CN108757332A - 一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，包括风机发电机组系统、塔架、光伏发电系统、升压站系统、半潜式浮式基础和减摇平衡水舱系统；风机发电机组系统包括发电机组、叶片、轮毂和机舱；发电机组通过轮毂与叶片固定连接；机舱位于塔架的顶部；塔架的底部固定到半潜式浮式基础；发电机组与升压站系统电性连接。优点为：稳定性好，水动力性能优越，综合发电效率高，建造、运输和安装经济方便。同时光伏发电系统所发电力就地提供给海上半潜式平台系统和减摇平衡水舱系统消纳或输送至升压站输出，大大提高了海上半潜式平台发电系统的经济性，整体上提高了海上浮式风电场综合利用效率，是海上浮式风电场主要发展方向。

Description

一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统
技术领域
本发明属于海洋能综合开发工程技术领域，具体涉及一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统。
背景技术
综合考虑绿色节能、环保和减排因素，在政府有力的财政政策支持下，海洋能综合发电在商业上也逐渐体现出其竞争力。
目前，近海风能资源的开发已初见规模，且受到国防、渔业、港口和航道等因素制约，未来发展空间有限，随着水深的增加，近海风能资源开发采用的固定基础的成本急剧上升，根本无法适应深海风能资源开发的需求，而海上漂浮式风力机则能够克服该问题，使海上风电场的建设可以向深水区发展。海上风电向深海发展已成为风能发展的必然趋势，市场前景愈为明朗。另一方面，光伏发电技术已非常成熟，在海洋领域应用也很广泛。风能与光伏联合发电也是未来海洋能综合开发的主要方向。
目前海上浮式风力发电主要问题是使用性能和经济性，一方面，海上浮式风力发电系统支撑基础需要具有优越的水动力性能，支撑浮式风机稳定发电；另一方面海，上浮式风力发电系统需要提高发电效率和发电总量，具有更高的经济性，才能真正进入商业化应用。
因此，如何有效解决上述一般海上浮式风力发电系统存在的不足，开发一种结构基础稳定性好、综合发电效率高、运输和安装经济方便、水动力性能优越以及经济可靠的海上半潜式平台发电系统，具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，能够将海上风能和海上太阳能联合起来，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，包括风机发电机组系统、塔架(5)、光伏发电系统(7)、升压站系统(8)、半潜式浮式基础(6)和减摇平衡水舱系统(9)；
其中，所述风机发电机组系统包括发电机组(1)、叶片(2)、轮毂(3)和机舱(4)；所述发电机组(1)通过所述轮毂(3)与所述叶片(2)固定连接；所述发电机组(1)安装于所述机舱(4)的内部；所述机舱(4)位于所述塔架(5)的顶部；所述塔架(5)的底部固定到所述半潜式浮式基础(6)；所述发电机组(1)与所述升压站系统(8)电性连接；
所述半潜式浮式基础(6)包括中间水上上部平台(11)、中间水上下部浮箱(12)、中间水下上部浮箱(13)、中间水下中部浮箱(14)、中间水下下部浮箱(15)、n个外围水上上部平台浮箱(16)、n个外围水上下部浮箱(17)、n个外围水下上部浮箱(18)、结构连接段I(19)、m个阻尼板(20)、n个外围水下下部浮箱(21)、锚固系统(10)、电缆(22)、第1结构连接段II(23)、第2结构连接段II(24)、第3结构连接段II(25)；n、m为大于1的自然数；
其中，所述塔架(5)的底部与所述中间水上上部平台(11)的顶部固定连接；以所述中间水上上部平台(11)为中心，发射状均匀引出n个所述第1结构连接段II(23)，在每个所述第1结构连接段II(23)的端部固定安装有1个所述外围水上上部平台浮箱(16)；所述中间水上上部平台(11)下部安装1个中间水上下部浮箱(12)；所述中间水上下部浮箱(12)下部安装1个中间水下上部浮箱(13)；所述外围水上上部平台浮箱(16)下部安装1个所述外围水上下部浮箱(17)；所述外围水上下部浮箱(17)下部安装1个所述外围水下上部浮箱(18)；以所述中间水下上部浮箱(13)为中心，发射状均匀引出n个所述第2结构连接段II(24)，在每个所述第2结构连接段II(24)的端部固定安装有1个所述外围水下上部浮箱(18)；所述外围水下上部浮箱(18)上部与所属外围水上下部浮箱(17)顶部固定连接；外围水下上部浮箱(18)下部通过所述结构连接段I(19)固定安装m个所述阻尼板(20)；所述中间水下上部浮箱(13)下部固定安装1个所述中间水下中部浮箱(14)；所述中间水下中部浮箱(14)下部固定安装1个所述中间水下下部浮箱(15)；以所述中间水下下部浮箱(15)为中心，发射状均匀引出n个所述第3结构连接段II(25)，在每个所述第3结构连接段II(25)的端部固定安装有1个所述外围水下下部浮箱(21)；所述外围水下下部浮箱(21)与所述第3结构连接段II(25)固定连接；
所述光伏发电系统(7)包括太阳电池板组件、控制器和逆变器；所述太阳电池板组件、控制器和逆变器安装在所述半潜式浮式基础(6)的上部甲板，具体安装在中间水上上部平台(11)、n个外围水上上部平台浮箱(16)；所述光伏发电系统(7)与所述升压站系统(8)电性连接；
所述减摇平衡水舱系统(9)安装在所述半潜式浮式基础(6)的所述中间水下上部浮箱(13)、n个所述外围水下上部浮箱(18)和第2结构连接段II(24)。
优选的，n等于3、4、5、6、7、8、9；所述外围水上上部平台浮箱(16)、所述外围水上下部浮箱(17)、所述外围水下上部浮箱(18)、所述外围水下下部浮箱(21)为3、4、5、6、7、8、9个；
各个所述外围水上上部平台浮箱(16)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置；各个所述外围水上下部浮箱(17)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置；各个所述外围水下上部浮箱(18)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置；各个所述外围水下下部浮箱(21)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置。
优选的，所述减摇平衡水舱系统(9)为主动式减摇水舱、被动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱。
优选的，所述塔架(5)的底部通过法兰与所述中间水上上部平台(11)的顶部固定连接。
优选的，所述中间水上上部平台(11)、中间水上下部浮箱(12)、中间水下上部浮箱(13)、中间水下中部浮箱(14)、中间水下下部浮箱(15)为圆柱、大圆角方柱或正多边形立柱。
优选的，所述外围水上上部平台浮箱(16)、所述外围水上下部浮箱(17)、所述外围水下上部浮箱(18)、所述外围水下下部浮箱(21)均呈圆角方柱、圆角多边体或圆柱体。
优选的，所述第1结构连接段II(23)、所述第2结构连接段II(24)和所述第3结构连接段II(25)为桁架连接段或箱式连接段。
优选的，所述阻尼板(20)布置于所述外围水下上部浮箱(18)与所述外围水下下部浮箱(21)之间，且通过结构连接段I(19)和两者连接在一起；
所述锚固系统(10)位于海床上，其通过锚泊线固定到所述外围水下下部浮箱(21)；
所述电缆(22)自所述升压站系统(8)，经所述半潜式浮式基础(6)的电缆通道连接到变电站，接入终端电网系统。
优选的，所述阻尼板(20)为带孔或不带孔的圆形、正多边形或类正多边形。
本发明提供的一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统具有以下优点：
1、本发明提供的一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，相对于现有的浮式风力发电系统，充分利用平台顶部甲板闲余空间来布置光伏发电系统，能较好利用海上光能，如此提高了海上风力发电的实用性与经济性；同时光伏发电就地供给海上半潜式平台发电系统和减摇平衡水舱系统消纳或输送至升压站，不仅提高了整体系统的经济性，还改善了海上风机、升压站自用电的可靠性，将海上浮式风能技术从工业试验阶段推向工程实际应用，可整体提高海上风电工程建设综合利用效率。
2、本发明采用半潜式结构基础，具有稳定性好，水动力性能优越的优点；阻尼板的设置大大提高了平台垂荡、纵摇和横摇性能；减摇平衡水舱系统能够抑制海上浮式风机俯仰运动，实现海上风能稳定发电，提高风力发电的效率。
3、本发明提供的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，可在工程设计阶段统一规划设计，并实现两种可再生能源在工程建设、安装阶段同步实施，最大限度提高综合效益。
附图说明
图1为本发明提供的新型光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统的结构示意图。
图2为本发明提供的新型光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统型线图主视图。
图3是图2中A1甲板剖视图。
图4是图2中B1甲板剖视图。
图5是图2中C1甲板剖视图。
图6是图2中D1甲板剖视图。
图7是图2中E1甲板剖视图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1-图7，本发明提供一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，包括风机发电机组系统、塔架5、光伏发电系统7、升压站系统8、半潜式浮式基础6和减摇平衡水舱系统9；
其中，风机发电机组系统包括发电机组1、叶片2、轮毂3和机舱4；发电机组1通过轮毂3与叶片2固定连接；发电机组1安装于机舱4的内部；机舱4位于塔架5的顶部；塔架5的底部固定到半潜式浮式基础6；发电机组1与升压站系统8电性连接；
半潜式浮式基础6包括中间水上上部平台11、中间水上下部浮箱12、中间水下上部浮箱13、中间水下中部浮箱14、中间水下下部浮箱15、n个外围水上上部平台浮箱16、n个外围水上下部浮箱17、n个外围水下上部浮箱18、结构连接段I19、m个阻尼板20、n个外围水下下部浮箱21、锚固系统10、电缆22、第1结构连接段II23、第2结构连接段II24、第3结构连接段II25；n、m为大于1的自然数；在附图中，n＝3，m＝2。
其中，塔架5的底部与中间水上上部平台11的顶部固定连接；以中间水上上部平台11为中心，发射状均匀引出n个第1结构连接段II23，在每个第1结构连接段II23的端部固定安装有1个外围水上上部平台浮箱16；中间水上上部平台11下部安装1个中间水上下部浮箱12；中间水上下部浮箱12下部安装1个中间水下上部浮箱13；外围水上上部平台浮箱16下部安装1个外围水上下部浮箱17；外围水上下部浮箱17下部安装1个外围水下上部浮箱18；以中间水下上部浮箱13为中心，发射状均匀引出n个第2结构连接段II24，在每个第2结构连接段II24的端部固定安装有1个外围水下上部浮箱18；外围水下上部浮箱18上部与所属外围水上下部浮箱17顶部固定连接；外围水下上部浮箱18下部通过结构连接段I19固定安装m个阻尼板20；中间水下上部浮箱13下部固定安装1个中间水下中部浮箱14；中间水下中部浮箱14下部固定安装1个中间水下下部浮箱15；以中间水下下部浮箱15为中心，发射状均匀引出n个第3结构连接段II25，在每个第3结构连接段II25的端部固定安装有1个外围水下下部浮箱21；外围水下下部浮箱21与第3结构连接段II25固定连接；
光伏发电系统7包括太阳电池板组件、控制器和逆变器；太阳电池板组件、控制器和逆变器安装在半潜式浮式基础6的上部甲板，具体安装在中间水上上部平台11、n个外围水上上部平台浮箱16；光伏发电系统7与升压站系统8电性连接；
减摇平衡水舱系统9安装在半潜式浮式基础6的中间水下上部浮箱13、n个外围水下上部浮箱18和第2结构连接段II24。
在附图中，n等于3；外围水上上部平台浮箱16、外围水上下部浮箱17、外围水下上部浮箱18、外围水下下部浮箱21为3个；各个外围水上上部平台浮箱16呈120°放射状布置；各个外围水上下部浮箱17呈120°放射状布置；各个外围水下上部浮箱18呈120°放射状布置；各个外围水下下部浮箱21呈120°放射状布置。
实际应用中，中间水上上部平台11、中间水上下部浮箱12、中间水下上部浮箱13、中间水下中部浮箱14、中间水下下部浮箱15包括但不限于圆柱、大圆角方柱或正多边形立柱。外围水上上部平台浮箱16、外围水上下部浮箱17、外围水下上部浮箱18、外围水下下部浮箱21的结构包括但不限于呈大圆角方柱或圆柱体。
另外，对于锚固系统10、电缆22和阻尼板20；阻尼板20布置于外围水下上部浮箱18与外围水下下部浮箱21之间，且通过结构连接段I 19和两者连接在一起；锚固系统10位于海床上，其通过锚泊线固定到外围水下下部浮箱21；电缆22自升压站系统8，经半潜式浮式基础6的电缆通道连接到变电站，接入终端电网系统。其中，阻尼板20可以为带孔或不带孔的圆形、正多边形或类正多边形。
下面结合本发明提供的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统的结构，介绍本发明的作用原理：
海上半潜式平台发电系统由风机发电机组系统、塔架、光伏发电系统、升压站系统、半潜式浮式基础和减摇平衡水舱系统组成；其中，风机发电机组系统用于风力发电，安装在塔架顶部，塔架底部与半潜式浮式基础固定连接。光伏发电系统用于光伏发电，光伏发电系统的太阳电池板组件、控制器和逆变器安装在半潜式浮式基础顶部甲板，充分利用甲板空间。同时光伏发电就地供给海上半潜式平台发电系统和减摇平衡水舱系统消纳或输送至升压站。风机发电机组系统和光伏发电系统提高了整个海上半潜式平台发电系统的发电效率，提高其经济性。减摇平衡水舱系统利用各个减摇水舱液位高度不同而产生的横摇复原力矩来抵消风和波浪的扰动力矩。
中间水上上部平台11、中间水上下部浮箱12、中间水下上部浮箱13、中间水下中部浮箱14、中间水下下部浮箱15居于平台中央，在保证结构完整性的前提尽可能采用小尺寸，以减少平台波浪力。外围水上下部浮箱17，具有合适的水线面，相互之间保持足够的距离，以获取优良的平台稳性性能，具体的距离根据不同风机的工作性能决定。作为优选，该距离取设计波长的一半。外围水下上部浮箱18和外围水下下部浮箱21之间安装一组圆形或正多边形阻尼板20，改善了平台的垂荡性能；作为优选，阻尼板20带排水孔；中间水下下部浮箱15和外围水下下部浮箱21皆设计了压载舱，内部装满海水或其他压载物，以降低整个系统的重心，从而获得足够的扶正力矩。3个外围水下下部浮箱21通过锚泊线与海床上的锚固系统10固定。平台海床上的锚固系统10采用大型抓力锚、桩基基础或吸力式基础。电缆22自风电发电机组系统和光伏发电系统7，经塔架5、半潜式浮式基础的电缆通道连接到变电站，接入终端电网系统。
本发明提供的一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，具有以下优点：
(1)本发明整合了风机发电机组系统和光伏发电系统，大大提高了整个海上半潜式平台发电系统的发电效率，提高其经济性，促进漂浮式光伏发电和漂浮式风机发电的商业化。
(2)本发明精巧地布置光伏发电系统，光伏发电就地供给海上半潜式平台发电系统和减摇平衡水舱系统消纳，大大提升海上半潜式平台发电系统的可靠性。
(3)本发明合理布置了减摇平衡水舱系统，大大提升了平台的使用性能，提高了风机发电机组系统的发电效率。
(4)本发明的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，主体浮筒基本呈圆柱体、大圆角方柱或流线形结构，结构紧凑简洁，加工成本低。
(5)平台安装方便，安装成本较低。因此，整体来说，平台单位重量成本低。
(6)平台合理布置了多组阻尼板，增加浮式基础平台的附加质量和阻尼，提升平台的整体垂荡性能。
(7)相关的仿真模拟测试表明，采用以上技术措施的新型光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，发电效率高、经济性好、水动力性能优良，工作可靠，制造简单，并具有施工安装方便的优点。适用海域广泛，可以用于国内外各深水海域的海洋能开发，尤其是海上风电和海上太阳能开发。
以上所述实施案例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施案例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施案例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对发明专利范围的限制。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形、改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，包括风机发电机组系统、塔架(5)、光伏发电系统(7)、升压站系统(8)、半潜式浮式基础(6)和减摇平衡水舱系统(9)；
其中，所述风机发电机组系统包括发电机组(1)、叶片(2)、轮毂(3)和机舱(4)；所述发电机组(1)通过所述轮毂(3)与所述叶片(2)固定连接；所述发电机组(1)安装于所述机舱(4)的内部；所述机舱(4)位于所述塔架(5)的顶部；所述塔架(5)的底部固定到所述半潜式浮式基础(6)；所述发电机组(1)与所述升压站系统(8)电性连接；
所述半潜式浮式基础(6)包括中间水上上部平台(11)、中间水上下部浮箱(12)、中间水下上部浮箱(13)、中间水下中部浮箱(14)、中间水下下部浮箱(15)、n个外围水上上部平台浮箱(16)、n个外围水上下部浮箱(17)、n个外围水下上部浮箱(18)、结构连接段I(19)、m个阻尼板(20)、n个外围水下下部浮箱(21)、锚固系统(10)、电缆(22)、第1结构连接段II(23)、第2结构连接段II(24)、第3结构连接段II(25)；n、m为大于1的自然数；
其中，所述塔架(5)的底部与所述中间水上上部平台(11)的顶部固定连接；以所述中间水上上部平台(11)为中心，发射状均匀引出n个所述第1结构连接段II(23)，在每个所述第1结构连接段II(23)的端部固定安装有1个所述外围水上上部平台浮箱(16)；所述中间水上上部平台(11)下部安装1个中间水上下部浮箱(12)；所述中间水上下部浮箱(12)下部安装1个中间水下上部浮箱(13)；所述外围水上上部平台浮箱(16)下部安装1个所述外围水上下部浮箱(17)；所述外围水上下部浮箱(17)下部安装1个所述外围水下上部浮箱(18)；以所述中间水下上部浮箱(13)为中心，发射状均匀引出n个所述第2结构连接段II(24)，在每个所述第2结构连接段II(24)的端部固定安装有1个所述外围水下上部浮箱(18)；所述外围水下上部浮箱(18)上部与所属外围水上下部浮箱(17)顶部固定连接；外围水下上部浮箱(18)下部通过所述结构连接段I(19)固定安装m个所述阻尼板(20)；所述中间水下上部浮箱(13)下部固定安装1个所述中间水下中部浮箱(14)；所述中间水下中部浮箱(14)下部固定安装1个所述中间水下下部浮箱(15)；以所述中间水下下部浮箱(15)为中心，发射状均匀引出n个所述第3结构连接段II(25)，在每个所述第3结构连接段II(25)的端部固定安装有1个所述外围水下下部浮箱(21)；所述外围水下下部浮箱(21)与所述第3结构连接段II(25)固定连接；
所述光伏发电系统(7)包括太阳电池板组件、控制器和逆变器；所述太阳电池板组件、控制器和逆变器安装在所述半潜式浮式基础(6)的上部甲板，具体安装在中间水上上部平台(11)、n个外围水上上部平台浮箱(16)；所述光伏发电系统(7)与所述升压站系统(8)电性连接；
所述减摇平衡水舱系统(9)安装在所述半潜式浮式基础(6)的所述中间水下上部浮箱(13)、n个所述外围水下上部浮箱(18)和第2结构连接段II(24)。
2.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，n等于3、4、5、6、7、8、9；所述外围水上上部平台浮箱(16)、所述外围水上下部浮箱(17)、所述外围水下上部浮箱(18)、所述外围水下下部浮箱(21)为3、4、5、6、7、8、9个；
各个所述外围水上上部平台浮箱(16)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置；各个所述外围水上下部浮箱(17)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置；各个所述外围水下上部浮箱(18)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置；各个所述外围水下下部浮箱(21)呈120°、90°、72°、60°、51.4°、45°、40°放射状布置。
3.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述减摇平衡水舱系统(9)为主动式减摇水舱、被动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱。
4.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述塔架(5)的底部通过法兰与所述中间水上上部平台(11)的顶部固定连接。
5.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述中间水上上部平台(11)、中间水上下部浮箱(12)、中间水下上部浮箱(13)、中间水下中部浮箱(14)、中间水下下部浮箱(15)为圆柱、大圆角方柱或正多边形立柱。
6.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述外围水上上部平台浮箱(16)、所述外围水上下部浮箱(17)、所述外围水下上部浮箱(18)、所述外围水下下部浮箱(21)均呈圆角方柱、圆角多边体或圆柱体。
7.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述第1结构连接段II(23)、所述第2结构连接段II(24)和所述第3结构连接段II(25)为桁架连接段或箱式连接段。
8.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述阻尼板(20)布置于所述外围水下上部浮箱(18)与所述外围水下下部浮箱(21)之间，且通过结构连接段I(19)和两者连接在一起；
所述锚固系统(10)位于海床上，其通过锚泊线固定到所述外围水下下部浮箱(21)；
所述电缆(22)自所述升压站系统(8)，经所述半潜式浮式基础(6)的电缆通道连接到变电站，接入终端电网系统。
9.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述阻尼板(20)为带孔或不带孔的圆形、正多边形或类正多边形。
10.根据权利要求1所述的光伏与风机联合发电的海上半潜式平台发电系统，其特征在于，所述半潜式浮式基础(6)独立作为风力发电系统的支撑平台。
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