CN111075654A - 一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统 - Google Patents

一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统，将海上风电场内的风机按照行列式方式进行机位排布，以风机的单桩基础为系泊点，同一行内的相邻两台风机之间分别布置有海蛇式波浪能发电设备；相邻两台风机之一的塔筒内形成有两层支撑平台，第一层支撑平台上设有能量转换装置，第二层支撑平台上设有升压设备，用于将风机、海蛇式波浪能发电设备产生的电能进行升压和送出，能量转换装置通过液压油管与海蛇式波浪能发电设备连接，将海蛇式波浪能发电设备产生的液压能转换为电能，经升压设备升压和送出。本发明将海上风力发电和波浪能发电做一种有效的结合，在提升风电场整体发电量的同时，降低波浪能发电的设备和安装成本。

Description

一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统
技术领域
本发明涉及海上风电场发电的技术领域，尤其是指一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统。
背景技术
海上风电场一般建立在风力资源较丰富的海上，通过风机捕捉风能进行发电，并通过集电系统和输电系统把电能输送到陆上，接入电网。
波浪能发电是一种利用波浪进行发电的技术，原理是借助波浪运动带动相应的设备运动，完成机械能的转移，然后通过转换系统将机械能转化为电能，之后将电能通过集电系统输送到岸上接入点，接入电网。
制约波浪能发电商业化的因素主要是设备和配套设施的成本。以海蛇式发电设备为例，海蛇单机发电容量不大，其发电设备本身成本并不高，但附属的集电系统以及设备海上安装费用较高，因而会出现生命周期内投资成本高于发电收益的情况。
如果能将海上风力发电和波浪能发电做一种有效的结合，在提升风电场整体发电量的同时，降低波浪能发电的设备和安装成本，就可以借助波浪能发电技术来提升海上风电场的整体收益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统，将风机与海蛇式波浪能发电设备结合到一个风电场中，共用一套集电设备，充分利用了海上风电场的空间，提升了海上风电场的整体收益；同时，利用风电场的集电设备为海蛇式波浪能发电设备提供电力收集和输送功能，节省了单独为海蛇式波浪能发电设备设计、采购和安装集电设备的成本，解决了波浪能商业化开发成本过高的问题；另外，将海蛇式波浪能发电设备的能量转换装置集成到塔筒内，实现在塔筒内进行设备的安装、检修和运维，节省建设和后期运维过程中的资金和时间投入。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统，将海上风电场内的风机按照行列式排布方式进行机位排布，风机列间距应大于3倍叶轮直径且小于5倍叶轮直径，风机行间距应大于6倍叶轮直径且小于10倍叶轮直径，以风机的单桩基础为系泊点，在同一行内的相邻两台风机之间分别布置有一台海蛇式波浪能发电设备，能够将波浪能转化为机械能，再将机械能转化为高压的液压能，所述海蛇式波浪能发电设备的头部和尾部通过柔性系泊的方式分别连接在两台风机的单桩基础上，且为保证风电场内每台机位的可达性，行与行之间不应布置海蛇式波浪能发电设备；其中，相邻两台风机之中任意一台的塔筒内形成有两层支撑平台，第一层支撑平台上设有能量转换装置，能够将高压的液压能转换为电能，第二层支撑平台上设有供风机和海蛇式波浪能发电设备共用的升压设备，用于将风机、海蛇式波浪能发电设备产生的电能进行升压和送出，所述能量转换装置通过液压油管与海蛇式波浪能发电设备连接，将海蛇式波浪能发电设备产生的液压能转换为电能，最终经升压设备升压和送出。
进一步，所述海蛇式波浪能发电设备包括多个依次相连的浮体模块，且两两浮体模块之间铰接有一个液压模块，所述浮体模块与液压模块能够相对转动，所述液压模块内设置有双向作用液压缸、蓄电池和液压控制器，所述双向作用液压缸分布于液压模块连接浮体模块的左、右两端处，且每端处的双向作用液压缸至少有两个，每个双向作用液压缸的活塞杆均外伸出液压模块铰接在浮体模块上，在波浪推动下，浮体模块与液压模块之间会产生相对转动，将波浪能转化为机械能，进一步带动双向作用液压缸的活塞杆做往复运动，进而将机械能转换为高压的液压能，通过液压油管送出给能量转换装置，所有双向作用液压缸均由液压控制器进行控制，并采用蓄电池为液压控制器进行供电，在恶劣海况下，通过液压控制器增大双向作用液压缸阻力，使浮体模块之间偏刚性，以避免整体结构的破坏，而在波浪小的海况下，通过液压控制器关闭一些双向作用液压缸，能够起到减小运动阻尼的作用。
进一步，所述能量转换装置包括蓄能器、液压马达、发电机和液压油箱；其中，所述海蛇式波浪能发电设备的双向作用液压缸产生的高压的液压能通过单向阀储存于蓄能器中，即蓄能器储存有高压油，所述蓄能器通过节流阀与液压马达连接，使得高压油经过节流阀来驱动液压马达转动，再由液压马达驱动发电机进行发电；所述蓄能器通过溢流阀与液压油箱连接，当蓄能器所蓄液压能达到阈值时，多余的高压油会通过溢流阀变为低压油流入液压油箱；所述液压马达与液压油箱连接，使得高压油驱动液压马达后变为低压油流入液压油箱，所述液压油箱通过单向阀与双向作用液压缸连接，使得液压油能够流回双向作用液压缸，形成循环回路。
进一步，所述液压油管的中部设置油管浮力装置，使其悬浮于海水中，避免液压油管与海底接触引起的运动损坏。
进一步，所述升压设备通过塔筒内的中压输出海缆与风电场内的中压海缆路由连接，所述中压海缆路由与风电场的海上升压站连接，将升压设备升压后的电能通过海上升压站再次进行升压后，由高压海缆送出。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明将风机与海蛇式波浪能发电设备结合到一个风电场中，共用一套集电设备(具体是升压设备)，实现了配套设备的最大化利用，充分利用了海上风电场的空间，海蛇式波浪能发电设备的加入可以提升海上风电场的整体收益。
2、本发明利用风电场的集电设备为海蛇式波浪能发电设备提供电力收集和输送功能，节省了单独为海蛇式波浪能发电设备设计、采购和安装集电设备的成本，解决了波浪能商业化开发成本过高的问题。
3、本发明提出在风机的单桩基础上设置系泊点，将海蛇式波浪能发电设备通过柔性系泊的方式固定在单桩基础上，节省了为海蛇式波浪能发电设备单独进行海底系泊设计和安装的费用。
4、本发明将海蛇式波浪能发电设备的能量转换装置集成到塔筒内，实现在塔筒内进行设备的安装、检修和运维，节省建设和后期运维过程中的资金和时间投入。
附图说明
图1为风电场整体布置示意图。
图2为风机与海蛇式波浪能发电设备连接方式示意图。
图3为海蛇式波浪能发电设备附属设备布置示意图。
图4为海蛇式波浪能发电设备的局部结构示意图。
图5为海蛇式波浪能发电设备发电原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图5所示，本实施例所提供的海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统，具体是：将海上风电场内的风机1按照行列式排布方式进行机位排布，在本实施例呈3行8列规则排布，风机列间距应大于3倍叶轮直径且小于5倍叶轮直径，风机行间距应大于6倍叶轮直径且小于10倍叶轮直径，在施工时，先进行风机1的单桩基础4施工，然后进行风机的塔筒3和上部结构安装，等风机安装完成后再进行海蛇式波浪能发电设备2的安装，最后进行其它附属设备的施工安装。
以风机1的单桩基础4为系泊点，在同一行内的相邻两台风机1之间分别布置有一台海蛇式波浪能发电设备2，能够将波浪能转化为机械能，再将机械能转化为高压的液压能，所述海蛇式波浪能发电设备2的头部和尾部通过柔性系泊的方式分别连接在两台风机1的单桩基础4上，且为保证风电场内每台机位的可达性，行与行之间不应布置海蛇式波浪能发电设备2；其中，相邻两台风机1之中任意一台的塔筒3内形成有两层支撑平台，第一层支撑平台11上设有能量转换装置，能够将高压的液压能转换为电能，第二层支撑平台12上设有供风机和海蛇式波浪能发电设备共用的升压设备17，用于将风机、海蛇式波浪能发电设备产生的电能进行升压和送出，所述能量转换装置通过液压油管9与海蛇式波浪能发电设备2连接，将海蛇式波浪能发电设备2产生的液压能转换为电能，最终经升压设备17升压和送出。风机1、海蛇式波浪能发电设备2产生的电能通过升压设备17完成升压后，通过塔筒3内的中压输出海缆18经风电场内的中压海缆路由(图中未画出)输送到海上升压站(图中未画出)，再次进行升压后，由高压海缆送出。
所述海蛇式波浪能发电设备包括多个依次相连的浮体模块5，且两两浮体模块5之间连接有一个液压模块6，所述液压模块6与浮体模块5通过铰接部件24连接，使得浮体模块5与液压模块6可相对转动，所述液压模块6内设置有双向作用液压缸19、蓄电池21和液压控制器22，所述双向作用液压缸19分布于液压模块6连接浮体模块5的左、右两端处，且每端处的双向作用液压缸19至少有两个，每个双向作用液压缸19的活塞杆20均外伸出液压模块6通过铰接部件23铰接在浮体模块5上，在波浪推动下，浮体模块5与液压模块6之间会产生相对转动，将波浪能转化为机械能，进一步带动双向作用液压缸19的活塞杆20做往复运动，进而将机械能转换为高压的液压能，通过液压油管9送出给能量转换装置，所有双向作用液压缸19均由液压控制器22进行控制，并采用蓄电池21为液压控制器22进行供电，在较为恶劣海况下，可通过液压控制器22增大双向作用液压缸19阻力，使浮体模块5之间偏刚性，以避免整体结构的破坏，而在波浪较小的海况下，可通过液压控制器22关闭一些双向作用液压缸19，能够起到减小运动阻尼的作用，最大程度提升发电效率。所述液压油管9的中部设置油管浮力装置10，使其悬浮于海水中，避免液压油管9与海底接触引起的运动损坏。
所述能量转换装置包括蓄能器13、液压马达14、发电机15和液压油箱16；其中，双向作用液压缸19产生的高压的液压能通过单向阀25储存于蓄能器13中，即蓄能器13储存有高压油，所述蓄能器13通过节流阀27与液压马达14连接，使得高压油经过节流阀27来驱动液压马达14转动，再由液压马达14驱动发电机15进行发电；所述蓄能器13通过溢流阀26与液压油箱16连接，当蓄能器13所蓄液压能达到阈值时，多余的高压油会通过溢流阀26变为低压油流入液压油箱16；所述液压马达14与液压油箱16连接，使得高压油驱动液压马达14后变为低压油流入液压油箱16，所述液压油箱16通过单向阀25与双向作用液压缸19连接，使得液压油能够流回双向作用液压缸19，形成循环回路。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统，其特征在于：将海上风电场内的风机按照行列式排布方式进行机位排布，风机列间距应大于3倍叶轮直径且小于5倍叶轮直径，风机行间距应大于6倍叶轮直径且小于10倍叶轮直径，以风机的单桩基础为系泊点，在同一行内的相邻两台风机之间分别布置有一台海蛇式波浪能发电设备，能够将波浪能转化为机械能，再将机械能转化为高压的液压能，所述海蛇式波浪能发电设备的头部和尾部通过柔性系泊的方式分别连接在两台风机的单桩基础上，且为保证风电场内每台机位的可达性，行与行之间不应布置海蛇式波浪能发电设备；其中，相邻两台风机之中任意一台的塔筒内形成有两层支撑平台，第一层支撑平台上设有能量转换装置，能够将高压的液压能转换为电能，第二层支撑平台上设有供风机和海蛇式波浪能发电设备共用的升压设备，用于将风机、海蛇式波浪能发电设备产生的电能进行升压和送出，所述能量转换装置通过液压油管与海蛇式波浪能发电设备连接，将海蛇式波浪能发电设备产生的液压能转换为电能，最终经升压设备升压和送出。
2.根据权利要求1所述的一种海上风力发电和波浪能发电联合的发电系统，其特征在于：所述海蛇式波浪能发电设备包括多个依次相连的浮体模块，且两两浮体模块之间铰接有一个液压模块，所述浮体模块与液压模块能够相对转动，所述液压模块内设置有双向作用液压缸、蓄电池和液压控制器，所述双向作用液压缸分布于液压模块连接浮体模块的左、右两端处，且每端处的双向作用液压缸至少有两个，每个双向作用液压缸的活塞杆均外伸出液压模块铰接在浮体模块上，在波浪推动下，浮体模块与液压模块之间会产生相对转动，将波浪能转化为机械能，进一步带动双向作用液压缸的活塞杆做往复运动，进而将机械能转换为高压的液压能，通过液压油管送出给能量转换装置，所有双向作用液压缸均由液压控制器进行控制，并采用蓄电池为液压控制器进行供电，在恶劣海况下，通过液压控制器增大双向作用液压缸阻力，使浮体模块之间偏刚性，以避免整体结构的破坏，而在波浪小的海况下，通过液压控制器关闭一些双向作用液压缸，能够起到减小运动阻尼的作用。
3.根据权利要求1或2所述的一种海上风力发电和波浪能发电联合的发电系统，其特征在于：所述能量转换装置包括蓄能器、液压马达、发电机和液压油箱；其中，所述海蛇式波浪能发电设备的双向作用液压缸产生的高压的液压能通过单向阀储存于蓄能器中，即蓄能器储存有高压油，所述蓄能器通过节流阀与液压马达连接，使得高压油经过节流阀来驱动液压马达转动，再由液压马达驱动发电机进行发电；所述蓄能器通过溢流阀与液压油箱连接，当蓄能器所蓄液压能达到阈值时，多余的高压油会通过溢流阀变为低压油流入液压油箱；所述液压马达与液压油箱连接，使得高压油驱动液压马达后变为低压油流入液压油箱，所述液压油箱通过单向阀与双向作用液压缸连接，使得液压油能够流回双向作用液压缸，形成循环回路。
4.根据权利要求1或2所述的一种海上风力发电和波浪能发电联合的发电系统，其特征在于：所述液压油管的中部设置油管浮力装置，使其悬浮于海水中，避免液压油管与海底接触引起的运动损坏。
5.根据权利要求1所述的一种海上风力发电和波浪能发电联合的发电系统，其特征在于：所述升压设备通过塔筒内的中压输出海缆与风电场内的中压海缆路由连接，所述中压海缆路由与风电场的海上升压站连接，将升压设备升压后的电能通过海上升压站再次进行升压后，由高压海缆送出。
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CN201911249663.6A Pending CN111075654A (zh) 2019-12-09 2019-12-09 一种海上风电场风力发电和波浪能发电联合的发电系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112796950A (zh) * 2021-01-29 2021-05-14 明阳智慧能源集团股份公司 一种联合风能和蛇形波浪能发电的浮式平台
CN113931786A (zh) * 2021-08-27 2022-01-14 大连理工大学 液压式波浪能发电装置及海上风浪发电系统
CN114446519A (zh) * 2021-12-30 2022-05-06 明阳智慧能源集团股份公司 一种浅水区域漂浮式风力发电机组动态海缆构型
WO2022246780A1 (zh) * 2021-05-28 2022-12-01 大连理工大学 一种适用于深远海的多模块化牡蛎养殖牧场和筏式波浪能集成装置
CN115506962A (zh) * 2022-09-28 2022-12-23 南通大学 一种用于海面的波浪能风能复合发电装置

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