CN109209743A - 一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置及发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，包括铺设在海底的桩基，在桩基上安装中空的桩柱，风机塔架通过法兰盘固定安装在桩柱的顶部，风机叶片通过增速箱与风机发电机相连接，风机发电机则通过电缆与塔架内的控制器连接，在桩基上围绕桩柱铰接安装有两张以上的浮力摆板，在每一张浮力摆板的两侧都各布置有一个液压缸，所述液压缸的底部铰接安装在桩基上，液压缸的活塞杆与其相对的浮力摆板侧面固定连接，此外每一张浮力摆板还都对应一套液压系统和一部发电机。本发明所公开的发电装置，发电装置的结构简单，可靠性高，对环境荷载的适应能力强，检修与维护也较为方便。

Description

一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置及发电 方法
技术领域
本发明属于海上风能与波浪能综合利用领域，特别涉及该领域中的一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置及发电方法。
背景技术
能源是人类赖以生存的重要物质基础，当今世界，化石燃料能源正在消耗殆尽，开发并利用可再生能源已成为发展的必然趋势。在各种类型的海洋可再生能源中，海上风能技术最为成熟，除了资源量异常丰富外，较陆上风能，海上风能还具有风速高、风力强、少有静风期、湍流小等高风质特点。目前，海上风能开发主要采用3-5MW的大功率风机，未来发展方向是往更大功率发展，10MW的风机正在研发中。已经应用的海上风机基础结构有单桩结构、重力式结构、多桩结构，其中单桩结构由于结构简单、安装方便，应用最为普遍，但海上风机基础结构的造价比较高，占海上风机总成本的1/3以上。
海洋能作为一种储量丰富且清洁环保的可再生能源，引起了人们的极大关注。海洋能的形式多种多样，例如潮汐能、盐差能、潮流能、温差能、波浪能等，其中，波浪能分布最为广泛、储量极为丰富，能流密度高，在近岸及离岸地区均可获取，且波浪能利用装置可在已有设施及工程的基础上进行安装和建设，如护岸、防波堤，或与此类设施及工程同时建设，从而降低波浪能利用装置的开发建设成本，并实现功能的多元化。
对波浪能量及其转换装置的研究由来已久，主要有鸭式、振荡水柱式、振荡浮子式、摆式等几种类型。其中，摆式波浪能量转换装置具有频率响应范围宽、可靠性好、常规海况条件转换效率高、建造成本相对较低等优点，不足之处在于易损坏、维护较困难、转换效率高但不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置及发电方法。
本发明采用如下技术方案：
一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，包括铺设在海底的桩基，在桩基上安装中空的桩柱，风机塔架通过法兰盘固定安装在桩柱的顶部，风机叶片通过增速箱与风机发电机相连接，风机发电机则通过电缆与塔架内的控制器连接，其改进之处在于：在桩基上围绕桩柱铰接安装有两张以上的浮力摆板，在每一张浮力摆板的两侧都各布置有一个液压缸，所述液压缸的底部铰接安装在桩基上，液压缸的活塞杆与其相对的浮力摆板侧面固定连接，此外每一张浮力摆板还都对应一套液压系统和一部发电机，所述的液压系统和发电机均安装在桩基上，彼此之间通过联轴器相连接，并且液压系统通过液压软管与其对应浮力摆板两侧的液压缸相连接，发电机则通过电缆经中空的桩柱与塔架内的控制器连接，控制器则与电网连接。
进一步的，所述的桩柱为中空的金属圆柱体桩柱。
进一步的，在桩柱的侧面安装抗冰锥。
进一步的，在风机塔架内还安装与控制器连接的蓄电池。
进一步的，在所述的浮力摆板中至少有一张为横向布置、一张为竖向布置。
进一步的，所述的液压系统包括为液压缸供油的供油系统、与液压缸通过液压软管相连接的蓄能器、与蓄能器相连接的液压马达、液压马达与发电机之间通过联轴器相连接。
一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电方法，使用上述的发电装置，其改进之处在于：发电装置安装就位并启动后，风机叶片迎风转动，从而驱动风机发电机发电，风机发电机发出的电则通过控制器并入电网；浮力摆板在波浪的作用下绕桩基往复运动，在拉动一侧活塞杆的同时挤压另一侧的活塞杆，拉动活塞杆可使液压油由供油系统进入液压缸，而挤压活塞杆可使液压油进入蓄能器，液压油经蓄能器稳压处理后，液压能以液压马达的旋转动能形式输出，从而驱动与液压马达相连接的发电机发电，该发电机发出的电一部分为风机供电、一部分存入蓄电池、一部分通过控制器与风机发电机发出的电一起并入电网。
进一步的，与液压马达相连接的发电机发出的电一部分为风机的内部控制系统、变桨偏航系统和电梯供电。
进一步的，在出现极端海况或者进入冰期时，可通过液压系统将浮力摆板放平贴紧桩基。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的发电装置，将风力发电机与浮力摆式波浪能发电装置相结合，可以在捕获风能的同时有效利用波浪能，既增加了发电装置的整体发电量，又实现了风能与波浪能的互补，当单一能源输出电力不稳定时，另一种可给予补充，保证整体发电量输出的稳定，还可共用海上风力发电机成熟的基础结构和电力输出系统，进一步降低波浪能的开发成本，此外利用海上风力发电机成熟的基础结构还能有效的推动波浪能发电技术的发展和商业化运营。该发电装置的结构简单，可靠性高，对环境荷载的适应能力强，检修与维护也较为方便。
本发明所公开的发电装置，浮力摆板铰接安装在桩基上且不与桩柱直接作用，对桩柱的荷载较小，可适应于所有固定式海上风机基础。浮力摆板除铰接安装在桩基上外，其两侧还分别通过活塞杆与铰接安装在桩基上的液压缸相连接，这种类似三脚架的连接方式稳定性强，可以使浮力摆板更为牢固的安装在桩基上。
本发明所公开的发电装置，浮力摆板可基于实际情况围绕桩柱布置，适应波向性强。竖向阵列化布置的浮力摆板可不受其他获能体的影响，仅考虑其与基础间的尺寸耦合关系；横向布置的浮力摆板可更好的适应不同方向来波。
现有其他的海上风能与波浪能结合发电装置，获能体均位于海面，而本发明所公开的发电装置在冰期时可通过液压系统将浮力摆板放平贴紧桩基从而浸没于海底，使抗冰锥可以正常工作，有利于在有冰期海域进行抗冰，从而保护基础。
本发明所公开的发电方法，将海上风力发电和浮力摆式波浪能发电有效地结合在一起，极大的提高了单体发电量和单能种的稳定性。在出现极端海况或者进入冰期时，可将浮力摆板放平贴紧桩基，在增强其抗风浪能力的同时又不影响抗冰锥的正常工作，保证发电装置的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开发电装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，包括铺设在海底的桩基5，在桩基上安装中空的桩柱7，风机塔架2通过法兰盘固定安装在桩柱的顶部，风机叶片1通过增速箱与风机发电机相连接，风机发电机则通过电缆与塔架内的控制器4连接，在桩基上围绕桩柱铰接安装有两张以上的浮力摆板11，多张浮力摆板的具体布置形式及阵列数量可依实际海况及发电量要求确定。在本实施例中浮力摆板的数量有两张，两张浮力摆板相互垂直，其中一张（图1左侧）竖向布置、另一张（图1右侧）横向布置。在每一张浮力摆板的两侧都各布置有一个液压缸12，所述液压缸的底部铰接安装在桩基上，液压缸的活塞杆与其相对的浮力摆板侧面固定连接，此外每一张浮力摆板还都对应一套液压系统10和一部发电机9，所述的液压系统和发电机均安装在桩基上，彼此之间通过联轴器相连接，并且液压系统通过液压软管13与其对应浮力摆板两侧的液压缸相连接，发电机则通过电缆8经中空的桩柱与塔架内的控制器连接（除发电机外的电气部分均位于塔架内与海水隔离），控制器则与电网连接。
在本实施例中，所述的桩柱为中空的金属圆柱体桩柱。在桩柱的侧面安装抗冰锥6。在风机塔架内还安装与控制器连接的蓄电池3。所述的液压系统包括为液压缸供油的供油系统、与液压缸通过液压软管相连接的蓄能器、与蓄能器相连接的液压马达、液压马达与发电机之间通过联轴器相连接。
本实施例还公开了一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电方法，使用上述的发电装置：发电装置安装就位并启动后，风机叶片迎风转动，从而驱动风机发电机发电，风机发电机发出的电则通过控制器并入电网；浮力摆板在波浪的作用下绕桩基往复运动，由于浮力摆板的两侧还分别通过活塞杆与铰接安装在桩基上的液压缸相连接，浮力摆板在往复运动的过程中可以拉动一侧活塞杆并同时挤压另一侧的活塞杆，以图1中桩柱左侧的浮力摆板为例，当浮力摆板逆时针摆动时，挤压左侧活塞杆的同时拉动右侧活塞杆，当浮力摆板顺时针摆动时，挤压右侧活塞杆的同时拉动左侧活塞杆。拉动活塞杆可使液压油由供油系统进入液压缸，而挤压活塞杆可使液压油进入蓄能器，当波速增大时，蓄能器储存多余的能量；当波速减小时，蓄能器释放能量，使功率输出曲线达到理想状态。液压油经蓄能器稳压处理后，液压能以液压马达的旋转动能形式输出，从而驱动与液压马达相连接的发电机发电，该发电机发出的电一部分为风机供电、一部分存入蓄电池，当风机发出的电力因波动不足时，启动蓄电池发电，迅速补偿输出功率，实现电力输出稳定、一部分通过控制器与风机发电机发出的电通过铺设在海底的电线一起并入电网。
在本实施例中，与液压马达相连接的发电机发出的电一部分为风机的内部控制系统、变桨偏航系统和电梯供电。在出现极端海况或者进入冰期时，可通过液压系统将浮力摆板放平贴紧桩基。

Claims (9)

1.一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，包括铺设在海底的桩基，在桩基上安装中空的桩柱，风机塔架通过法兰盘固定安装在桩柱的顶部，风机叶片通过增速箱与风机发电机相连接，风机发电机则通过电缆与塔架内的控制器连接，其特征在于：在桩基上围绕桩柱铰接安装有两张以上的浮力摆板，在每一张浮力摆板的两侧都各布置有一个液压缸，所述液压缸的底部铰接安装在桩基上，液压缸的液压杆与其相对的浮力摆板侧面固定连接，此外每一张浮力摆板还都对应一套液压系统和一部发电机，所述的液压系统和发电机均安装在桩基上，彼此之间通过联轴器相连接，并且液压系统通过液压软管与其对应浮力摆板两侧的液压缸相连接，发电机则通过电缆经中空的桩柱与塔架内的控制器连接，控制器则与电网连接。
2.根据权利要求1所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，其特征在于：所述的桩柱为中空的金属圆柱体桩柱。
3.根据权利要求1所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，其特征在于：在桩柱的侧面安装抗冰锥。
4.根据权利要求1所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，其特征在于：在风机塔架内还安装与控制器连接的蓄电池。
5.根据权利要求1所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，其特征在于：在所述的浮力摆板中至少有一张为横向布置、一张为竖向布置。
6.根据权利要求4所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电装置，其特征在于：所述的液压系统包括为液压缸供油的供油系统、与液压缸通过液压软管相连接的蓄能器、与蓄能器相连接的液压马达、液压马达与发电机之间通过联轴器相连接。
7.一种结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电方法，使用权利要求6所述的发电装置，其特征在于：发电装置安装就位并启动后，风机叶片迎风转动，从而驱动风机发电机发电，风机发电机发出的电则通过控制器并入电网；浮力摆板在波浪的作用下绕桩基往复运动，在拉动一侧液压杆的同时挤压另一侧的液压杆，拉动液压杆可使液压油由供油系统进入液压缸，而挤压液压杆可使液压油进入蓄能器，液压油经蓄能器稳压处理后，液压能以液压马达的旋转动能形式输出，从而驱动与液压马达相连接的发电机发电，该发电机发出的电一部分为风机供电、一部分存入蓄电池、一部分通过控制器与风机发电机发出的电一起并入电网。
8.根据权利要求7所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电方法，其特征在于：与液压马达相连接的发电机发出的电一部分为风机的内部控制系统、变桨偏航系统和电梯供电。
9.根据权利要求7所述结合固定式海上风机的浮力摆式综合发电方法，其特征在于：在出现极端海况或者进入冰期时，可通过液压系统将浮力摆板放平贴紧桩基。
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