CN110805524B - 一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，包括波浪能捕获装置、风能捕获装置、液压传递系统、太阳能光伏板、电力转换系统、浮动平台上层甲板、浮动平台下层甲板、支撑柱、水下浮箱以及锚泊系统。液压传递系统由波浪能转换液压子系统和风机液压子系统组成，波浪能捕获装置和风能捕获装置分别与两个子系统连接，驱动发电机发电，并与太阳能光伏板发出的电能通过电力转换系统结合，形成微电网，将电能存入储能装置或直接供给用户。波浪能转换液压子系统和风机液压子系统各自的主油路之间通过联通管路相连，由插装阀控制两条主油路的连通和关闭，在资源较好时，两套子系统独立运行，当资源较差时，两套子系统互补运行，驱动发电机发电。

Description

一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备。
背景技术
目前海上工作平台及离岸较远的海岛供电主要靠柴油发电机，不仅成本高而且容易造成污染，开发海上可再生能源发电对解决海岛居民生活用电、海上勘探、建设生态海岛等具有重要的意义。而在开发海上可再生能源发电平台时，平台造价成本高，面积不易太大，故需要考虑在有限的空间内尽量提高能量利用率。此外海上环境恶劣，这对平台的生存能力提出了很高的要求，所以在设计过程中需要考虑平台的自我保护功能，从而最大限度提高可靠性。
目前已有一些海上发电技术，各有特点，如浮筒式海上发电平台(专利号CN201310455060.8)，该发电平台由不同的风力发电箱体、太阳能发电箱体、海流能发电箱体和储能箱体组成，各箱体之间通过螺栓连接，发电系统模块化，方便安装和拆卸。但多箱体连接的方式容易造成结构不稳定，同时各发电设备也没有设计对应的抗极端天气结构，在风浪较大时，其稳定性难以保证。专利号CN201510441268.3公开了一种海上风能与海洋波浪能联合发电装置。此发电装置由风力发电机和波浪能发电机组成。风机平台支撑体穿过上平台和下平台连接，上平台和下平台之间布置液压缸来吸收波浪能发电。此发电装置在一定程度上提高了资源利用率，但风机支撑体较高，而且水平轴风机倾覆力大，这对平台的结构强度和稳定性能要求会提高，从而增大成本。
发明内容
针对海上勘探、通信和海岛供电的需求，以及现有一些海上发电平台的缺点，本发明提出了一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备。该设备可以用船拖动至需要使用的海域，为海上有用电需求的用户供电。
一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，包括波浪能捕获装置、风能捕获装置、液压传递系统、太阳能光伏板、电力转换系统、浮动平台上层甲板、浮动平台下层甲板、支撑柱、水下浮箱以及锚泊系统；波浪能捕获装置布置在所述浮动平台下层甲板侧面，风能捕获装置布置在浮动平台下层甲板四周，太阳能光伏板布置在浮动平台上层甲板，液压传递系统和电力转换系统布置在浮动平台下层甲板上；液压传递系统由波浪能转换液压子系统和风机液压子系统组成，波浪能捕获装置和风能捕获装置分别与波浪能转换液压子系统和风机液压子系统连接，驱动发电机发电，并与太阳能光伏板发出的电能通过电力转换系统结合，形成微电网，将电能存入储能装置或直接供给用户；波浪能转换液压子系统和风机液压子系统各自的液压主油路之间通过联通管路相连，由插装阀控制两条主油路的连通和关闭，以及连通时的压力和流向，在资源较好的条件下，波浪能转换液压子系统和风机液压子系统独立运行，当出现资源条件差时，波浪能转换液压子系统和风机液压子系统进行互补运行，驱动发电机发电。
进一步，波浪能捕获装置包括浮子、浮子臂、双行程液压缸。
优选地，浮子为悬臂式振荡浮子，浮子通过浮子臂铰接到浮动平台下层甲板外侧面，浮子臂与浮动平台下层甲板通过两侧滚动轴承连接方式连接，滚动轴承的轴承座固定焊接在浮动平台下层甲板侧边，滚动轴承的轴承套装于浮子臂横杆两端，使浮子可以带动浮子臂做摆式运动，浮子臂的另一侧与浮子顶部法兰盘通过螺栓连接，实现浮子与浮子臂的刚性固定连接，连接角度取决于浮动平台下层甲板与水面的距离，保证浮子置于静水面自由漂浮状态下浮子轴线竖直；在极端天气下，直接通过缆索将浮子抬离水面，从而保护发电设备。
进一步，悬臂式振荡浮子的液压缸活塞连杆一侧与浮动平台下层甲板围栏连接，采用滚动轴承形成转动副，液压缸另一侧与所述浮子臂小横杆铰接，同样采用滚动轴承形成转动副，浮子在波浪作用下进行臂摆动时可带动液压缸活塞杆做活塞运动，将机械能转化为液压能，再通过发电机转换为电能。
优选地，浮子臂与浮子连接角度可调，从而可根据浪高调节浮子离水面的距离。
优选地，风能捕获装置为可开合垂直轴风机，风机转动时带动液压泵，从而让发电机转动发电。
进一步，风机的叶片为半圆形，叶片可沿自身转轴转动，正常运行时，叶片转动到90°，受风作用力使风机转动；在极端天气下，叶片转动到0°，整个风轮形成封闭圆柱，使风无法穿过，从而保护风机。
波浪能转换液压子系统采用双向做功的液压缸，浮子在上行和下行均可进行能量输出，增强了系统的做功能力；风机液压子系统由风机带动液压泵转动，将机械能转化为液压能，再通过液压马达带动发电机发电。
优选地，发电设备为半潜式的，通过锚泊系统系泊在海上。
优选地，浮动平台下层甲板四周围栏为中空式钢结构，内部放置液压传递系统的油管路。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、将海上波浪能、风能与太阳能相结合，提高平台的整体发电功率和能量利用率，降低了投资成本。
2、采用半潜式漂浮平台，通过锚泊固定，可根据需要用船拖动至目的海域进行分布式发电应用，相比于浮船式平台，其海面所受的波浪载荷小，稳定性高；相比于海床固定基础坐底式平台，其可实现潮差自适应、更加灵活且海上及海底安装工作量减小。
3、波浪能与风能发电装置通过设计的液压系统连接，既能独立发电，也能通过调节插装阀进行液压能互补发电，提高整体运行效率。
4、在大风大浪等极端天气条件下，浮子可抬离水面，风机可通过调节叶片角度形成封闭圆柱，从而提高整个装置的可靠性。
5、装置完全采用清洁能源，形成微电网系统，在偏远地区的实用性强。
附图说明
图1为本发明的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备的整体结构图；
图2为本发明的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备中的波浪能捕获装置的结构图；
图3为本发明的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备中的风能捕获装置叶片打开和闭合的结构图；
图4为本发明的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备中的液压系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
如图1，示出了本发明的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备的整体结构图。本发明的设备包括波浪能捕获装置1、风能捕获装置2、液压传递系统3、太阳能光伏板4、电力转换系统5、浮动平台上层甲板6、浮动平台下层甲板7、支撑柱8、水下浮箱9、锚泊系统10。波浪能捕获布置1在浮动平台下层甲板7侧面；风能捕获装置2布置在浮动平台下层甲板7四周；液压传递系统3、电力转换系统布置5在浮动平台下层甲板7上，太阳能光伏板4布置在浮动平台上层甲板6。浮动平台下层甲板7四周围栏为中空式钢结构，内部放置波浪能和风能液压传递系统的油管路。本发明的浮动平台为半潜式的，通过锚泊系统10系泊在海上。
图2为其中的波浪能捕获装置1的机构图。波浪能捕获装置1由浮子1-1、浮子臂1-2、双行程液压缸1-3组成。浮子1-1在波浪场中受波浪载荷与自身重力作用做起伏运动，驱动铰接在浮子臂1-2上的双行程液压缸1-3做活塞运动，排出高压液压油，将机械能转化为液压能，进一步通过液压系统来进行能量转换并驱动发电机，最后产生电能。
浮子采用悬臂式振荡浮子，浮子1-1通过浮子臂铰接到浮动平台下层甲板外侧边，浮子臂1-2与浮动平台下层甲板连接形式采用两侧滚动轴承连接，轴承座固定焊接在浮动平台下层甲板侧边，轴承套装于浮子臂1-2横杆两端，使浮子1-1可以带动浮子臂1-2做摆式运动。浮子臂1-2另一侧与浮子顶部法兰盘通过螺栓连接，实现浮子1-1与浮子臂1-2的刚性固定连接，连接角度取决于浮动平台下层甲板与水面距离，保证浮子1-1置于静水面自由漂浮状态下浮子轴线竖直。液压缸活塞连杆1-3一侧与浮动平台下层甲板围栏连接，采用滚动轴承形成转动副，液压缸另一侧与浮子臂小横杆铰接，同样采用滚动轴承形成转动副。浮子臂摆动时可带动液压缸活塞杆1-3做活塞运动将机械能转化为液压能。
图3为其中的风能捕获装置2的结构图，其由风机叶片2-1、转轴2-2、调节机构2-3、挡板2-4组成。正常运行时，调节机构2-3将风机叶片2-1转动至90°，风经过风轮时，风机叶片2-1受力，风力机开始转动，带动连接着的液压泵将机械能转换为液压能，并通过驱动发电机产生电能。当出现极端天气时，调节机构2-3将风机叶片2-1转动至0°，形成封闭圆筒，从而保护风机。
图4为其中的液压传递系统3的结构图。液压传递系统3包括波浪能转换液压子系统和风机液压子系统，两个子系统之间通过插装阀3-12连接。波浪能转换液压子系统包括双回路液压缸3-1、波浪能蓄能器3-2、波浪能液压马达3-3、波浪能发电机3-4、补油箱3-5、补油电机3-6。风机液压子系统包括风力机液压泵3-7、风力机蓄能器3-8、比例阀3-9、风力机液压马达3-10、发电机3-11。各波浪能浮子的双回路液压缸3-1并行连接，收集各浮子获取的波浪能，再通过波浪能蓄能器3-2稳压后驱动波浪能液压马达3-3，波浪能发电机3-4与波浪能液压马达3-3连接。风力机转动带动风力机液压泵3-7，各风机液压泵3-7并行连接，将油路混合后再通过风力机蓄能器3-8稳压，然后带动风力机液压马达3-10及后面的发电机3-11发电。风力机和波浪能浮子的液压回路可独立运行，也可通过控制插装阀3-12让两个油路混合，进行互补发电。
太阳能光伏板平铺在浮动平台上层甲板6上。上层甲板受光照条件好，且平铺方式能让太能光伏板在极端天气下减小受力，从而提高寿命。
波浪能与风能发出的电能与光伏板发出的电能通过电力转换系统混合构成微电网系统，供给用户电能。同时，系统中配置储能装置，多余的电能被储存入储能装置中，对电力供需进行平衡，电能可就近消纳或通过海底电缆输送至升压站。
在使用中，当风、浪资源均较强，波浪能及风力发电系统功率均较大，接近或达到额定功率时，连接两套液压子系统管路的插装阀3-12关闭，各液压子系统独立运行，分别驱动液压马达做功。
当风速较高、波浪较小时，若风力发电系统已经达到额定功率，则控制插装阀3-12，使部分液压油由风机液压子系统通过联通油路流向波浪能转换液压子系统，以提升波浪能转换液压子系统油路压力，使波浪能装置发电功率提高，减小其功率输出波动。若此时风力发电系统未达到额定功率，则仍采用独立运行模式；反之，若波浪较大、风速较低时，则控制插装阀3-12，使部分液压油由波浪能转换液压子系统通过联通油路流向风机液压子系统。插装阀3-12能够实现流向和压力的控制。
当风和浪资源都比较匮乏时，系统的流量较小、建立的油压较低，此时对于液压系统的泵、马达等设备而言，大幅低于额定设计容量，其容积效率将会降低较大，而压力的降低，则使得机械效率降低，因此系统的总体效率偏低，为了在一定程度上提升系统的效率，通过控制系统给出相应指令控制插装阀3-12，使风机液压子系统中的液压油与波浪能转换液压子系统中的液压油经过插装阀3-12调压阀后汇集到一个子系统中，驱动一台发电机发电。以上运行模式中，在风机液压子系统向波浪能转换液压子系统注油或相反的过程中，需保证液压油汇集入口前的两条管路油压力一致，可采用联通油路上的插装阀3-12调压来实现，使其更加匹配要注入的液压系统，插装阀还可根据需要实现调节流量和换向。
当出现大风大浪极端天气，风浪都超出发电可用极限时，浮子通过缆索抬离水面，风机叶片转动到0°，设备实现自我保护。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，其特征在于：该发电设备包括波浪能捕获装置、风能捕获装置、液压传递系统、太阳能光伏板、电力转换系统、浮动平台上层甲板、浮动平台下层甲板、支撑柱、水下浮箱以及锚泊系统；所述波浪能捕获装置布置在所述浮动平台下层甲板侧面，所述风能捕获装置布置在所述浮动平台下层甲板四周，所述太阳能光伏板布置在所述浮动平台上层甲板，所述液压传递系统和所述电力转换系统布置在所述浮动平台下层甲板上；所述液压传递系统由波浪能转换液压子系统和风机液压子系统组成，所述波浪能捕获装置和所述风能捕获装置分别与波浪能转换液压子系统和风机液压子系统连接，驱动发电机发电，并与所述太阳能光伏板发出的电能通过所述电力转换系统结合，形成微电网，将电能存入储能装置或直接供给用户；所述波浪能转换液压子系统和风机液压子系统各自的液压主油路之间通过联通管路相连，由插装阀控制两条主油路的连通和关闭，以及连通时的压力和流向，在资源较好的条件下，所述波浪能转换液压子系统和风机液压子系统独立运行，当出现资源条件差时，所述波浪能转换液压子系统和风机液压子系统进行互补运行，驱动发电机发电；所述波浪能捕获装置包括浮子、浮子臂、双行程液压缸；
所述浮子为悬臂式振荡浮子，所述浮子通过浮子臂铰接到浮动平台下层甲板外侧面，所述浮子臂与所述浮动平台下层甲板通过两侧滚动轴承连接方式连接，所述滚动轴承的轴承座固定焊接在所述浮动平台下层甲板侧边，所述滚动轴承的轴承套装于所述浮子臂横杆两端，使所述浮子可以带动所述浮子臂做摆式运动，所述浮子臂的另一侧与所述浮子顶部法兰盘通过螺栓连接，实现所述浮子与所述浮子臂的刚性固定连接，连接角度取决于所述浮动平台下层甲板与水面的距离，保证所述浮子置于静水面自由漂浮状态下浮子轴线竖直；所述浮子臂与所述浮子连接角度可调，从而可根据浪高调节所述浮子离水面的距离；在极端天气下，直接通过缆索将所述浮子抬离水面，从而保护发电设备；所述悬臂式振荡浮子的液压缸活塞连杆一侧与所述浮动平台下层甲板围栏连接，采用滚动轴承形成转动副，所述液压缸另一侧与所述浮子臂小横杆铰接，同样采用滚动轴承形成转动副，所述浮子在波浪作用下进行臂摆动时可带动所述液压缸活塞杆做活塞运动，将机械能转化为液压能，再通过发电机转换为电能。
2.根据权利要求1所述的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，其特征在于：所述风能捕获装置为可开合垂直轴风机，所述风机转动时带动液压泵，从而让发电机转动发电。
3.根据权利要求2所述的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，其特征在于：所述风机的叶片为半圆形，所述叶片可沿自身转轴转动，正常运行时，所述叶片转动到90°，受风作用力使所述风机转动；在极端天气下，所述叶片转动到0°，整个风轮形成封闭圆柱，使风无法穿过，从而保护风机。
4.根据权利要求1所述的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，其特征在于：所述波浪能转换液压子系统采用双向做功的液压缸，所述浮子在上行和下行均可进行能量输出，增强了系统的做功能力；风机液压子系统由风机带动液压泵转动，将机械能转化为液压能，再通过液压马达带动发电机发电。
5.根据权利要求1所述的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，其特征在于：所述发电设备为半潜式的，通过所述锚泊系统系泊在海上。
6.根据权利要求1所述的一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，其特征在于：所述浮动平台下层甲板四周围栏为中空式钢结构，内部放置所述液压传递系统的油管路。
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