CN111706467A - 一种基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置及其发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置及发电方法，该装置包括安装在海底并露出海面的导管架基础，在导管架基础的顶部安装塔筒，在塔筒的顶部安装风力发电机桨叶，在导管架基础露出海面的部分上安装波浪能发电设备安装平台，在波浪能发电设备安装平台上安装换向平台，在导管架基础的周围海面上布置波浪能发电装置。本发明所公开的发电方法，综合利用海上风能和波浪能，极大地提高了装置单体的发电量，实现了复杂环境下的多能发电互补，在提高整体发电功率，扩大供电容量的同时，还能有效地减少资金投入，对缓解能源危机和环境污染问题具有重要意义，并能促进波浪能发电装置的商业化推广应用。

Description

一种基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置及其发电方法
技术领域
本发明属于海洋可再生能源利用领域，特别涉及该领域中的一种基于海上风机固定导管架基础的风浪耦合利用装置及其发电方法。
背景技术
能源是经济社会发展的物质基础，而可再生能源具有资源丰富、分布广泛、环境友好、永续利用等优点，其中的海洋可再生能源可实现“就地取能”基本需求，具有重要战略意义。近年来，我国海洋能技术发展迅速，整体水平显著提升，从装备开发进入到应用示范阶段，成为世界上为数不多的掌握规模化开发海洋能技术的国家之一，海洋能试验场相继启动选址、设计和建设；一批企业进军海洋能行业，产学研紧密结合的海洋能开发队伍初步形成；国内高校、院所与多个国家签订海洋能开发合作协议，国际影响力显著提升。
目前，海洋能单能种发展存在一定局限性，主要体现在获能保证率低，无法充分利用自然资源等方面。因此，综合利用多能种进行互补开发，形成以海上风电为牵引的海洋能综合利用模式，成为海洋能发展的必经之路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于海上风机固定导管架基础的风浪耦合利用装置及其发电方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其改进之处在于：包括安装在海底并露出海面的导管架基础，在导管架基础的顶部安装塔筒，在塔筒的顶部安装风力发电机桨叶，在导管架基础露出海面的部分上安装波浪能发电设备安装平台，在波浪能发电设备安装平台上安装换向平台，在导管架基础的周围海面上布置波浪能发电装置，所述的波浪能发电装置包括浮子，在浮子的顶部设置浮子安装架，在浮子安装架的侧面竖向安装长孔板，在长孔板内安装可沿其长条孔上下滑动的连接座，所述的波浪能发电装置还包括安装在波浪能发电设备安装平台上的轴承座I和安装在换向平台上的轴承座III，在轴承座I内安装转轴I，在轴承座III内安装转轴III，在转轴III上固定安装带竖向长条孔的滑杆，在滑杆长条孔内安装可沿长条孔滑动的轴II，此外还在转轴III的末端安装大锥齿轮，在换向输出轴上反向安装两个单向轴承，在每个单向轴承上各安装一个与上述大锥齿轮啮合的小锥齿轮，换向输出轴的一端与液压系统的动力输入端相连接，另一端上安装飞轮，所述的波浪能发电装置还包括带折弯的摆臂，摆臂包括相交于折弯部的长翼和短翼，其中折弯部与转轴I相连接，长翼与连接座上的销轴相连接，短翼与上述轴II相连接。
进一步的，导管架基础为四桩结构。
进一步的，波浪能发电装置有三组，三组波浪能发电装置等间隔均布在导管架基础周围。
进一步的，浮子可调整配重，其形状包括但不限于半球形、球底圆柱形、圆台底圆柱形、内凹锥底圆柱形和锥角为120°的轴对称锥底圆柱型。
进一步的，浮子安装架包括与浮子固定连接的支撑板，在支撑板上安装立架，在立架侧面竖向焊接安装长孔板，在长孔板内安装可沿其长条孔上下滑动的连接座，在连接座上设置销轴。
进一步的，在轴承座III和换向平台之间安装垫板。
进一步的，液压系统包括液压泵、液压马达、蓄能器、液压阀和油箱，换向输出轴的一端通过增速器与液压系统的液压泵相连。
进一步的，液压系统驱动永磁同步交流发电机发电，发出的三相交流电首先经过三相全桥不控整流电路变为直流电，然后通过DC/DC接入直流母线，再经过DC/AC变为三相交流电，最后经升压变压器接入交流母线，与风力发电机输出的电能一起并网。
进一步的，摆臂由方钢焊接而成。
一种发电方法，使用上述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其改进之处在于：装置安装就位并启用后，风力发电机桨叶迎风旋转驱动发电机发电；波浪能发电装置的浮子漂浮在海面上并随波浪上下起伏运动，使摆臂长翼沿长孔板的长条孔上下滑动，从而带动摆臂绕轴承座I摆动，继而使摆臂短翼在滑杆长条孔内上下滑动并带动滑杆和转轴III绕轴承座III摆动，转轴III摆动可带动大锥齿轮转动，大锥齿轮转动可带动两个小锥齿轮转动，反向安装的两单向轴承将小锥齿轮的双向旋转转化为换向输出轴的单向旋转，飞轮将换向输出轴高速旋转时的动能储存起来，在换向输出轴转速降低时自动释放，换向输出轴的一端与液压系统相连接并驱动液压系统做功，最终液压系统驱动发电机发电，并与风力发电机输出的电能一起并网。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的装置，浮子采用轴对称锥底圆柱型，对浪向不敏感，可以适应各向波浪的作用。两个单向轴承反向安装，使得转轴III无论顺时针还是逆时针转动，均能转化为换向输出轴的单向旋转，从而实现波浪能的双向捕获。换向输出轴的一端安装飞轮，既可将换向输出轴高速旋转时的动能和惯性储存起来，以便克服短时间内的超载荷，又能在波浪条件不好、换向输出轴转速降低时自动释放，保证换向输出轴的输出转速和扭矩尽可能均匀。
本发明所公开的装置，摆臂包括相交于折弯部的长翼和短翼，而长翼与浮子相连接，短翼与轴II相连接，可以利用杠杆原理增加浮子对转轴III的驱动力，通过减小滑杆的长度可以增加转轴III的转角，转角的增大意味着转速的提升，这样更有利于后续液压系统的工作。
本发明所公开的装置，通过调整摆臂长翼和短翼的长度及转轴转角，可以最大程度地满足高低潮位的变化，从而更好的适应潮差。
本发明所公开的发电方法，综合利用海上风能和波浪能，极大地提高了装置单体的发电量，实现了复杂环境下的多能发电互补，在提高整体发电功率，扩大供电容量的同时，还能有效地减少资金投入，对缓解能源危机和环境污染问题具有重要意义，并能促进波浪能发电装置的商业化推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开装置中波浪能发电装置的结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开装置中浮子安装架的结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开装置中换向输出轴的连接关系示意图。
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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，包括安装在海底并露出海面的导管架基础4，在导管架基础的顶部安装塔筒2，在塔筒的顶部安装风力发电机桨叶1，在导管架基础露出海面的部分上安装波浪能发电设备安装平台，波浪能发电设备安装平台根据水文参数及导管架基础的结构特点搭建而成，其位于导管架基础的适当高度，既可使得下述波浪能发电装置中的浮子位于波浪作用区域，又能避免波浪能发电设备安装平台上的设备与海水直接接触。在波浪能发电设备安装平台上安装换向平台，在导管架基础的周围海面上布置波浪能发电装置3，如图2所示，所述的波浪能发电装置采用振荡浮子式方案，包括浮子6，在浮子的顶部设置浮子安装架5，在浮子安装架的侧面竖向焊接长孔板，在长孔板内安装可沿其长条孔上下滑动的连接座，所述的波浪能发电装置还包括安装在波浪能发电设备安装平台10上的轴承座I9和安装在换向平台13上的轴承座III16，在轴承座I9内安装转轴I8，在轴承座III16内安装转轴III15，在转轴III15上固定安装带竖向长条孔的滑杆12，在滑杆长条孔内安装可沿长条孔滑动的轴II11，此外还在转轴III的末端安装大锥齿轮，如图4所示，大锥齿轮171可以通过换向输入轴172与转轴III连接，在换向输出轴上反向安装两个单向轴承174，在每个单向轴承上各安装一个与上述大锥齿轮啮合的小锥齿轮175，换向输出轴173的一端与液压系统的动力输入端相连接，另一端上安装飞轮176，所述的波浪能发电装置还包括带折弯的摆臂7，摆臂包括相交于折弯部的长翼和短翼（类似一边长一边短的V字型），其中折弯部与转轴I相连接，长翼与连接座上的销轴相连接，短翼与上述轴II相连接，长翼和短翼的长度可根据需要进行设计，使波浪能得到最大程度利用的同时，运动转角达到最优值。
在本实施例中，导管架基础为四桩结构，并在桩之间建立横梁。
根据安装空间及发电要求可在导管架基础周边布放一组或多组波浪能发电装置以最大限度的获取波浪能，本实施例中的波浪能发电装置有三组，三组波浪能发电装置等间隔均布在导管架基础周围。浮子可调整配重以改变重量从而达到最优的捕能效果，浮子形状包括但不限于半球形、球底圆柱形、圆台底圆柱形、内凹锥底圆柱形和锥角为120°的轴对称锥底圆柱型。根据情况选取随波性较好、有加工优势的浮子形状，在本实施例中浮子形状是锥角为120°的轴对称锥底圆柱型。
如图3所示，浮子安装架包括与浮子固定连接的支撑板51，在支撑板上安装立架52，在立架侧面竖向焊接安装长孔板53，在长孔板内安装可沿其长条孔上下滑动的连接座54，在连接座上设置销轴55。
在轴承座III16和换向平台13之间安装垫板14。摆臂由方钢焊接而成。
液压系统包括液压泵、液压马达、蓄能器、液压阀和油箱，换向输出轴的一端通过增速器与液压系统的液压泵相连。浮子的上下运动通过摆臂转换为转轴III及换向输出轴的旋转运动并带动液压泵工作，产生高压油积累于蓄能器内，通过设定控制策略控制蓄能器完成充放油动作，进而驱动液压马达带动发电机完成电能输出。
液压系统驱动永磁同步交流发电机发电，发出的三相交流电首先经过三相全桥不控整流电路变为直流电，然后通过DC/DC接入直流母线，再经过DC/AC变为三相交流电，最后经升压变压器接入交流母线，与风力发电机输出的电能一起并网。
另外还可在波浪能发电设备安装平台上安装应急避险装置，当风暴潮或高于允许波高的大浪袭来时，可将摆臂抬起，使浮子离开海面，保证波浪能发电装置的安全。
本实施例还公开了一种发电方法，使用上述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，装置安装就位并启用后，风力发电机桨叶迎风旋转驱动发电机发电；波浪能发电装置的浮子漂浮在海面上并随波浪上下起伏运动，将波浪能转换为浮子的机械能，使摆臂长翼沿长孔板的长条孔上下滑动，从而带动摆臂绕轴承座I摆动，继而使摆臂短翼在滑杆长条孔内上下滑动并带动滑杆和转轴III绕轴承座III摆动，转轴III摆动可带动大锥齿轮转动，大锥齿轮转动可带动两个小锥齿轮转动，反向安装的两单向轴承将小锥齿轮的双向旋转转化为换向输出轴的单向旋转，飞轮将换向输出轴高速旋转时的动能储存起来，在换向输出轴转速降低时自动释放，换向输出轴的一端与液压系统相连接并驱动液压系统做功，最终液压系统驱动发电机发电，并与风力发电机输出的电能一起并网。

Claims (10)

1.一种基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：包括安装在海底并露出海面的导管架基础，在导管架基础的顶部安装塔筒，在塔筒的顶部安装风力发电机桨叶，在导管架基础露出海面的部分上安装波浪能发电设备安装平台，在波浪能发电设备安装平台上安装换向平台，在导管架基础的周围海面上布置波浪能发电装置，所述的波浪能发电装置包括浮子，在浮子的顶部设置浮子安装架，在浮子安装架的侧面竖向安装长孔板，在长孔板内安装可沿其长条孔上下滑动的连接座，所述的波浪能发电装置还包括安装在波浪能发电设备安装平台上的轴承座I和安装在换向平台上的轴承座III，在轴承座I内安装转轴I，在轴承座III内安装转轴III，在转轴III上固定安装带竖向长条孔的滑杆，在滑杆长条孔内安装可沿长条孔滑动的轴II，此外还在转轴III的末端安装大锥齿轮，在换向输出轴上反向安装两个单向轴承，在每个单向轴承上各安装一个与上述大锥齿轮啮合的小锥齿轮，换向输出轴的一端与液压系统的动力输入端相连接，另一端上安装飞轮，所述的波浪能发电装置还包括带折弯的摆臂，摆臂包括相交于折弯部的长翼和短翼，其中折弯部与转轴I相连接，长翼与连接座上的销轴相连接，短翼与上述轴II相连接。
2.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：导管架基础为四桩结构。
3.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：波浪能发电装置有三组，三组波浪能发电装置等间隔均布在导管架基础周围。
4.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：浮子可调整配重，其形状包括但不限于半球形、球底圆柱形、圆台底圆柱形、内凹锥底圆柱形和锥角为120°的轴对称锥底圆柱型。
5.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：浮子安装架包括与浮子固定连接的支撑板，在支撑板上安装立架，在立架侧面竖向焊接安装长孔板，在长孔板内安装可沿其长条孔上下滑动的连接座，在连接座上设置销轴。
6.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：在轴承座III和换向平台之间安装垫板。
7.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：液压系统包括液压泵、液压马达、蓄能器、液压阀和油箱，换向输出轴的一端通过增速器与液压系统的液压泵相连。
8.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：液压系统驱动永磁同步交流发电机发电，发出的三相交流电首先经过三相全桥不控整流电路变为直流电，然后通过DC/DC接入直流母线，再经过DC/AC变为三相交流电，最后经升压变压器接入交流母线，与风力发电机输出的电能一起并网。
9.根据权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：摆臂由方钢焊接而成。
10.一种发电方法，使用权利要求1所述基于固定导管架基础的风浪耦合利用装置，其特征在于：装置安装就位并启用后，风力发电机桨叶迎风旋转驱动发电机发电；波浪能发电装置的浮子漂浮在海面上并随波浪上下起伏运动，使摆臂长翼沿长孔板的长条孔上下滑动，从而带动摆臂绕轴承座I摆动，继而使摆臂短翼在滑杆长条孔内上下滑动并带动滑杆和转轴III绕轴承座III摆动，转轴III摆动可带动大锥齿轮转动，大锥齿轮转动可带动两个小锥齿轮转动，反向安装的两单向轴承将小锥齿轮的双向旋转转化为换向输出轴的单向旋转，飞轮将换向输出轴高速旋转时的动能储存起来，在换向输出轴转速降低时自动释放，换向输出轴的一端与液压系统相连接并驱动液压系统做功，最终液压系统驱动发电机发电，并与风力发电机输出的电能一起并网。
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