燃料电池起动向负荷提供所需要的电能。

3)特殊情况供电方式

当连续出现阴雨无风天气时，则由燃料电池及海流发电装置向重要负荷供电。

为了保护独立发电系统的供电，实现对混合发电系统的功率管理控制，在各子系统终端分别使用了相应的功率控制环节，将整个系统有机结合在一起。在上述系统中，功率控制基于两条定直流电压总线，分别位于风力电机、潮流电机、光伏阵列侧和燃料电池发电系统侧。采用固定的直流电压总路线，也是为了稳定向电解池侧的输出功率，因为电解池端电压的波动会增加电能损耗，并使产生的氢纯度降低。

本发明中各个部分的主要材料为：气囊采用国产57703型围裙布为材料，风力发电机采用5Kw风机，太阳能电池板采用200W单晶硅太阳能电池板，蓄电池采用燃料电池。本专利中的各个部件均可方便地从市场中购买得到。

图1为气囊式海上发电平台的结构示意图。气囊6通过金属铰链与铝合金箱体5相连，作用是为整个平台提供浮力；铝合金箱体5彼此之间用螺栓连接，形成整个大平台。铝合金箱体5上安装有18台风力发电机、12组太阳能电池板和8台海流发电机。太阳能电池板2以六块为一组。整个系统由锚链系泊于海底。风力发电机的塔架4和太阳能电池板的塔架3通过铝合金箱体上的工艺孔9通入箱体内部，通过螺栓固定在箱体的底部。塔架底部固定4块三角板以增加系统的强度。海流发电机主轴7的首部固定在箱体的顶部，工作的时候，通过箱体下部的工艺孔，将发电用的叶轮8放入水下。涡轮机带有自动对水装置，叶轮可根据海流的方向转动。水平轴采用液压式伸缩轴，可以伸缩，搬运的过程中可以压缩起来收在铝合金箱体5中。发电系统产生的电力通过逆变器12升压后，通过海底输电线路36输送至小岛上。经过安置在小岛上的降压变压器37降压之后即可为小岛正常供电。

图2为铝合金箱体内部结构示意图。铝合金箱体5在上部和侧面上开有工艺孔9，方便风力发电机、太阳能电池板和海流发电机的塔架通过箱体并固定在箱体上。输电线路10将风力发电机、太阳能电池板与海流发电机与安设于铝合金箱体中的控制器11和逆变器12相连，然后通过侧壁上的工艺孔9连接至蓄电池处。

图3为本发电平台的电路示意图。风力发电系统由18台风力发电机1和与之相配的逆变器12、控制器11组成；太阳能发电系统14由12组太阳能电池板2和配套的逆变器12、控制器11组成；海流发电系统由8台海流发电机风力发电系统13、太阳能发电系统14和海流发电系统15组成了整个的发电系统，上述发电系统按照图1中的排列方式设置于铝合金箱体构成的平台上。该系统产生的电力一部分用于给负载29供电，多余的电能通过储能系统储存起来。储能系统由电解池26，氢储存罐30和燃料电池31组成。该储能系统固定于平台上的储能系统箱体里。电解池26中产生氢气为燃料电池31充电。在电力不足时，燃料电池24即可作为辅助电源为负荷29供电。在上述系统中，功率控制基于两条定直流电压总线25，分别位于风力电机、潮流电机、光伏阵列侧和燃料电池发电系统侧。交流总线28为向岛上输送电力的输电系统。输出电压经过逆变器升压，通过海底电缆传输至小岛，经过小岛上的降压变压器调整为居民可用电压，为小岛居民提供电力。

图4为储能系统示意图。储能系统由电解池32、输气管33、氢储存罐34与燃料电池31组成。整个储能系统设于储能系统箱体内部。输气管33分为氢气管与氧气管，输电线35分为输入电路和输出电路。在发电系统产生的电力多于用户的消耗时，输电线35将发电系统产生的多余电力输送至电解池32，使电解池32中电解水产生氢气，产生的氢气通过输气管33输送并储存在氢储存罐34中。在燃料电池31需要为用户供电时，氢储存罐34通过输气管33将氢气输送至燃料电池31中，为燃料电池充电。燃料电池通过输电线路35对外供电。

该系统的主要运行方式为:

1)白天供电方式：

①负荷较小时，主要由风力发电系统22向负荷29供电，光伏阵列23及潮流发电系统24产生的电能在电解池26中电解水来产生氢气储存在氢储存罐30中，以备再生能源不足时使用，过剩的风电也可用于电解水制取氢气;

②负荷较大时，而风能较小时，由风22、光23、流24联合向负荷供电。

③负荷较大而风能、太阳能、海流能资源不足时，由风22、光23、流24、燃料电池31联合向负荷供电。

2)夜晚供电方式

①在风能充足的情况下，主要由风力发电22向负荷供电，过剩的电能可以用于电解水制取氢气;

②风能不足，负荷较大，风力发电22无法满足电能需求时，燃料电池31起动向负荷提供所需要的电能。

3)特殊情况供电方式

当连续出现阴雨无风天气时，则由燃料电池31及潮流发电装置24向重要负荷供电。

Claims

1.一种气囊式海上发电平台，其特征在于，包括：气囊、锚泊系统、发电系统、输配电系统和储能系统，以锚泊方式固定于小岛附近的海域，多个箱体（5）用螺栓连成一体构成一个平台，箱体通过合金铰链与所述的气囊（6）的围裙布连接在一起，所述的气囊为所述的平台提供浮力，所有箱体（5）分为多个风力发电箱体、多个太阳能发电箱体、多个海流发电箱体和储能箱体：

每个风力发电箱体有一台风力发电机，顶部和侧壁分别开有通孔，风力发电机叶片（1）通过风力发电机塔架（4）固定在风力发电箱体的顶部，箱体内设置有控制器（11）和逆变器（12），风力发电机的输电线从箱体侧壁的开孔连接到所述的储能箱体；

每个太阳能发电箱体有一台太阳能发电机，太阳能电池板塔架（13）通过螺栓将太阳能电池板（2）固定在太阳能发电箱体的顶部，箱体内设置有逆变器（11）和控制器（12），箱体侧壁有开孔，太阳能发电机自带的输电线经侧壁开孔连接到所述的储能箱体；

每个海流发电箱体有一台水轮发电机，箱体内设置有控制器（11）和逆变器（12），箱体的底部开有孔，海流发电机轴的首部固定在海流发电箱体的顶部，通过箱体下部的孔，将发电用的叶轮放入水下，涡轮机带有自动对水装置，叶轮根据海流的方向转动，水平轴采用液压式伸缩轴；

2.根据权利要求1所述的气囊式发电平台，其特征在于所述的箱体为铝合金箱体。

3.根据权利要求1所述的气囊式发电平台，其特征在于所述的塔架具有高度调整机构。

4.根据权利要求1所述的气囊式发电平台，其特征在于所述的气囊与箱体通过铰链连接，能够快速充气。