CN109653960A - 一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置。该联合发电装置，包括主桩腿、导管架基础、风能发电平台、风力发电装置、波浪能发电平台和波浪能发电装置，波浪能发电平台设置在水面上方，波浪能发电装置的浮子漂浮在水面上。以导管架基础为支撑结构，导管架具有优异的结构稳定性，同时作为风力发电机和波浪能发电机的支撑结构，增加了导管架基础的利用率，解决了波浪能发电装置支撑结构造价高且单一发电时经济效益低下的问题，提高了整体发电效率，在经济性和结构安全性都具有极高的可行性。

Description

一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置
技术领域
本发明涉及海上风电风机基础技术领域，尤其是涉及一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置。
背景技术
随着世界能源危机的持续以及化石能源消耗对环境的破坏，人类对可再生清洁能源的需求日益增加，可再生清洁能源的探索和研究逐渐从陆上延伸到了广袤的海洋，海上风能是目前最具商业开发价值、技术最成熟的清洁能源之一，其具有蕴藏丰富、稳定持续、发电小时数高的特点，适宜规模化开发，据不完全统计，我国近海风能储备超过7亿千瓦，具备不可估量的开发价值。海上风电导管架基础具有适用范围广、结构可靠性高的独特优势，导管架基础形式在海洋石油领域已得到充分的应用和验证，在未来的海上风能开发中将得到广泛的应用。
波浪能与海上风能同样是储量巨大的可再生清洁能源，其与海上风能不同的是，现有的波浪能发电装置存在能量吸收少、转换率低且造价高昂、损坏率高的缺陷，技术上的瓶颈导致目前波浪能还不具备大规模开发的价值，各科研单位和企业在海上投放的波浪能发电装置多为单点投放，仅作为科研教学使用，不具备并网发电条件。
针对波浪能发电装置转化率低、支撑结构造价高、易被海水腐蚀的缺陷，借助海上风电支撑结构稳固、海上风电和波浪能共存的特点，研究一种基于支撑结构的海上风能和波浪能联合发电装置，对降低造价、提高发电效率、实现波浪能开发商业化具有积极的意义。
发明内容
为解决以上问题，结合地下核电站的特点，结合海上风电导管架基础的特点，提出一种基于导管架的海上风能和波浪能联合发电装置，利用导管架的结构稳定性特点，减少了波浪能发电装置造价，该联合发电装置只有浮子部分浸入在水中，延长了各部件的使用寿命，经济性好。
本发明采用的技术方案是：一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，包括设置在泥下的主桩腿、底部与主桩腿固定的导管架基础和设置在导管架基础顶部的风能发电平台，所述风能发电平台上通过风电塔架固定设有风力发电装置，其特征在于：还包括固定在导管架基础上的波浪能发电平台，所述波浪能发电平台上安装有波浪能发电装置，所述波浪能发电平台设置在水面上方，所述波浪能发电装置的浮子漂浮在水面上。
作为优选，所述导管架基础包括多根主导管腿、多根横向支撑杆、多根竖向支撑杆和多根斜向支撑杆，多根所述主导管腿以风电塔架为中心均匀布置，顶部均与风能发电平台底部焊接固定，底部与主桩腿固定连接；多根所述横向支撑杆焊接在相邻主导管腿之间；多根所述竖向支撑杆之间通过连系梁焊接在一起，顶部均焊接在风能发电平台底部，底部均通过斜向支撑梁与主导管腿对应焊接；多根所述斜向支撑杆两两交叉焊接在相邻主导管腿之间。
进一步的，所述波浪能发电装置包括液压马达、发电机、液压缸和浮子，所述液压马达和发电机相连，均设置在波浪能发电平台上；所述液压缸竖直设置，通过油管与液压马达相连，所述液压缸的输出杆通过传动杆与浮子连接；所述浮子在海面上起伏，通过传动杆驱动液压缸的输出杆运动，液压缸内油压发生改变，通过液压马达驱动发电机产生电能。
更进一步的，所述液压缸缸体上设置套箍，所述套箍一侧通过刚性弹簧与导管架基础上的竖向支撑杆相连，另一侧通过刚性弹簧与导管架基础上的主导管腿相连。
更进一步的，所述浮子为空腔结构，平均密度与水相同；所述浮子底部采用倒锥形结构，顶部采用椭圆形结构。
作为优选，所述波浪能发电平台上均匀设有多组波浪能发电装置。
进一步的，所述波浪能发电平台设置在导管架基础的横向支撑杆处，所述斜向支撑梁将波浪能发电平台分割四个对称的区域，四组所述波浪能发电装置设置在四个对称的区域内；所述斜向支撑梁与对应的横向支撑杆之间设有次撑梁。
更进一步的，所述波浪能发电平台外侧四周设有波浪能发电平台护栏。
本发明取得的有益效果是：以导管架基础为支撑结构，导管架具有优异的结构稳定性，同时作为风力发电机和波浪能发电机的支撑结构，增加了导管架基础的利用率，解决了波浪能发电装置支撑结构造价高且单一发电时经济效益低下的问题，提高了整体发电效率，在经济性和结构安全性都具有极高的可行性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为波浪能发电平台处的结构示意图；
图中：1、风能发电平台；2、波浪能发电平台；3、主导管腿；4、横向支撑杆；5、斜向支撑杆；6、竖向支撑杆；7、液压缸；8、传动杆；9、浮子；10、套箍11、刚性弹簧；12、液压马达；13、发电机；14、回油管；15、风机塔架；16、斜向支撑梁；17、次撑梁；18、连系梁；19、波浪能发电平台护栏；20、风力机；21、主桩腿；101、海面线；102、泥面线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-2所示，本发明的一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，包括主桩腿21、导管架基础、风能发电平台1、风力发电装置、波浪能发电平台2和波浪能发电装置，主桩腿21固定设置在泥面线102以下，导管架基础底部与主桩腿21固定，作为整个联合发电装置的承载基础，导管架基础顶部设有风能发电平台1，风力发电装置固定设置在风能发电平台1上，本实施例中，风力发电装置采用风力机20。
波浪能发电平台2固定设置在导管架基础上，波浪能发电平台2直接是以原有的导管架基础作为支撑搭建平台，与传统的波浪能发电平台2相比，结构强度、结构稳定性更好，能够承载更大的波浪能发电设备，造价更低，发电效率更高。波浪能发电平台2上可以安装多组波浪能发电装置，波浪能发电平台2设置在水面上方，波浪能发电装置均设置在海面线101之上，只有波浪能发电装置的浮子漂浮在水面上，减小了波浪能发电装置被海水侵蚀的风险，延长了各部件的使用寿命，经济性好。
导管架基础包括多根主导管腿3、多根横向支撑杆4、多根竖向支撑杆6和多根斜向支撑杆5，多根主导管腿3以风电塔架15为中心均匀布置，本实施例中，采用四根主导管腿3。四根主导管腿3底部与对应的主桩腿21固定连接，顶部焊接在风能发电平台1底部的四个角上。
横向支撑杆4沿水平设置，焊接在相邻主导管腿3之间，本实施例中，主导管腿3沿长度方向工焊接有四层横向支撑杆4，每层设有四根横向支撑杆4，最高一侧作为风能发电平台1的安装基础，次高一层作为波浪能发电平台2的安装基础，底下两层设置在海面线101以下。
多根竖向支撑杆6设置在主导管腿3之间，相互之间通过连系梁18焊接在一起，作为波浪能发电装置的固定结构。本实施例中，共采用四根竖向支撑杆6，顶部均焊接在风能发电平台1底部中间，底部均通过斜向支撑梁16与主导管腿3对应焊接。多根斜向支撑杆5两两呈X型或K型交叉焊接在相邻主导管腿3之间。
如图2所示，波浪能发电平台2以导管架基础海面线101以上处于同一层的四根横向支撑杆4最为基础，四根横向支撑杆4与对应的主导管腿3固定焊接，围合成一个四边形结构。斜向支撑梁16与对应的主导管腿3和竖向支撑杆6焊接，将四边形结构内部分割成四个对称的区域，每个区域内均安装有一组波浪能发电装置。斜向支撑梁16与横向支撑杆4之间焊接有次撑梁17。波浪能发电平台2外侧四周设有波浪能发电平台护栏18，人员在波浪能发电平台2行走时，作为防护栏。
结合图1所示，波浪能发电装置包括液压马达12、发电机13、液压缸7和浮子9，液压马达12和发电机13相连，均固定设置在波浪能发电平台2上；液压缸7竖直设置，通过油管14与液压马达12相连；液压缸7的输出杆通过传动杆8与浮子9连接，浮子9漂浮在水面上。海水起伏时，驱动浮子9随海水作垂荡运动，通过传动杆8和输出杆带动液压缸7内活塞运动，液压缸7内油压发生变化，通过液压马达驱动发电机产生电能。液压缸7结构简单、性能可靠，没有传动空隙、运动平稳。
本实施例中，液压缸7缸体上设置套箍10，套箍10一侧通过刚性弹簧11与导管架基础上的竖向支撑杆6相连，另一侧通过刚性弹簧11与导管架基础上的主导管腿3相连。浮子9在海面上作垂荡运动时，在海流作用下有平动趋势，液压缸7两侧通过刚性弹簧11分别与竖向支撑杆6和主导管腿3连接，可以保证液压缸7不发生大幅度左右摆动；同时在导管架基础受风力机影响发生激振作用时刚性弹簧11可以吸收能量，起到保护波浪能发电装置和导管架基础的作用。
本实施例中，浮子9为空腔结构，平均密度与水相同，使浮子9能够漂浮在海面上；浮子9底部采用倒锥形结构，增加浮子9与水面的接触面积，增大波浪能利用率；浮子9顶部采用椭圆形结构，减小浮子9出水时的阻力，材料采用钢材制作，表面做好防止海水腐蚀的保护措施。
本实施例中，传动杆8是连接浮子9和液压缸7的结构，考虑到导管架基础内部空间，浮子9主要做功方式为垂荡运动，浮子9在海流作用下有平动趋势，传动杆8长度较长，受到的弯矩较大，要求抗弯性能好，同时为提高能量转化率，减少克服重力做功，传动杆8应采用重量轻的材料，推荐采用轻钢材料或复合材料，传动杆8处于浪溅区，应做好防腐蚀措施。
联合发电和并网的过程如下：风力机20叶片在风的作用下发生转动，带动转子切割磁力线产生电能，波浪能发电装置通过浮子8带动液压缸7做活塞运动，排出高压液压油，推动液压马达12做功带动发电机13发电；波浪能发电装置发出的电能与风力机20发出的电能具有不同的电压、频率、幅值和相位，不能直接并网，风力机20和波浪能发电装置产生的电能需要各自经过整流器调整后具备相同的电压、频率、相位即具备并网条件。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，包括设置在泥下的主桩腿(21)、底部与主桩腿(21)固定的导管架基础和设置在导管架基础顶部的风能发电平台(1)，所述风能发电平台(1)上通过风电塔架(15)固定设有风力发电装置，其特征在于：还包括固定在导管架基础上的波浪能发电平台(2)，所述波浪能发电平台(2)上安装有波浪能发电装置，所述波浪能发电平台(2)设置在水面上方，所述波浪能发电装置的浮子(9)漂浮在水面上。
2.根据权利要求1所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述导管架基础包括多根主导管腿(3)、多根横向支撑杆(4)、多根竖向支撑杆(6)和多根斜向支撑杆(5)，多根所述主导管腿(3)以风电塔架(15)为中心均匀布置，顶部均与风能发电平台(1)底部焊接固定，底部与主桩腿(21)固定连接；多根所述横向支撑杆(4)焊接在相邻主导管腿(3)之间；多根所述竖向支撑杆(6)之间通过连系梁(18)焊接在一起，顶部均焊接在风能发电平台(1)底部，底部均通过斜向支撑梁(16)与主导管腿(3)对应焊接；多根所述斜向支撑杆(6)两两交叉焊接在相邻主导管腿(3)之间。
3.根据权利要求1或2所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述波浪能发电装置包括液压马达(12)、发电机(13)、液压缸(7)和浮子(9)，所述液压马达(12)和发电机(13)相连，均设置在波浪能发电平台(2)上；所述液压缸(7)竖直设置，通过油管(14)与液压马达(12)相连，所述液压缸(7)的输出杆通过传动杆(8)与浮子(9)连接；所述浮子(9)在海面上起伏，通过传动杆(8)驱动液压缸(7)的输出杆运动，液压缸(7)内油压发生改变，通过液压马达(12)驱动发电机(13)产生电能。
4.根据权利要求3所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述液压缸(7)缸体上设置套箍(10)，所述套箍(10)一侧通过刚性弹簧(11)与导管架基础上的竖向支撑杆(6)相连，另一侧通过刚性弹簧(11)与导管架基础上的主导管腿(3)相连。
5.根据权利要求4所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述浮子(9)为空腔结构，平均密度与水相同；所述浮子(9)底部采用倒锥形结构，顶部采用椭圆形结构。
6.根据权利要求1所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述波浪能发电平台(2)上均匀设有多组波浪能发电装置。
7.根据权利要求6所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述波浪能发电平台(2)设置在导管架基础的横向支撑杆(4)处，所述斜向支撑梁(16)将波浪能发电平台(2)分割四个对称的区域，四组所述多组波浪能发电装置设置在四个对称的区域内；所述斜向支撑梁(16)与对应的横向支撑杆(4)之间设有次撑梁(17)。
8.根据权利要求7所述的基于导管架基础的风能和波浪能联合发电装置，其特征在于：所述波浪能发电平台(2)外侧四周设有波浪能发电平台护栏(19)。
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