CN108216508B - 基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统 - Google Patents

基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统 Download PDF

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Abstract

基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统，属于海洋能源利用领域。本发明包括超大型浮式平台、锚链系统、张力腿系统、振荡浮子式波浪能发电装置。振荡浮子式波浪能发电装置通过齿轮与齿条传动的方式将浮子的摆动转化为活塞杆的水平运动，驱动双向液压发电系统的马达发电。本发明中的超大型浮式平台外侧的波浪能装置不仅可利用入射波浪能为超大型浮式平台提供可观的能源补给，而且可有效减弱作用于超大型浮式平台的入射波浪荷载，降低平台运动响应；采用张力腿与锚链混合系泊系统，可改善超大型浮式平台的运动性能，即张力腿结构约束平台的扭转运动，锚链结构约束平台的水平运动，提高超大型浮式平台的安全性和稳定性。

Description

基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统
技术领域
本发明属于海洋能利用领域，涉及超大型浮式结构，尤其涉及一种与波浪能发电装置相结合的超大型浮式平台。
背景技术
占地球总面积的2/3以上的浩瀚大海蕴含着极其丰富的未开发资源，而陆地资源开发在未来必然趋于极限，海上资源开发必然成为各国经济发展的主要战略。面对这一形势，各国开始投入研究超大型浮式结构(VLFS)，VLFS是一种新型海洋结构，它相比一般的海洋平台，具有面积宽广、易于多功能化、综合性强等特点。它不仅能用于海上资源开发，必要时还可以用于扩展沿海城市的陆域面积等。针对我国国情和发展理念，VLFS具有十分光明和重要的应用前景。
现有技术中，VLFS主要有箱式、半潜式等，其中箱式适用于较平静的海域，而半潜式便于模块化，减弱海况对VLFS的整体影响，可适用于海况相对恶劣的海域。波浪能发电装置种类繁多，各有千秋，包括点头鸭式、振荡水柱式、推摆式、收缩波道式、波力发电船式、环礁式、整流器式等多种。
现有技术的不足是：VLFS对防浪墙或天然屏障如岛屿的依赖性比较强，对没有屏障的深海载荷抵御能力差，VLFS设计方案大多采用锚链系泊，其相关混合系泊系统及消波策略的研究还非常有限。大多数波浪能发电装置在实际应用中成本较高，能量转化效率较低。目前还缺少能够结合利用波浪能发电装置进行能源补给及减弱波浪力载荷的VLFS。
发明内容
本发明目的在于提出一种基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统，在减弱深海波浪荷载对超大型浮式平台的作用的同时，提高海洋波浪能的利用效率并降低发电成本，并为其提出了张力腿与锚链混合系泊系统以改善VLFS的运动响应。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构，包括超大型浮式平台1、锚链系统2、张力腿系统3、振荡浮子式波浪能发电装置。所述锚链系统2包含若干呈对称分布的锚链，其上端锚固在超大型浮式平台1的四个端角处，下端固定在海底，用于限制超大型浮式平台1的整体水平位移；所述张力腿系统3包含若干呈对称分布的张力腿，其上端与超大型浮式平台1的下方铰接，下端固定在海底，用于限制超大型浮式平台的平面外扭转运动，锚链系统2和张力腿系统3共同保证超大型浮式平台1的安全性和稳定性；所述振荡浮子式波浪能发电装置布置于超大型浮式平台1的侧面，浮在海面上，利用该波浪能发电装置获取波浪能，同时减弱入射波浪对浮式平台的载荷作用。
所述振荡浮子式波浪能发电装置包括圆柱体浮子4、连杆结构5、齿轮结构6、固定轴7、齿条8、水平活塞杆9、双向液压发电系统；所述双向液压发电系统包括液压缸10、第一单向入流阀11、节流阀12、液压马达13、发电装置14、第一单向出流阀15、第二单向入流阀16、第二单向出流阀17、储能器18。
所述圆柱体浮子4通过连杆结构5与齿轮结构6固接；齿轮结构6固定在大型浮式平台1的内部，可以绕着固定轴7转动，并与齿条8啮合连接，固定轴7固接在超大型浮式平台1内部；齿条8固定在水平活塞杆9的一端，水平活塞杆9另一端深入水平向液压系统的液压缸10中。
所述波浪能发电装置中，圆柱体浮子4的摆动带动齿轮结构6绕固定轴7旋转，再通过与齿轮结构6啮合的齿条8驱动水平活塞杆9拉压往复运动；当水平活塞杆9做压缩运动时，带动液压缸10内的液体经第一单向入流阀11和节流阀12进入液压马达13，驱动其旋转，从而带动发电装置14发电，最终液体经第一单向出流阀15回流至液压缸10；当水平活塞杆9做拉伸运动时，带动液压缸10内的液体经第二单向入流阀16和节流阀12进入液压马达13驱动其旋转，从而带动发电装置14发电，最终液体经第二单向出流阀17回流至液压缸10内；节流阀12和储能器18主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的。
本发明的有益效果是：
(1)超大型浮式平台外侧的波浪能采集系统可以吸收入射波浪能，为超大型浮式平台提供可观的能源补给。
(2)超大型浮式平台外侧的波浪能圆柱体浮子结构可以有效减弱作用于超大型浮式平台的入射波浪荷载，降低平台运动响应，从而提高平台的安全性能。
(3)采用张力腿和锚链混合系泊的约束系统可以有效改善浮式平台的运动性能，即：张力腿结构约束平台的扭转运动；锚链结构约束平台的水平运动。
附图说明
图1是本发明基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统的正视示意图，其中虚线表示海平面。
图2是本发明基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统的俯视示意图。
图3是本发明振荡浮子式波浪能发电装置系统的正视示意图。
图4是本发明振荡浮子式波浪能发电装置系统的俯视示意图；其中固定轴7两端固定于平台内部。
图中：1超大型浮式平台；2锚链系统；3张力腿系统；3a张力腿系统上部平台连接处；3b张力腿系统下部海底连接处；4圆柱体浮子；5连杆结构；6齿轮结构；7固定轴；8齿条；9水平活塞杆；10液压缸；11第一单向入流阀；12节流阀；13液压马达；14发电装置；15第一单向出流阀；16第二单向入流阀；17第二单向出流阀；18储能器。
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。
基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构包括超大型浮式平台1、对称锚固超大型平台的锚链系统2、对称分布在超大型平台下方的张力腿系统3、振荡浮子式波浪能发电装置的圆柱体浮子4和连杆结构5、齿轮结构6、固定轴7、齿条8、水平活塞杆9、双向液压发电系统。其中，张力腿系统3上端通过张力腿系统上部平台连接处3a铰接在超大型浮式平台1下方，下端通过张力腿系统下部海底连接处3b固定在海底。
一方面，振荡浮子式波浪能发电装置布置于超大型浮式平台外侧，利用该波浪能发电装置获取波浪能，同时减弱入射波浪对浮式平台的载荷作用；另一方面，采用对称分布的超大型浮式平台锚链系统，主要用于限制超大型浮式平台的整体水平位移，而张力腿系统主要用于限制超大型浮式平台的平面外扭转运动，即共同保证了超大型浮式平台的安全性和稳定性。
振荡浮子式波浪能发电装置包括：圆柱体浮子4、连杆结构5、齿轮结构6、固定轴7、齿条8、水平活塞杆9、双向液压发电系统；所述双向液压发电系统包括液压缸10、第一单向入流阀11、节流阀12、液压马达13、发电装置14、第一单向出流阀15、第二单向入流阀16、第二单向出流阀17、储能器18。圆柱体浮子4通过连杆结构5与齿轮结构6固接；齿轮结构6固定在大型浮式平台1的内部，可以绕着固定轴7转动，并与齿条8啮合连接，固定轴7与平台固接；齿条8固定在水平活塞杆9的一端，水平活塞杆9另一端深入水平向液压系统的液压缸10中。
所述波浪能发电装置中，圆柱体浮子4通过连杆结构5与齿轮结构6固接，圆柱体浮子4的摆动可带动齿轮结构6绕固定轴7旋转，再通过与齿轮结构6啮合的齿条8驱动水平活塞杆9拉压往复运动，当水平活塞杆9做压缩运动时，带动液压缸10内的液体经第一单向入流阀11和节流阀12进入液压马达13，驱动其旋转，从而带动发电装置14发电，最终液体经第一单向出流阀15回流至液压缸10；当水平活塞杆9做拉伸运动时，带动液压缸10内的液体经第二单向入流阀16和节流阀12进入液压马达13驱动其旋转，从而带动发电装置14发电，最终液体经第二单向出流阀17回流至液压缸10内；节流阀12和储能器18主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的。
本发明设计要结合以下因素：
(1)所述的振荡浮子式波浪能发电装置根据波浪特征，按照主入射波浪方向多布置，非主入射波浪方向少布置或不布置的原则分布在超大型浮式平台外侧；并根据选址地点的波浪统计特征、平台尺寸以及泊位设计、消波效果、发电功率等要求，优化选取波浪能发电装置浮子的尺寸、形状、数量及分布方式，使波浪装置尽可能地吸收主入射波浪方向的波浪能，并有效减弱作用于超大型浮式平台的波浪力载荷；
(2)采用了张力腿与锚链混合系泊系统，结合波浪能发电装置及超大型浮式平台的水动力荷载特征，根据超大型浮式平台的尺寸、选址地点的水深及地质条件，对称分布张力腿系统，并优化设计张力腿结构的截面尺寸，控制平台的扭转运动，同时优化设计平台锚链数量，控制平台整体水平位移，确保超大型浮式平台和锚泊系统的安全性及耐久性。
基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统的施工安装流程如下：首先依据现有张力腿平台施工工艺，按照设计将各张力腿系统3固定于拟建平台地点的海底；其次，在船坞进行超大型浮式平台1和波浪能装置的拼接，并组合调试；再次，用专业施工船将拼接好的超大型浮式平台1托运到张力腿系统3上方海域与张力腿系统3进行对接安装；最后，将超大型浮式平台1用锚链系统2锚泊，完成基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统的施工安装。

Claims (2)

1.一种基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统，其特征在于，所述的基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构包括超大型浮式平台(1)、锚链系统(2)、张力腿系统(3)、振荡浮子式波浪能发电装置；所述锚链系统(2)包含若干呈对称分布的锚链，用于限制超大型浮式平台(1)的整体水平位移；所述张力腿系统(3)包含若干呈对称分布的张力腿，用于限制超大型浮式平台的平面外扭转运动，锚链系统(2)和张力腿系统(3)共同保证超大型浮式平台(1)的安全性和稳定性；所述振荡浮子式波浪能发电装置布置于超大型浮式平台(1)的侧面，浮在海面上，利用该波浪能发电装置获取波浪能，同时减弱入射波浪对浮式平台的载荷作用；
所述振荡浮子式波浪能发电装置包括圆柱体浮子(4)、连杆结构(5)、齿轮结构(6)、固定轴(7)、齿条(8)、水平活塞杆(9)、双向液压发电系统；所述圆柱体浮子(4)通过连杆结构(5)与齿轮结构(6)固接；齿轮结构(6)固定在超大型浮式平台(1)的内部，能够绕着固定轴(7)转动，并与齿条(8)啮合连接，固定轴(7)固接在超大型浮式平台(1)内部；齿条(8)固定在水平活塞杆(9)的一端，水平活塞杆(9)另一端深入水平向液压系统的液压缸(10)中；
所述圆柱体浮子(4)的摆动带动齿轮结构(6)绕固定轴(7)旋转，再通过与齿轮结构(6)啮合的齿条(8)驱动水平活塞杆(9)做拉伸、压缩往复运动，带动双向液压发电系统中的发电装置(14)发电。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合系泊的超大型浮式平台与波浪能装置集成结构系统，其特征在于，所述的双向液压发电系统包括液压缸(10)、第一单向入流阀(11)、节流阀(12)、液压马达(13)、发电装置(14)、第一单向出流阀(15)、第二单向入流阀(16)、第二单向出流阀(17)、储能器(18)；水平活塞杆(9)做拉伸、压缩往复运动带动发电装置(14)发电具体为：
当水平活塞杆(9)做压缩运动时，带动液压缸(10)内的液体经第一单向入流阀(11)和节流阀(12)进入液压马达(13)，驱动其旋转，从而带动发电装置(14)发电，最终液体经第一单向出流阀(15)回流至液压缸(10)；当水平活塞杆(9)做拉伸运动时，带动液压缸(10)内的液体经第二单向入流阀(16)和节流阀(12)进入液压马达(13)驱动其旋转，从而带动发电装置(14)发电，最终液体经第二单向出流阀(17)回流至液压缸(10)内；节流阀(12)和储能器(18)用于稳定液压系统压力及保护液压系统安全。
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