CN107542626A - 一种海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置 - Google Patents

Abstract

一种海上风电和垂直轴式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、电能输送系统和控制系统。其中海上风力发电系统选用较为常用的水平轴型式，发电机为永磁直流发电机。潮流能发电子系统为采用近些年发展较快的垂直轴型式。支撑基础系统为单桩式基础，风力发电子系统与潮流能发电子系统共用一个支撑基础桩，支撑桩的底部深入海底固定。控制系统起到实时通讯以及控制各子系统工作状态作用。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至电网中。本发明充分挖掘清洁高效的海洋资源，提高海洋资源利用率，提高设备的发电率，降低建造、维护成本，延长使用寿命，增加海上风电场经济效益。

Description

一种海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置

技术领域

本发明属于海上风电与海洋能发电技术领域，特别涉及一种海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置。

背景技术

近20多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，可再生新型能源在全球越来越受到重视。我国正在实施海洋资源开发和可再生能源等发展战略，海洋能的开发和利用将是我国未来能源结构中的重要组成部分。我国海上风电也开始进行大规模的项目前期建设中，海上风电技术已开始得到广泛运用，未来具有很大的发展前景。另一方面在海湾湾口、岛屿之间的水道存在着强潮流运动，具有广阔的潮流能开发前景与商业价值。如何充分高效利用各种不同空间海洋资源，降低建造、维护成本，利用各自优势取长补短，提高发电能力是目前亟待解决的难题。

潮流能发电装置是将潮流动能转换为电能的装置，垂直轴水轮机因自身优越性越来越受到人们的重视。但是垂直轴式潮流能发电装置水轮机存在很多缺点：一是启动性通常较差，需要辅助启动设备，从而增加设计难度降低能量利用效率。另一方面由于结构形式决定，垂直轴水轮机叶片会受到周期性载荷影响，加快动力部件老化，降低叶片及主轴的使用寿命。并且作为一种海洋工程，垂直轴式潮流能发电装置发电机的海水密封问题也受到人们越来越多的关注。

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垂直轴式潮流能联合发电装置，充分利用海洋资源空间，共用一套支撑基础及电能传输系统，降低了开发成本。同时利用风力发电系统自身舱体设计结构及风力发电机工作特性的特点解决潮流能发电装置发电机密封及低转矩不易自启动的难题。为了减少水轮机叶片受到周期性载荷影响，设计一种导流挡板新型结构，并通过配有偏航装置保证潮流能发电设备的发电效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种海上风电和垂直轴式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垂直轴式潮流能发电子系统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垂直轴式潮流能发电子系统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/或垂直轴式潮流能发电子系统2所发的电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主要包括叶片1-1、转轴1-2、齿轮箱1-3、发电机一1-4和机舱1-5；其中转轴1-2、齿轮箱1-3和发电机一1-4安装在机舱1-5内；转轴1-2两端连接叶片1-1与齿轮箱1-3，齿轮箱1-3与发电机一1-4连接，工作时海上风能动力带动叶片1-1的转动，通过转轴1-2和齿轮箱1-3将叶片1-1的旋转机械能传递至发电机一1-4前端旋转轴，从而带动发电机一1-4进行发电，所发电力通过电缆4-3向外输送。

所述垂直轴式潮流能发电子系统2包括叶轮2-1、箱体2-2、发电机二2-3和连接叶轮2-1与发电机二2-3的转轴2-4；所述箱体2-2由上、下、左、右、四个导流挡板组成，前、后两面为潮流进出口，置于水下，转轴2-4贯穿支撑基础3至海上风力发电子系统1内部；发电机二2-3安装在海上风力发电子系统1的机舱1-5内，使发电机二2-3工作状态不受外部海洋环境影响，发电机二2-3所发电力通过电缆4-3向外输送。

所述叶轮2-1为四叶片垂直型，即叶轮的旋转轴与水流方向垂直。

所述发电机一1-4输出端增加一条与发电机二2-3连接的电力线路，通过继电器1-6随时切换电流输送线路，以随时给发电机二2-3提供瞬时输入电流。

所述垂直轴式潮流能发电子系统2上方设有用来获取潮流流向的信息的潮流方向传感器2-5，上方设有用来获取潮流流速信息的潮流流速传感器2-6，转轴2-4上设置有用来获取叶轮2-1转速的叶轮转速传感器2-7，所述箱体2-2内设置有用于改变箱体2-2方向的偏航装置2-8。

所述支撑基础系统3为单桩式基础结构，固定于海床。

所述电能输送系统4包括逆变器4-1、变压器4-2和电缆4-3，其中电缆4-3将所述海上风力发电子系统1和垂直轴式潮流能发电子系统2输出的电力送至与之相连的逆变器4-1前端，逆变器4-1和变压器4-2对电流进行整合处理，并通过海底电缆一并输送至岸上电网。

本发明还包括：用于控制联合发电运行工作状态的控制系统5，

所述控制系统5包括岸上控制单元5-1、工控机5-2、快速路由器5-3、海上风机控制卡5-4、潮流能控制卡5-5、环境控制卡5-6、变压器开关控制卡5-7以及相应参数传感器。

所述岸上控制单元5-1，与工控机5-2连接，提供远程控制指令；

所述工控机5-2，与快速路由器5-3的第四输入/输出连接，接收信息并提供控制指令；

所述快速路由器5-3，实现通信功能，其第一输入/输出与海上风机控制卡5-4连接，第二输入/输出连接与潮流能控制卡5-5连接，第三输入/输出与环境控制卡5-6连接；

所述海上风机控制卡5-4，接收海上风力发电子系统1的含有风速、发电机转速、功率的参数信息并根据控制策略算法作出反应；

所述潮流能控制卡5-5，接收垂直轴式潮流能发电子系统2的含有潮流方向、流速、叶片转速的参数信息并根据控制策略算法作出反应；

所述环境控制卡5-6，与变压器开关控制卡5-7连接，接收周边环境信息，并联合控制变压器4-2的启停；

所述海上风机控制卡5-4根据风速、发电机转速、功率参数信息，调整风机的运行模式，以处于最佳运行状态，获取最高捕获效率，输出功率平稳；海上风机控制卡5-4同时接收机舱1-5内环境信息，监测机舱1-5内的工作环境状态；

所述潮流能控制卡5-5根据潮流方向信息，与目标值进行对比，调整垂直轴式潮流能发电子系统箱体2-2的位置，使更多的潮流流向叶轮2-1中，从而获取最大的能量；当潮流流速不为零而叶轮转速为零时，控制继电器1-6动作，使发电机一1-4产生的电流输出至发电机二2-3，为其提供瞬时启动电流，使之转动；

当所述环境控制卡5-6接收的环境信息判定为环境恶劣，则发出指令使变压器开关控制卡5-7动作，实现整个系统的停机以进行保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

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作为一套整体发电装置共用支撑基础及电能转换输送设备，减少固定设备投入，降低成本。同时充分利用海洋不同空间能量资源形式，提高海域使用率，提高单位面积的装机容量和发电量，增加经济效益，提高海上能源综合利用开发能力。

(2)潮流能发电子系统的发电机安装于风力发电机组机舱内，合理利用设备结构空间，降低潮流能发电机侧密封难度，提高设备安全性。

(3)风力发电子系统发电机为潮流能发电子系统电机提供启动电流，充分合理利用已有电能，减少辅助设备使用，降低购销维护成本，提高潮流能发电装置启动性能，改善启动性能，提高发电量。

(4)新型、高吸收率潮流能发电结构形式与传统的潮流能发电形式相比：配有上、下、左、右配有导流板，加速潮流流动，提高潮流能量吸收率。同时减少载荷波动对水轮机叶片影响，提高部件使用寿命，减少维护费用。

(5)新型、高吸收率潮流能发电结构形式与传统的潮流能发电形式相比：具有偏航功能，可以调整潮流能发电设备装置箱体入口方向，从而提高设备的发电效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是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。

参照附图1，本发明海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，主要包括海上风力发电子系统1、垂直轴式潮流能发电子系统2、支撑基础系统3、电能输送系统4、控制系统5五大部分。海上风力发电子系统1和垂直轴式潮流能发电子系统2通过支撑基础系统3固定于海平面上下两侧，支撑基础系统3为单桩式基础形式。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经电气设备转换后一并输送到电网中。

具体来说，海上风力发电子系统1选用较为常用的水平轴型式，主要包括叶片1-1、转轴1-2、齿轮箱1-3、发电机一1-4和机舱1-5五部分。其中转轴1-2、齿轮箱1-3、发电机一1-4置于机舱1-5内部，并通过转轴1-2将叶片1-1与机舱内各部件相连，传递旋转机械能至发电机一1-4前端，发电机一1-4与电缆4-3连接进行电能输送。发电机一1-4为永磁直流发电机。

参照附图2，垂直轴式潮流能发电子系统2采用近些年发展较快的垂直轴型式，主要包括叶轮2-1，箱体2-2、发电机二2-3和转轴2-4四部分。箱体2-2由上、下、左、右四块导流板组成，前、后两面为潮流进出口，转轴2-4上下两端连有叶轮2-1及发电机二2-3，并贯穿支撑基础系统3。发电机二2-3安装在海上风力发电子系统1的机舱1-5内，并与电缆4-3相连进行电能输送。发电机二2-3为永磁直流发电机。

进一步地，发电机一1-4输出端增加一条与发电机二2-3连接电力线路，通过继电器1-6随时切换电能输送线路。支撑基础系统3为单桩式基础结构，固定于海底。逆变器4-1与变压器4-2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4-3将电输送到电网上。

进一步地，垂直轴式潮流能发电子系统2上设有潮流方向传感器2-5、潮流流速传感器2-6、叶轮转速传感器2-7，用来接收相应参数信息。同时具有使箱体转动功能的偏航装置2-8。

参照图3，控制系统5包含了岸上控制单元5-1、工控机5-2、快速路由器5-3、海上风机控制卡5-4、潮流能控制卡5-5、环境控制卡5-6、变压器开关控制卡5-7。海上风机控制卡5-4和快速路由器5-3的第一输入/输出连接，快速路由器5-3的第二输入/输出和潮流能控制卡5-5连接，快速路由器5-3的第三输入/输出和环境控制卡5-6连接，环境控制卡5-6与变压器开关控制卡5-7连接，快速路由器5-3的第四输入/输出和工控机5-2连接，工控机5-2和岸上控制单元5-1连接。

本发明的工作原理为：

海上风力发电系统1的叶片1-1在海风吹动下转动，产生旋转机械能。并通过转轴1-2及齿轮箱1-3将能量传递至发电机一1-4带动其运转发电。运行过程中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。与此同时，海下会产生潮流流动，潮流流过垂直轴式潮流能发电子系统2的叶轮2-1时，带动叶轮2-1转动产生旋转机械能，通过转轴2-4将能量传递至发电机二2-3，带动发电机二2-3运转，将机械能转化为电能输出。当控制系统5接收到潮流流速不为零而叶轮没有转动(转速为零)时，会发出控制信号，使继电器1-6动作，将发电机一1-4产生的电能瞬间输出至发电机二2-3，为其提供瞬时启动电流，使之转动。同时当潮流方向传感器2-5实时检测的潮流流向与箱体2-2入口有偏角时，控制系统5会出发指令让偏航装置2-8工作，使箱体2-2发生偏转直至与潮流流向平行为止，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。海上风机控制卡5-4接收到风速、发电机转速、功率等参数信息时，会调整风机的运行模式，保证风机处于最佳运行状态。潮流能控制卡5-5接收到潮流方向传感器2-5的信息时，会根据已测潮流流向信息调整箱体2-2的位置，从而获取最大的能量，提高发电效率。并且当检测到潮流流速不为零而叶轮转速为零时，会使继电器1-6动作，使发电机一1-4产生的电能输出至发电机二2-3，提供满足发电机二2-3启动条件的电流。环境控制卡5-6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5-7动作，实现整个系统的停机和启动以保护装置。快速路由器5-3通过网络协议和各个控制卡以及工控机2和岸上中控室通信，完成数据的传递和控制命令的传输。

本发明充分挖掘清洁高效的海洋资源，提高海洋资源利用率，提高设备的发电率，降低建造、维护成本，延长使用寿命，增加海上风电场经济效益。

Claims (10)

1.一种海上风电和垂直轴式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垂直轴式潮流能发电子系统(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垂直轴式潮流能发电子系统(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/或垂直轴式潮流能发电子系统(2)所发的电输送到电网中的电能输送系统(4)。

2.根据权利要求1所述海上风电和垂直轴式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)主要包括叶片(1-1)、转轴(1-2)、齿轮箱(1-3)、发电机一(1-4)和机舱(1-5)；其中转轴(1-2)、齿轮箱(1-3)和发电机一(1-4)安装在机舱(1-5)内；转轴(1-2)两端连接叶片(1-1)与齿轮箱(1-3)，齿轮箱(1-3)与发电机一(1-4)连接，工作时海上风能动力带动叶片(1-1)的转动，通过转轴(1-2)和齿轮箱(1-3)将叶片(1-1)的旋转机械能传递至发电机一(1-4)前端旋转轴，从而带动发电机一(1-4)进行发电，所发电力通过电缆(4-3)向外输送。

3.根据权利要求1所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于，所述垂直轴式潮流能发电子系统(2)包括叶轮(2-1)、箱体(2-2)、发电机二(2-3)和连接叶轮(2-1)与发电机二(2-3)的转轴(2-4)；所述箱体(2-2)由上、下、左、右、四个导流挡板组成，前、后两面为潮流进出口，置于水下，转轴(2-4)贯穿支撑基础(3)至海上风力发电子系统(1)内部；发电机二(2-3)安装在海上风力发电子系统(1)的机舱(1-5)内，使发电机二(2-3)工作状态不受外部海洋环境影响，发电机二(2-3)所发电力通过电缆(4-3)向外输送。

4.根据权利要求3所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于，所述叶轮(2-1)为四叶片垂直型，即叶轮的旋转轴与水流方向垂直。

5.根据权利要求2和3所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于，所述发电机一(1-4)输出端增加一条与发电机二(2-3)连接的电力线路，通过继电器(1-6)随时切换电流输送线路，以随时给发电机二(2-3)提供瞬时输入电流。

6.根据权利要求3所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于，所述垂直轴式潮流能发电子系统(2)上方设有用来获取潮流流向的信息的潮流方向传感器(2-5)，上方设有用来获取潮流流速信息的潮流流速传感器(2-6)，转轴(2-4)上设置有用来获取叶轮(2-1)转速的叶轮转速传感器(2-7)，所述箱体(2-2)内设置有用于改变箱体(2-2)方向的偏航装置(2-8)。

7.根据权利要求1所述海上风电和垂直轴式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，固定于海床。

8.根据权利要求1所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于，所述电能输送系统(4)包括逆变器(4-1)、变压器(4-2)和电缆(4-3)，其中电缆(4-3)将所述海上风力发电子系统(1)和垂直轴式潮流能发电子系统(2)输出的电力送至与之相连的逆变器(4-1)前端，逆变器(4-1)和变压器(4-2)对电流进行整合处理，并通过海底电缆一并输送至岸上电网。

9.根据权利要求1所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于，还包括：用于控制联合发电运行工作状态的控制系统(5)，

所述控制系统(5)包括岸上控制单元(5-1)、工控机(5-2)、快速路由器(5-3)、海上风机控制卡(5-4)、潮流能控制卡(5-5)、环境控制卡(5-6)、变压器开关控制卡(5-7)以及相应参数传感器。

10.根据权利要求9所述海上风电和垂直轴式潮流能联合发电装置，其特征在于：

所述岸上控制单元(5-1)，与工控机(5-2)连接，提供远程控制指令；

所述工控机(5-2)，与快速路由器(5-3)的第四输入/输出连接，接收信息并提供控制指令；

所述快速路由器(5-3)，实现通信功能，其第一输入/输出与海上风机控制卡(5-4)连接，第二输入/输出连接与潮流能控制卡(5-5)连接，第三输入/输出与环境控制卡(5-6)连接；

所述海上风机控制卡(5-4)，接收海上风力发电子系统(1)的含有风速、发电机转速、功率的参数信息并根据控制策略算法作出反应；

所述潮流能控制卡(5-5)，接收垂直轴式潮流能发电子系统(2)的含有潮流方向、流速、叶片转速的参数信息并根据控制策略算法作出反应；

所述环境控制卡(5-6)，与变压器开关控制卡(5-7)连接，接收周边环境信息，并联合控制变压器(4-2)的启停；

所述海上风机控制卡(5-4)根据风速、发电机转速、功率参数信息，调整风机的运行模式，以处于最佳运行状态，获取最高捕获效率，输出功率平稳；海上风机控制卡(5-4)同时接收机舱(1-5)内环境信息，监测机舱(1-5)内的工作环境状态；

所述潮流能控制卡(5-5)根据潮流方向信息，与目标值进行对比，调整垂直轴式潮流能发电子系统箱体(2-2)的位置，使更多的潮流流向叶轮(2-1)中，从而获取最大的能量；当潮流流速不为零而叶轮转速为零时，控制继电器(1-6)动作，使发电机一(1-4)产生的电流输出至发电机二(2-3)，为其提供瞬时启动电流，使之转动；

当所述环境控制卡(5-6)接收的环境信息判定为环境恶劣，则发出指令使变压器开关控制卡(5-7)动作，实现整个系统的停机以进行保护。