CN104791195B - 漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用自然能量发电的装置，特别是一种漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，其结构要点在于，浮台的内腔中包括有复数个气室，该复数个气室以进气室为首、出气室为尾依次相连，相邻两个气室之间开通有通气孔，每个通气孔均设置有通气单向气阀，在每个气室下方均设置有一个水室，水室连通到海水中；气室与水室之间开具有两个换气孔，复数个浮台相连：前一个浮台的出气孔通过管道连接并连通到后一个浮台的进气孔；压缩的气流通过气流通道连接到空气透平，该空气透平则连接交流发电机转轴。优点在于，实现了海上风能，波浪能两种发电形式综合利用，有效将波浪能结合到深海风电中，实现复杂环境下电力的互补，保证功率输出的稳定，有利于并网。

Description

漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置

技术领域

本发明涉及一种利用自然能量发电的装置，特别是一种漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置。

背景技术

海洋中存储着丰富的能源，其中风能，波浪能是取之不尽用之不竭的绿色可再生能源。目前，单台海上风力机的发电功率达到MW级别，离岸越远风速越大，未来海上风电将向着离岸更远的海域发展。深海风电一般采用漂浮式浮台，风力机安装在浮台上端面，然而浮台容易受波浪影响而发生摇摆和垂荡，风力机由于振动导致产生的电力输出不稳定问题，输出功率易波动，导致并网困难。

一般采用风力机叶片的变浆控制，调节功率的输出。然而，变浆控制虽然能在一定程度上使风力机输出功率趋于平稳，但是它是依靠调节风力机叶片浆矩角实现功率控制，需要一定的响应时间，调节较为滞后。当来流参数变化较快时，对功率的调节效果并不明显，依然会对接入电网造成冲击。

目前海上风电中应用的漂浮式平台有张力腿式，驳船式，和Spar式。其中，张力腿式和驳船式均有一个浮在海面上的平台，与海面接触面积较大，受海浪的影响较大，稳定性较差，甚至风力机会因重心过高而发生倾覆。Spar式虽然没有浮台，但是却需要一个延伸到海面一下的浮筒，细长浮筒的强度较难保证，生产和运输也较为困难，经济性较差。

在波浪能利用方面，由于其能量密度低，且波动性大，不稳定，转化效率低，如果单独使用波浪能用来发电，需要大面积铺设波浪能转化装置，即便如此，考虑波浪能能量转换装置发电效率低，占用空间大，需要规模化利用才能获得有效收益，其实用性也较差。以上问题都导致了海洋能利用装置的可靠性以及经济性下降。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够有效将波浪能结合到深海风电中，提高风力发电稳定性，确保经济效益的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置。

本发明的目的是通过以下途径来实现的：

漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，包括有风力机和浮台，风力机位于浮台上端面上，其结构要点在于，浮台截面呈上小下大的梯形构造，在浮台的两侧分别开具有进气孔和出气孔，二者均设置有单向气阀；浮台的内腔中包括有复数个气室，包括与进气孔连通的进气室以及与出气孔连通的出气室，进气孔和出气孔分别对应位于进气室和出气室中，该复数个气室以进气室为首、出气室为尾依次相连，相邻两个气室之间开通有通气孔，每个通气孔均设置有通气单向气阀，该通气单向气阀能够使依次相连的气室中的气流单向从进气室向出气室方向流动；在每个气室下方均设置有一个水室，水室连通到海水中；气室与水室之间开具有两个换气孔，该两个换气孔分别设置方向相反的换气单向气阀；复数个浮台相连：前一个浮台的出气孔通过管道连接并连通到后一个浮台的进气孔；最后一个浮台上安装有空气透平，该最后一个浮台的出气孔通过气流通道连接到空气透平，该空气透平则连接交流发电机转轴，而交流发电机的输出端分别连接到风力机机内设备供电端以及补偿蓄电池蓄电端。

最后一个浮台的出气孔的气流通过气流通道进入空气透平，利用压缩的空气推动空气透平旋转，并带动交流发电机发电。进气孔和出气孔处的单向气阀用于保证进气孔只能从外部进气到进气室，而出气孔只能是从出气室出气到下一个浮台或者空气透平。而浮台内腔的各个气室是依序相邻接的，形成了一条气室通道，气室与气室之间通过通气孔连通，同时在通气孔上设置有同一个方向的通气单向气阀，确保气室之间的空气只能朝一个方向，即进气孔往出气孔方向流动。每个气室和其对应水室之间设置了具有方向相反的换气单向气阀的换气孔，这样，就可以保证相对水室而言，一个换气孔只能进气，为进气换气孔，另一个换气孔只能出气，为出气换气孔。

上述波浪能辅助发电装置的作用原理在于：由于水室与海水直接接触，水室内空气的体积随着海浪的高低波动而发生变化，例如当某个水室内遇到海浪波峰时，海水挤压该水室内的空气，使其压强变大，水室进气换气孔关闭，出气换气孔开启，空气通过出气孔流向对应的气室；此时，接收到来自水室空气的气室内的空气压强变大，通过通气单向阀将空气压入下一级气室。当水室遇到海浪波谷时，水室内空气体积变大，压强变小，于是水室出气换气孔关闭，进气换气孔开启，水室所对应的气室内空气通过进气换气孔流入水室，补充水室内空气，同时外部空气经过进气孔进入气室通道内补充，恢复空气压强。

由此，波浪能转换成空气的动能与压力能，然后再由空气的动能与压力能转换成电能，实现波浪能的辅助发电作用，波浪能发出的电一部分作为海上风力机机内设备：变桨偏航系统，空调，电梯等供电，另一部分存入补偿蓄电池中。当风力机发出的电力因波动而不足时，启动蓄电池发电，迅速补偿输出功率，响应快、调节及时，对风力机的发电功率调节效果显著，实现了风电力输出的稳定，大大减少了对接入电网的冲击，比变浆调节更加直接迅速。

本发明可以进一步具体为：

所述进气孔连接有进气通道，该进气通道的进气口位于海面之上。

为避免海水从进气孔进入气室，进气通道要保证露出海面之上，可以在进气口增加防护措施，例如透气不透水的装置等等。

进气室和出气室对称分布于浮台内部的两侧边，两气室的下部空间位于海水平面下。

这样，进气室和出气室的外表面便有一部分是位于海水之中的，在海水的作用下，可以冷却压缩后的空气，实现空气多级压缩的级间冷却，提高空气的压缩效率。

浮台下端面通过绳索锚定于海底，并保持张紧状态。

由此，浮台就可以受到绳索的限制，避免或减少发生垂直方向的位移，使之能够与海水表面发生的相对运动。

每个水室侧壁上设有两个水位传感器，分别为高水位传感器和低水位传感器。

高水位传感器和低水位传感器分别位于水室中设定的水位高点和水位低点；正常情况下，两个气孔处的单向阀正常运作。当水位高于高水位传感器时，水室两个换气孔完全关闭。当水位下降至在高水位传感器和低水位传感器之间时，换气孔依然处于关闭状态。只有当水位下降至低水位传感器以下时，两换气孔开启，换气单向气阀才恢复工作。这样可以有效避免海水通过换气孔进入气室，使气室通道被破坏，无法压缩并推动空气气流。

所述浮台为驳船式浮台，或者为圆台式浮台。

这两种浮台能够保证足够的浮力，并提供较大的内部空间，从而实现气室和水室的构建。

综上所述，本发明的技术效果在于：

1、 将波浪能转换成电能，作为风力发电的补充和辅助，实现了海上风能，波浪能两种发电形式综合利用，有效将波浪能结合到深海风电中，实现复杂环境下电力的互补，保证功率输出的稳定，有利于并网。

2、 采用蓄电池为输出功率进行补偿，响应迅速，解决了因变浆机构执行缓慢导致的功率补偿滞后的问题，提高了风力发电稳定性，确保了经济效益。

3、 波浪能辅助发电装置吸收了风力机和浮台周围的波浪能，减少了波浪对浮台的冲击，使浮台更加稳定，不易倾覆，有效解决了风力机由于振动导致产生的电力输出不稳定的问题，提高风电系统的可靠性。

附图说明

图1所示为本发明所述漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置的剖面结构示意图；

图2所示为图1中A部分的放大结构示意图；

图3所示为本发明所述漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置的作用原理图，其中实线表示能量流动途径，即能量转换及电能供电途径，虚线表示信号流动途径，即在进行控制时，控制信号的收发示意标识。

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图1和附图2，漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，包括有风力机1和浮台2，风力机1位于驳船式或圆台式浮台2上，利用海风发电。浮台2采用上部分体积小，下部分体积大的外形，来保证足够的浮力，使风力机浮于海面上，并控制浮台的入水深度。浮台2下方通过绳索3锚定于海底并保持张紧状态，保证浮台在海浪作用下不发生垂直方向振荡。浮台2、12以及15的内部构造均相同，下面以浮台2为例进行说明。

浮台2两侧各开一个气孔，分别为进气孔4和出气孔5，出气孔5接出管道，连通到下一个浮台12的进气口。进气孔4和出气孔5处均设置有单向气阀（出气孔处的单向气阀未画出），保证两气孔处的空气一进一出，单向流动。其中将进气孔4设置为风电场内波浪能利用的总进气孔，连接有开口向上的进气通道19，该进气通道19保证能够露出海面。浮台内部开有三个气室，分别为进气室6，中间气室7和出气室8，三个气室以进气室6为首、出气室8为尾依序相连，相邻两气室之间开有通气孔连通两个气室，通气孔处设有通气单向气阀21，保证气室之间的空气只能朝一个方向流动，即从进气室6到出气室8单向形成了一条气室通道。其中位于浮台两侧的气室，进气室6通过进气孔4与外界连通，出气室8通过出气孔5将压缩空气向下一级浮台或者空气透平输送。

每个气室下方设有一个水室可以与之进行空气交换，如图2，进气室6对应水室9，中间气室7对应水室10，出气室8对应水室11。每个气室与其对应的水室之间开有2个换气孔，分别设方向相反的换气单向气阀18，保证一孔进气，一孔出气。水室与海水直接接触，水室内空气的体积随着海浪的高低波动而发生变化。例如，当水室9内遇到海浪波峰时，海水挤压水室9内的空气，使其压强变大，水室进气换气孔关闭，出气换气孔开启，空气通过出气换气孔流向对应的气室6。气室6内的空气压强变大，通过通气单向气阀21将空气压入下一级气室7。当水室9遇到海浪波谷时，水室9内空气体积变大，压强变小，于是水室9出气换气孔关闭，进气换气孔开启，气室6内空气通过进气换气孔流入水室9，补充水室9内空气，同时外部空气经过进气孔4进入气室6内补充，恢复空气压强。其余各个气室与水室工作原理与上所述相同，利用海浪的波动将空气逐级向右侧传递与压缩。

由于浮台2受到绳索3的限制不发生垂直方向的位移，与海水表面发生相对运动，不断将外部空气从入口4吸入，逐级压缩至下浮台出口5，进入下一个浮台12内部。此外，位于浮台两侧的进气室6和中间气室7外表面有一部分在海水中，可以冷却压缩后的空气，实现空气多级压缩的级间冷却，提高空气的压缩效率。

为了防止海水进入气室，在每个水室侧壁上设有2个水位传感器，分别为高水位传感器和低水位传感器，例如水室9，两传感器分别位于水位高点13与水位低点14。正常情况下，两个换气孔处的单向阀正常运作。当水位高于水位高点13时，水室两个换气孔完全关闭。当水位下降至在水位高点13与水位低点14之间时，换气孔依然处于关闭状态。当水位下降至水位低点14以下时，两换气孔开启，换气单向气阀恢复工作。

风电场内浮台通过管道互联，压缩后的空气经过互联管道在若干个浮台内逐级压缩，最终到达浮台15。浮台15出口气孔通过一气流通道20连入一台位于浮台上的空气透平16，利用压缩空气推动透平旋转，带动交流发电机17发电。

参照附图3，波浪能发出的电一部分作为海上风力机内控制系统，包括变桨偏航系统，机内空调，塔架电梯等供电，另一部分存入补偿蓄电池中。当风力机发出的电力因波动而不足时，通过控制器启动蓄电池发电，迅速补偿输出功率，实现电力输出的稳定。

在本发明所述的基础上，所述的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置还适用于单台风力机配一台空气透平独立工作。也可多台风力机共同配一台空气透平。空气透平可与风力机共用一个浮台，也可单独使用一个浮台。

本发明提出一种新型的海上风电场波浪能辅助发电装置。该风电场中风力机浮台为驳船式或圆台式漂浮于海上，并用绳索锚定于海底。浮台内设有波浪能辅助发电装置，风电场内各浮台通过管道互联。该装置实现海上风能与波浪能发电的综合利用，在复杂多变的海上发电环境中形成互补，提高发电系统的稳定性与经济性。本发明具有下列技术要点和技术效果：

1、将波浪能转换成电能，作为风力发电的补充和辅助，实现了海上风能，波浪能两种发电形式综合利用，有效将波浪能结合到深海风电中，实现复杂环境下电力的互补，保证功率输出的稳定，有利于并网。

2、采用蓄电池为输出功率进行补偿，相应迅速，解决了因变浆机构执行缓慢导致的功率补偿滞后的问题。

3、波浪能辅助发电装置吸收了风力机周围的波浪能，减少了波浪对浮台的冲击，使浮台更加稳定，不易倾覆，提高系统的可靠性。

4、多浮台互联，实现波浪能的规模化利用，浮台实现空气的逐级压缩，并利用海水能保证良好的级间冷却，提高空气的压缩的效率，提高能量转化效率。

5、利用波浪能发出的电力进行风力机内辅助装置的供电，节约部分能源。两种能量的有机结合，并共同作用于浮台，显著提高了装置的经济性和实用性。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (6)

1.漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，包括有风力机和浮台，风力机位于浮台上端面上，其特征在于，浮台截面呈上小下大的梯形构造，在浮台的两侧分别开具有进气孔和出气孔，二者均设置有单向气阀；浮台的内腔中包括有复数个气室，包括与进气孔连通的进气室以及与出气孔连通的出气室，进气孔和出气孔分别对应位于进气室和出气室中，该复数个气室以进气室为首、出气室为尾依次相连，相邻两个气室之间开通有通气孔，每个通气孔均设置有通气单向气阀，该通气单向气阀能够使依次相连的气室中的气流单向从进气室向出气室方向流动；在每个气室下方均设置有一个水室，水室连通到海水中；气室与水室之间开具有两个换气孔，该两个换气孔分别设置方向相反的换气单向气阀；复数个浮台相连；前一个浮台的出气孔通过管道连接并连通到后一个浮台的进气孔；最后一个浮台上安装有空气透平，该最后一个浮台的出气孔通过气流通道连接到空气透平，该空气透平则连接交流发电机转轴，而交流发电机的输出端分别连接到风力机机内设备供电端以及补偿蓄电池蓄电端。

2.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，其特征在于，所述进气孔连接有进气通道，该进气通道的进气口位于海面之上。

3.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，其特征在于，进气室和出气室对称分布于浮台内部的两侧边，两气室的下部空间位于海水平面下。

4.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，其特征在于，浮台下端面通过绳索锚定于海底，并保持张紧状态。

5.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，其特征在于，每个水室侧壁上设有两个水位传感器，分别为高水位传感器和低水位传感器。

6.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电场波浪能辅助发电装置，其特征在于，所述浮台为驳船式浮台，或者为圆台式浮台。