CN103895823B - 潜浮聚能导向式波浪能发电平台 - Google Patents

Abstract

一种潜浮聚能导向式波浪能发电平台，属于海洋工程和波能发电装备技术领域。这种具有高效波能利用率的海上波浪发电平台，包括潜浮体、能源转换装置、锚泊系统三部分。该平台装置通过自动调整压载水系统控制调节潜浮体压载舱内的压载水量来适应多种工况，不受潮位和水深变化影响。通过调节锚泊系统以适应不同方向的风浪流力，使平台上的摆板调整到迎浪工作方向；潜浮体的入波端设置收缩式聚能导向波道，大幅度提高波能转换率。潜浮体的底部设置发电机、蓄电池等能源转换装置，维修成本低，缩短了机械能到电能的转换距离，提高了发电效率。该平台只需用锚链把潜浮体定位便可在近岸海区建立发电系统，是一种可靠、高效和经济的海上发电平台。

Description

潜浮聚能导向式波浪能发电平台

技术领域

本发明涉及一种潜浮聚能导向式波浪能发电平台，属于波能发电、清洁能源和海洋工程装备技术领域。

背景技术

海洋波浪能源是一种无穷无尽的可再生能量资源，如何利用这样丰富的能量资源为人类服务，是人们一直在研究的重要课题，利用波浪能发电就是其中一大课题。

目前从国内外研究状况来看，波浪发电装置主要有：（1）振荡水柱式波浪发电站。该类装置的优点在于水下活动部件少，通过空气媒介传递能量，减少了波浪的破坏性；缺点在于施工困难，建造费用昂贵，二级转换装置的效率较低。（2）固定于岸边的摆式波浪发电站。其优点是建造成本低，结构简单；缺点是抗波浪能力差，装置的维护较为困难。（3）收缩波道式波能发电站。该发电站设置于岸边，是一种混凝土挡波坝，波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库，涉及昂贵大规模的建造工程，对生态环境影响很大，其优点是水中活动部件少，可靠性高；缺点是对地形要求严格，受岸线地形、潮差及海岸保护等多方面因素的制约，只能收集一个方向的波浪，波能利用率低。分析研究国内外对海洋能源的开发利用现状不难看出，目前的各种波浪能发电系统，其出现的固定式共性缺点主要有：波能转换效率低，适应不同方向波浪及潮差能力差，抗台风能力差，不易维护，不能移动。

在这背景情况下，本发明研制了潜浮聚能导向式波浪能发电平台。本平台采用了潜浮式浮体，使发电平台可在波浪能资源丰富的海域作业，通过自动调整压载水系统控制调节潜浮体压载舱内的压载水量和压载水分布来适应作业工况、台风自存下潜工况、维修上浮工况和拖航移位工况等，机动灵活，便于海上维护和浮运，不受潮位高度变化影响和海域水深，以及海底地形的限制；通过自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，使平台上的摆板总是迎着来波浪方向工作，最大限度接收波浪能，提高摆板工作效率；采用了聚能导向波道结构，大幅度提高了波能转换效率；浮体提供更多空间用于安装发电机等发电储能配电等设备，可减少能量损耗，提高发电效率，简化浮箱电站与陆地的联系；该平台只需用锚链把潜浮体定位便可在任何有波浪的近岸海区建立发电系统，是一种可靠、高效和经济的海上发电平台。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种潜浮聚能导向式波浪能发电平台，该平台不仅可以大幅度提高波能转换效率，而且还具有结构简单、自适应能力强、可移动、可潜浮、可调向、集成性高、便于维护等优点。

本发明采用的技术方案是：一种潜浮聚能导向式波浪能发电平台包括潜浮体、能源转换装置、锚泊系统三部分，所述潜浮体包括一个浮箱、固定在浮箱甲板上的塔楼和设置在入波端的聚能导向波道，潜浮体内部分隔成控制系统舱、泵舱、发电机舱、蓄电池舱和多个压载舱，所述控制系统舱内设置风浪流参数测量采集系统、自动调整压载水系统、自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，所述塔楼顶端设置风向风速传感器,所述控制系统舱设置在塔楼内上部，所述泵舱、发电机舱、蓄电池舱设置在浮箱内中心部，所述压载舱左右对称设置在潜浮体内的其余部位,所述浮箱甲板设置波浪和海流方向传感器；所述能源转换装置包括设置在浮箱甲板上的摆板和第一液压缸、设置在发电机舱内的发电机、设置在蓄电池舱内的蓄电池、蓄能器、单向阀、高压继电器、低压继电器、液压马达、发电机调节器、安全阀、电磁阀和调速阀，所述摆板带动第一液压缸中的液压油经单向阀为蓄能器存储压力,所述蓄能器在高压继电器、低压继电器、电磁阀和调速阀的作用下推动液压马达转动，继而带动发电机发电，所述发电机经发电机调节器将电能储存到蓄电池中或传输到岸上。

所述潜浮体采用凹字形结构，包括一个浮箱、固定在浮箱甲板两侧上的坞墙和设置在入波端的聚能导向波道。

所述聚能导向波道采用平面坡道甲板逐渐上升，两侧垂直平面侧墙逐渐变窄的收缩式楔形结构。

所述聚能导向波道采用曲面坡道甲板逐渐上升，两侧垂直曲面侧墙逐渐变窄的收缩式喇叭形结构。

所述锚泊系统包括四个锚链、四个重力锚、四个安装在潜浮体顶部的角端的可控恒张力绞车和自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，重力锚锚定在海床上，锚链一端固定于重力锚，另一端连接恒张力绞车，锚链以潜浮体为中心，呈中心对称分布。

所述锚泊系统采用单浮筒刚臂系泊形式，包括二个刚性轭臂、一个浮筒，所述刚性轭臂的一端与固定在潜浮体前端的锚铰链成铰链连接，另一端与浮筒经转盘成转动连接，浮筒由若干悬浮锚链固定于海床上。

所述潜浮体包括一个浮箱、四个固定在浮箱顶部四角的坞塔、四个聚能导向墙、四个第二液压缸、一个设置在浮箱顶部中心的升降转动平台，所述聚能导向墙的一端与固定在坞塔上的第一支座成转动连接，另一端底部设置滚动轮，聚能导向墙转轴上设置角度传感器，所述第二液压缸的一端与固定在坞塔上的第二支座成转动连接，另一端与聚能导向墙经铰链成铰链连接，所述升降转动平台包括两层结构，第一层结构位于浮箱甲板上方，包括升降液压缸、升降平台、和升降剪刀支架，所述浮箱甲板上设置升降液压缸和升降剪刀支架，升降液压缸和升降剪刀支架上方设置升降平台，第二层结构位于升降平台上方，包括转动液压缸、转动平台和回转支承，所述升降平台上设置转动液压缸和回转支承，回转支承上方设置转动平台，转动液压缸与回转支承外圈连接，所述转动平台上方设置摆板和第一液压缸。

本发明的有益效果是：具有高效波能利用率的海上波浪发电平台，包括潜浮体、能源转换装置、锚泊系统三部分。该平台属于一种可潜浮式的海上波能发电平台装置，通过自动调整压载水系统控制调节潜浮体压载舱内的压载水量和压载水分布来适应作业工况、台风自存下潜工况、维修上浮工况和拖航移位工况等，机动灵活，便于海上维护和浮运，不受潮位高度变化影响和海域水深，以及海底地形的限制；通过调节锚泊系统以适应不同方向的波浪、海流和风力，使平台上的摆板总是能调整到迎着来波浪方向工作，在各种波浪工况下，尽可能多的捕获波浪能；能源转换装置设置在潜浮体平台上，可操作性强，便于维护，建造和维修成本低；潜浮体的入波端设置收缩式聚能导向波道，大幅度提高波能转换率；潜浮体的底部设置发电机、蓄电池等配电设备，缩短了机械能到电能的转换距离，提高了发电效率。该平台只需用锚链把潜浮体定位便可在任何有波浪的近岸海区建立发电系统，是一种可靠、高效和经济的海上发电平台。

附图说明

图1是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第一方案布置俯视图。

图2是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第一方案布置左视图。

图3是图1中的A-A视图。

图4是图1中的B-B视图。

图5是图1中的C-C视图。

图6是图3中的D-D视图。

图7是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第二方案布置俯视图。

图8是图7中的E-E视图。

图9是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第三方案布置俯视图。

图10是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第四方案布置俯视图。

图11是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第五方案布置主视图。

图12是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第五方案布置俯视图。

图13是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第五方案布置左视图。

图14是图11中的F-F视图。

图15是图12中的G-G视图。

图16是图12中的H-H视图。

图17是图13中的I的局部放大视图。

图18是潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第六方案布置俯视图。

图19是能源转换装置工作原理图。

图中：1、潜浮体，2、浮箱，3、坞墙，3a、坞塔，4、聚能导向波道，4a、平面坡道甲板，4b、平面侧墙，4c、曲面坡道甲板，4d、曲面侧墙，4e、聚能导向墙，5、泵舱，6、发电机舱，7、蓄电池舱，8、压载舱，9、控制系统舱，10、风向风速传感器，11、波浪和海流方向传感器，12能源转换装置，12a、摆板，12b、第一液压缸，12c、发电机，12d、蓄电池，12e、蓄能器，12f、单向阀，12g、高压继电器，12h、低压继电器，12i、液压马达，12j、发电机调节器，12k、安全阀，12n、电磁阀，12m、调速阀，13、第一支座，14、第二支座，15、第二液压缸，16、滚动轮，17、角度传感器，18、铰链，19、升降转动平台，19a、转动液压缸，19b、升降液压缸，19c、升降平台，19d、转动平台，19e、回转支承，19f、升降剪刀支架，20、锚链，21、重力锚，22、刚性轭臂，23、浮筒，24、锚铰链，25、转盘，26、恒张力绞车。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的结构做进一步描述。

图1、2、3、4、5、6示出了潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第一方案布置图。图中，这种潜浮聚能导向式波浪能发电平台包括潜浮体1、能源转换装置12、锚泊系统三部分，潜浮体1采用凹字形结构，包括一个浮箱2、固定在浮箱顶部两侧的坞墙3、设置在入波端的聚能导向波道4，聚能导向波道4采用平直坡道甲板4a逐渐上升，两侧垂直平面侧墙4b逐渐变窄的收缩式楔形状，潜浮体1内部分隔成控制系统舱9、泵舱5、发电机舱6、蓄电池舱7和多个压载舱8，控制系统舱9设置在坞墙3内上部，控制系统舱9内设置风浪流测量采集系统、自动调整压载水系统、自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，泵舱5、发电机舱6和蓄电池舱7设置在浮箱2内中心部，压载舱8左右对称设置在潜浮体1内的其余部位，坞墙3顶端设置风向风速传感器10,浮箱2甲板设置波浪和海流方向传感器11；能源转换装置12包括设置在浮箱2甲板上的摆板12a和第一液压缸12b、设置在发电机舱6内的发电机12c、设置在蓄电池舱7内的蓄电池12d等，发电机12c输出的电能经电缆储存到蓄电池12d中或传输到岸上；锚泊系统包括四个锚链20、四个重力锚21、四个安装在潜浮体1顶部的角端的可控恒张力绞车26和自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，重力锚21锚定在海床上，锚链20一端固定于重力锚21，另一端连接恒张力绞车26，锚链20以潜浮体1为中心，呈中心对称分布。

图7、8示出了潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第二方案布置图。能导向波道4采用曲面坡道甲板4c逐渐上升，两侧垂直曲面侧墙4d逐渐变窄的收缩式喇叭形状。

图9示出了潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第三方案布置图。聚能导向波道4采用收缩式楔形状，锚泊系统采用单浮筒刚臂系泊形式，包括二个刚性轭臂22、一个浮筒23，刚性轭臂22的一端与固定在潜浮体1前端的锚铰链24成铰链连接，另一端与浮筒23经转盘25成转动连接，浮筒23由若干悬浮锚链固定于海床上。

图10示出了潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第四方案布置图。聚能导向波道4采用收缩式喇叭形状，锚泊系统采用单浮筒刚臂系泊形式。

图11、12、13、14、15、16示出了潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第四方案布置图。潜浮体1包括一个浮箱2、四个固定在浮箱2顶部四角的坞塔3a、四个聚能导向墙4e、四个第二液压缸15、一个设置在浮箱2顶部中心的升降转动平台19，聚能导向墙4e的一端与固定在坞塔3a上的第一支座13成转动连接，另一端底部设置滚动轮16，聚能导向墙4e设有角度传感器17，第二液压缸15的一端与固定在坞塔3a上的第二支座14成转动连接，另一端与聚能导向墙4e经铰链18成铰链连接，潜浮体1内部分隔成控制系统舱9、泵舱5、发电机舱6、蓄电池舱7和多个压载舱8，控制系统舱9设置在坞塔3a内上部，控制系统舱9内设置风浪流测量采集系统、自动调整压载水系统、自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，泵舱5、发电机舱6和蓄电池舱7设置在浮箱2内中心部，压载舱8左右对称设置在潜浮体1内的其余部位，坞塔3a顶端设置风向风速传感器10,浮箱2甲板设置波浪和海流方向传感器11；锚泊系统包括四个锚链20、四个重力锚21、四个安装在坞塔3a顶部的角端的可控恒张力绞车26和自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，重力锚21锚定在海床上，锚链20一端固定于重力锚21，另一端连接恒张力绞车26，锚链20以潜浮体1为中心，呈中心对称分布。

图17升降转动平台19的放大图。升降转动平台19包括两层结构，第一层结构位于浮箱2甲板上方，包括升降液压缸19b、升降平台19c、和升降剪刀支架19f，升降剪刀支架19f和升降液压缸19b设置在浮箱16甲板和升降平台19c之间，升降液压缸19b可以带动升降剪刀支架19f抬高和降低同时带动升降平台19c的升降，第二层结构位于升降平台19c上方，包括转动液压缸19a、转动平台19d和回转支承19e，升降平台19c上设置转动液压缸19a和回转支承19e，回转支承19e上方设置转动平台19d，转动液压缸19a与回转支承19e外圈连接，驱动转动液压缸19a可以带动回转支承19e外圈旋转，从而带动转动平台19d的旋转。

图18示出了潜浮聚能导向式波浪能发电平台的第五方案布置图。锚泊系统采用单浮筒刚臂系泊形式，包括二个刚性轭臂22、一个浮筒23，刚性轭臂22的一端与固定在潜浮体1前端的锚铰链24成铰链连接，另一端与浮筒23经转盘25成转动连接，浮筒23由若干悬浮锚链固定于海床上。

图19示出了能源转换装置工作原理图。能源转换装置12包括摆板12a、第一液压缸12b、发电机12c、蓄电池12d、蓄能器12e、单向阀12f、高压继电器12g、低压继电器12h、液压马达12i、发电机调节器12j、安全阀12k、电磁阀12n和调速阀12m，在波浪作用下摆板12a来回摆动，带动第一液压缸12b活塞做往复运动，当活塞向下运动时，其内部压力增大，液压油通过单向阀12f为压力较低的蓄能器12e存储压力,由于波浪的能量随海浪级别而不断变化，蓄能器12e在高压继电器12g和低压继电器12h的作用下，可为液压马达12i提供稳定的压力能，当蓄能器12e内部压力过高时，高压继电器12g工作，使电磁阀12n工作在右位，蓄能器12e内的高压液压油随液压油管路经调速阀12m进入液压马达12i，使液压马达12i转动,调速阀12m可以调节阀开口的大小，通过调节开口大小调节流量，进而调节液压马达12i的转速,当蓄能器12e内部压力过低时，低压继电器12h工作，电磁阀12n工作在左位，继续为蓄能器12e存储压力能，蓄能器12e有多组，这样可以轮换工作，使液压马达2g始终可以转动,驱动液压马达2g的液压油在将压力能转换为液压马达12i的机械能后，压力减小，从回油管路进入第一液压缸12b,如果液压油压力高于某一危险数值时，可以使安全阀12k打开，液压油从回油管路重新返回第一液压缸12b内部，此时活塞也会重新向上运动,液压马达12i的转动可以带动发电机12c发电，发电机12c通过发电机调节器12j将电能储存到蓄电池12d中或传输到岸上。

上述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台在使用时，先把发电平台浮运到波浪能丰富的海域，通过自动调整压载水系统控制调节调节潜浮体1压载舱8内的压载水量和压载水分布来适应工作海域的海况和地形限制，根据波高调整潜浮体吃水高度，达到摆板12a最佳工作水深。吃水调整好后，发电平台进行四角抛锚，通过自适应控制恒张力绞车的锚泊系统控制四角恒张力绞车26的牵引力，从而调整发电平台工作姿态，使发电平台总可以迎着来波方向工作，在各种波况下尽可能多的捕获波浪能，潜浮体1入波端设置的收缩式聚能导向波道4可以大幅度提高波能转换率，也可以通过第二液压缸15来调整聚能导向波道4e的收缩角度，通过升降转动平台19来调整摆板12a的空间位置，以大幅度提高波能利用率。通过摆板式波能吸收装置带动发电机12c发电，输出的电能经电缆储存到蓄电池12d中或传输到岸上。在作业工况下，如果波向发生改变，波浪和海流方向传感器11会输出信号，自适应控制恒张力绞车的锚泊系统会控制四角恒张力绞车26的牵引力，使发电平台转动以对准来波方向，若波向改变较小，也可通过升降转动平台19来微调摆板12a角度以对准来波方向；如果潮位发生改变，自动调整压载水系统会调整潜浮体1的压载水量和压载水分布来适应潮位，若潮差较小，也可通过升降转动平台19来微调摆板12a的高度以适应潮位。在自存工况下，可以将工作工况下的四点系泊方式切换成单点系泊形式，以使发电平台自适应所处海域的风、浪、流环境。如果发电平台在工作过程中有装置损坏，可以通过调节潜浮体1压载舱8内的压载水量使浮箱甲板浮出水面，方便工作人员在浮箱甲板上进行维修。如果发电平台在工作过程中遭遇极端恶劣海况，可以通过调节潜浮体1压载舱8内的压载水量使发电平台潜入水中或坐地以躲避恶劣海况，必要时也可将发电平台浮运到其它安全地区。

Claims (7)

1.一种潜浮聚能导向式波浪能发电平台，包括潜浮体（1）、能源转换装置（12）、锚泊系统三部分，其特征是：所述潜浮体（1）包括一个浮箱（2）、固定在浮箱（2）甲板上的塔楼和设置在入波端的聚能导向波道（4），潜浮体（1）内部分隔成控制系统舱（9）、泵舱（5）、发电机舱（6）、蓄电池舱（7）和多个压载舱（8），所述控制系统舱（9）内设置风浪流参数测量采集系统、自动调整压载水系统、自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，所述塔楼顶端设置风向风速传感器（10）,所述控制系统舱（9）设置在塔楼内上部，所述泵舱（5）、发电机舱（6）、蓄电池舱（7）设置在浮箱（2）内中心部，所述压载舱（8）左右对称设置在潜浮体（1）内的其余部位,所述浮箱（2）甲板设置波浪和海流方向传感器（11）；所述能源转换装置（12）包括设置在浮箱（2）甲板上的摆板（12a）和第一液压缸（12b）、设置在发电机舱（6）内的发电机（12c）、设置在蓄电池舱（7）内的蓄电池（12d）、蓄能器（12e）、单向阀（12f）、高压继电器（12g）、低压继电器（12h）、液压马达（12i）、发电机调节器（12j）、安全阀（12k）、电磁阀（12n）和调速阀（12m），所述摆板（12a）带动第一液压缸（12b）中的液压油经单向阀（12f）为蓄能器（12e）存储压力,所述蓄能器（12e）在高压继电器（12g）、低压继电器（12h）、电磁阀（12n）和调速阀（12m）的作用下推动液压马达（12i）转动，继而带动发电机（12c）发电，所述发电机（12c）经发电机调节器（12j）将电能储存到蓄电池（12d）中或传输到岸上。

2.根据权利要求1所述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台，其特征是：所述潜浮体（1）采用凹字形结构，包括一个浮箱（2）、固定在浮箱（2）甲板两侧上的坞墙（3）和设置在入波端的聚能导向波道（4）。

3.根据权利要求1所述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台，其特征是：所述聚能导向波道（4）采用平面坡道甲板（4a）逐渐上升、两侧垂直平面侧墙（4b）逐渐变窄的收缩式楔形结构。

4.根据权利要求1所述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台，其特征是：所述聚能导向波道（4）采用曲面坡道甲板（4c）逐渐上升，两侧垂直曲面侧墙（4d）逐渐变窄的收缩式喇叭形结构。

5.根据权利要求1所述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台，其特征是：所述锚泊系统包括四个锚链（20）、四个重力锚（21）、四个安装在潜浮体（1）顶部的角端的可控恒张力绞车（26）和自适应控制恒张力绞车的锚泊系统，重力锚（21）锚定在海床上，锚链（20）一端固定于重力锚（21），另一端连接恒张力绞车（26），锚链（20）以潜浮体（1）为中心，呈中心对称分布。

6.根据权利要求1所述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台，其特征是：所述锚泊系统采用单浮筒刚臂系泊形式，包括二个刚性轭臂（22）、一个浮筒（23），所述刚性轭臂（22）的一端与固定在潜浮体（1）前端的锚铰链（24）成铰链连接，另一端与浮筒（23）经转盘（25）成转动连接，浮筒（23）由若干悬浮锚链固定于海床上。

7.根据权利要求1所述的潜浮聚能导向式波浪能发电平台，其特征是：所述潜浮体（1）包括一个浮箱（2）、四个固定在浮箱（2）顶部四角的坞塔（3a）、四个聚能导向墙（4e）、四个第二液压缸（15）、一个设置在浮箱（2）顶部中心的升降转动平台（19），所述聚能导向墙（4e）的一端与固定在坞塔（3a）上的第一支座（13）成转动连接，另一端底部设置滚动轮（16），聚能导向墙（4e）转轴上设置角度传感器（17），所述第二液压缸（15）的一端与固定在坞塔（3a）上的第二支座（14）成转动连接，另一端与聚能导向墙（4e）经铰链（18）成铰链连接，所述升降转动平台（19）包括两层结构，第一层结构位于浮箱（2）甲板上方，包括升降液压缸（19b）、升降平台（19c）、和升降剪刀支架（19f），所述浮箱（2）甲板上设置升降液压缸（19b）和升降剪刀支架（19f），升降液压缸（19b）和升降剪刀支架（19f）上方设置升降平台（19c），第二层结构位于升降平台（19c）上方，包括转动液压缸（19a）、转动平台（19d）和回转支承（19e），所述升降平台（19c）上设置转动液压缸（19a）和回转支承（19e），回转支承（19e）上方设置转动平台（19d），转动液压缸（19a）与回转支承（19e）外圈连接，所述转动平台（19d）上方设置摆板（12a）和第一液压缸（12b）。