CN109209774A - 一种适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置及发电方法，包括装在海底并伸出海面的单桩基础，在单桩基础与海面相交处安装防冰锥，在单桩基础的顶部安装塔筒，在塔筒的顶部设置水平轴风机，风机发出的电通过输电电路并入电网，在单桩基础伸出海面的部分上固定安装套筒，该套筒套设在单桩基础上，在套筒的上部搭建环形平台，在环形平台上布置两组以上的能量转化系统，所述能量转化系统的组数与下述第一连接装置的组数相同，能量转化系统发出的电送入塔筒内，在套筒上位于环形平台之下的位置沿周向等间隔布置两组以上等高的第一连接装置，在海面上布置与第一连接装置的组数等量的浮子。本发明所公开的发电装置，将波浪能发电装置与风机相结合，可以有效地降低成本，提高海上空间、资源利用率；并且能够同时收集风能和波浪能进行发电，实现了复杂环境下电力的互补。
Description
技术领域
本发明属于风能与波浪能综合利用发电领域，特别涉及该领域中的一种适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置及发电方法。
背景技术
随着不可再生能源逐渐减少、温室气体的过度排放给地球环境造成越来越多的危害，加大对清洁无污染的可再生能源的开发成为了当前世界各国普遍关注的重要话题之一。地球上海洋面积广阔，具有无穷的能量，除此之外，能量的持续性也使其拥有无限的开发潜力。海洋能的形式多样，不同类型的海洋能开发利用方法也具有差异性，但大部分还是集中在发电领域。海上清洁能源发电在许多近海国家和地区都得到了当地政府的广泛支持。然而，目前大部分的海洋能发电方式均为单能源发电，存在着能量利用率低、发电容量小、供应不稳定等不足。
近些年，在海洋能综合利用思想的引导下，多层次、全方位的开发方式成为海洋能利用的新趋势。其中，开发利用技术相对成熟的是波浪能和海上风能发电。波浪能具有储量丰富、分布广泛、功率密度高、可就地取用的优点，是当今可再生能源领域的研究热点之一，但其产生的电能是不稳定、不连续的；风能作为一种清洁无公害的可再生能源，很早就被人们利用，虽然功率密度不及波浪能，但风能在其可利用范围内是连续的，且相对于陆地，海上蕴藏的风能资源更加丰富，二者在时间和空间上存在一定的互补特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置及发电方法。
本发明采用如下技术方案：
一种适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，包括装在海底并伸出海面的单桩基础，在单桩基础与海面相交处安装防冰锥，在单桩基础的顶部安装塔筒，在塔筒的顶部设置水平轴风机，风机发出的电通过输电电路并入电网，其改进之处在于：在单桩基础伸出海面的部分上固定安装套筒，该套筒套设在单桩基础上，在套筒的上部搭建环形平台，在环形平台上布置两组以上的能量转化系统，所述能量转化系统的组数与下述第一连接装置的组数相同，能量转化系统发出的电送入塔筒内，在套筒上位于环形平台之下的位置沿周向等间隔布置两组以上等高的第一连接装置，在海面上布置与第一连接装置的组数等量的浮子，各浮子分别通过一根悬臂与一组第一连接装置相铰接，在套筒上位于各组第一连接装置正下方的位置各布置一个等高的第二连接装置，在各悬臂上分别设置第三连接装置，此外还有与第一连接装置的组数等量的液压缸，各液压缸的根部分别与一个第二连接装置相铰接、液压杆分别与相邻悬臂上的第三连接装置相铰接、此外各液压缸还分别通过管路与上述的一组能量转化系统相连接。
进一步的，所述防冰锥由一上圆台和一下圆台对接组成，上圆台上底面的高度等于单桩基础所在位置的高潮位高度，下圆台下底面的高度等于单桩基础所在位置的低潮位高度，上圆台和下圆台对接处的高度等于单桩基础所在位置的平均潮位高度，上圆台的上底面直径小于下底面直径，下圆台的上底面直径大于下底面直径，上圆台的下底面直径等于下圆台的上底面直径。
进一步的，所述能量转化系统包括控制系统，控制系统分别通过管路与高压蓄能器和低压蓄能器相连接，高压蓄能器和低压蓄能器则分别通过管路与液压马达相连接，液压马达的动力输出端与发电机的动力输入端相连接。
进一步的，液压杆将液压缸分为上下两部分，上下两部分分别通过管路与一组能量转化系统内的控制系统相连接。
进一步的，每组第一连接装置内均包括两个第一连接装置。
进一步的，悬臂的一端带有V形分叉，V形分叉的两个顶点分别与一个第一连接装置相铰接。
进一步的，在悬臂V形分叉的两个分叉之间设置连杆，第三连接装置设置在连杆上，并且各第三连接装置在各自悬臂上的位置均一致。
进一步的，所述的浮子为弧面朝下的半球形。
进一步的，浮子与悬臂之间为固定连接。
一种发电方法，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，水平轴风机叶片迎风转动，发出的电通过输电电路并入电网；漂浮在海面上的浮子随海浪上下起伏，带动悬臂绕第一连接装置旋转摆动，从而使液压缸中的液压杆进行线性活塞运动，液压杆运动可将液压缸内的液压油通过管路泵送到能量转化系统中，液压油经能量转化系统内的控制系统控制高压蓄能器和低压蓄能器进行蓄能稳压后输入液压马达，液压马达将液压油的压力能转换为旋转机械能，从而带动发电机发电，发出的电送入塔筒内，为风机的内部控制系统、变桨偏航系统、电梯及蓄电池供电，当风机发电量不足时，启动蓄电池继续通过输电电路向电网输电，在冰期时伸出各液压缸的液压杆将各悬臂抬起，使各浮子升离海面。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的发电装置，将波浪能发电装置与风机相结合，可以有效地降低成本，提高海上空间、资源利用率；并且能够同时收集风能和波浪能进行发电，将两种能源综合利用，实现了复杂环境下电力的互补，可以提高整体发电功率，扩大供电容量，实现海上风能与波浪能的稳定输出，起到多能互补的作用。
本发明所公开的发电装置，将悬臂摆式波浪能发电装置及布置能量转化系统的环形平台均安装在套筒上，而套筒套设在单桩基础上，位于塔筒之下，几乎不影响单桩基础顶部的风机结构，且位于海面上方，安装维修便利，易于对现有海上风机进行改装。在悬臂与套筒之间、液压缸与套筒之间以及液压缸与悬臂之间均采用铰接方式连接，具有良好的移动性，使悬臂能够根据波浪的方向进行旋转和摆动，这样不仅可以充分利用波浪能资源以提高捕能效率，还能减小机械部件对套筒的横向荷载，提高装置安全性与稳定性。
本发明所公开的发电装置，悬臂摆式波浪能发电装置的悬臂环绕布置于套筒周围，布置数量与方向均可根据当地海域波浪能资源分布情况按需增减，分布方式多样，适应波向性强。改变以往装置为本的传统思路，真正实现以波浪场为本的布置理念，提高能量捕获效率。
本发明所公开的发电装置，可在冰期时伸出各液压缸的液压杆将各悬臂抬起，使各浮子升离海面，并对应高低潮位在单桩基础上环设防冰锥，这样既能在冰期时保护浮子免受海冰撞击，又不影响单桩基础防冰锥的正常工作，保证了发电装置在冰期的安全性。
本发明所公开的发电装置，波浪能发电装置与风机共用一条海底电缆向电网输电，节约了电气传输系统的安装成本。
本发明所公开的发电方法，综合利用海上风能和波浪能，极大地提高了装置单体的发电量，实现了复杂环境下的多能发电互补，在提高整体发电功率，扩大供电容量的同时，还能有效地减少资金投入，对缓解能源危机和环境污染问题具有重要意义，并能促进波浪能发电装置的商业化推广应用。
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；
图2是本发明实施例1所公开发电装置中悬臂数量为两个时的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开发电装置中悬臂数量为六个时的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开发电装置中液压缸及能量转化系统的连接关系示意图。
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适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，包括装在海底并伸出海面的单桩基础10，在单桩基础与海面相交处安装防冰锥11，在单桩基础的顶部安装塔筒2，在塔筒的顶部设置水平轴风机1，风机发出的电通过输电电路并入电网，在单桩基础伸出海面的部分上固定安装套筒4，该套筒套设在单桩基础上，以便减小下述波浪能发电装置对单桩基础的作用，对单桩基础进行保护。在套筒的上部搭建环形平台3，在环形平台上布置两组以上的能量转化系统12，所述能量转化系统的组数与下述第一连接装置5的组数相同，能量转化系统发出的电送入塔筒内，在套筒上位于环形平台之下的位置沿周向等间隔布置两组以上等高的第一连接装置5，在海面上布置与第一连接装置的组数等量的浮子8，各浮子分别通过一根悬臂7与一组第一连接装置相铰接，在套筒上位于各组第一连接装置正下方的位置各布置一个等高的第二连接装置6，在各悬臂上分别设置第三连接装置13，此外还有与第一连接装置的组数等量的液压缸9，各液压缸的根部分别与一个第二连接装置相铰接、液压杆分别与相邻悬臂上的第三连接装置相铰接、此外各液压缸还分别通过管路与上述的一组能量转化系统相连接。
具体的说，在本实施例中，由浮子、悬臂、液压缸、能量转化系统组成一组波浪能发电单元，各组波浪能发电单元内的悬臂分别通过一组第一连接装置铰接在套筒上、液压缸的根部通过一个第二连接装置铰接在套筒上，液压杆则与本组悬臂上的第三连接装置相铰接。波浪能发电单元的组数与方向均可根据当地海域波浪能资源分布情况按需增减，图2是悬臂数量为两个时的俯视结构示意图，图3是悬臂数量为六个时的俯视结构示意图。
在本实施例中，所述防冰锥由一上圆台和一下圆台对接组成，上圆台上底面的高度等于单桩基础所在位置的高潮位高度，下圆台下底面的高度等于单桩基础所在位置的低潮位高度，上圆台和下圆台对接处的高度等于单桩基础所在位置的平均潮位高度，上圆台的上底面直径小于下底面直径，下圆台的上底面直径大于下底面直径，上圆台的下底面直径等于下圆台的上底面直径。
如图4所示，所述能量转化系统包括控制系统121，控制系统分别通过管路与高压蓄能器122和低压蓄能器123相连接，高压蓄能器和低压蓄能器则分别通过管路与液压马达124相连接，液压马达的动力输出端与发电机125的动力输入端相连接。在控制系统对控制策略的优化调节下，通过高压蓄能器和低压蓄能器将液压缸传递过来的不规则、不稳定的能量通过储存再释放的形式转化为平稳的液压能，进而输送至后端液压马达，将液压油压力能转换为适应于发电机的旋转机械能，从而带动发电机发电，实现波浪能向电能的转化。
液压杆将液压缸分为上下两部分，上下两部分分别通过管路与一组能量转化系统内的控制系统相连接。
每组第一连接装置内均包括两个第一连接装置。悬臂的一端带有V形分叉，V形分叉的两个顶点分别与一个第一连接装置相铰接。在悬臂V形分叉的两个分叉之间设置连杆，第三连接装置设置在连杆上，并且各第三连接装置在各自悬臂上的位置均一致。
所述的浮子为弧面朝下的半球形，有利于最大限度的捕获波浪中的能量。浮子与悬臂之间为固定连接。
本实施例还公开了一种发电方法，使用上述的发电装置，发电装置安装就位并启动后，水平轴风机叶片迎风转动，发出的电通过输电电路并入电网；漂浮在海面上的浮子随海浪上下起伏，带动悬臂绕第一连接装置旋转摆动，从而使液压缸中的液压杆进行线性活塞运动，液压杆运动可将液压缸内的液压油通过管路泵送到能量转化系统中，液压油经能量转化系统内的控制系统控制高压蓄能器和低压蓄能器进行蓄能稳压后输入液压马达，液压马达将液压油的压力能转换为旋转机械能，从而带动发电机发电，发出的电送入塔筒内，为风机的内部控制系统、变桨偏航系统、电梯及蓄电池供电，当风机发电量不足时，启动蓄电池继续通过输电电路向电网输电，迅速补偿输出功率，实现电力输出稳定。
当冰期来临时，可以伸出各液压缸的液压杆，以第一连接装置为旋转支点将各悬臂抬起，使各浮子升离海面，既不会影响防冰锥的正常工作，又能保证冰期发电装置浮子的安全。
本实施例所公开发电装置的施工安装流程为：首先用现有的海上风机单桩施工工艺，将单桩基础安装在海床上，套设好防冰锥，再将塔筒运送并通过法兰安装在单桩基础上；其次在岸上将套筒、连接装置、悬臂、液压缸、浮子、环形平台及能量转化系统组装好，然后利用专业施工船将组装好的波浪能发电装置运到装机位置安装在单桩基础上，最后安装顶部风机，完成施工安装。
Claims (10)
1.一种适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，包括装在海底并伸出海面的单桩基础，在单桩基础与海面相交处安装防冰锥，在单桩基础的顶部安装塔筒，在塔筒的顶部设置水平轴风机，风机发出的电通过输电电路并入电网，其特征在于：在单桩基础伸出海面的部分上固定安装套筒，该套筒套设在单桩基础上，在套筒的上部搭建环形平台，在环形平台上布置两组以上的能量转化系统，所述能量转化系统的组数与下述第一连接装置的组数相同，能量转化系统发出的电送入塔筒内，在套筒上位于环形平台之下的位置沿周向等间隔布置两组以上等高的第一连接装置，在海面上布置与第一连接装置的组数等量的浮子，各浮子分别通过一根悬臂与一组第一连接装置相铰接，在套筒上位于各组第一连接装置正下方的位置各布置一个等高的第二连接装置，在各悬臂上分别设置第三连接装置，此外还有与第一连接装置的组数等量的液压缸，各液压缸的根部分别与一个第二连接装置相铰接、液压杆分别与相邻悬臂上的第三连接装置相铰接、此外各液压缸还分别通过管路与上述的一组能量转化系统相连接。
2.根据权利要求1所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：所述防冰锥由一上圆台和一下圆台对接组成，上圆台上底面的高度等于单桩基础所在位置的高潮位高度，下圆台下底面的高度等于单桩基础所在位置的低潮位高度，上圆台和下圆台对接处的高度等于单桩基础所在位置的平均潮位高度，上圆台的上底面直径小于下底面直径，下圆台的上底面直径大于下底面直径，上圆台的下底面直径等于下圆台的上底面直径。
3.根据权利要求1所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：所述能量转化系统包括控制系统，控制系统分别通过管路与高压蓄能器和低压蓄能器相连接，高压蓄能器和低压蓄能器则分别通过管路与液压马达相连接，液压马达的动力输出端与发电机的动力输入端相连接。
4.根据权利要求3所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：液压杆将液压缸分为上下两部分，上下两部分分别通过管路与一组能量转化系统内的控制系统相连接。
5.根据权利要求1所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：每组第一连接装置内均包括两个第一连接装置。
6.根据权利要求5所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：悬臂的一端带有V形分叉，V形分叉的两个顶点分别与一个第一连接装置相铰接。
7.根据权利要求6所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：在悬臂V形分叉的两个分叉之间设置连杆，第三连接装置设置在连杆上，并且各第三连接装置在各自悬臂上的位置均一致。
8.根据权利要求1所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：所述的浮子为弧面朝下的半球形。
9.根据权利要求1所述适应冰期的风浪结合振荡浮子发电装置，其特征在于：浮子与悬臂之间为固定连接。
10.一种发电方法，使用权利要求3所述的发电装置，其特征在于：发电装置安装就位并启动后，水平轴风机叶片迎风转动，发出的电通过输电电路并入电网；漂浮在海面上的浮子随海浪上下起伏，带动悬臂绕第一连接装置旋转摆动，从而使液压缸中的液压杆进行线性活塞运动，液压杆运动可将液压缸内的液压油通过管路泵送到能量转化系统中，液压油经能量转化系统内的控制系统控制高压蓄能器和低压蓄能器进行蓄能稳压后输入液压马达，液压马达将液压油的压力能转换为旋转机械能，从而带动发电机发电，发出的电送入塔筒内，为风机的内部控制系统、变桨偏航系统、电梯及蓄电池供电，当风机发电量不足时，启动蓄电池继续通过输电电路向电网输电，在冰期时伸出各液压缸的液压杆将各悬臂抬起，使各浮子升离海面。
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