CN111637021A - 一种漂浮式海上发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种漂浮式海上发电系统，包括漂浮支撑组件和海上风力发电组件，还包括设置于漂浮支撑组件下方的洋流发电组件，洋流发电组件包括洋流发电机组和控制组件，通过控制组件将所述洋流发电机组与所述基础浮筒活动连接。本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统中的洋流发电组件不仅可以利用洋流发电，提高系统的整体发电量和发电效率，还设置有控制组件，该控制组件可以根据风、波、浪、洋流等环境条件以及海上风力发电组件的运动响应来调整洋流发电组件在漂浮支撑组件下方的位置、姿态、方向和负载，进而减缓漂浮支撑组件和风力发电组件的振动，起到抑制漂浮支撑组件的运动响应的作用，提高整个系统的稳定性。

Description

一种漂浮式海上发电系统
技术领域
本发明涉及海洋可再生能源利用技术领域，尤其是涉及一种漂浮式海上发电系统。
背景技术
海上具有丰富的风能和洋流资源，是当前新能源开发利用的主要方向。现阶段海上风电开发主要集中于浅水区域，风力发电机组多采用固定式基础。随着开发的深入，海上风电开发将向离岸深水海域发展。深水风电开发，固定式基础失去了优越性，浮式基础成为理想的风力机支撑基础。
浮式基础的系泊系统对风机整体的约束较弱，结构在风、浪、流共同作用下产生较大的运动响应，严重影响结构的稳定性以及风机的发电效率和使用寿命。高技术要求和昂贵的建造与安装费用限制了浮式风机的推广应用。现有的漂浮式基础主要由Spar结构基础、半潜式基础和TLP结构基础三种形式。这些漂浮式基础都需要系泊系统将风机发电组件系泊在海面上。但是由于深海中的浮式风机不仅要承受常规的波浪荷载和流荷载，还需要承受强风引起的巨大风载和倾覆力矩，使得漂浮式海上发电系统工作时会有较大的运动响应，影响风机发电组件的稳定性。如何提高海上发电系统的发电效率，同时减轻结构在风、浪、流作用下的运动响应，提升风机的可靠性和经济性是浮式风机结构设计的关键问题。
目前提高浮式风机结构稳定性和经济性的主要措施有：增大风力机单机容量、增大浮体结构、改善浮体结构水动力条件、改进浮体结构系泊系统、减轻风机上部结构自重等。增大风力机单机容量虽然可以提高系统发电效率，但需增大浮式支撑基础以维持系统的稳定性，并且提高了风机基础的建造难度和成本。而增大浮体结构和改善浮体结构水动力条件均需要对浮体结构做出较大改进，并且增大建造成本。
发明内容
本发明的目的在于解决现有漂浮式海上发电系统使用时，浮体结构对风机整体的约束较弱，在风、浪、流共同作用下产生较大的运动响应，严重影响海上发电系统的稳定性以及风机的发电效率和使用寿命的缺点，提供一种漂浮式海上发电系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种漂浮式海上发电系统，包括漂浮支撑组件和设置于所述漂浮支撑组件上方的海上风力发电组件，所述漂浮支撑组件包括至少三个基础浮筒和将相邻所述基础浮筒相互连接的支撑杆，还包括设置于所述漂浮支撑组件下方的洋流发电组件，所述洋流发电组件包括至少三个洋流发电机组和与所述洋流发电机组一一对应设置的可驱动所述洋流发电机组旋转和摆动的控制组件，通过所述控制组件将所述洋流发电机组与所述基础浮筒活动连接。
进一步地，所述控制组件包括设置于所述基础浮筒内的控制系统、由所述控制系统调节的驱动部件、设置于所述基础浮筒内与所述驱动部件连接的主旋转轴、与所述驱动部件连接且垂直于所述主旋转轴设置的副旋转轴以及将所述副旋转轴与所述洋流发电机组固定连接的连接轴。
具体地，所述主旋转轴由所述驱动部件控制可沿着所述基础浮筒的中心轴水平旋转。
具体地，所述主旋转轴的转动角度为0°-360°。
具体地，所述副旋转轴的两端可转动地固定于所述主旋转轴的底部且由所述驱动部件控制可沿着垂直于所述基础浮筒的中心轴的方向转动。
具体地，所述副旋转轴的转动角度为0°-180°。
进一步地，所述基础浮筒呈阶梯状结构，包括设置于海平面下方的主支撑柱、设置于海平面上方的副支撑柱以及将所述主支撑柱和所述副支撑柱固定连接的连接柱。
具体地，所述连接柱的截面面积小于所述主支撑柱的截面面积。
进一步地，所述海上风力发电组件包括设置于所述漂浮支撑组件中心处的立柱和固定于所述立柱顶部的风力发电机组，所述立柱的底部通过所述支撑杆与所述基础浮筒固定连接。
进一步地，还包括连接所述漂浮支撑组件的系泊组件，所述系泊组件包括设置于所述基础浮筒上的连接平台和与所述连接平台连接的系泊链。
本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统的有益效果在于：包括海上风力发电组件、漂浮支撑组件和洋流发电组件，该洋流发电组件不仅可以利用洋流发电，与海上风力发电组件配合提高系统的整体发电量和发电效率，还设置有控制组件，该控制组件可以根据风、波、浪、洋流等环境条件以及海上风力发电组件的运动响应来调整洋流发电组件在漂浮支撑组件下方的位置、姿态、方向和负载，通过控制洋流发电组件在海平面下方的工作状态，实现洋流发电组件载荷调节和阻尼调节，进而减缓漂浮支撑组件和风力发电组件的振动，起到抑制漂浮支撑组件的运动响应的作用，提高整个系统的稳定性，并且可以进一步优化漂浮支撑组件的尺寸，减少材料的用量，降低整个系统的成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种漂浮式海上发电系统的正视图；
图2是本发明提供的一种漂浮式海上发电系统的侧视图；
图3是本发明提供的一种漂浮式海上发电系统的俯视图；
图4是图2中A处的局部放大图；
图5是本发明提供的一种漂浮式海上发电系统中洋流发电机组沿着副旋转轴摆动的结构示意图。
图中100-漂浮式海上发电系统、10-漂浮支撑组件、11-基础浮筒、111-主支撑柱、112-副支撑柱、113-连接柱、12-支撑杆、20-海上风力发电组件、21-立柱、22-风力发电机组、30-洋流发电组件、31-洋流发电机组、32-控制组件、321-主旋转轴、322-副旋转轴、323-连接轴、40-系泊组件、41-连接平台、42-系泊链。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图5，为本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统100，该漂浮式海上发电系统100采用漂浮式的结构设置于海上，同时具有海上风力发电组件20和海底的洋流发电组件30，两者通过漂浮结构固定连接，相互协同配合，能够同时利用海上的风能和海底的洋流进行发电，具有较大的经济价值。本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统100具有洋流发电组件30，通过洋流发电组件30中的控制组件32可以根据风、波、浪、洋流等环境条件以及海上风力发电组件的运动响应来调节洋流发电机组31的位置、倾角、负载的主动控制，从而通过洋流发电机组31来抑制整个漂浮支撑组件10的运动响应，提高系统的稳定性。
具体地，如图1和图2所示，本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统100包括漂浮支撑组件10、设置于漂浮支撑组件10上方的海上风力发电组件20、设置于漂浮支撑组件10下方的洋流发电组件30以及连接漂浮支撑组件10的系泊组件40。整个漂浮式海上发电系统100通过漂浮支撑组件10设置于海面上，并通过漂浮支撑组件10将海上风力发电组件20固定于海平面的上方，将洋流发电组件30固定于海平面的下方，即利用了海面上的风力资源，也利用了海底的洋流资源。最后通过系泊组件40将漂浮支撑组件10与海底相连，将整个漂浮式海上发电系统100固定于一个海域范围内。
如图3所示，本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统100中，该漂浮支撑组件10包括至少三个基础浮筒11和将相邻基础浮筒11相互连接的支撑杆12。该基础浮筒11的数量可以根据实际需要进行增加，用以支撑海上风力发电组件20和洋流发电组件30的重量。在本实施例中，该漂浮支撑组件10中设置有三个基础浮筒11，为最基础的三角支撑结构。三个基础浮筒11的周围设置有多个支撑杆12，支撑杆12与基础浮筒11之间可以相互围合形成三角形支撑结构，保证整个漂浮支撑组件10在海面上的稳固性。该支撑杆12的数量和尺寸也可根据漂浮支撑组件10的承重、海面附近的实际环境等需求而自由增设。该漂浮支撑组件10为整个海上发电系统100提供足够的浮力，保证其所提供的浮力大于该海上风力发电组件20和洋流发电组件30的重量的总和。
具体地，该漂浮支撑组件10中所提供的基础浮筒11均呈阶梯状结构，包括设置于海平面下方的主支撑柱111、设置于海平面上方的副支撑柱112以及将主支撑柱111和副支撑柱112固定连接的连接柱113。该阶梯状结构中的连接柱113位于海平面附近处。该连接柱113的长度占整个基础浮筒11长度的1/5-1/3，一般来说，该连接柱113的长度为3米-12米，且连接柱113可随着整个漂浮支撑组件10在海平面上上下浮动。在本实施例中，该连接柱113的长度为8米。并且在本发明所提供的基础浮筒11中主支撑柱111和副支撑柱112的截面面积可以相同，也可以不同。但是连接柱113的截面面积小于主支撑柱111的截面面积。并且该连接柱113的截面面积小于等于该主支撑柱111的截面面积的一半。该连接柱113的截面面积较主支撑柱111的截面面积小，使得该基础浮筒11的连接柱113在海平面附近形成较小截面，从而可以减小基础浮筒的波浪力，在位于海平面底部的主支撑柱111上形成较大截面，可以产生较大的排水量，用以支撑整个漂浮支撑组件10的自重。同时，该主支撑柱111的高度大于该副支撑柱112的高度，使得该基础浮筒11的吃水线位于基础浮筒11的上方。在本实施例中，如图3所示，该基础浮筒11的截面呈圆柱形结构。该基础浮筒11的主支撑柱111、副支撑柱112以及连接柱113均为圆柱形结构。当然该基础浮筒11还可以根据实际海面情况设置成截面呈正六边形结构等不同的形状，仅需保证该连接柱113的截面面积小于主支撑柱111的截面面积即可。
进一步地，本发明所提供的漂浮式海上发电系统100中所提供的系泊组件40主要作用是将漂浮支撑组件10固定在一个海域范围内。因此该系泊组件40的安装位置以及数量可以根据实际需要增设，一般来说，最少设置三组系泊组件40均匀分布于漂浮支撑组件10的外围。而在本实施例中，在漂浮支撑组件10的外围设置有三组系泊组件40，每组系泊组件40均是与漂浮支撑组件10上基础浮筒11一一对应设置。每个系泊组件40包括设置于基础浮筒11上的连接平台41、设置于海底的海底锚(图中未示出)和将连接平台4与海底的海底锚连接的系泊链42。该海底锚设置于整个漂浮支撑组件10的下方的周围，通过系泊链42将海底锚与基础浮筒11上的连接平台41固定连接，通过该系泊组件40将整个漂浮式海上发电系统100固定于一个海域范围内，限制漂浮支撑组件10的移动，并且保证漂浮支撑组件10不会发生较大的浪涌、升沉和俯仰运动。
进一步地，本发明所提供的漂浮式海上发电系统100中的海上风力发电组件20包括设置于漂浮支撑组件10中心处的立柱21和固定于立柱21顶部的风力发电机组22，立柱21的底部通过支撑杆12与基础浮筒11活动连接。该立柱21设置于整个漂浮支撑组件10的中心处，该立柱21与漂浮支撑组件10中的每两个相邻的基础浮筒11之间均可形成等边三角形的稳定结构，通过支撑杆12实现立柱21与基础浮筒11之间的固定连接，保证该立柱21位于漂浮支撑组件10的中心。而位于立柱21顶部的风力发电机组22为现有的较为成熟的利用海上风能发电的发电装置，由设置在立柱21上的叶片、发电机组、风机塔筒等部件组成叶片水平轴大型兆瓦级风力发电机，在此不再赘述。
进一步地，本发明所提供的漂浮式海上发电系统100中还包括设置于漂浮支撑组件10下方的洋流发电组件30，该洋流发电组件30设置于漂浮支撑组件10的下方。洋流发电组件30包括至少三个洋流发电机组31和与洋流发电机组31一一对应设置的可驱动洋流发电机组31旋转和摆动的控制组件32，通过控制组件32将洋流发电机组31与基础浮筒11活动连接。该控制组件32可以根据风、波、浪、洋流等环境条件以及海上风力发电组件的运动响应来适时地调节洋流发电机组31与基础浮筒11之间的相对位置、姿态、方向和负载。在本实施例中，该漂浮支撑组件10上设置有三个基础浮筒11，洋流发电组件30中包括三个洋流发电机组31。即对应的在每个基础浮筒11的下方均设置有一个洋流发电机组31。故在本实施例中，该基础浮筒11的位置和数量与洋流发电机组31的位置和数量一一对应设置。每个洋流发电机组31可以相对独立工作，利用洋流进行发电，并可以通过控制组件32来调整洋流发电机组31与基础浮筒11的相对位置起到抑制整个漂浮支撑组件10的整体结构的动力响应。当然，该洋流发电机组31的设置数量还可以在基础浮筒11设置较多的时候根据实际情况增减。该洋流发电机组31的设置数量与位置关系仅需均匀分布于保证整个漂浮支撑组件10的底部即可，洋流发电机组31的设置即要平衡漂浮支撑组件10的重量，也要为该漂浮支撑组件10提供各个方向均匀的推动力，确保漂浮支撑组件10在海面上的平稳。而本实施例中，该洋流发电机组31的为目前较为成熟的利用海底洋流的流动产生电能的发电机组，在此不再赘述。
本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统100中，该洋流发电组件30的设置，可以与海上风力发电组件20协同作用，利用同一片海域上的风能和洋流能进行发电，从而大幅度提高整个海上发电系统100的发电量以及发电效率。
进一步地，该洋流发电组件30中还包括控制组件32。而该控制组件32可以用于监测风、浪和流的数据采集和洋流风机以及风力风机的运动监测，该控制组件32通过数据采集以及运动监测后进行数据分析并反馈至与其连接的洋流发电机组31上，通过控制组件32调整洋流发电机组31与基础浮筒11的相对位置，实现利用洋流发电机组31工作时所产生的动能抑制漂浮支撑组件10的运动和振动。
该控制组件32即可以将洋流发电机组31与漂浮支撑组件10固定连接，还可以通过控制组件32的调控调整洋流发电机组31在基础浮筒11底部的位置、姿态、方向和负载。具体来说，如图4所示，该控制组件32可以调整洋流发电机组31围绕基础浮筒11的中心轴水平旋转，并将该洋流发电机组31固定于某个特定的水平角度上。如图5所示，该控制组件32可以调整洋流发电机组31围绕基础浮筒11的底部进行摆动，并且将该洋流发电机组31固定于某个特定的摆动角度上。
具体地，如图4所示，该控制组件32包括设置于基础浮筒11内的控制系统(图中未示出)、由控制系统调节的驱动部件(图中未示出)、设置于基础浮筒11内与驱动部件连接的主旋转轴321、与驱动部件连接且垂直于主旋转轴321设置的副旋转轴322以及将副旋转轴322与洋流发电机组31固定连接的连接轴323。该控制系统设置于漂浮支撑组件10的基础浮筒11内部，充分利用了基础浮筒11内部的空间，该控制系统主要用于收集海面上的风向、风速、海底的洋流方向、洋流的速度以及风力发电机组22和洋流发电机组31的整体运动响应情况的数据，并且控制系统还可以根据其所收集的数据进行分析处理和反馈，通过该控制系统的反馈调整该洋流发电机组31在海底与基础浮筒11所形成相对位置。利用该洋流发电机组31与基础浮筒11之间位置的调整、姿态的变化以及方向和负载的不同，改变洋流发电机组31为基础浮筒11所提供的推动力，从而实现利用调整洋流发电机组31抑制漂浮支撑组件10的摆动的作用。
具体地，该控制组件32中的控制系统可以用于收集数据、分析并处理数据，最终根据处理后的数据反馈至驱动部件(图中未示出)，利用驱动部件带动位于基础浮筒11底部的主旋转轴321和副旋转轴322的转动。该主旋转轴321由驱动部件控制可沿着基础浮筒11的中心轴水平旋转。该主旋转轴321的设置方向与基础浮筒11的设置方向同轴设置，使得该主旋转轴321转动可以带动设置于其上的副旋转轴322、连接轴323以及洋流发电机组31均可以随着主旋转轴321水平转动。该驱动部件可以是电机驱动、液压驱动等这种驱动方式。而该主旋转轴321由驱动部件可以实现在基础浮筒11的水平方向上旋转0°-360°，并可以在主旋转轴321的水平方向上的任意角度上停止固定。
具体地，如图4所示，该副旋转轴322的两端可转动地固定于主旋转轴321的底部且由驱动部件控制可沿着垂直于基础浮筒11的中心轴的方向转动。该副旋转轴322的两端均活动地固定于主旋转轴321的底部，并且该副旋转轴322垂直于主旋转轴321的轴向设置。该副旋转轴322的转动，会带动固定于其上的连接轴323相对于主旋转轴321摆动。该副旋转轴322的转动角度如图5所示，可沿着主旋转轴321的底面转动0°-180°。因此，随着驱动部件的驱动，可以带动副旋转轴322围绕其中心旋转，带动连接轴323在主旋转轴321的底部发生摆动，该连接轴323相对于主旋转轴321的摆动角度为0°-180°。
本发明所提供的一种漂浮式海上发电系统100，包括海上风力发电组件20、漂浮支撑组件10和洋流发电组件30，该洋流发电组件30不仅可以利用洋流发电，与海上风力发电组件20配合提高系统的整体发电量和发电效率，还设置有控制组件32，该控制组件32可以根据风、波、浪、洋流等环境条件以及海上风力发电组件的运动响应来调整洋流发电组件30在漂浮支撑组件10下方的位置、姿态、方向和负载，通过控制洋流发电组件在海平面下方的工作状态，实现洋流发电组件30载荷调节和阻尼调节，进而减缓漂浮支撑组件10和风力发电组件的振动，起到抑制漂浮支撑组件10的运动响应的作用，提高整个系统的稳定性，并且可以进一步优化漂浮支撑组件10的尺寸，减少材料的用量，降低整个系统的成本。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种漂浮式海上发电系统，包括漂浮支撑组件和设置于所述漂浮支撑组件上方的海上风力发电组件，所述漂浮支撑组件包括至少三个基础浮筒和将相邻所述基础浮筒相互连接的支撑杆，其特征在于，还包括设置于所述漂浮支撑组件下方的洋流发电组件，所述洋流发电组件包括至少三个洋流发电机组和与所述洋流发电机组一一对应设置的可驱动所述洋流发电机组旋转和摆动的控制组件，通过所述控制组件将所述洋流发电机组与所述基础浮筒活动连接。
2.如权利要求1所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述控制组件包括设置于所述基础浮筒内的控制系统、由所述控制系统调节的驱动部件、设置于所述基础浮筒内与所述驱动部件连接的主旋转轴、与所述驱动部件连接且垂直于所述主旋转轴设置的副旋转轴以及将所述副旋转轴与所述洋流发电机组固定连接的连接轴。
3.如权利要求2所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述主旋转轴由所述驱动部件控制可沿着所述基础浮筒的中心轴水平旋转。
4.如权利要求3所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述主旋转轴的转动角度为0°-360°。
5.如权利要求3所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述副旋转轴的两端可转动地固定于所述主旋转轴的底部且由所述驱动部件控制可沿着垂直于所述基础浮筒的中心轴的方向转动。
6.如权利要求5所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述副旋转轴的转动角度为0°-180°。
7.如权利要求1所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述基础浮筒呈阶梯状结构，包括设置于海平面下方的主支撑柱、设置于海平面上方的副支撑柱以及将所述主支撑柱和所述副支撑柱固定连接的连接柱。
8.如权利要求7所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述连接柱的截面面积小于所述主支撑柱的截面面积。
9.如权利要求1所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，所述海上风力发电组件包括设置于所述漂浮支撑组件中心处的立柱和固定于所述立柱顶部的风力发电机组，所述立柱的底部通过所述支撑杆与所述基础浮筒固定连接。
10.如权利要求1所述的一种漂浮式海上发电系统，其特征在于，还包括连接所述漂浮支撑组件的系泊组件，所述系泊组件包括设置于所述基础浮筒上的连接平台和与所述连接平台连接的系泊链。
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