CN104763595A - 自适应集风式水上风力发电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自适应集风式水上风力发电站,包括集风装置和风力发电机组,集风装置设有集风口和出风口,出风口朝向风力发电机组,集风装置和风力发电机组设在浮体上,浮体漂浮在水面上,浮体通过连接件与系泊体可转动连接;风向改变时,集风装置与风力发电机组随浮体一起在水面上围绕系泊体转动,使集风口自动调整到面对来风的方向;集风面积大小可以调节;浮体由若干浮体单元构成,浮体单元包括浮体本体和支承柱,浮体本体悬浮在水下。本发明能自动适应并跟随风向变化,集成安装波浪能和太阳能发电装置,提高综合经济效益。本发明强度高,浮体本体悬浮在水面下,受风浪影响小,波浪发电装置能抑制海浪的摇摆作用,具备抵御强风浪的能力。

Description

自适应集风式水上风力发电站
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电技术领域,尤其是一种采用漂浮式水上平台作为集风装置和风力发电机组载体的自适应集风式水上风力发电站。
背景技术
[0002]目前,人类利用能源的方式面临转型升级,特别是我国以燃煤为主的发电方式迫切需要用清洁能源取代。海洋能属于清洁能源,主要包括风能、波浪能、太阳能和海流能等,海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大,而单位体积、单位面积所拥有的能量较小。也就是说,要想得到更多能量,就得从大面积海面或大量的海水中获得。海洋能具有可再生性,可以说取之不尽,用之不竭。
[0003] 海洋占地球表面的70%,是最大的太阳能和风能吸收器,风能量传递速率和风速有关,也和风与水相互作用的距离有关。海洋的波浪能储量巨大,在每平方公里的海面上,运动着的海浪蕴藏约30万千瓦的能量,全球可供开发的波浪能约30亿千瓦。
[0004] 据研宄报告,中国海域上空的风速估计常年在7米/秒以上,即风能功率密度在每平方米200瓦以上,离岸越运,风能功率密度越高,总风能资源非常可观。在上海向东150公里的海域,年平均波浪高度在2米以上,由此推算,那里70米高上空年平均风能功率密度在每平方米六百瓦左右。总的来说,中国海域的风能和波浪能资源非常丰富,具有商业开发价值。
[0005]目前,风能发电装置和波浪能发电装置可谓五花八门。风力发电机组有水平轴和垂直轴之分,水平轴风力发电机组发电效率较高,通常需要安装在高空中,以获得更大的风能功率密度。但是,海上风力发电机组的安装和维护难度较大,成本较高。
[0006] 波浪能发电装置无非是利用波浪运动的位能差、往复力、浮力产生动力,主要的利用方法有三种:1.利用海洋波浪推动转换装置上下运动带动发电机发电;2.利用海洋波浪推动转换装置前后摆动带动发电机发电;3.把大波浪的低压水变为小体积高压水送入高位水池积蓄起来,再推动下方水轮发电机发电。
[0007] 中国专利CN201210149837.3,于2012年5月2日公开了一种钢筋水泥结构的漂浮式海上发电平台,包括平台主体、浮体式波浪能收集装置、海风能量收集装置、发电装置。所有能量收集装置收集的流体运动能量都能同步偶合、集中发电。可望实现安全、长寿命、规模化、维护方便、低成本的商业化应用。漂浮式的发电平台使可利用的海域面积大大增加。但该发明的制造难度大、成本高,其自重较大,承载的重量受限,平台主体漂浮在海面上,抵御海上强风浪的生存能力较低。
[0008] 据报道,2013年11月12日,世界第一座海上浮动式风力发电基站在日本福岛县近海投入运营。该浮动式风力发电基站高120米,被三艘拖轮拖到距离福岛第一核电站20余公里的海上,并开始发电。该浮动式风力发电基站的成本高,不能综合利用波浪能和太阳會K。
[0009] 本发明人于2011年9月6日申请的中国发明专利CN201110263980.0,公开了风光互补波浪发电站,包括支柱和浮体,支柱固定在海床上,浮体设有支柱孔,每个支柱孔中套设有一根支柱,浮体与支柱活动连接并可以相对支柱上下往复运动;浮体和支柱之间设有直线发电机。波浪发电站由若干独立的浮体和支柱组成,每一支柱与浮体之间都设有发电机,支柱上端设有风力发电机,浮体上表面设有太阳能电池。本发明在波浪的前进方向布置若干安装有发电机的浮体和支柱,通过导线连接形成供电网络,在较大范围内不间断采集波浪起伏的能量,将各个发电机产生的电量通过供电网络汇聚,实现持续供电。该发明只提出在近海综合利用风能、波浪能和太阳能的解决方案,未提出在远离海岸的海域综合利用风能、波浪能和太阳能的技术方案。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提供一种自动适应并跟随风向变化的集风式水上风力发电站,主要采用漂浮式水上平台作为集风装置和风力发电机组的载体。该风力发电站同时集成安装有波浪能发电装置和太阳能发电装置,以提高综合经济效益。
[0011] 本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的:
[0012]自适应集风式水上风力发电站,包括集风装置和风力发电机组,所述集风装置设有集风口和出风口,集风口大于出风口,出风口朝向风力发电机组,所述集风装置和风力发电机组设在浮体上,浮体漂浮在水中,浮体通过连接构件与固定在水中的系泊体可转动连接;在风向改变时,所述集风装置与风力发电机组能够随浮体一起在水面上围绕系泊体转动,从而使集风口自动调整到面对来风的方向。
[0013] 作为本发明的优选技术方案,所述连接构件包括硬质的连接杆和软质的连接缆绳。
[0014] 作为本发明的优选技术方案,所述集风装置包括硬质的导风板和/或软质的导风帆以及支架,所述集风口与出风口之间至少设有两组大小不等的支架,相邻两组支架之间设有导风板和/或导风帆,从而使集风口到出风口之间形成内腔逐渐收缩的风道。
[0015] 作为本发明的优选技术方案,所述集风口的大小可以调节;或,所述导风板和/或导风帆的集风面积大小可以调节;所述浮体上或集风装置上设有太阳能发电装置。
[0016] 作为本发明的优选技术方案,所述集风口的支架包括立柱和加强索,立柱与所述浮体的上表面可转动连接,通过改变立柱与浮体上表面的夹角实现改变集风口的大小;所述导风板和/或导风帆设为可收缩或展开的安装连接方式,实现导风板和/或导风帆的集风面积大小可调节。
[0017] 作为本发明的优选技术方案,所述出风口设有一台或一台以上风力发电机组,出风口的旁边设有可开关的泄风口。
[0018] 作为本发明的优选技术方案,所述浮体由若干浮体单元构成,浮体单元包括设有中空密闭内腔的浮体本体和支承柱,支承柱设在浮体本体上,相邻浮体单元的支承柱上端相互连接构成浮体平台;所述集风装置和风力发电机组设在浮体平台上,所述浮体本体漂浮在水面上或悬浮在水面下。
[0019] 作为本发明的优选技术方案,所述浮体单元还包括用于增加浮体本体承载重量的压载装置,所述压载装置包括与浮体本体可拆卸连接的配重块,和/或,用于向浮体本体内注入或排出水的进排水装置;所述进排水装置包括泵和设在浮体单元上的进排水接口,进排水接口与浮体本体的内腔连通,进排水接口设有控制阀;所述支承柱与浮体本体设为整体结构,或,支承柱通过可拆卸的安装方式与浮体本体连接和固定;所述浮体平台通过安装或移去承载物,或,通过进排水装置向浮体本体内腔中注入或排出适量的水,可以使浮体本体下沉或上升;当浮体本体淹没并悬浮在水面下时,所述支承柱的至少一部分露出并保持在水面上,从而实现浮体平台与水面之间的高度可调节。
[0020] 作为本发明的优选技术方案,所述浮体平台上或集风装置上设有太阳能发电装置。
[0021] 作为本发明的优选技术方案,所述浮体平台和/或浮体单元上设有波浪能发电装置。
[0022] 本发明的有益效果是:相对于现有技术,本发明采用漂浮式水上平台作为集风装置和风力发电机组的载体,能自动适应并跟随风向的变化,使集风口自动调整到面对来风的方向。该风力发电站同时集成安装有波浪能发电装置和太阳能发电装置,能够提高综合经济效益。
[0023] 本发明采用浮体单元作为发电站的基础设施,其制造成本相对较低,便于标准化、大批量制造和实施。浮体单元通过连接构件连接形成框架结构,不仅重量轻,强度高,而且便于大面积安装施工。浮体本体悬浮在水面下,受风浪的影响小,波浪能发电装置能抑制海浪的摇摆作用,水上平台高于水面、强度高,具备抵御强风浪的能力,从而能够保证整体设施的安全运行。本发明实现大面积采集海洋能量,降低发电成本,提高综合发电效益,为大规模、商业化开发利用海洋能源与海洋资源提供了切实可行的解决方案。
附图说明
[0024] 图1是本发明实施例一的主视结构示意图。
[0025] 图2是图1的右视结构示意图。
[0026] 图3是图1的俯视结构示意图。
[0027] 图4是图2中立柱倾斜后的结构示意图。
[0028] 图5是本发明实施例二的主视结构示意图。
[0029] 图6是图5的右视结构示意图。
[0030] 图中:1、浮体,2、集风装置,3、风力发电机组,4、支柱,5、缆绳,6、导风板,7、导风帆,8、支架,9、立柱,10、拉索,11、浮体单元,12、浮体本体,13、支承柱,14、浮体平台,15、波浪能发电装置,16、太阳能发电装置,17、水面,18、泄风口,19、连接柱。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明:
[0032] 实施例一
[0033] 如图1至图4所示,自适应集风式水上风力发电站,包括集风装置2和风力发电机组3,集风装置2设有集风口和出风口,集风口大于出风口,出风口朝向风力发电机组3。所述集风装置2和风力发电机组3设在浮体I上,浮体I漂浮在水面17上,浮体I通过连接构件与固定在水中的系泊体可转动连接;在风向改变时,集风装置2与风力发电机组3能够随浮体I 一起在水面上围绕系泊体转动,从而使集风口自动调整到面对来风的方向。
[0034] 本实施例中,浮体I设为平底船形状,直接漂浮在水面上。所述连接构件包括硬质的连接杆和软质的连接缆绳,优选连接缆绳,所述系泊体优选为支柱4。本实施例浮体I通过缆绳5与固定在水底的支柱4可转动连接。所述集风装置2包括硬质的导风板6和软质的导风帆7以及支架8,本实施例集风装置2的顶面设为硬质的导风板6,其两侧设为软质的导风帆7,支架8由至少两根立柱9和连接在立柱9顶端的横梁或钢索构成门框形结构。为增加支架8以及集风装置2的强度,支架8最外侧的两根立柱9之间还可以设置多个加强立柱及加强拉索,相邻两组支架8之间采用加强拉杆或加强拉索连接和固定。
[0035] 本实施例集风装置2的集风口与出风口之间设有两组大小不等的支架8,相邻两组支架8之间安装连接导风板6和导风帆7,使集风口到出风口之间形成内腔逐渐收缩的风道。所述浮体I上或集风装置2上设有太阳能发电装置16。本发明风道也可以全部由硬质的导风板6或软质的导风帆7构成。
[0036] 为了在强风暴发生时,能够有效保护集风装置2和风力发电机组3的安全。本发明集风口的大小设计为可调节方式,导风板和导风帆的集风面积大小也可以调节。具体技术方案如下:集风口支架8的立柱9上设置有加强拉索10,通过拉索10可以增加整个集风装置2的强度。立柱9与浮体I的上表面设置为可转动的连接方式,通过卷绕设备收放加强拉索10,可以改变立柱9与浮体I上表面的夹角,从而实现改变集风口的大小。所述导风板6由若干块状板条相互连接组成,板条可以通过卷绕设备卷绕到卷轴上;所述导风帆7也可以通过卷绕设备卷绕到卷轴上;通过控制装置自动收缩或展开导风板和导风帆,实现调节导风板6和导风帆7的集风面积大小。
[0037] 本实施例出风口设有一台风力发电机组3,出风口的旁边设有可以开关的泄风口18。泄风口 18平时处于关闭状态,当强风暴发生时,通过打开泄风口 18来保护风力发电机组3的安全。本发明也可以在出风口设置两台或两台以上风力发电机组。在强风暴发生之前,采用移去风力发电机组的方法,使其离开出风口位置,从而达到保护风力发电机组的目的。
[0038] 本实施例浮体I设为平底船形状,直接漂浮在水面上,其抵抗强风浪的能力较低。因此,本发明实施例一通常适合应用于风浪较小的江、湖或水库。
[0039] 实施例二
[0040] 如图5和图6所示,本发明所述浮体由若干浮体单元11构成,浮体单元11包括设有中空密闭内腔的浮体本体12和支承柱13,支承柱13设在浮体本体12上,相邻的浮体单元11的支承柱13上端相互连接构成浮体平台14,相邻的浮体本体12之间通过连接柱19连接和固定。所述集风装置2和风力发电机组3设在浮体平台14上,浮体本体12漂浮在水面上或悬浮在水面下。
[0041] 本实施例浮体单元11还包括用于增加浮体本体12承载重量的压载装置,压载装置包括与浮体本体12可拆卸连接的配重块,和用于向浮体本体12内注入或排出水的进排水装置;进排水装置包括泵和设在浮体单元11上的进排水接口,进排水接口与浮体本体12的内腔连通,进排水接口设有控制阀。
[0042] 所述支承柱13与浮体本体12设为整体结构,或,支承柱13通过可拆卸的安装方式与浮体本体12连接和固定。浮体平台14通过安装或移去承载物,或,通过进排水装置向浮体本体12内腔中注入或排出适量的水,可以使浮体本体12下沉或上升;当浮体本体12淹没并悬浮在水面下时,支承柱13的至少一部分露出并保持在水面上,从而使得浮体平台14保持在水面以上,同时实现浮体平台14与水面之间的高度可调节。
[0043] 本发明浮体本体12可以由钢筋混凝土、高强度复合材料或金属材料制成,浮体本体12设为球形、圆柱形、椭圆形、立方体或长方体结构。本实施例浮体单元11优选为钢筋混凝土浮球。浮体单元11设有电源线接口、信号线接口、压缩气体管道接口以及用于人员或设备出入的舱门。浮体本体12内设有水位监测装置,水位监测装置与所述信号线接口电路连接;浮体本体12内安装有进排水装置,进排水装置通过管道与进排水接口连接。
[0044] 本实施例集风装置2和风力发电机组3在浮体平台14上的实施方式与实施例一相同。本发明浮体平台14和集风装置2上还设有太阳能发电装置,浮体平台14或浮体单元11上设有波浪能发电装置15。以进一步增加本发明风力发电站的发电能力,从而降低运营成本和输出的电价,提高商业价值和综合经济效益。本发明实施例二通常适合应用于风浪较大的海洋。
[0045] 上述实施例仅限于说明本发明的构思和技术方案,其目的在于让本领域的技术人员了解发明的技术特征和实施方式,并不能据此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明技术方案所作的等同替换或等效变化,都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应集风式水上风力发电站,包括集风装置和风力发电机组,所述集风装置设有集风口和出风口,集风口大于出风口,出风口朝向风力发电机组,其特征是:所述集风装置和风力发电机组设在浮体上,浮体漂浮在水中,浮体通过连接构件与固定在水中的系泊体可转动连接;在风向改变时,所述集风装置与风力发电机组能够随浮体一起在水面上围绕系泊体转动,从而使集风口自动调整到面对来风的方向。
2.根据权利要求1所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述连接构件包括硬质的连接杆和软质的连接缆绳。
3.根据权利要求1或2所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述集风装置包括硬质的导风板和/或软质的导风帆以及支架,所述集风口与出风口之间至少设有两组大小不等的支架,相邻两组支架之间设有导风板和/或导风帆,从而使集风口到出风口之间形成内腔逐渐收缩的风道。
4.根据权利要求3所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述集风口的大小可以调节;或,所述导风板和/或导风帆的集风面积大小可以调节;所述浮体上或集风装置上设有太阳能发电装置。
5.根据权利要求4所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述集风口的支架包括立柱和加强索,立柱与所述浮体的上表面可转动连接,通过改变立柱与浮体上表面的夹角实现改变集风口的大小;所述导风板和/或导风帆设为可收缩或展开的安装连接方式,实现导风板和/或导风帆的集风面积大小可调节。
6.根据权利要求1所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述出风口设有一台或一台以上风力发电机组,出风口的旁边设有可开关的泄风口。
7.根据权利要求1或2所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述浮体由若干浮体单元构成,浮体单元包括设有中空密闭内腔的浮体本体和支承柱,支承柱设在浮体本体上,相邻浮体单元的支承柱上端相互连接构成浮体平台;所述集风装置和风力发电机组设在浮体平台上,所述浮体本体漂浮在水面上或悬浮在水面下。
8.根据权利要求7所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述浮体单元还包括用于增加浮体本体承载重量的压载装置,所述压载装置包括与浮体本体可拆卸连接的配重块,和/或,用于向浮体本体内注入或排出水的进排水装置; 所述进排水装置包括泵和设在浮体单元上的进排水接口,进排水接口与浮体本体的内腔连通,进排水接口设有控制阀; 所述支承柱与浮体本体设为整体结构,或,支承柱通过可拆卸的安装方式与浮体本体连接和固定; 所述浮体平台通过安装或移去承载物,或,通过进排水装置向浮体本体内腔中注入或排出适量的水,可以使浮体本体下沉或上升;当浮体本体淹没并悬浮在水面下时,所述支承柱的至少一部分露出并保持在水面上,从而实现浮体平台与水面之间的高度可调节。
9.根据权利要求8所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述浮体平台上或集风装置上设有太阳能发电装置。
10.根据权利要求8或9所述的自适应集风式水上风力发电站,其特征是:所述浮体平台和/或浮体单元上设有波浪能发电装置。
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