CN105003389A - 一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置 - Google Patents

一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置 Download PDF

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Abstract

一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置，主要包括海上风力发电子系统、潮流能发电子系统、支撑基础系统和电能输送系统；海上风力发电子系统通过支撑基础系统固定于海平面以上，支撑基础系统为单桩式基础形式，潮流能发电子系统通过L型支撑架安装在支撑基础系统旁边，电能输送系统将海上风力发电机和潮流发电机发出的电一并输送到电网中；本发明充分利用海洋有限空间资源，提高海洋资源利用率，增加海上风电场经济效益，并且潮流能发电子系统具有偏航功能，可以充分获取潮流能，提高设备的发电率。

Description

一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置
技术领域
本发明涉及海上风电和海洋能发电技术领域，特别涉及一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置。
背景技术
随着国内对能源需求的持续增长，石油等不可再生资源面临着日益枯竭的趋势，可再生能源越来越受到人们的关注和重视。作为一种新型无污染清洁产业，海上风电场在我国已开始建立，海上风电技术已开始得到广泛运用。同样储量丰富、分布广泛的潮流能也受到各国的青睐，极具开发前景和商业价值。由于两者发电装置所处环境均为海洋，将海上风电与潮流能发电装置联合发电，可以有效地利用有限空间资源，降低发电成本，提高综合发电能力。
由于传统的潮流能发电设备大多采用叶片式结构，安装位置较为固定，当潮流流向发生变化，设备无法完全获取能量，降低了设备发电效率。此外，潮流能发电设备载体的三种常用固定方式——桩柱式、漂浮式和座海底式，各自都有其缺点：座海式靠近海底流速较低，不便于维修检修和回收；漂浮式锚泊受风浪影响较大，稳定性不佳；桩柱式虽相对稳定，但成本较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置，共用同一支撑基础，降低了开发成本，增加了海上风电场经济效益，并且所使用的新型潮流能发电装置具有偏航功能，可以充分获取潮流能，提高设备的发电率，从而充分利用海洋有限空间资源，提高海洋资源利用率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置，包括：
用于实现风力发电的海上风力发电子系统1；
用于实现潮流能发电的潮流能发电子系统2；
用于将所述海上风力发电子系统1固定于海平面以上且将所述潮流能发电子系统2固定于以下的支撑基础系统3；
以及，用于将所述海上风力发电子系统1和潮流能发电子系统2所发的电一并输送到电网中的电能输送系统4。
所述海上风力发电子系统1包括叶片1-1，叶片1-1通过转轴1-2连接齿轮箱1-3，齿轮箱1-3与发电机一1-4连接，风能使叶片1-1转动从而带动齿轮箱1-3向发电机一1-4提供动力进行发电，所发电力通过与发电机一1-4连接的电缆4-2向外输送。
所述潮流能发电子系统2包括圆锥形旋转体2-1，圆锥形旋转体2-1的尾部通过轴承2-4与发电机二2-2的电机轴2-5相连，发电机二2-2安装在L型支撑架2-3上，海洋潮流通过圆锥形旋转体2-1的转动向发电机二2-2提供动力进行发电，所发电力通过与发电机二2-2连接的电缆4-2向外输送。
所述圆锥形旋转体2-1上设有等间距的阿基米德螺旋槽，螺旋槽内安装有垂直于槽的阿基米德螺旋板2-6。
所述潮流能发电子系统2上设有方向传感器2-8，用来接收潮流流向的信息。
所述L型支撑架2-3内设置有用于改变潮流能发电装置方向的偏航装置2-7。
所述支撑基础系统3为单桩式基础结构，固定于海底。
所述电能输送系统4包括与所述海上风力发电子系统1和潮流能发电子系统2输出电力相连接的电缆4-2，电缆4-2与变压器4-1连接，变压器4-1对输入的电能进行整合处理，整合处理后的电力输送至电网。
本发明可采用控制系统进行发电控制，所述控制系统包括：
潮流能控制卡8，接收潮流能发电子系统2含有方向参数的传感器信息并作出反应；
海上风机控制卡9，接收海上风力发电子系统1含有风速、发电机转速、功率参数的传感器信息并作出反应；
环境控制卡10，接收周边环境信息并作出反应；
变压器开关控制卡11，与环境控制卡10连接，控制变压器4-1的启停；
快速路由器7，实现通信功能，所述潮流能控制卡8和快速路由器7的第一输入/输出连接，快速路由器7的第二输入/输出和海上风机控制卡9连接，快速路由器7的第三输入/输出通过环境控制卡10和变压器控制卡11连接，
工控机6，与快速路由器7的第四输入/输出连接，接收信息并提供控制指令；
岸上控制单元5，与工控机6连接，提供远程控制指令。
所述潮流能控制卡8根据接收到的方向传感器信息，根据已测潮流的流向调整潮流能发电装置的位置，使潮流能发电装置的轴向与潮流流向一致，从而获取最大的能量；
所述海上风机控制卡9根据接收到的风速、发电机转速、功率参数信息时，调整风机方向和发电机的转速，从而达到处于最佳运行状态，获取最高捕获效率，功率平稳输出的目的；同时，海上风机控制卡9接收机舱内包括温度信息在内的环境信息，监测机舱内的工作环境状态；
所述环境控制卡10根据接收的环境信息进行判定，如判定为环境恶劣，则发出指令使变压器开关控制卡11动作，实现整个系统的停机以进行保护。
与现有技术相比，本发明采用了一种新型设计结构，具有偏航功能、高吸收率的潮流能转换装置，并且采用了海上风力发电装置和潮流能发电装置联合发电系统，具有以下优点：
(1)海上风力发电装置与潮流能发电装置共用一个单桩基础以及变压器、电缆等电气设备，节约了设备开销成本，充分利用了风能、潮流能可再生能源，提高了有限空间内的资源利用率，增加了设备发电的经济效益。
(2)新型、高吸收率潮流能发电设备与传统的潮流能发电装置相比：具有偏航功能，可以调整潮流能发电装置的方向，从而提高设备的发电效率。
(3)由于新型、高吸收率潮流能发电设备采用了阿基米德螺旋板的形式，摒弃了传统潮流能发电装置叶片形式，安装方便，工程建设成本低，维护修理费用低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明潮流能发电装置示意图。
图3为本发明联合发电装置的控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参照图1，本发明具体的技术方案是：一套海上风电和潮流能联合装置主要包括海上风力发电子系统1、潮流能发电子系统2、支撑基础系统3和电能输送系统4四部分。海上风力发电子系统1通过支撑基础系统3固定于海平面以上，支撑基础系统3为单桩式基础形式。潮流能发电子系统2通过L型支撑架安装在支撑基础系统3旁边。电能输送系统4将海上风力发电机和潮流发电机发出的电一并输送到电网中。
具体来说，海上风力发电子系统1包括叶片1-1、转轴1-2、齿轮箱1-3、发电机一1-4四大部分。转轴1-2将风机外部的叶片1-1与机舱内齿轮箱1-3连接，齿轮箱1-3再与发电机一1-4连接，发电机一1-4与电缆4-2连接进行电能输送。
参照图2，潮流能发电子系统2包括圆锥形旋转体2-1、发电机2-2和L型支撑架2-3三大部分。其中圆锥形旋转体2-1的尾部通过轴承2-4和发电机2-2的电机轴2-5相连，发电机2-2安装在L型支撑架2-3之上与电缆4-2相连进行电能输送。支撑基础系统3为单桩式基础结构，固定于海底。变压器4-1对海上风力发电装置和潮流能发电装置发出的电能进行整合和处理，通过电缆4-2将电输送到电网上。
进一步地，圆锥形旋转体上设有等间距的阿基米德螺旋槽，螺旋槽内安装有垂直于槽的阿基米德螺旋板2-6，圆锥形旋转体2-1的后部和后侧发电机2-2的电机轴2-5直接相连，中间设有轴承2-4起固定支撑作用。发电机通过L型支撑架2-3固定于单桩基础上，潮流能发电子系统2设有方向传感器2-8，用来接收潮流流向的信息。支撑体内设有偏航装置2-7用来改变潮流能发电装置的方向。
参照图3，海上风力发电和潮流能联合发电装置的控制系统包括岸上控制单元5、工控机6、快速路由器7、潮流能控制卡8、风机控制卡9、环境控制卡10、变压器控制卡11。潮流能控制卡8和快速路由器7的第一输入/输出连接，快速路由器7的第二输入/输出和风机控制卡9连接，快速路由器7的第三输入/输出通过环境控制卡10和变压器控制卡11连接，快速路由器7的第四输入/输出和工控机6连接，工控机6和岸上控制单元5连接。
本发明的工作原理为：
海上的风吹动海上风力发电子系统1的叶片1-1使其旋转运动，将风能转化为机械能，再通过相连的转轴1-2以及齿轮箱1-3带动后面的发电机一1-4转动再将机械能转化为电能输出。控制系统会检测各个参数信息，并发出指令使风力发电机组处于最佳工作状态，功率平稳输出。与此同时，海下会伴随潮流流动，潮流流向潮流能发电子系统2的圆锥形旋转体2-1时，会遇到圆锥形旋转体给予的阻力，在流过阿基米德螺旋板2-6时，会对阿基米德螺旋板2-6提供冲击力，使其整个圆锥形旋转体转动，将潮流能转变为旋转机械能。圆锥形旋转体的后部直接与发电机侧2-2的电机轴2-5相连，带动电机轴转动再将机械能转化为电能输出，两者中间设有滚动式轴承2-4起支撑连接作用。方向传感器2-8实时检测潮流的流向，当潮流流向和潮流能发电装置轴线方向有偏角时，控制系统会发出指令使支撑体2-3内的偏航装置2-7带动潮流能发电装置旋转，调整潮流能发电装置轴线方向，使其始终与潮流流向平行，提高发电功率。
海上风力发电和潮流能联合发电装置的控制策略如下：各个控制板卡均选为FPGA实时控制板卡，控制周期短，在4-10ms内完成信号输入、计算和输出的控制过程。当所述潮流能控制卡8接收到方向传感器信息时，会根据已测的潮流流向调整潮流能发电装置的方向，使潮流能发电装置的轴向与潮流流向保持一致，从而获取最大的能量。当所述海上风机控制卡9接收到风速、发电机转速、功率等参数信息时，会调整风机方向和发电机的转速，使风机处于最佳运行状态，获取最高捕获效率。环境控制卡10和多个传感器相连接收周边环境的信息并作出反应。当环境极为恶劣时发出指令使变压器开关控制卡11动作，实现整个系统的停机和启动以保护装置。快速路由器7通过网络协议和各个控制卡以及工控机和岸上中控室通信，完成数据的传递和控制命令的传输。

Claims (10)

1.一种海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，包括：
用于实现风力发电的海上风力发电子系统(1)；
用于实现潮流能发电的潮流能发电子系统(2)；
用于将所述海上风力发电子系统(1)固定于海平面以上且将所述潮流能发电子系统(2)固定于海平面以下的支撑基础系统(3)；
以及，用于将所述海上风力发电子系统(1)和潮流能发电子系统(2)所发的电一并输送到电网中的电能输送系统(4)。
2.根据权利要求1所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述海上风力发电子系统(1)包括叶片(1-1)，叶片(1-1)通过转轴(1-2)连接齿轮箱(1-3)，齿轮箱(1-3)与发电机一(1-4)连接，风能使叶片(1-1)转动从而带动齿轮箱(1-3)向发电机一(1-4)提供动力进行发电，所发电力通过与发电机一(1-4)连接的电缆(4-2)向外输送。
3.根据权利要求1所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述潮流能发电子系统(2)包括圆锥形旋转体(2-1)，圆锥形旋转体(2-1)的尾部通过轴承(2-4)与发电机二(2-2)的电机轴(2-5)相连，发电机二(2-2)安装在L型支撑架(2-3)上，海洋潮流通过圆锥形旋转体(2-1)的转动向发电机二(2-2)提供动力进行发电，所发电力通过与发电机二(2-2)连接的电缆(4-2)向外输送。
4.根据权利要求3所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述圆锥形旋转体(2-1)上设有等间距的阿基米德螺旋槽，螺旋槽内安装有垂直于槽的阿基米德螺旋板(2-6)。
5.根据权利要求1所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述潮流能发电子系统(2)上设有方向传感器(2-8)，用来接收潮流流向的信息。
6.根据权利要求3所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述L型支撑架(2-3)内设置有用于改变潮流能发电装置方向的偏航装置(2-7)。
7.根据权利要求1所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述支撑基础系统(3)为单桩式基础结构，固定于海底。
8.根据权利要求1所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述电能输送系统(4)包括与所述海上风力发电子系统(1)和潮流能发电子系统(2)输出电力相连接的电缆(4-2)，电缆(4-2)与变压器(4-1)连接，变压器(4-1)对输入的电能进行整合处理，整合处理后的电力输送至电网。
9.根据权利要求1所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，采用控制系统进行发电控制，所述控制系统包括：
潮流能控制卡(8)，接收潮流能发电子系统(2)含有方向参数的传感器信息并作出反应；
海上风机控制卡(9)，接收海上风力发电子系统(1)含有风速、发电机转速、功率参数的传感器信息并作出反应；
环境控制卡(10)，接收周边环境信息并作出反应；
变压器开关控制卡(11)，与环境控制卡(10)连接，控制变压器(4-1)的启停；
快速路由器(7)，实现通信功能，所述潮流能控制卡(8)和快速路由器(7)的第一输入/输出连接，快速路由器(7)的第二输入/输出和海上风机控制卡(9)连接，快速路由器(7)的第三输入/输出通过环境控制卡(10)和变压器控制卡(11)连接，
工控机(6)，与快速路由器(7)的第四输入/输出连接，接收信息并提供控制指令；
岸上控制单元(5)，与工控机(6)连接，提供远程控制指令。
10.根据权利要求9所述海上风电和海洋潮流能联合发电装置，其特征在于，所述潮流能控制卡(8)根据接收到的方向传感器信息，根据已测潮流的流向调整潮流能发电装置的位置，使潮流能发电装置的轴向与潮流流向一致，从而获取最大的能量；
所述海上风机控制卡(9)根据接收到的风速、发电机转速、功率参数信息时，调整风机方向和发电机的转速，从而达到处于最佳运行状态，获取最高捕获效率，功率平稳输出的目的；同时，海上风机控制卡(9)接收机舱内包括温度信息在内的环境信息，监测机舱内的工作环境状态；
所述环境控制卡(10)根据接收的环境信息进行判定，如判定为环境恶劣，则发出指令使变压器开关控制卡(11)动作，实现整个系统的停机以进行保护。
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