CN103967714B - 基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构 - Google Patents
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Abstract
基于单桩平台的风能‑波浪能‑潮流能集成发电结构，包括单桩平台风力发电结构、波浪能发电装置和潮流能发电装置，单桩平台风力发电结构包括风力机、塔架结构、单桩支撑结构和配套电力传输系统，波浪能发电装置设在塔架结构水面处，潮流能发电装置设在水下的单桩支撑结构上，有益效果是：单桩平台结构施工便利、建造成本低，适用范围广；风力发电、波浪发电和潮流发电共享单桩支撑结构和电力传输系统，可有效降低单位发电成本；结构设计合理、稳定，施工方案技术成熟，风力发电机和潮流发电机均可选用现有商用产品，选型简便，波浪能发电机可以结合选址场地波浪统计特征进行性能优化设计。
Description
技术领域
本发明属于海洋能利用领域，尤其涉及风能-波浪能-潮流能综合利用装置。
背景技术
海上风力能、波浪能和潮流能都是清洁可再生的海洋能源，可利用风力发电装置将风力能转换成电能，利用波浪发电装置将波浪能转换成电能，利用潮流发电装置将潮流能转换成电能。我国东部沿海的海上可开发风能资源约达7.5亿千瓦，不仅资源潜力巨大，而且开发利用市场条件良好，更靠近中国的经济中心。海上风能开发具有节约宝贵土地资源、风力更稳定、风电机组单机容量更大、年有效利用小时数更高、受噪音标准限制更小、运输条件更为便利等优势。风能丰富水域的波浪能资源也很丰富。潮流能作为海洋能的重要组成部分，其具有基本不受天气影响和输出功率较为平稳的优势，近几年潮流能开发有了快速发展。但是，相比于海上风力发电，波浪能发电装置和潮流发电装置的能量转化率较低，单位发电成本较高，一定程度限制了二者的商业化应用。
现有技术中，近海风力发电装置的基础主要有单桩式、多桩式、重力式、导管架式、高桩承台式等固定式支撑平台结构，其中，单桩式平台以其施工便利、建造成本低、适用性强等优势，应用最为广泛。波浪能发电装置主要有：海蛇式、垂荡式、摆动式和坝体式等发电装置；潮流发电装置主要有水平轴潮流发电机和垂直轴潮流发电机两大类。
现有技术的不足是：，波浪能发电装置和潮流发电装置的能量转化率较低，单位发电成本较高，限制了二者的商业化应用。海上风力发电虽具有节约土地资源、单机容量大、年有效利用小时数高、噪音标准限制小、输送条件便利等优势，但还非常缺少将风能发电、波浪能发电和潮流能发电集成为一体的海洋能源综合开发结构系统结构。
发明内容
本发明的目的在于提出一种风力发电、波浪发电和潮流发电集成为一体的结构，使三者共享支撑平台结构和电力传输配套系统。
本发明的目的是这样实现的：基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，包括单桩平台风力发电结构，单桩平台风力发电结构包括风力机、塔架结构、单桩支撑结构和配套电力传输系统，其特征在于所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构还包括设在塔架结构水面处的波浪能发电装置和设在水下的单桩支撑结构上的潮流能发电装置，所述波浪能发电装置与塔架结构通过滑道式接触装置耦合联接，所述滑道式接触装置包括滑轮、滑道和弹簧阻尼器，所述滑道固定在塔架结构外侧面上，滑轮通过滑轮轴安装在波浪能发电装置上，弹簧阻尼器安装在滑轮与安装滑轮位置的波浪能发电装置之间，弹簧阻尼器使滑轮压向滑道；所述潮流能发电装置包括伸臂结构和潮流发电机，潮流发电机安装在伸臂结构的两端，伸臂结构的中心位置通过连接套筒结构与单桩支撑结构耦合连接，通过调整连接套筒结构的扭转角度，实现潮流发电机的水平轴与来流方向一致。
本发明所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述滑道式接触装置由4～8套的偶数套组成，沿塔架结构外侧面对称布置。
本发明所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述波浪能发电装置是垂荡式波浪能发电装置。
本发明所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述垂荡式波浪能发电装置包括活塞结构、液压缸、单向入流阀Ⅰ、单向出流阀Ⅰ、单向入流阀Ⅱ、单向出流阀Ⅱ、节流阀、储能器、液压马达和发电装置，活塞结构的活塞置于液压缸内，液压缸的活塞上侧和下侧分别由通道与液压马达连通，液压缸活塞上侧通道上设有单向入流阀Ⅰ，液压缸活塞下侧通道上设有单向出流阀Ⅰ，上侧通道单向入流阀Ⅰ与液压缸之间的通道上设上侧支通道，上侧支通道与下侧通道单向出流阀Ⅰ与液压马达之间的通道连通，上侧支通道上设有单向出流阀Ⅱ，下侧通道单向出流阀Ⅰ与液压缸之间的通道上设下侧支通道，下侧支通道与上侧通道单向入流阀Ⅰ与液压马达之间的通道连通，下侧支通道上设有单向入流阀Ⅱ，上侧通道单向入流阀Ⅰ与液压马达之间通道和下侧通道单向出流阀Ⅰ与液压马达之间通道之间连接一节流阀，上侧通道和下侧通道与液压马达连接端分别设有储能器，液压马达与发电装置连接。利用波浪能发电装置与塔架结构相对垂向运动带动活塞结构运动，活塞结构的往复运动使液压箱内的液体分别经单向入流阀Ⅰ(反向时：经单向入流阀Ⅱ)和节流阀进入液压马达，驱动其旋转，从而带动发电机发电，节流阀和蓄能器主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的作用。
本发明所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述顶部风力机是MW级变速变桨海上风力机。
本发明所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述潮流发电机是水平轴潮流发电机。
本发明的有益效果是：
1、单桩平台结构施工便利、建造成本低，适用范围广。
2、风力发电、波浪发电和潮流发电共享单桩支撑结构和电力传输系统，可有效降低单位发电成本。
3、结构设计合理、稳定，施工方案技术成熟，风力发电机和潮流发电机均可选用现有商用产品，选型简便。
4、波浪能转化装置可以有效利用液压缸内活塞结构的双向运动驱动液压马达旋转，并最终带动发电机发电，主要性能参数可以结合选址场地的波浪特征进行优化设计。
附图说明
图1a是基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的正视图
图1b是明基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的侧视图
图2a是基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的垂荡式波浪能发电装置与塔架结构连接的剖面示意图
图2b是基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的垂荡式波浪能发电装置与塔架结构连接的俯视示意图
图3是基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的垂荡式波浪能发电装置与塔架滑动连接局部示意图
图4是基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的带有水下潮流发电机的单桩式平台支撑结构的侧视图
图5是基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的带有水下潮流发电机的单桩式平台支撑结构的俯视图
图6是波浪能发电装置系统示意图
图中，1、风力机，2、塔架结构，3、波浪能发电装置，4、单桩支撑结构，5、潮流能发电机装置，6、连接套筒结构，7、滑道式接触装置，8、滑轮，9、滑道，10、弹簧阻尼器，11伸臂结构，12、活塞结构，13、液压缸，14、单向入流阀Ⅰ，15、单向出流阀Ⅰ，16、单向入流阀Ⅱ，17、单向出流阀Ⅱ，18、节流阀，19、储能器，20、液压马达，21、发电装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构包括单桩平台风力发电结构、安装在其上的波浪能发电装置3和潮流能发电装置5，单桩平台风力发电结构包括风力机1、塔架结构2、单桩支撑结构4和配套电力传输系统，风力机1是MW级变速变桨海上风力机，波浪能发电装置3设在塔架结构的水面处，波浪能发电装置3是垂荡式波浪能发电装置，潮流能发电装置5设在水下的单桩支撑结构上，波浪能发电装置3与塔架结构2通过滑道式接触装置7耦合联接，滑道式接触装置7包括滑轮8、滑道9和弹簧阻尼器10，所述滑道9固定在塔架结构2外侧面上，滑轮8通过滑轮轴安装在波浪能发电装置3上，弹簧阻尼器10安装在滑轮8与安装滑轮8位置的波浪能发电装置3之间，弹簧阻尼器10使滑轮8压向滑道9，滑道式接触装置7由4～8套的偶数套组成，沿塔架结构2外侧面对称布置；垂荡式波浪能发电装置3包括活塞结构12、液压缸13、单向入流阀Ⅰ14、单向出流阀Ⅰ15、单向入流阀Ⅱ16、单向出流阀Ⅱ17、节流阀18、储能器19、液压马达20和发电装置21，活塞结构12的活塞置于液压缸13内，液压缸13的活塞上侧和下侧分别由通道与液压马达20连通，液压缸13活塞上侧通道上设有单向入流阀Ⅰ14，液压缸13活塞下侧通道上设有单向出流阀Ⅰ15，上侧通道单向入流阀Ⅰ14与液压缸13之间的通道上设上侧支通道，上侧支通道与下侧通道单向出流阀Ⅰ15与液压马达20之间的通道连通，上侧支通道上设有单向出流阀Ⅱ17，下侧通道单向出流阀Ⅰ15与液压缸13之间的通道上设下侧支通道，下侧支通道与上侧通道单向入流阀Ⅰ14与液压马达20之间的通道连通，下侧支通道上设有单向入流阀Ⅱ16，上侧通道单向入流阀Ⅰ14与液压马达20之间通道和下侧通道单向出流阀Ⅰ15与液压马达20之间通道之间连接一节流阀18，上侧通道和下侧通道与液压马达20连接端分别设有储能器19，液压马达20与发电装置21连接。固定在垂荡式波浪能装置内壁上的滑道式接触装置7可以确保垂荡式波浪能发电设备与塔架结构在除垂荡方向的其他五个自由度方向上的协调运动，有利于最优化利用二者的相对垂荡运动进行波浪能发电，浮式波浪能发电装置3与塔架2的相对垂向运动带动活塞结构12的垂向运动，使液压箱13内的液体经单向入流阀Ⅰ14(反向时：经单向入流阀Ⅱ16)进入液压马达20，驱动其旋转，从而带动发电机21发电，实现波浪能向电能的转化。节流阀18和蓄能器19主要起到稳定液压系统压力和保护液压系统安全的作用。潮流能发电装置5包括伸臂结构11和潮流发电机，潮流发电机是水平潮流发电机，潮流发电机安装在伸臂结构11的两端，伸臂结构11的中心位置通过连接套筒结构6与单桩支撑结构4耦合连接，通过调整连接套筒结构6的扭转角度，确保潮流发电机水平轴与来流方向的一致性。
本发明产品设计要结合以下因素：
1)根据装机地点的风资源特征，选取风力机1，依据风力机1的性能参数和空气动力学设计载荷，优化塔架结构2的高度和截面尺寸。
2)根据装机地点的波浪统计特征，选取垂荡式波浪能发电装置，并依据垂荡式波浪能发电装置的性能参数，设计滑道式接触装置7，将波浪能发电装置与水面处塔架结构进行耦合联接。
3)根据装机地点的潮流能的统计特征和设计水深，选取潮流能发电装置，并依据相关发电性能和结构载荷参数，优化设计伸臂结构尺寸及其安装角度，确保潮流发电机旋转水平轴与来流方向的一致性。
4)根据所选风机和塔架结构的质量，结合波浪能发电装置和潮流能发电装置的水动力特征和选址地点的水深及地质条件，设计单桩式支撑平台结构的截面尺寸。
基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的施工安装流程如下：首先，用现有单桩平台施工工艺，将单桩平台固定于海底，将连接套筒结构6、伸臂结构11、两台水平潮流发电机和单桩支撑结构4在岸上组装好，再将单桩支撑结构运到装机位置安装在单桩平台上；其次，在岸上将波浪能发电装置3组装在塔架结构1的水面处，然后，利用专业施工船将组装好的波浪能发电装置3和塔架结构1运到装机位置安装在单桩支撑结构4上，最后，依次安装塔架2和顶部风力机1，完成基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构的施工安装。
Claims (6)
1.基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，包括单桩平台风力发电结构，单桩平台风力发电结构包括风力机(1)、塔架结构(2)、单桩支撑结构(4)和配套电力传输系统，其特征在于所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构还包括设在塔架结构水面处的波浪能发电装置(3)和设在水下的单桩支撑结构上的潮流能发电装置(5)；所述波浪能发电装置(3)与塔架结构(2)通过滑道式接触装置(7)耦合联接，所述滑道式接触装置(7)包括滑轮(8)、滑道(9)和弹簧阻尼器(10)，所述滑道(9)固定在塔架结构(2)外侧面上，滑轮(8)通过滑轮轴安装在波浪能发电装置(3)上，弹簧阻尼器(10)安装在滑轮(8)与安装滑轮(8)位置的波浪能发电装置(3)之间，弹簧阻尼器(10)使滑轮(8)压向滑道(9)；所述潮流能发电装置(5)包括伸臂结构(11)和潮流发电机，潮流发电机安装在伸臂结构(11)的两端，伸臂结构(11)的中心位置通过连接套筒结构(6)与单桩支撑结构(4)耦合连接，通过调整连接套筒结构(6)的扭转角度，实现潮流发电机水平轴与来流方向一致。
2.根据权利要求1所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述滑道式接触装置(7)由4～8套的偶数套组成，沿塔架结构(2)外侧面对称布置。
3.根据权利要求1所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述波浪能发电装置(3)是垂荡式波浪能发电装置。
4.根据权利要求3所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述垂荡式波浪能发电装置(3)包括活塞结构(12)、液压缸(13)、单向入流阀Ⅰ(14)、单向出流阀Ⅰ(15)、单向入流阀Ⅱ(16)、单向出流阀Ⅱ(17)、节流阀(18)、储能器(19)、液压马达(20)和发电装置(21)，活塞结构(12)的活塞置于液压缸(13)内，液压缸(13)的活塞上侧和下侧分别由通道与液压马达(20)连通，液压缸(13)活塞上侧通道上设有单向入流阀Ⅰ(14)，液压缸(13)活塞下侧通道上设有单向出流阀Ⅰ(15)，上侧通道单向入流阀Ⅰ(14)与液压缸(13)之间的通道上设上侧支通道，上侧支通道与下侧通道单向出流阀Ⅰ(15)与液压马达(20)之间的通道连通，上侧支通道上设有单向出流阀Ⅱ(17)，下侧通道单向出流阀Ⅰ(15)与液压缸(13)之间的通道上设下侧支通道，下侧支通道与上侧通道单向入流阀Ⅰ(14)与液压马达(20)之间的通道连通，下侧支通道上设有单向入流阀Ⅱ(16)，上侧通道单向入流阀Ⅰ(14)与液压马达(20)之间通道和下侧通道单向出流阀Ⅰ(15)与液压马达(20)之间通道之间连接一节流阀(18)，上侧通道和下侧通道与液压马达(20)连接端分别设有储能器(19)，液压马达(20)与发电装置(21)连接。
5.根据权利要求1所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于顶部所述风力机(1)是MW级变速变桨海上风力机。
6.根据权利要求1所述基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，其特征在于所述潮流能发电装置(5)是水平轴潮流发电机。
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