CN108240280B - 基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统 - Google Patents

基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统 Download PDF

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Abstract

基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统，属于海洋能源利用领域，包括中心大平台模块、小平台模块、张力腿系统、平台间盖板、振荡浮子式波浪能发电装置、模块连接构件。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，驱动双向液压发电装置的马达发电。模块间的连接构件按照连接平台模块分为两种模式，即利用小平台与大平台间的相对扭转及水平两向运动和利用小平台间的相对扭转发电。本发明外侧的波浪能装置利用入射波浪能提供能源补给，有效减弱入射波浪荷载，降低平台运动响应；采用两种模块间的连接构件，既能获得可观的能量供给又有效缓解各模块间的相对运动，提高系统的安全性、整体稳定性和可拓展性。

Description

基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统
技术领域
本发明属于海洋能利用领域，涉及大型海洋浮式结构，尤其涉及一种基于 模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统。
背景技术
随着陆地资源逐渐趋于极限，各国掀起了海洋资源开发的热潮。作为海洋 资源开发的前沿基地，超大型浮式结构(VLFS)相比一般的海洋平台，具有面积 宽广、易多功能化、综合性强等特点，不仅适用于海洋资源开发，还能用作海 上军事基地等。但由于VLFS尺寸巨大，且要承受巨大的海洋荷载，它必定要 进行模块化，由若干种基本的离散模块拼接而成，以减少海洋荷载对VLFS的 破坏。因此VLFS的模块化具有十分重要的研究意义。
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。VLFS模块之间的连接方式主要有刚性连接，柔性连接等，其中刚性连 接可以有效控制模块之间的相对运动，但连接器承受荷载巨大，而柔性连接器 允许模块之间有相对运动，以此减弱作用于连接器上的荷载。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。大多数VLFS模块连接构件的设计存在设计 载荷较大，限制模块相对运动的效果差等问题。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 置和模块连接构件进行能源补给及减弱波浪力荷载的VLFS。
发明内容
本发明目的在于提出一种基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成 系统，采用模块化连接器与波浪能装置相结合的方式，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。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统包括中心大平台模块 1、若干小平台模块2、张力腿系统3、盖板4、振荡浮子式波浪能发电装置、模 块连接构件、橡胶防撞装置21；小平台模块2分布于中心大平台模块1周围。
所述张力腿系统3包含若干呈对称分布的张力腿，其上端与中心大平台模 块1、小平台模块2的下方铰接，下端固定在海底，用于限制中心大平台模块1、 小平台模块2的平面外扭转运动。每个平台模块都采用张力腿系统，结合波浪 能发电装置、模块连接构件及平台模块的水动力载荷特征，根据平台模块尺寸、 选址地点的水深及地址条件，优化设计张力腿的数量和截面尺寸，使各小平台 模块有一定的自稳定性，减弱其对中心大平台的依赖性，减缓中心大平台的载 荷效应，利于进行平台模块的功能性及规模化拓展。
所述盖板4搭设于相邻平台模块之间(盖板一端固定于一平台上，另一端 搭接在另一相邻平台上)，用于连通相邻平台模块，提高超大型浮式平台系统 的整体性。
所述的振荡浮子式波浪能发电装置布置于最外层平台模块的侧面，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5、连杆结构6、齿轮 传动装置、双向液压发电装置，双向液压发电装置布设于各个平台模块内部， 同一个平台模块内双向液压发电装置可酌情并行设计；所述齿轮传动装置包括 齿轮结构8、固定轴9、齿条10、水平活塞杆11；所述双向液压发电装置包括 液压缸12、第一单向入流阀13、节流阀14、液压马达15、发电装置16、第一 单向出流阀17、第二单向入流阀18、第二单向出流阀19、储能器20。所述圆 柱体浮子5通过连杆结构6与齿轮结构8固接；齿轮结构8固定在小平台模块2 内部，可以绕着固定轴9转动，并与齿条10啮合连接，固定轴9与平台模块固 接；齿条10固定在水平活塞杆11的一端，水平活塞杆11另一端深入水平向液 压装置的液压缸12中。
所述波浪能发电装置中，圆柱体浮子5的摆动带动齿轮结构8绕固定轴9 旋转，再通过与齿轮结构8啮合的齿条10驱动水平活塞杆11拉压往复运动。 当水平活塞杆11做压缩运动时，带动液压缸12内的液体经第一单向入流阀13 和节流阀14进入液压马达15，驱动其旋转，从而带动发电装置16发电，最终 液体经第一单向出流阀17回流至液压缸12；当水平活塞杆11做拉伸运动时， 带动液压缸12内的液体经第二单向入流阀18和节流阀14进入液压马达15驱 动其旋转，从而带动发电装置16发电，最终液体经第二单向出流阀19回流至液压缸12内；节流阀14和储能器20主要起到稳定液压系统压力及保护液压系 统安全的目的。
所述模块连接构件包括模块连接杆7、齿轮传动装置、双向液压发电装置， 所述双向液压发电装置的结构及发电原理与波浪能发电装置中的双向液压发电 装置相同；所述模块连接杆7用于连接相邻平台模块，位于盖板4下方。模块 连接构件按照连接平台的相对尺寸分为两种方式，结合波浪能发电装置及平台 模块的水动力荷载特征，根据浮式平台模块尺寸和间距、消波效果、发电功率 要求等，优化设计模块连接构件各部件的主要参数，使其有效约束平台模块之 间的相对运动，并尽可能利用其相对运动发电，有效减弱作用于模块连接构件 上的载荷。两种方式具体为：
第一种为小平台模块2与中心大平台模块1之间的连接，利用小平台模块2 与中心大平台模块1之间的相对扭转及水平两向运动进行发电：模块连接杆7 一端与齿轮传动装置的齿轮结构8固接，齿轮结构8设置于小平台模块2内， 记为A端；模块连接杆7另一端深入中心大平台模块1内的大型的双向液压发 电装置中，记为C端；当小平台模块2与中心大平台模块1发生相对运动时， 不仅能通过模块连接杆7带动A端齿轮结构8绕固定轴9旋转，以此通过齿轮 齿条传动方式驱动固定在小平台模块2内部的双向液压发电装置发电(原理同波浪能发电装置)，还能够通过模块连接杆7在C端中心大平台大型双向液压 发电装置液压缸中的拉压往复运动驱动其发电。
第二种为小平台模块2与小平台模块2之间的连接，利用小平台模块2之 间的相对扭转进行发电：模块连接杆7一端与齿轮传动装置的齿轮结构8固接， 齿轮结构8设置于其中一个小平台模块2内，记为A端；模块连接杆7另一端 固定于另一个小平台模块2内部，记为B端；当两个相邻的小平台模块2发生 相对摆动运动时，通过模块连接杆7带动A端齿轮结构8绕固定轴9旋转，以 此通过齿轮齿条传动方式驱动固定于小平台模块2内部的双向液压发电装置发 电(原理同波浪能发电装置)。
所述橡胶防撞装置21以模块连接杆为轴对称分布设置于平台模块A端，固 定于平台内，用于防止极端情况下模块连接杆与平台内部的剧烈碰撞。
本发明基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统，采用易于建 造及拓展的模块化概念，利用波浪能发电装置、可发电的柔性模块连接构件以 及张力腿系统相结合的方式，在确保超大型浮式平台系统安全性与稳定性的前 提下，为未来超大型浮式平台的功能拓展提供可能；其有益效果是：
(1)振荡浮子式波浪能发电装置布置于超大型浮式平台系统外侧，作为波 浪能采集系统可以吸收入射波浪，同时有效减弱作用于浮式平台的入射波浪荷 载，在为整个超大型浮式平台系统提供可观能源补给的同时，降低平台运动响 应，从而提高整个超大型浮式平台系统的安全性能。
(2)采用模块化方式将超大型浮式平台离散成多个模块，便于超大型浮式 平台的功能区域化、多元化以及规模拓展。
(3)平台模块之间采用新型可发电的柔性模块连接构件，利用平台模块之 间的相对运动发电，在减弱作用于模块连接构件上的载荷和保证整个超大型浮 式平台系统的整体性的同时，能够为整个超大型浮式平台系统提供可观能源补 给。
(4)每个小平台模块下都设置独立的张力腿系统，各平台具有一定的自稳 定性，不显著增加作用在中心大平台的荷载，有效地减弱模块间的相对运动， 保证超大型浮式平台系统的安全性和稳定性，利于平台模块的功能性及规模化 拓展。
附图说明
图1是本发明基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统的正视 示意图，其中虚线表示海平面。
图2(a)是本发明基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统的俯 视示意图(含盖板)，虚线表示浮式平台模块边线。
图2(b)是本发明基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统的俯 视示意图(不含盖板)，其中A、B、C字母对应上述模块连接构件各端。
图3(a)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3(b)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9两端固定于平台内部，E表示不含液压缸部分的双向液压发电装置)。
图4(a)是本发明浮式平台模块连接构件模式一的正视剖视示意图。
图4(b)是本发明浮式平台模块连接构件模式一的俯视剖视示意图。
图5(a)是本发明浮式平台模块连接构件模式二的正视剖视示意图。
图5(b)是本发明浮式平台模块连接构件模式二的俯视剖视示意图。
图中：1中心大平台模块；2小平台模块；3张力腿系统；3a上部平台连接 处；3b下部海底连接处；4盖板；5圆柱体浮子；6连杆结构；7模块连接杆；8 齿轮结构；9固定轴；10齿条；11水平活塞杆；12液压缸；13第一单向入流阀； 14节流阀；15液压马达；16发电装置；17第一单向出流阀；18第二单向入流 阀；19第二单向出流阀；20储能器；21橡胶防撞装置。
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。
基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统包括中心大平台模块 1、若干个小平台模块2、张力腿系统3、盖板4、振荡浮子式波浪能发电装置、 模块连接构件、橡胶防撞装置21，小平台模块2布设于中心大平台模块1周围。 所述盖板4搭设于相邻平台模块之间，盖板4包括长方形盖板和正方形盖板； 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。所述振荡浮子式波 浪能发电装置布置于中心大平台模块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。
采用两种新型的柔性模块连接构件连接相邻浮式平台模块，一种用于连接 小平台与中心大平台(模式一)，另一种用于连接两个小平台(模式二)，两 种模式都既能获得可观的能量供给，又有效缓解各模块间的相对运动，其中模 式一的模块连接构件可以利用小平台与中心大平台之间的相对扭转及水平两向 运动进行发电，模式二的模块连接构件可以利用两个小平台之间的相对扭转进 行发电，即为整个超大型浮式平台系统提供可观能源补给，并减弱模块间的相 对运动和保证整个超大型浮式平台系统的整体稳定性。
每个平台都采用张力腿系统约束各自平台的运动，即每个平台都具有一定 的自稳定性，小平台不明显依赖中心大平台，即不显著增加中心大平台的载荷 效应，既保证了超大型浮式平台系统的安全性和稳定性，也便于超大型浮式平 台系统的规模拓展。
振荡浮子式波浪能发电装置包括圆柱体浮子5、连杆结构6、齿轮传动装置、 双向液压发电装置；所述齿轮传动装置包括齿轮结构8、固定轴9、齿条10、水 平活塞杆11；所述双向液压发电装置包括液压缸12、第一单向入流阀13、节流 阀14、液压马达15、发电装置16、第一单向出流阀17、第二单向入流阀18、 第二单向出流阀19、储能器20。所述圆柱体浮子5通过连杆结构6与齿轮结构 8固接；齿轮结构8固定在小平台模块2内部，可以绕着固定轴9转动，并与齿 条10啮合连接，固定轴9与小平台模块固接；齿条10固定在水平活塞杆11的 一端，水平活塞杆11另一端深入水平向液压系统的液压缸12中。
所述波浪能发电装置中，圆柱体浮子5的摆动可带动齿轮结构8绕固定轴9 旋转，再通过与齿轮结构8啮合的齿条10驱动水平活塞杆11拉压往复运动， 当水平活塞杆11做压缩运动时，带动液压缸12内的液体经第一单向入流阀13 和节流阀14进入液压马达15，驱动其旋转，从而带动发电装置16发电，最终 液体经第一单向出流阀17回流至液压缸12；当水平活塞杆11做拉伸运动时， 带动液压缸12内的液体经第二单向入流阀18和节流阀14进入液压马达15驱 动其旋转，从而带动发电装置16发电，最终液体经第二单向出流阀19回流至液压缸12内。
所述模块连接构件包括模块连接杆7、齿轮传动装置、双向液压发电装置， 该双向液压发电装置结构及发电原理与波浪能发电装置中的双向液压发电装置 相同。所述模块连接杆7用于连接相邻平台模块，位于盖板4下方，包括两种 连接方式：
第一种为小平台模块2与中心大平台模块1之间的连接：模块连接杆7一 端与齿轮传动装置的齿轮结构8固接，齿轮结构8设置于小平台模块2内，记 为A端；模块连接杆7另一端深入中心大平台模块1内的大型双向液压系统中， 记为C端；当小平台模块2与中心大平台模块1发生相对运动时，不仅能通过 模块连接杆7带动A端齿轮结构8绕固定轴9旋转，以此通过齿轮齿条传动方 式驱动固定在小平台模块2内部的双向液压发电装置发电，还能够通过模块连 接杆7在C端中心大平台大型双向液压发电装置液压缸中的拉压往复运动驱动其发电。
第二种为小平台模块2与小平台模块2之间的连接：模块连接杆7一端与 齿轮传动装置的齿轮结构8固接，齿轮结构8设置于其中一个小平台模块2内， 记为A端；模块连接杆7另一端固定于另一小平台模块2内部，记为B端；当 两个相邻的小平台模块2发生相对摆动运动时，通过模块连接杆7带动A端齿 轮结构8绕固定轴9旋转，以此通过齿轮齿条传动方式驱动固定于小平台模块2 内部的双向液压发电装置发电。
所述橡胶防撞装置21以模块连接杆为轴对称分布设置于平台模块A端(固 定于平台内)，防止极端情况下模块连接杆与平台内部发生剧烈碰撞。
本发明设计要结合以下因素：
(1)根据选址地点的波浪统计特征、浮式平台模块尺寸以及泊位设计、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系统的波浪力载荷；
(2)结合波浪能发电装置及平台模块的水动力荷载特征，根据浮式平台模 块的尺寸和间距、消波效果、发电功率等要求，优化设计模块连接构件各部件 的主要参数，有效约束浮式平台之间的相对运动，并尽可能利用其相对运动， 有效减弱作用于模块连接构件上的载荷。
(3)结合波浪能发电装置及平台模块的水动力荷载特征，根据浮式平台模 块的尺寸、选址地点的水深及地址条件，优化设计对称分布式张力腿系统的主 要参数，有效限制浮式平台模块的位移，从而确保超大型浮式平台系统和锚泊 系统的安全性及耐久性；
(4)结合模块连接杆设计尺寸和最大摆动限位，优化设计橡胶防撞装置的 形状和尺寸等主要参数，保证模块连接构件和浮式平台模块在极端摆动情况下 的安全性。
基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成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固定于各 拟建平台模块地点的海底；其次，在船坞将模块连接构件主体构件(不含模块 连接杆7)和橡胶防撞装置对应安装在各平台模块内部预设的开口，并试验组合 调试模块连接构件；再次，将波浪能装置与对应安装的小平台模块2进行拼接， 并组合调试；接着，按照以中心大平台为中心向外的顺序，用专业施工船将各 平台模块托运到张力腿系统3上方海域与张力腿系统3进行对接安装；最后， 按照以中心大平台为中心向外的顺序，进行各平台之间的模块连接构件安装和 盖板搭设，完成基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统的施工安 装。

Claims (3)

1.一种基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统，其特征在于，所述的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统包括中心大平台模块(1)、若干小平台模块(2)、张力腿系统(3)、盖板(4)、振荡浮子式波浪能发电装置、模块连接构件；小平台模块(2)布设于中心大平台模块(1)周围；所述张力腿系统(3)包含若干呈对称分布的张力腿，用于限制中心大平台模块(1)、小平台模块(2)的平面外扭转运动；所述盖板(4)搭设于相邻平台模块之间，用于连通相邻平台模块，提高超大型浮式平台系统的整体性；所述的振荡浮子式波浪能发电装置布置于最外层平台模块的侧面，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(5)、连杆结构(6)、齿轮传动装置、双向液压发电装置，双向液压发电装置布设于各个小平台模块内部；所述齿轮传动装置包括齿轮结构(8)、固定轴(9)、齿条(10)、水平活塞杆(11)；所述圆柱体浮子(5)通过连杆结构(6)与齿轮结构(8)固接；齿轮结构(8)固定在小平台模块(2)内部，能够绕着固定轴(9)转动，并与齿条(10)啮合连接，固定轴(9)与小平台模块固接；齿条(10)固定在水平活塞杆(11)的一端，水平活塞杆(11)另一端深入水平向液压装置的液压缸(12)中；所述圆柱体浮子(5)的摆动带动齿轮结构(8)绕固定轴(9)旋转，再通过与齿轮结构(8)啮合的齿条(10)驱动水平活塞杆(11)做拉伸、压缩往复运动，带动双向液压发电装置中的发电装置(16)发电；
所述模块连接构件包括模块连接杆(7)、齿轮传动装置、双向液压发电装置，所述双向液压发电装置的结构及发电原理与波浪能发电装置中的双向液压发电装置相同；所述模块连接杆(7)用于连接相邻平台模块，位于盖板(4)下方；模块连接构件包括两种形式：
第一种为小平台模块(2)与中心大平台模块(1)之间的连接，利用小平台模块(2)与中心大平台模块(1)之间的相对扭转及水平两向运动进行发电：模块连接杆(7)一端与齿轮传动装置的齿轮结构(8)固接，齿轮结构(8)设置于小平台模块(2)内，记为A端；模块连接杆(7)另一端深入中心大平台模块(1)内的双向液压发电装置中，记为C端；当小平台模块(2)与中心大平台模块(1)发生相对运动时，不仅能通过模块连接杆(7)带动A端齿轮结构(8)绕固定轴(9)旋转，以此通过齿轮齿条传动方式驱动固定在小平台模块(2)内部的双向液压发电装置发电，还能够通过模块连接杆(7)在C端中心大平台大型双向液压发电装置液压缸中的拉压往复运动驱动其发电；
第二种为小平台模块(2)与小平台模块(2)之间的连接，利用小平台模块(2)之间的相对扭转进行发电：模块连接杆(7)一端与齿轮传动装置的齿轮结构(8)固接，齿轮结构(8)设置于其中一个小平台模块(2)内，记为A端；模块连接杆(7)另一端固定于另一小平台模块(2)内部，记为B端；当两个相邻的小平台模块(2)发生相对摆动运动时，通过模块连接杆(7)带动A端齿轮结构(8)绕固定轴(9)旋转，以此通过齿轮齿条传动方式驱动固定于小平台模块(2)内部的双向液压发电装置发电。
2.根据权利要求1所述的一种基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统，其特征在于，所述的双向液压发电装置包括液压缸(12)、第一单向入流阀(13)、节流阀(14)、液压马达(15)、发电装置(16)、第一单向出流阀(17)、第二单向入流阀(18)、第二单向出流阀(19)、储能器(20)；水平活塞杆(11)做拉伸、压缩往复运动带动发电装置(16)发电具体为：
当水平活塞杆(11)做压缩运动时，带动液压缸(12)内的液体经第一单向入流阀(13)和节流阀(14)进入液压马达(15)，驱动其旋转，从而带动发电装置(16)发电，最终液体经第一单向出流阀(17)回流至液压缸(12)；当水平活塞杆(11)做拉伸运动时，带动液压缸(12)内的液体经第二单向入流阀(18)和节流阀(14)进入液压马达(15)驱动其旋转，从而带动发电装置(16)发电，最终液体经第二单向出流阀(19)回流至液压缸(12)内；节流阀(14)和储能器(20)主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统，其特征在于，所述超大型浮式平台与波浪能装置集成系统还包括橡胶防撞装置(21)，所述橡胶防撞装置(21)以模块连接杆为轴对称分布设置于平台模块内，用于防止极端情况下模块连接杆与平台内部的碰撞。
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