CN109737009B - 基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置及发电方法，属于海上可再生能源利用技术领域，解决充分利用海洋可再生能源的问题，包括风力发电机系统、浮式平台系统、波浪能发电系统和系泊系统，所述的风力发电机系统和波浪能发电系统安装在浮式平台系统，所述的系泊系统包括锚链和海床锚，锚链一端固连在浮式平台系统，另一端连接海床锚，并由海床锚和海床相连，效果是提高了整体发电性能，增加了发电总量，有效地利用了海洋可再生能源，降低了投资成本，加快了商业化的应用。

Description

基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置及发电方法

技术领域

本发明属于海上可再生能源利用技术领域，尤其涉及了一种基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置，其是以新型浮式平台为基础，将风能和振荡水柱式波浪能相结合的联合发电装置。

背景技术

随着能源需求不断地增加，陆上资源的日益枯竭，人们的目光逐渐从陆上转向海上，而海上的资源的能源储量巨大，尤其是海上的风能和波浪能都是绿色可再生能源。风力发电是目前乃至未来最具有可规模化发展和商业化的可再生能源，随着海上风电向深远海发展，固定式基础已经无法满足现有的设计要求，浮式风力发电机系统已经成为了新的研究热点。目前，海上浮式风力发电机系统的方案大多都是基于水平轴的风力发电机，然而与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机有其特有的优势，垂直轴风力发电机的整体质量较轻，可显著减少海洋平台的负载，其次垂直轴风力发电机对于风向的敏感度要求不高，无需偏航系统，并且由于其重心较低，因此塔基或平台受到的倾覆力矩会小很多。有人提出基于垂直轴风力发电机的海上浮式风力发电机系统，但所有方案的共同特点都是单转子设计。此类风力发电机在风载荷作用下，风力发电机自身的单向运转会产生非常大的弯矩，对系泊系统要求高，对风电系统安全性产生威胁。风能资源丰富的海上区域往往都有丰富的波浪能，而且波浪能发电装置简单，构件数量少，可降低波浪能转化过程的能量损失，机械装置不易受到海水腐蚀，可适应性强。然而，波浪能开发环境恶劣，建造费用高，能量转化率低等不利因素一定程度上限制了其商业化和规模化。

发明内容

为使海上联合发电能够具有较高的稳定性和良好的安全性，解决充分利用海洋可再生能源的问题，本发明提供一种对系泊系统要求不高、稳定性高和安全性能良好的海上双转子的垂直轴风力发电机和振荡水柱式（OWC）波浪能发电装置联合的发电装置。双转子的垂直轴风力发电机和振荡水柱式波浪能发电装置共享该浮式平台的支撑结构和电力运输系统，充分利用海洋可再生能源，提高了振荡水柱式波浪能发电装置的利用效率，降低了发电成本，最大化的利用海洋平台空间，有利于资源再利用，从而提高了风电场的整体经济性。

一种基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置，包括风力发电机系统、浮式平台系统、波浪能发电系统和系泊系统，所述的风力发电机系统和波浪能发电系统安装在浮式平台系统，所述的系泊系统包括锚链和海床锚，锚链一端固连在浮式平台系统，另一端连接海床锚，并由海床锚和海床相连。

进一步的，所述的风力发电机系统包括两台垂直轴风力发电机，所述的垂直轴风力发电机包括风轮、塔筒、下部支撑结构、发电机系统和电力传输系统，所述的风轮安装在塔筒上，塔筒是安装在垂直轴风力发电机的转子上的筒状结构，垂直轴风力发电机的转子下部安装下部支撑结构，并由其将垂直轴风力发电机固定在浮式平台，所述转子连接发电机系统、发电机系统连接电力传输系统。

进一步的，所述的风轮包括三组螺旋向安装的垂直轴叶片；所述的垂直轴叶片被垂直于转子的叶片固定杆安装在转子，三组垂直轴叶片环向均匀分布在转子的周围。

进一步的，所述的浮式平台系统包括浮式平台、垂荡板桁架和垂荡板，所述的浮式平台为正方形平台，中间呈正方形镂空，所述的垂荡板与四根垂向设置的垂荡板桁架连接，四根垂向设置垂荡板桁架与浮式平台的正方形镂空的四个顶点相连。

进一步的，两台垂直轴风力发电机安装在下风向的同一方向的两个底角的位置，且两台垂直轴风力发电机的风轮结构是关于正方形的纵向中心线对称，位于左角的垂直轴风力发电机的叶片安装角α与位于右角的垂直轴风力发电机的叶片安装角α数值相等且方向相反。

进一步的，所述的波浪能发电系统包括两个双气室的振荡水柱式波浪能发电装置，振荡水柱式波浪能发电装置位于浮式平台的镂空位置，振荡水柱式波浪能发电装置沿着主风向方向对称分布，每一个振荡水柱式波浪能发电装置包括两个气室，两个气室沿着浪向分布，气室具有波浪进口，两个气室以气室隔板分隔，与波浪进口相对的气室板，其具有空气透平，所述的空气透平与空气透平发电机连接，空气透平发电机与电力传输系统连接。

本发明还涉及一种基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电方法，垂直轴风力发电机通过塔筒和下部支撑结构与浮式平台相连，振荡水柱式波浪能发电装置置于浮式平台中间处，振荡水柱式波浪能发电装置是利用波浪的往复运动带动OWC装置内水柱的振荡，从而压缩其气室内的空气，推动压缩气体的往复运动，带动空气透平发电机发电，垂直轴风力发电机在风力的推动下绕中心轴做旋转运动，接受来自不同方向的风，将风能转化成机械能，带动垂直轴风力发电机发电。

本发明的有益效果：

1、本发明采用的是双转子布置，降低浮式基础承受的艏摇弯矩，降低了该浮式平台对系泊系统的要求，提高了系统的安全性能。

2、将海上风电同振荡水柱式波浪能发电装置相结合，共用新型浮式平台、系泊系统、变压、输电等设备，提高了整体发电性能，增加了发电总量，有效地利用了海洋可再生能源，降低了投资成本，加快了商业化的应用。

3、两个双气室振荡水柱式波浪能发电装置，既提高了振荡水柱波浪能发电装置的发电效率，又充分利用了平台的空间。

4、浮式风力发电机采用的是垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机由于稳定性较高，可以接受不同风向的风、安装简单、噪音很小、无偏航系统和机舱可以减少风力发电机的质量、且成本低，适用于更复杂的海况。

5、浮式基础的底部四周布置了垂荡板和垂荡板桁架，可以有效地减少平台的垂荡运动，显著提高了平台的安全性能。

附图说明

图1是本发明的装置结构图；

图2是本发明的振荡水柱式波浪能发电装置部分剖面图。

图中：1垂直轴叶片；2塔筒；3下部支撑结构；4浮式平台；5空气透平发电机；6垂荡板；7锚链；8叶片固定杆；9 空气透平；10垂直轴风力发电机；11垂荡板桁架；12波浪进口；13气室隔板。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对发明作进一步说明：

图1和图2出示了本发明所述的海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置的具体实施方式。包括风力发电机系统、浮式平台系统、波浪能发电系统和系泊系统。

所述的风力发电机系统包括两台垂直轴风力发电机10；所述的垂直轴风力发电机10包括风轮、塔筒2、下部支撑结构3、发电机系统和电力传输系统；所述的风轮是安装在垂直轴风力发电机10的转子上；所述的风轮包括三组螺旋向安装的垂直轴叶片1；所述的垂直轴叶片1通过叶片固定杆8垂直安装在转子上，三组叶片呈现环向均匀分布在转子的周围，塔筒2是安装在转子上的筒状结构。

所述的浮式平台系统包括浮式平台4、垂荡板桁架11和垂荡板6；所述的浮式平台4为正方形平台，中间呈正方形镂空，不但减小了平台总重量，减小制造成本，同时增加平台阻尼，调高平台的稳定性；两台垂直轴风力发电机10安装在下风向同一方向的两个底角的位置，且两台垂直轴风力发电机10的风轮结构是关于正方形的纵向中心线对称；其中左角的垂直轴风力发电机10的叶片安装角α与右角的垂直轴风力发电机10的叶片安装角α数值相等且正负号是相反的。

所述的垂荡板6通过垂向设置的四根支撑杆与浮式平台4镂空处的四个顶点相连。

所述的波浪能发电系统包括两个双气室的振荡水柱（OWC）式波浪能发电装置，所述的振荡水柱式波浪能发电装置位于浮式平台4镂空处。所述的两个振荡水柱式波浪能发电装置沿着主风向方向对称分布。所述的每一个振荡水柱式波浪能发电装置包括两个气室，两个气室沿着浪向分布，大小略有不同，其大小作为优化，可提高波浪能的捕获效率。所述的振荡水柱式波浪能发电装置包括波浪进口12，气室隔板13和空气透平发电机5；使用时，将浮式风能-波浪能联合发电装置放在水域中，在波浪作用下，波浪经波浪进口12进入前气室和后气室而形成上下振动的水柱，水柱作上下振动运动使气室内的气体往复通过气室上部的出气口，进而驱动空气透平发电机5发电。

所述的系泊系统包括三根锚链7和海床锚，锚链7一端通过导缆孔固连在浮式平台4上，另一端通过海床锚和海床相连，系泊系统主要是用于整个平台的水平定位，控制整个平台的水平位置。

所述的垂直轴风力发电机10为兆瓦级垂直轴风力发电机。

所述的空气透平发电机5采用双向空气透平发电机。

为达到深海可再生能源开发的目的，将基于垂直轴的海上浮式风力发电机与振荡水柱式波浪能发电装置有效地结合起来，可以取长补短，优势互补，共用支撑结构和输电系统，可以有效地提高资源的利用率，提高发电效率，从而提高海洋可再生能源发电系统的经济性、降低成本，推动其商业化发展。风和浪大部分时候是同强或同弱，对于单独的波浪能和风能的取得方式，风浪过大，容易导致能量转换装置抗风浪能力差，平台非常不稳定，风量大，对波浪能量收集具有破坏性，波浪大，对风能收集也就具有破坏性，是因为不为收集的那种能量极大影响了平台稳定性，并产生了能量流失，在这种情况下，对于风能收集时候，如果对波浪能同时收集，就可以降低对波浪能由于未被收集而更大的对平台稳定性的影响，在这种情况下，不仅使得能量可以由同一平台同时收集、转换并传输，对能量和设施充分与合理使用，另一方面，能够降低单独收集且风浪很大时，不收集的能量会对平台稳定性的影响。

本发明的工作原理如下：

风载荷作用在叶片上，带动垂直轴风力发电机10的风轮转动，风轮是与垂直轴风力发电机10的转子相连接，可以将风能转换成垂直轴风力发电机10转子的机械能，其中风轮转子的转动带动发电机发电，将机械能转化成电能。振荡水柱式波浪能发电装置将水柱的上下往复运动转化气体的往复运动，进而通过空气透平发电机5完成波浪能的发电，垂直轴风力发电机10产生的电能和振荡水柱式波浪能发电装置产生的电能汇集后，通过传输系统输送至电网，以供陆地用户使用。

本发明有三大特点，一是在风载荷作用下，由两个结构对称的风轮带动两个垂直轴风力发电机的转子逆向旋转，产生两个逆向弯矩，这两个逆向弯矩因其方向相反，可以相互抵消。与单转子的垂直轴的发电机系统相比，本发明的双转子的设计会降低浮式基础承受的艏摇弯矩，可以降低浮式平台系统对系泊系统的要求，从而进一步降低造价和提高安全性。二是充分利用了该浮式平台的中间镂空部分，将振荡水柱式波浪能发电装置置于其中，可以最大化的利用海洋空间资源以捕获最大能量，使振荡水柱式波浪能发电装置和垂直轴风力发电机共用海洋平台和电力传输系统。三是浮式平台的底部四周布置了垂荡板和垂荡板桁架，可以有效减少浮式平台的垂荡运动，可以进一步降低浮式风电系统对系泊系统的要求。

本发明所述的海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置，垂直轴风力发电机和振荡水柱式波浪能发电装置共享新型浮式平台和双转子的垂直轴风力发电机，可以充分利用平台的有效使用空间，也能很好的减少波浪荷载和风荷载，可以提高振荡水柱式波浪能发电装置的利用效率，充分利用海上的波浪能。

如图1所示，垂直轴风力发电机10通过塔筒2和下部支撑结构3与该浮式平台4相连。振荡水柱式波浪能发电装置置于该浮式平台4中间处，振荡水柱式波浪能发电装置是利用波浪的往复运动带动OWC装置内水柱的振荡（即装置内自由水面的上下浮动），从而压缩其气室内的空气，推动压缩气体的往复运动，从而带动空气透平发电机5发电。垂直轴风力发电机10在风力的推动下绕中心轴做旋转运动，可以接受来自不同方向的风，从而实现风能转化成机械能，带动风力发电机发电。

基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置的施工安装流程如下：首先，在港口完成该浮式平台4在陆地上组装后，完成振荡水柱式波浪能发电装置的安装，其后完成两个垂直轴风力发电机10的安装。采用湿拖法，利用专业的风机安装船将该浮式平台4运至指定海域，用预先安装好的锚链7与海底海床相连，利用浮式平台4的浮力以及锚链力，将其固定在指定海域的海平面上；然后浮式平台4就位后，利用运输拖船将垂荡板6和垂荡板桁架11运输到浮式平台4附近，然后先安装垂荡板桁架11的四个立柱，再安装垂荡板6置于垂荡板桁架11下，调整压舱水系统使整体浮力小于重力，结构下沉到海中。这样就完成了基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置的施工安装。

因此，本发明采用的基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置的稳定性好，安装施工简单，成本造价低。风力发电和波浪能发电的装置共享一个支撑结构和电力输送配套系统，使两者有机的结合在一起，在一定程度上可以降低海上风力发电的成本，使结构更加的稳定，布局更加合理，能够充分利用该平台的有效利用空间，抵抗波浪载荷和风载荷能力显著增强。同时采用了双转子的垂直轴风力发电机，较单垂直轴风力发电机系统相比，这种双转子的设计可以有效的降低浮式基础承受的首摇弯矩，降低浮式风电系统对系泊系统的要求，可以进一步的降低平台的造价和提高安全性能。这更进一步的说明了本发明的可实施性及显著的技术性，为实现海上风电的可规模化和商业化提供了一些建议和方案，对海上风电的发展可以起到推动作用，符合可持续发展的理念。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、连接方式等均可有所变化，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置，其特征在于，包括风力发电机系统、浮式平台系统、波浪能发电系统和系泊系统，所述的风力发电机系统和波浪能发电系统安装在浮式平台系统，所述的系泊系统包括锚链（7）和海床锚，锚链（7）一端固连在浮式平台系统，另一端连接海床锚，并由海床锚和海床相连；所述的风力发电机系统包括两台垂直轴风力发电机（10），所述的垂直轴风力发电机（10）包括风轮、塔筒（2）、下部支撑结构（3）、发电机系统和电力传输系统，所述的风轮安装在塔筒（2）上，塔筒（2）是安装在垂直轴风力发电机（10）的转子上的筒状结构，垂直轴风力发电机（10）的转子下部安装下部支撑结构（3），并由下部支撑结构（3）将垂直轴风力发电机（10）固定在浮式平台（4），所述转子连接发电机系统、发电机系统连接电力传输系统；

所述的浮式平台系统包括浮式平台（4）、垂荡板桁架（11）和垂荡板（6），所述的浮式平台（4）为正方形平台，中间呈正方形镂空，所述的垂荡板（6）与四根垂向设置的垂荡板桁架（11）连接，四根垂向设置垂荡板桁架（11）与浮式平台（4）的正方形镂空的四个顶点相连；

两台垂直轴风力发电机（10）安装在下风向的同一方向的两个底角的位置，且两台垂直轴风力发电机（10）的风轮结构是关于正方形的纵向中心线对称，位于左角的垂直轴风力发电机（10）的叶片安装角α与位于右角的垂直轴风力发电机（10）的叶片安装角α数值相等且方向相反；

所述的波浪能发电系统包括两个双气室的振荡水柱式波浪能发电装置，振荡水柱式波浪能发电装置位于浮式平台（4）的镂空位置，振荡水柱式波浪能发电装置沿着主风向方向对称分布，每一个振荡水柱式波浪能发电装置包括两个气室，两个气室沿着浪向分布，大小不同，气室具有波浪进口（12），两个气室以气室隔板（13）分隔，与波浪进口（12）相对的气室板，其具有空气透平（9），所述的空气透平（9）与空气透平发电机（5）连接，空气透平发电机（5）与电力传输系统连接；

振荡水柱式波浪能发电装置置于浮式平台（4）中间处，振荡水柱式波浪能发电装置是利用波浪的往复运动带动振荡水柱式波浪能发电装置内水柱的振荡，从而压缩其气室内的空气，推动压缩气体的往复运动，带动空气透平发电机（5）发电，垂直轴风力发电机（10）在风力的推动下绕中心轴做旋转运动，接受来自不同方向的风，将风能转化成机械能，带动垂直轴风力发电机（10）发电；

在港口完成浮式平台(4)在陆地上组装后，完成振荡水柱式波浪能发电装置的安装，其后完成两个垂直轴风力发电机（10）的安装，采用湿拖法，利用专业的风机安装船将浮式平台（4）运至指定海域，用预先安装好的锚链（7）与海底海床相连，利用浮式平台（4）的浮力以及锚链力，将浮式平台（4）固定在指定海域的海平面上；然后浮式平台（4）就位后，利用运输拖船将垂荡板（6）和垂荡板桁架（11）运输到浮式平台（4）附近，然后先安装垂荡板桁架（11）的四个立柱，再安装垂荡板（6），并置于垂荡板桁架（11）下，调整压舱水系统使整体浮力小于重力，结构下沉到海中，完成基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置的施工安装。

2.如权利要求1所述的基于海上浮式平台的风能—波浪能联合发电装置，其特征在于，所述的风轮包括三组螺旋向安装的垂直轴叶片（1）；所述的垂直轴叶片（1）被垂直于转子的叶片固定杆（8）安装在转子，三组垂直轴叶片（1）环向均匀分布在转子的周围。

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