CN110397561A - 张力腿式波浪能风能综合发电装置及其智能振动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种张力腿式海洋波浪能风能综合发电装置及其智能振动控制系统，风力发电机构设置在张力腿式发电平台的上方，中央柱内部设有双动往复泵发电机构，每个双动往复泵组包括活塞，活塞和连杆连接，连杆的另一端通过万向节和球状连杆连接，球状连杆的另一端通过万向节连接到发电摆，还包括两个平行竖直的水管，进水管的中间设有进水口，出水管的中间设有排水口，进水口和出水口处都设有水轮发电机，第一进水支口、第二进水支口、第一排水支口和第二排水支口都和活塞外壁连接并贯穿活塞外壁，每个支口和活塞外壁的连接处都设有一个塞子。本发明综合发电装置将风能发电与波浪能发电结合为一体，结构新颖，且设计合理，可在深海中实施。

Description

张力腿式波浪能风能综合发电装置及其智能振动控制系统
技术领域
本发明属于风力发电和波浪能发电技术领域，具体为一种张力腿式波浪能风能综合发电装置及其智能振动控制系统。
背景技术
随着经济的不断发展，陆上能源的开发已经无法满足人类对于能源的需求。在占地球表面 71%的海洋中，蕴藏着大量的新型能源。海洋新能源的开发和利用受到国际社会越来越广泛的关注。风能作为可再生新能源，取之不尽，用之不绝，风能的开发和利用受到广泛关注。与此同时，具有能量密度高、分布范围广等特点的波浪能，也成为全世界关注的热点。波浪能发电系统的原理是将波浪自然振动中的动能和势能转化为电能，因此波浪能转换是未来最可行的技术。
张力腿平台是一种海洋油气开发工程设施与设备，其原理是利用半顺应半刚性的平台产生远大于结构自重的浮力，从而与预张力平衡，以此为生产提供一个相对平稳安全的工作环境。张力腿平台的张力腿系统在初始位置是直立的，平台的纵荡运动将不引起纵摇，但一般会和平台的垂向运动相耦合，即纵荡引起垂荡。且张力腿平台在张力腿系泊系统张力变化和平台本体浮力变化控制下，平台平面内的运动固有频率低于波浪频率，从而避免了结构和海浪能量集中的频率发生共振，使平台结构受力合理，动力性能良好。但波浪的高频分量和高频水动力会引起张力腿平台平面外的共振，通常称为Springing和Ringing。这两个问题随着水深的增加而加剧，对结构的安全性有很大的影响。因此研发一种适合于深海作业的张力腿式海洋波浪能风能综合发电装置及其智能振动控制系统具有重要意义。
发明内容
1、 所要解决的技术问题：
海洋能源的开发由深海不断向深海发展，需要能够用于深海作业的海洋新能源发电装置。
2、 技术方案：
本发明的技术目的是提供一种可用于深海的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其技术方案为：一种张力腿式海洋波浪能风能综合发电装置，包括风力发电机构，所述风力发电机构设置在张力腿式发电平台的上方，所述张力腿式发电平台包括中央柱，所述中央柱为圆柱状，所述中央柱内部设有双动往复泵发电机构，整个张力腿式发电平台内设有3个双动往复泵。所述双动往复泵组包括活塞，所述活塞能够在活塞壁内上下运动，所述活塞和连杆连接，所述连杆的另一端通过万向节和球状连杆连接，所述球状连杆的另一端通过万向节连接到发电摆，还包括两个平行竖直的水管，分别为进水管和出水管，所述进水管的中间设有进水口，所述出水管的中间设有排水口，所述的进水口和出水口处都设有水轮发电机，所述进水管两端设有进水第一进水支口和第二进水支口，所述出水管两端设有第一排水支口和第二排水支口，所述第一进水支口、第二进水支口、第一排水支口和第二排水支口都和活塞外壁连接并贯穿活塞外壁，每个支口和活塞外壁的连接处都设有一个塞子。
还包括多个悬臂浮筒，多个所述悬臂浮筒附着在中央柱侧面底部，每个所述悬臂浮筒下底面与中央柱下底面衔接，多个所述悬臂浮筒为以中央柱径向线为中心线的对称布置。
所述悬臂浮筒下底面为向上倾斜的坡面，且所述悬臂浮筒的与附着面相接的两个侧面在远离中央柱的一端设有向所述中心线方向倾斜的斜面。
每个所述悬臂浮筒内部均装有柔性减震装置。
所述张力腿式发电平台外表面设有石墨烯防腐材料涂层。
所述风力发电机构塔架的底部通过桁架固定在张力腿式发电平台上，所述塔架呈柱状，塔架中部的外壁设有套环，钢索的一端连接在所述套环上，所述钢索的另一端通过半主动智能减振系统与所述桁架连接。
所述是张力腿式发电平台智能振动控制系统，其特征在于，包括BP神经网络振动控制模块、电流控制器、位移传感器、加速度传感器和磁流变阻尼器。所述位移传感器设置在张力腿式发电平台上用于测量平台的位移信号；所述加速度传感器设置在张力腿式发电平台上用于测量平台的加速度信号；所述位移传感器和所述加速度传感器连接所述BP神经网络振动控制模块，所述BP神经网络振动控制模块连接所述电流控制器。
通过位移传感器所得到的位移信号和加速度传感器所得到的加速度信号，直接输入BP神经网络振动控制模块。使所述BP神经网络振动控制模块直接映射出所述磁流变阻尼器所需要的控制电流并将所述控制电流的参数传递给所述电流控制器。所述电流控制器连接所述磁流变阻尼器，所述电流控制器将所需的电流提供给剪切阀式磁流变阻尼器，从而达到振动控制的作用。
所述塔架内部为空心，储能装置设置在塔架内部，所述的储能装置通过电缆和风力发电机构、水轮发电机连接。
所述张力腿式发电平台的每个悬臂浮筒内部均装有系泊缆索连接杆，所述系泊缆索连接杆一端装在悬臂浮筒中，另一端连接系泊缆索，所属系泊缆索通过海底桩基及插座连接到海床上，所述发电摆一端圆柱面加上圆锥的倒立式结构，所述发电摆顶部通过系泊缆索连接器，连接系泊缆索到海床。
所述水轮发电机包括叶扇、永磁体和线圈，所述永磁体和线圈设置外壳内，所述叶扇设置在外壳外，所述线圈分布在永磁体周边并固定在外壳上，设有轴，所述线圈能够围绕轴转动。
3、 有益效果：
本发明综合发电装置在风浪中工作时，张力腿式发电平台在自身结构特征及系泊缆作用下保持相对稳定，在受波浪作用时，张力腿式发电平台整体发生纵荡的弱非线性特征和垂荡的强非线性特征，而发电摆与张力腿式发电平台主体之间，因显著的垂荡作用产生拉压作用，集中表现在连杆与万向节处，在做垂荡运动的过程中带动球形连杆转动，从而带动活塞往复作用，活塞在往复作用的过程中通过吸入和排出水流，带动水轮机转动，进而进行发电。而风力发电机构则在海洋风的作用下产生电能。本发明张力腿式发电平台综合发电装置将风能发电与波浪能发电结合为一体，结构新颖，且设计合理，可在深海中实施。
附图说明
图1为张力腿式海洋波浪能风能综合发电装置的整体示意图。
图2为双动往复泵发电机构剖视图。
图3为张力腿式发电平台的俯视图。
图4为张力腿式发电平台剖视图。
图5为活性连接装置的结构示示意图。
图6为进水口和排水口管道示意图。
图7为剪切阀式磁流变阻尼器剖视图。
图8风力发电机构结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种张力腿式海洋波浪能风能综合发电装置，包括风力发电机构1，所述风力发电机构1设置在张力腿式发电平台24的上方，所述张力腿式发电平台24包括中央柱25，所述中央柱25为圆柱状，所述中央柱25内部设有双动往复泵发电机构，所述双动往复泵发电机构包括三个双动往复泵组，每个所述双动往复泵组包括活塞13，所述活塞13能够在活塞壁内上下运动，所述活塞13和连杆15连接，所述连杆15的另一端通过万向节和球状连杆9连接，所述球状连杆9的另一端通过万向节连接到发电摆11，还包括两个平行竖直的水槽，分别为进水管14和出水管26，所述进水管14的中间设有进水口6，所述出水管26的中间设有排水口5，所述的进水口6和出水口5处都设有水轮发电机17，所述进水管14两端设有进水第一进水支口23和第二进水支口20，所述出水管26两端设有第一排水支口22和第二排水支口21，所述第一进水支口23、第二进水支口20、第一排水支口22和第二排水支口21都和活塞外壁连接并贯穿活塞外壁，每个支口和活塞外壁的连接处都设有一个塞子12。
其中所述水轮发电机17包括叶扇、永磁体和线圈，所述永磁体和线圈设置外壳内，所述叶扇设置在外壳外，所述线圈分布在永磁体周边并固定在外壳上，设有轴，所述线圈能够围绕轴转动。
如图2所示，设置在张力腿式发电平台24内部密封舱室中的双动往复泵发电机构，所述双动往复泵发电构组由三个双动往复泵组构成。所述双动往复泵由球状连杆9前部球体装卡在球形凹槽板中。该球形连杆采用碳钎维复合材料材质，具有质量轻、高比强度和高比模量、耐疲劳强度高、耐腐蚀等优良特点。且球状连杆内侧伸入内凹处连接另一连杆15，连杆15的另一端连接活塞13。当张力腿式发电平台发生垂荡作用时，张力腿式发电平台24与发电摆17之间的距离会被压缩，从而带动球形连杆9倾斜，进而带动连杆15转动，最终达到活塞13上下运动。通过活塞13上下运动带动海水在腔室中吸入和排出，从而带动进水口6和排水口处5的叶扇转动，叶扇的转动带动外壳的转动，外壳转动带动线圈的转动，线圈切割磁感应从而进行发电。当活塞13向上做升程运动的时候，推动海水推开塞子12并通过第一排水支口22流入出水管26并从排水孔5流出。同时，第一进水支口23因为活塞13的升程运动所产生吸力而打开，并吸入海水流入腔室。当水流通过进水口6时，带动的进水口的叶扇转动，叶扇的转动带动外壳的转动，外壳转动带动线圈的转动，线圈切割磁感应从而进行发电。当活塞13向下做回程运动的时候，推动海水推开塞子12并通过第二排水支口22流入进水管14并从排水孔5流出。同时，第二进水支口20因为活塞13的升程运动所产生吸力而打开，并吸入海水流入腔室。当水流通过进水口6时，带动带动的进水口的叶扇转动，叶扇的转动带动外壳的转动，外壳转动带动线圈的转动，线圈切割磁感应从而进行发电。该双动往复泵发电机构的优势在于能够保证水流进出量的稳定，从而有效地进行发电，而不会产生电力不流畅或负做功。
如图1所示风力发电机构1安装在张力腿式发电平台24上。
如图3所示所述风力发电机构1塔架的底部通过桁架 16固定在中央柱的顶部。所述塔架呈柱状，塔架中部的外壁设有套环 2，所述套环 2 与套环内侧的塔架柱体之间设有磁流变阻尼器减振装置。若干条围绕塔架均匀分布的绳索3为高强度钢索，一端连接在所述套环 2 上，另一端则通过磁流变阻尼器 4与桁架 16 连接，所述磁流变阻尼器 4安装在张力腿式发电平台24上。
所述塔架内部为空心，储能装置设置在塔架内部，所述的储能装置通过电缆和风力发电机构悬臂浮筒71、水轮发电机17连接。
所述风力发电机构采用磁流体发电如图8所示，以多个部分所组成的整个发电装置大大的提高了海上风源的收集与转化效。整个发电装置的整体组合又减少了海洋发电平台的组装材料与成本，且减少了海上平台的装配的复杂性。
如图1、图 2、图 3 所示，所述张力腿式发电平台 24 包括中央柱25和均匀分布在中央柱周侧的四个，所述双动往复发电机构安装在所述中央柱25内的密闭腔室中。所述中央柱25呈圆柱状，所述悬臂浮筒7附着在中央柱侧面的底部。所述悬臂浮筒7的下底面与中央柱的下底面衔接，且悬臂浮筒下底面为向上倾斜的坡面 ，所述坡面远离中央柱的一端要高于与中央柱相接的一端。所述悬臂浮筒为以中央柱径向线为中心线的对称结构，悬臂浮筒7的与附着面浮体与中央柱的接触面相接的两个侧面在远离中央柱的一端设有向所述中心线方向倾斜的斜面。可有效的消解波浪从各方向对张力腿式发电平台的冲击。
如图4所示，所述张力腿式发电平台24的四个悬臂浮筒7中装有弹性填充物柔性减震装置19和连接杆8，且连接杆能随着弹性填充物柔性减震装置的前后孔转动，但会有前极限位与后极限位。且连接杆8能在弹性填充物柔性减震装置的柔性作用下左右摆动，但有一定的左极限位和右极限位。弹性连接杆的末端以万向节的形式固定在发电摆11之上。所述发电摆为一端圆柱面加上圆锥的倒立式结构，该发电摆能增大与万向节的接触面积，且圆锥面能使更好的在水中平稳，且圆锥的尖端装有系泊缆索并连接到海床。上述的张力腿式发电平台受波浪力的水平方向分力较垂直方向分力大，因而可通过张力腿在平面内的柔性，实现平台平面内的纵荡、横荡和首摇（即顺应式），较大的环境载荷可以通过惯性力平衡，而不需要通过结构内力。这样的结构形式使得张力腿式发电平台具有良好的运动性能。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种张力腿式波浪能风能综合发电装置，包括风力发电机构（1），其特征在于：所述风力发电机构（1）设置在张力腿式发电平台（24）的上方，所述张力腿式发电平台（24）包括中央柱（25），所述中央柱（25）为圆柱状，所述中央柱（25）内部设有双动往复泵发电机构，所述双动往复泵发电机构包括三个双动往复泵组，每个所述双动往复泵组包括活塞（13），所述活塞（13）能够在活塞壁内上下运动，所述活塞（13）和连杆（15）连接，所述连杆（15）的另一端通过万向节和球状连杆（9）连接，所述球状连杆（9）的另一端通过万向节连接到发电摆（11），还包括两个平行竖直的水管，分别为进水管（14）和出水管（26），所述进水管（14）的中间设有进水口（6），所述出水管（26）的中间设有排水口（5），所述的进水口（6）和出水口（5）处都设有水轮发电机（17），所述进水管（14）两端设有进水第一进水支口（23）和第二进水支口（20），所述出水管（26）两端设有第一排水支口（22）和第二排水支口（21），所述第一进水支口（23）、第二进水支口（20）、第一排水支口（22）和第二排水支口（21）都和活塞外壁连接并贯穿活塞外壁，每个支口和活塞外壁的连接处都设有一个塞子（12）。
2.如权利要求1所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：还包括多个悬臂浮筒（7），多个所述悬臂浮筒（7）附着在中央柱（25）侧面底部，每个所述悬臂浮筒（7）下底面与中央柱（25）下底面衔接，多个所述悬臂浮筒（7）为以中央柱（25）径向线为中心线的对称布置。
3.如权利要求2所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述悬臂浮筒（7）下底面为向上倾斜的坡面，且所述悬臂浮筒（7）的与附着面相接的两个侧面在远离中央柱（25）的一端设有向所述中心线方向倾斜的斜面，每个所述悬臂浮筒（7）内部均装有柔性减震装置（19）。
4.如权利要求1所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述张力腿式发电平台（24）外表面设有石墨烯防腐材料涂层。
5.如权利要求1所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述风力发电机构（1）塔架的底部通过桁架（16）固定在张力腿式发电平台（24）上，所述塔架呈柱状，塔架中部的外壁设有套环（2），绳索（3）的一端连接在所述套环（2）上，所述绳索的另一端通过也通过减振阻尼器（4）与所述桁架（16）连接。
6.如权利要求5所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述减振阻尼器（4）采用磁流变阻尼器。
7.如权利要求6所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述塔架内部为空心，储能装置设置在塔架内部，所述的储能装置通过电缆和风力发电机构（1）、水轮发电机（17）连接。
8.如权利要求2-8任一权利要求所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述张力腿式发电平台（24）的每个悬臂浮筒（7）内部均装有系泊缆索连接杆（8），所述系泊缆索连接杆（8）一端装在悬臂浮筒（7）中，另一端连接系泊缆索（10），所属系泊缆索（10）通过海底桩基及插座连接到海床上，所述发电摆（11）为一端圆柱面加上圆锥的倒立式结构，所述发电摆（11）顶部通过系泊缆索连接器（8），连接系泊缆索（10）到海床。
9.如权利要求1-8任一权利要求所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置，其特征在于：所述水轮发电机（17）包括叶扇、永磁体和线圈，所述永磁体和线圈设置外壳内，所述叶扇设置在外壳外，所述线圈分布在永磁体周边并固定在外壳上，设有轴，所述线圈能够围绕轴转动。
10.一种如权利要求1-9任一权利要求所述的张力腿式波浪能风能综合发电装置的智能振动控制系统，其特征在于：包括BP神经网络振动控制模块、电流控制器、位移传感器、加速度传感器和磁流变阻尼器，所述位移传感器设置在张力腿式发电平台上用于测量平台的位移信号；所述加速度传感器设置在张力腿式发电平台上用于测量平台的加速度信号；所述位移传感器和所述加速度传感器连接所述BP神经网络振动控制模块，所述BP神经网络振动控制模块连接所述电流控制器。
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