CN110985279B - 一种月池型多模块波浪能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于波浪能利用技术领域，具体涉及能量转换效率高、启动性能好，对浪向不敏感的一种月池型多模块波浪能发电系统。本发明主要包括载体、外部波浪能发电模块、月池波浪能发电模块、电力控制系统、锚泊系统。本发明将振荡水柱式波浪能装置和振荡浮子式波浪能装置相结合，充分利用平台的空间，降低了波浪能发电装置的建造成本。采用半潜式平台作为系统的载体，通过系泊定位，使得该系统的布放更加便捷，布放成本较低。平台采用月池结构，可增加平台的垂荡阻尼，减小平台的运动响应，提高了平台的稳定性。

Description

一种月池型多模块波浪能发电系统
技术领域
本发明属于波浪能利用技术领域，具体涉及能量转换效率高、启动性能好，对浪向不敏感的一种月池型多模块波浪能发电系统。
背景技术
海洋波浪能是一种清洁无污染的海洋可再生新能源，具有储量大、分布广等优点。开发利用海洋波浪能对于缓解能源紧张，降低环境污染，发展沿海及岛屿经济，巩固海防等具有重要意义。
波浪能发电装置是进行波浪能利用的主要形式，波浪能发电装置根据其获能方式的不同，主要有振荡浮子式、振荡水柱式以及越浪式。振荡浮子式波浪能发电装置具有结构简单、安装维护方便、能量转换效率较高的优点、适合于小波浪条件等优点。振荡水柱式波浪能装置可以将波浪的运动转化为空气运动带动汽轮机发电，在振荡浮子式波浪能装置中，支承载体占据了装置的大部分建造成本，充分利用支撑载体搭载更多的波浪能发电装置将有效地降低波浪能发电装置的成本，提升波浪能发电装置的产业化价值。
本专利发明了一种月池型半潜平台，该平台可作为振荡浮子式波浪能发电装置的支撑载体，同时平台中间的月池结构可用于搭载振荡水柱式波浪能发电装置，将振荡水柱式波浪能装置和振荡浮子式波浪能装置相结合，充分利用平台空间，降低装置的建造成本。
经检索发现，公布号为CN103939271A的发明公开了一种组合型振荡浮子波浪能发电装置。其包括发电系统和固定系统。其中,固定系统包括潜浮体、固定架和工作平台,固定架固定连接于潜浮体顶部,固定架顶部设置工作平台。发电系统包括浮子、液压马达、四组相同的、分别设置于固定架每个角的三根导杆之间的液压传动机构和发电机。浮子设置于固定架的四角,固定架的每个角设有三根导杆与浮子活动连接,浮子套装于导杆上。液压马达设置于工作平台上。液压传动机构包括液压缸、油管和油箱。液压缸位于浮子上方,其套筒端通过三角架固定连接于三根导杆上,其活塞杆通过固定盘与浮子固定连接。该发明输出电能相对稳定、受海浪冲击影响较小。本发明提供一种月池型多模块波浪能发电系统，为一漂浮式波浪能发电平台，由多个波浪能发电模块组成，能量转换效率高、启动性能好，对浪向不敏感，适合于不同波况，平台稳定性好、环境适应性强、安全性高，系统结构简单，便于海上安装、运行与维护。本发明所涉及的一种月池型多模块波浪能发电系统与公布号为CN103939271A的发明专利文件中公开的组合型振荡浮子波浪能发电装置存在以下不同：(1)支撑载体结构形式不同：公布号为CN103939271A的发明专利所公开的支撑载体由潜浮体、固定架和工作平台组成，通过固定架连接潜浮体和工作平台，通过潜浮体和固定架为载体提供浮力，固定架和工作平台为浮子和设备提供支撑；本发明专利所采用的支撑载体为一半潜式平台，平台为八边形浮体，浮体中间为上下贯通的月池结构，浮体为封闭的空心壳体。本发明所采用的平台结构形式具有良好的稳性，采用月池构型可增大平台的垂荡阻尼，减小平台的垂荡运动。
(2)浮子构型不同：公布号为CN103939271A的发明专利所公开的浮子为圆盘形浮子，属于点吸式装置，适合于浮子附近没有遮蔽物的环境；本发明专利采用非对称结构的楔形浮子，属于截止型装置，适合于浮子附近有遮蔽物的环境。
(3)浮子安装方式不同：公布号为CN103939271A的发明专利所公开的一种组合型振荡浮子波浪能发电装置将浮子设置于固定架的四角,固定架的每个角设有三根导杆与浮子活动连接,浮子套装于导杆上；本发明专利将浮子安装于平台的四条边上，浮子背部与平台的侧壁面平行，采用该安装方式可充分利用平台侧壁的聚波效应提高浮子俘获波浪能的效率。
发明内容
本发明在于提供一种月池型多模块波浪能发电系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种月池型多模块波浪能发电系统，主要包括载体、外部波浪能发电模块、月池波浪能发电模块、电力控制系统、锚泊系统，所述载体为一半潜式平台，平台为八边形浮体，浮体中间为上下贯通的月池结构；所述外部波浪能发电模块由8个垂荡浮子式获能装置和动力输出装置组成；所述月池波浪能发电模块为一振荡水柱式波浪能发电装置；所述电力控制系统由变频稳压单元、控制单元和蓄电池组组成；所述锚泊系统采用4点系泊的方式进行定位。
所述平台中间为喇叭形月池结构；所述外部波浪能发电模块的8个垂荡浮子式获能装置分别布置于平台其中4条边的侧壁面，每条边布置2个垂荡浮子式获能装置；所述外部波浪能发电模块的动力输出装置由液压油箱、液压蓄能器、液压马达、控制阀块和发电机组成；所述月池波浪能发电模块由气室、空气透平和发电机组成；所述变频稳压单元用于对波浪能发电装置所发出的电能进行变频、稳压、整流和交直流转换；所述控制单元用于对不同模块输出的电能进行集成控制；所述蓄电池组用于存储输出的电能；所述锚泊系统的系泊点位于平台每条短边水线的中间位置。
所述平台的8条边由4条等边长的长边和4条等边长的短边构成；所述垂荡浮子式获能装置为一整体框架结构，由1套支撑结构、1个楔形浮子、1个液压缸组成；所述液压马达连接发电机和蓄能器；所述控制阀块安装于蓄能器与液压马达之间；所述月池波浪能发电模块的气室位于平台中心位置，其下部为喇叭口形状，上部为圆柱状；空气透平固定于气室上方，发电机连接空气透平。
所述平台的长边长度是短边长度的10-12倍，平台高度与长边长度的比值约为0.45-0.6倍，平台水下高度约占整体高度的0.48-0.5倍；所述垂荡浮子式获能装置的支撑结构由2根立轴和上下2根梁构成；所述浮子的两侧通过连接板连接轴套，支撑结构的2根立轴分别穿过两侧的轴套，浮子可沿立轴上下滑动，所述液压缸一端固定于楔形浮子顶部中间位置，液压缸穿过上梁并通过上梁对液压缸进行固定；所述8个垂荡浮子式获能装置共用一套动力输出装置，其液压油缸分别与液压油箱和蓄能器连接；所述气室喇叭口的最大直径约为平台长边边长的2/5-3/5,最小直径约为最大直径的1/5-1/3，喇叭口高度约为平台高度的1/3-1/2，上部圆柱直径与喇叭口最小直径相同；所述空气透平为威尔士透平。
所述垂荡浮子式获能装置的上下梁通过螺栓与平台的侧壁连接，将垂荡浮子式获能装置固定于侧壁面；所述垂荡浮子式获能装置的浮子宽度约为平台长边边长的1/4-1/3，同侧两个浮子的间距约为浮子宽度的1/10-1/5。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明将振荡水柱式波浪能装置和振荡浮子式波浪能装置相结合，充分利用平台的空间，降低了波浪能发电装置的建造成本。
(2)采用半潜式平台作为系统的载体，通过系泊定位，使得该系统的布放更加便捷，布放成本较低。
(3)平台采用月池结构，可增加平台的垂荡阻尼，减小平台的运动响应，提高了平台的稳定性。
(4)振荡浮子式波浪能装置与平台采用外挂的布置方式，吸波浮子根据布置方式设计为非对称的楔形浮子，利用平台的聚波效应，减小波浪的透射，充分吸收波浪能量，提高装置的一级能量转换效率。
(5)外部波浪能发电模块布置于平台四周，月池波浪能发电模块为轴对称结构，从而发电系统对浪向不敏感，对不同方向的波浪，发电系统均可高效的吸收。
(6)月池半径与平台尺寸的比例经过水动力优化设计，以使月池波浪能发电模块在工作时达到最佳的发电效率。
(7)除平台和获能模块外，所有构件位于水面以上运行，降低了水密难度和装置的故障率，便于安装、维护、检修和运行管理。
附图说明
图1是装置的俯视图；
图2是装置的刨面图；
图3是装置的振荡浮子式波浪能装置的示意图；
图4是装置的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利的实施方案进行详细说明。
本发明专利所要解决的技术问题是提供一种能量转换效率高、启动性能好，对浪向不敏感，适合于不同波况，平台稳定性好、环境适应性强、安全性高，系统结构简单，便于海上安装、运行与维护的波浪能发电系统。
本发明专利采用下列技术方案：
一种月池型多模块波浪能发电系统，为一漂浮式波浪能发电平台，可用于搜集海洋波浪能的能量并将其转化为电能。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统由多个波浪能发电模块组成，主要包括载体、外部波浪能发电模块、月池波浪能发电模块、电力控制系统、锚泊系统。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征是：所述载体用于搭载波浪能装置和电力控制系统；所述外部波浪能发电模块用于捕获平台迎波面的波浪能，将其转化为电能输出；所述月池波浪能发电模块用于捕获迎波面的浮子未能完全捕获而透射过去的波浪能，将其转化为电能输出；所述电力控制系统用于将外部波浪能发电模块和月池波浪能发电模块所输出的电能进行集成、交直流转换、变频稳压控制以及存储；所述锚泊系统用于对平台进行定位。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征是：所述载体为一半潜式平台，平台为八边形浮体，浮体中间为上下贯通的月池结构；所述外部波浪能发电模块由8个垂荡浮子式获能装置和动力输出装置组成；所述月池波浪能发电模块为一振荡水柱式波浪能发电装置；所述电力控制系统由变频稳压单元、控制单元和蓄电池组组成；所述锚泊系统采用4点系泊的方式进行定位。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征是：所述平台中间为喇叭形月池结构；所述外部波浪能发电模块的8个垂荡浮子式获能装置分别布置于平台其中4条边的侧壁面，每条边布置2个垂荡浮子式获能装置；所述外部波浪能发电模块的动力输出装置由液压油箱、液压蓄能器、液压马达、控制阀块和发电机组成；所述月池波浪能发电模块由气室、空气透平和发电机组成；所述变频稳压单元用于对波浪能发电装置所发出的电能进行变频、稳压、整流和交直流转换；所述控制单元用于对不同模块输出的电能进行集成控制；所述蓄电池组用于存储输出的电能；所述锚泊系统的系泊点位于平台每条短边水线的中间位置。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征是：所述平台的8条边由4条等边长的长边和4条等边长的短边构成；所述月池结构可增加平台的垂荡阻尼，减小平台的运动，其所在区域用于搭载月池波浪能获能模块；所述垂荡浮子式获能装置为一整体框架结构，便于整体拆装，由1套支撑结构、1个楔形浮子、1个液压缸组成；所述液压油箱用于存储液压油；所述液压蓄能器用于将浮子捕获的波浪能转化为液压能；所述液压马达连接发电机和蓄能器；所述控制阀块安装于蓄能器与液压马达之间，根据蓄能器压力的变化控制蓄能器的阀门；所述月池波浪能发电模块的气室位于平台中心位置，其下部为喇叭口形状，上部为圆柱状；空气透平固定于气室上方，发电机连接空气透平。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征是：所述平台的长边长度是短边长度的10-12倍，平台高度与长边长度的比值约为0.45-0.6倍，平台水下高度约占整体高度的0.48-0.5倍；所述垂荡浮子式获能装置的支撑结构由2根立轴和上下2根梁构成；所述浮子的两侧通过连接板连接轴套，支撑结构的2根立轴分别穿过两侧的轴套，浮子可沿立轴上下滑动，所述液压缸一端固定于楔形浮子顶部中间位置，液压缸穿过上梁并通过上梁对液压缸进行固定；所述8个垂荡浮子式获能装置共用一套动力输出装置，其液压油缸分别与液压油箱和蓄能器连接；所述气室喇叭口的最大直径约为平台长边边长的2/5-3/5,最小直径约为最大直径的1/5-1/3，喇叭口高度约为平台高度的1/3-1/2，上部圆柱直径与喇叭口最小直径相同；所述空气透平为威尔士透平，当气室内空气高速流动式高速旋转驱动发电机发电。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征是：所述垂荡浮子式获能装置的上下梁通过螺栓与平台的侧壁连接，将垂荡浮子式获能装置固定于侧壁面；所述垂荡浮子式获能装置的浮子宽度约为平台长边边长的1/4-1/3，同侧两个浮子的间距约为浮子宽度的1/10-1/5。
所述一种月池型多模块波浪能发电系统具有能量转换效率高、启动性好，对浪向不敏感，平台稳定性好、环境适应性强、便于海上安装与维护等特点，适合用于我国海洋环境的波浪能发电。
如图1所示，1.14为系统的载体，图中所示的长边长度是短边长度的10-12倍，短边为圆弧型以改善平台的水动力性能；1.1、1.1、1.3、1.4为装置的锚泊系统，四根锚链分别固定在平台的四条段边上，对装置进行定位；1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、1.10、1.11、1.12为该系统的外部波浪能发电模块的八个振荡浮子式波浪能装置，1.15、1.16、1.17、1.18、1.19、1.20、1.21、1.22为外部波浪能发电模块的动力输出装置，所述外部波浪能发电模块的动力输出装置由液压油箱、液压蓄能器、液压马达、控制阀块和发电机组成；1.13为装置空气透平安放处，其下部连接一圆柱形导气通道、一个喇叭口形聚气室、圆柱形月池结构，利用月池内聚集的能量将波浪能转化为空气压力带动轮机发电。1.23为装置的电力控制系统，外部波浪能发电模块与月池波浪能发电模块产生的电能通过管线汇集到电力控制系统，并在此将装置产生的电能进行，集成、交直流转换、变频稳压控制以及存储。
如图2所示，2.1为系统的圆柱形月池结构，月池的直径为系统载体长边边长的0.4-0.6倍，平台高度与长边长度的比值约为0.45-0.6倍；2.2为系统的喇叭形气室，气室最大直径处与月池结构直径相同，最小直径约为最大直径的1/5-1/3，喇叭口高度约为平台高度的1/3-1/2，上部圆柱导气道直径与喇叭口最小直径相同，在导气道上设置空气透平，所述空气透平为威尔士透平。在月池结构内，海面因为波浪运动上升时对气室内的空气进行压缩，经过喇叭口后气体的运动速度进一步增加，带动设置在圆柱形导气道内的透平运动进行发电；当月池内的海面高度因为海浪运动下降时，因为月池内气室体积的变化，将吸收气体进入气室，气体通过圆柱形导气道时带动透平运动，实现发电。
如图3所示，振荡浮子式波浪能装置的支撑结构为框架结构，其包括上下两根横梁3.7，3.8，横梁与载体外壁之间通过框架进行连接加固；立轴3.1，3.3设置在横梁之间，并在立柱与横梁连接处进行固定；液压缸3.2设置在两根立轴之间，液压缸一端与3.4浮子中部相连，一端连接框架中部相连；浮子两端通过螺栓与轴套3.5、3.9相连，轴套分别套在两个立柱3.3、3.1上；3.10为动力输出装置，它由液3.12压油箱、3.11液压蓄能器、3.13液压马达、控制阀块和发电机组成，动力输出装置通过管路与液压缸相连。波浪的运动带动浮子沿立柱方向上下往复运动，进而带动液压缸运动，将波浪的运动转化为液压缸中液压油的能量，通过管路使液压油驱动液压马达使发电机工作，实现发电。
如图4所示，在工作时平台水下高度约占整体高度的0.48-0.5倍，平台通过四条锚链进行固定，锚链位于平台的四条圆弧边处，在工作时，平台四周的八个振荡浮子式波浪能装之利用平台与浮子运动之间的位移差异进行发电，浮子将波浪的能量传递到液压缸，转换为液压油的压力，然后通过管路输送到液压马达和发电机处实现发电；平台内部为一月池结构，月池结构上方为一喇叭口型气室，气室上方为一圆柱形导气通道，在该处设置空气透平，利用波浪的能量使月池内部的空气产生压力带动透平工作，进而实现发电。该系统的稳压模块和蓄电池设置在平台内部，对系统产生的电能做进一步处理和储存。
本发明专利所涉及的一种月池型多模块波浪能发电系统具体应用和工作流程：一种月池型多模块波浪能发电系统采用如图1-图4中的结构和方式连接，外部波浪能获能模块通过支撑结构固定在平台的4个迎波面，动力输出装置固定与平台上面，通过液压油管与各获能模块的液压缸连接；月池波浪能获能模块安装于载体中间位置的月池结构内部，空气透平固定于气室上方并与发电机连接；电力控制系统安装于平台上面，连接外部波浪能获能模块和月池波浪能获能模块的发电机；平台通过锚泊系统定位漂浮于海面。
当有波浪存在时，波浪作用于平台及外部波浪能获能模块的浮子，浮子在波浪作用下沿平台侧面做直线往复运动，驱动与各浮子自身连接的液压缸作功，所有做功的油缸将动力输出装置中液压油箱的液压油泵入同一个蓄能器，当蓄能器的压力达到设定的值时，蓄能器释放高压油驱动液压马达旋转并带动与马达连接的发电机发电；当波浪传播至平台时，一部分能量被浮子吸收，一部分能量被平台反射，还有一部分会从平台底部透射过去，传播至平台中间位置时进行月池形成振荡水柱，在振荡水柱的压力作用下，气室的空气快速流动推动空气透平的叶片旋转，空气透平驱动与其连接的发电机发电。外部波浪能获能模块和月池波浪能获能模块所产生的电能均传输至电力控制系统，通过整流、变频、稳压形成稳定的交流或直流电供用户使用。
综上所述，本发明提供一种月池型多模块波浪能发电系统，为漂浮式波浪能发电平台，主要包括载体、外部波浪能发电模块、月池波浪能发电模块、电力控制系统、锚泊系统。所述载体用于搭载波浪能装置和电能集成系统，载体中间为月池结构；所述外部获能模块由8个垂荡浮子式获能机构组成，布置于平台的4个侧壁，用于捕获迎波面的波浪能；所述月池获能模块由1个空气透平和个1发电机组成，布置于月池上部导气室的出气口位置，用于捕获透过平台迎波面进入月池的波浪能；所述电控系统用于进行电能变换与集成；锚泊系统用于对平台进行定位。所述一种月池型多模块波浪能发电系统能量转换效率高、启动性好，对浪向不敏感，平台稳定性好、环境适应性强、，便于海上安装与维护。

Claims (4)

1.一种月池型多模块波浪能发电系统，主要包括载体、外部波浪能发电模块、月池波浪能发电模块、电力控制系统、锚泊系统，其特征在于，所述载体为一半潜式平台，平台为八边形浮体，浮体中间为上下贯通的月池结构；所述外部波浪能发电模块由8个垂荡浮子式获能装置和动力输出装置组成；所述月池波浪能发电模块为一振荡水柱式波浪能发电装置；所述电力控制系统由变频稳压单元、控制单元和蓄电池组组成；所述锚泊系统采用4点系泊的方式进行定位；
所述平台中间为喇叭形月池结构；所述外部波浪能发电模块的8个垂荡浮子式获能装置分别布置于平台其中4条边的侧壁面，每条边布置2个垂荡浮子式获能装置；所述外部波浪能发电模块的动力输出装置由液压油箱、液压蓄能器、液压马达、控制阀块和发电机组成；所述月池波浪能发电模块由气室、空气透平和发电机组成；所述变频稳压单元用于对波浪能发电装置所发出的电能进行变频、稳压、整流和交直流转换；所述控制单元用于对不同模块输出的电能进行集成控制；所述蓄电池组用于存储输出的电能；所述锚泊系统的系泊点位于平台每条短边水线的中间位置。
2.根据权利要求1所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征在于，所述平台的8条边由4条等边长的长边和4条等边长的短边构成；所述垂荡浮子式获能装置为一整体框架结构，由1套支撑结构、1个楔形浮子、1个液压缸组成；所述液压马达连接发电机和蓄能器；所述控制阀块安装于蓄能器与液压马达之间；所述月池波浪能发电模块的气室位于平台中心位置，其下部为喇叭口形状，上部为圆柱状；空气透平固定于气室上方，发电机连接空气透平。
3.根据权利要求2所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征在于，所述平台的长边长度是短边长度的10-12倍，平台高度与长边长度的比值为0.45-0.6倍，平台水下高度占整体高度的0.48-0.5倍；所述垂荡浮子式获能装置的支撑结构由2根立轴和上下2根梁构成；所述浮子的两侧通过连接板连接轴套，支撑结构的2根立轴分别穿过两侧的轴套，浮子可沿立轴上下滑动，所述液压缸一端固定于楔形浮子顶部中间位置，液压缸穿过上梁并通过上梁对液压缸进行固定；所述8个垂荡浮子式获能装置共用一套动力输出装置，其液压油缸分别与液压油箱和蓄能器连接；所述气室的喇叭口的最大直径为平台长边边长的2/5-3/5,最小直径为最大直径的1/5-1/3，喇叭口高度为平台高度的1/3-1/2，上部圆柱直径与喇叭口最小直径相同；所述空气透平为威尔士透平。
4.根据权利要求3所述一种月池型多模块波浪能发电系统，其特征在于，所述垂荡浮子式获能装置的上下梁通过螺栓与平台的侧壁连接，将垂荡浮子式获能装置固定于侧壁面；所述垂荡浮子式获能装置的浮子宽度为平台长边边长的1/4-1/3，同侧两个浮子的间距为浮子宽度的1/10-1/5。
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