CN112211770B - 兼具海流能发电的海底基平台 - Google Patents

兼具海流能发电的海底基平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具海流能发电的海底基平台，包括平台主体、通过钢缆与平台主体底部相连接的重力压载组件，重力压载组件重力产生的向下拉力与平台主体的自身浮力相平衡；平台主体包括带压载舱室的连接桥组件、发电组件以及偏航翼；重力压载组件包括重力块和固定于重力块上用于实现平台主体水平转向的转向组件，该转向组件包括下推力轴承、可绕轴向自由旋转的滑台、上推力轴承和固定环，其中固定环与重力块固定连接并压紧转向组件，钢缆的一端与平台主体固定，另一端与滑台固定可跟随滑台转动。本发明利用转向组件实现平台主体水平转向，使海底基平台与来流方向一致，从而进一步实现更高效率的发电。

Description

兼具海流能发电的海底基平台
技术领域
本发明涉及，尤其涉及一种兼具海流能发电的海底基平台。
背景技术
随着海洋科学研究、海洋灾害预防应急和海洋经济等领域的快速发展，海洋环境观测和调查技术也经历了从第一观测平台(路基、海基)、第二观测平台(空间)到第三观测平台(海底)的发展历程。观测方式经历了从低频、瞬时、静态观测到长期、连续、动态观测的跨越。
海底基作为一种坐地式海洋监测装置与传统观测技术相比具有全天候、多时段、不间断、多参数、高质量的技术优势。海底基作为海底观测平台主要的观测结构，受到了各海洋国家的重视。海底基的实现与建设，将从根本上改变海洋研究观测途径，可以更便于探测海洋环境系统的物理、化学、生物和地质过程。
海底基平台的设计除了要实现基本的功能要素之外，还要考虑包括外形尺寸、内部结构、生产加工、运输安装等众多技术要素。
现有海底基平台根据供电通讯系统的不同可分为无缆和有缆之分。无缆海底基平台受自身电池容量限制无法长期连续观测，有缆海底基平台虽能实现连续观测但海底电缆铺设成本较高，布设环境条件要求较高等缺点。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可实现平台根据海流方向自由转向从而提高高发电效率的兼具海流能发电的海底基平台。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种兼具海流能发电的海底基平台，包括平台主体、通过钢缆与平台主体底部相连接的重力压载组件，重力压载组件重力产生的向下拉力与平台主体的自身浮力相平衡；所述平台主体包括带压载舱室的连接桥组件、对称位于连接桥组件两侧利用海流能发电的发电组件以及当海流来流方向与海底基平台不一致时会产生偏航力矩的偏航翼；所述重力压载组件包括重力块和固定于重力块上用于实现平台主体水平转向的转向组件，该转向组件包括自下而上依次设置的下推力轴承、可绕轴向自由旋转的滑台、上推力轴承和固定环，其中固定环与重力块固定连接并压紧转向组件，钢缆的一端与平台主体固定，另一端与滑台固定可跟随滑台转动。
其中，所述发电组件包括整流罩、通过发电机支撑架设置于整流罩内部带增速机构的发电机组以及与发电机组前端相连且位于整流罩内部的双向涡轮叶，所述整流罩包括依次相连的整流罩前段、整流罩中段和整流罩后段，且流罩前段和整流罩后段的端口处均设有防护网。
优选的，所述连接桥组件包括三层甲板、位于第一层甲板两侧的压载舱室、位于第一层甲板中间的电力单元组件舱室、位于第二层甲板前部的内置潜器舱室、位于第二层甲板后部的通讯及控制组件舱室、位于第三层甲板两侧的压载舱室和位于第三层甲板中间的多载荷任务舱室，所述连接桥组件的左右两侧具有与发电组件外壁形状相适配的呈凹陷弧状结构，连接桥组件的上下对称设有偏航翼，上部的偏航翼上设置有用于连接外置潜器的对接机构，连接桥组件的下部还设有用于连接钢缆的平台吊耳，连接桥组件的前后面板上内嵌有用于化学防腐的牺牲阳极金属块。
再者，所述对接机构上对接有外置潜器，外置潜器的电能与通讯传输通过对接机构完成；所述内置潜器舱室中设置有内置潜器，内置潜器通过电缆与海底基平台进行电能和通讯传输；外置潜器和内置潜器均包括通信模块，充电模块和动力模块，内置潜器和外置潜器通过位于通讯及控制组件舱室中的通讯及控制组件联通；内置潜器和外置潜器将海底基平台自身的工作状态、外置潜器的探测数据、内置潜器自身工作状态及采集数据以内置潜器或外置潜器上浮靠近海平面并通过内置潜器或外置潜器内置的通讯模块传送给路基工作站。
进一步，所述电力单元组件舱室内置有蓄能电池，发电组件产生的电能储存于蓄能电池。
优选的，所述通讯及控制组件舱室中内置有通讯及控制组件，通讯及控制组件实现海底基平台自身的自动化控制、对外置潜器的电能与通讯传输的控制，对发电组件正常蓄能工作的控制，对内置潜器探测及与路基工作站互相通讯的控制以及对内置潜器电能与通讯传输的控制。
再者，所述多载荷任务舱室内设有物理海洋观测传感器、物探观测仪器传感器以及生物化学海洋观测传感器。
进一步，所述物理海洋观测传感器包括水温传感器、盐度传感器、深度传感器和海流传感器，所述物探观测仪器传感器包括海底重力仪、磁力仪、地震仪和海啸传感器，所述生物化学海洋观测传感器包括叶绿素传感器、DO传感器、甲烷探测仪和PH探测仪。
优选的，所述电力单元组件舱室的舱门处设置有第一检修舱门，内置潜器舱室的舱门处设置有第二检修舱门，多载荷任务舱室的舱门处设置有第三检修舱门。
再者，所述钢缆上设置有用于锁紧的锁缆器，所述滑台上设有滑台吊耳，钢缆一端与滑台吊耳相连，另一端与平台吊耳相连，并通过锁缆器锁紧。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)、本发明中当海流来流方向与海底基平台不一致时利用偏航翼产生偏航力矩，偏航力矩带动平台主体发生转向，平台主体拉动钢缆转动，钢缆拉动滑台绕轴向旋转，实现平台主体水平转向，使海底基平台与来流方向一致，从而进一步实现更高效率的发电；
(2)、该平台本发明通过内置潜器、外置潜器以及多载荷任务舱室搭载多载荷任务组件提供稳定工作电能、通讯交换，可通过内置或外置潜器将探测信息回传给路基工作站；
(3)、本发明能够实现海底基平台对内实现自身电能需求自给、观测数据定期回传，平台运行自动化等功能，对外实现外置潜器或载荷模块电能供给与通讯中继等功能。
(4)、本发明隐蔽性强、功能多样、结构紧凑、泥沙沉积影响小、外力破坏风险低可以满足对预设海域展开全天候、不间断、多参数的探测，通过若干组海底基平台的联网布置可满足以较小投入实现对大范围海域开展全天候、多时段、不间断的多参数探测；以相对低廉的工程造价实现对预设海域开展全范围、高质量、多参数、高保密、全天候的探测，可为海洋环境的研究观测提供新的探测方法与技术手段。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的爆炸示意图；
图4为本发明中连接桥组件的结构示意图；
图5为本发明中发明组件的爆炸示意图；
图6为本发明中连接桥组件的主视图；
图7为图6中A-A向的剖视图；
图8为本发明中连接桥组件的侧视图；
图9为图8中B-B向的剖视图；
图10为本发明中钢缆的结构示意图；
图11为本发明中外置潜器的结构示意图；
图12～图15为本发明的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种兼具海流能发电的海底基平台，包括平台主体1和重力压载组件3，平台主体1和重力压载组件3为相互独立的分体式结构，平台主体1通过钢缆2与重力压载组件3相连接，重力压载组件3重力产生的向下拉力与平台主体1的自身浮力相平衡，保障海底基平台运行稳定，延长在海洋中的使用期限。
如图2和图3所示，平台主体1包括连接桥组件4、发电组件5和偏航翼6。如图4、图6、图7、图8和图9所示，连接桥组件4包括三层甲板、压载舱室401、电力单元组件舱室402、内置潜器舱室403、通讯及控制组件舱室404、多载荷任务舱室405、呈凹陷弧状结构406、对接机构407、平台吊耳408、牺牲阳极金属块409、第一检修舱门410、第二检修舱门411和第三检修舱门412；为减少新型海底基平台受海洋复杂腐蚀环境的影响，平台主体1采用钛合金或316不锈钢制成，平台主体1的整体表层均涂覆有厚浆型耐腐蚀涂料及防污涂料，并考虑足够的腐蚀余量。2个压载舱室401位于第一层甲板两侧，2个压载舱室401位于第三层甲板两侧，压载舱室排出空气后使平台主体1可沉入海底并产生一个向上的浮力，与重力压载组件3重力产生的向下拉力相平衡。电力单元组件舱室402位于第一层甲板中间，电力单元组件舱室402内置有蓄能电池，发电组件5产生的电能储存于蓄能电池，电力单元组件舱室402的舱门处设置有第一检修舱门410。
内置潜器舱室403位于第二层甲板前部，内置潜器舱室403中设置有内置潜器8，内置潜器8通过电缆与海底基平台进行电能和通讯传输；内置潜器舱室403的舱门处设置有第二检修舱门411。通讯及控制组件舱室404位于第二层甲板后部，通讯及控制组件舱室404中内置有通讯及控制组件，通讯及控制组件实现海底基平台自身的自动化控制、对外置潜器7的电能与通讯传输的控制，对发电组件5正常蓄能工作的控制，对内置潜器8探测及与路基工作站互相通讯的控制以及对内置潜器8电能与通讯传输的控制。
多载荷任务舱室405位于第三层甲板中间，多载荷任务舱室405的舱门处设置有第三检修舱门412，多载荷任务舱室405根据任务需求不同搭载多类型的传感器，其中多载荷任务舱室405内设有物理海洋观测传感器、物探观测仪器传感器以及生物化学海洋观测传感器，物理海洋观测传感器包括水温传感器、盐度传感器、深度传感器和海流传感器，所述物探观测仪器传感器包括海底重力仪、磁力仪、地震仪和海啸传感器，所述生物化学海洋观测传感器包括叶绿素传感器、DO传感器、甲烷探测仪和PH探测仪。
呈凹陷弧状结构406位于连接桥组件4的左右两侧，呈凹陷弧状结构406与发电组件外壁形状相适配。2个偏航翼6上下对称设置于连接桥组件上，当海流来流方向与海底基平台不一致时会产生偏航力矩；上部的偏航翼6上设置有用于连接外置潜器7的对接机构407，平台吊耳408位于连接桥组件的下部，牺牲阳极金属块409内嵌于连接桥组件的前后面板上，牺牲阳极金属块409用于化学防腐。
如图11所示，对接机构上对接有外置潜器7，外置潜器7的电能与通讯传输通过对接机构407完成；外置潜器7和内置潜器8均包括通信模块701、充电模块702和动力模块703，通信模块701可以完成定位信息及载荷探测数据的作业任务。内置潜器8和外置潜器7通过位于通讯及控制组件舱室404中的通讯及控制组件联通；内置潜器8和外置潜器7将海底基平台自身的工作状态、外置潜器的探测数据、内置潜器自身工作状态及采集数据以内置潜器或外置潜器上浮靠近海平面并通过内置潜器或外置潜器内置的通讯模块传送给路基工作站。本发明的内置潜器为有缆潜器，外置潜器为无缆潜器。
如图5所示，发电组件5利用海流能发电为海底基平台的正常运转提供持续、稳定的电能；发电组件5对称位于连接桥组件4两侧，发电组件5包括整流罩501、发电机支撑架502、带增速机构的发电机组503、双向涡轮叶504和防护网508，整流罩501包括依次相连的整流罩前段505、整流罩中段506和整流罩后段507，整流罩前段、整流罩中段和整流罩后段采用焊接方法进行连接。为保障发电组件具有更高的发电效率，整流罩均采用30度进出口张角结构。整流罩外壁与连接桥组件的外侧壁相固定。防护网508分别设置在整流罩前段505和整流罩后段507的端口处，防护网可保障洋流发电组件在正常工作中不会因外置潜器及内置潜器的误入而导致潜器受损。发电机支撑架502、带增速机构的发电机组503和双向涡轮叶504均位于整流罩内部，带增速机构的发电机组503通过发电机支撑架502设置于整流罩中段内部，双向涡轮叶504与发电机组前端相连。双向涡轮叶504可采用十叶设置，双向涡轮叶504可保证发电效率最大化。防护网508、整流罩前段505、双向涡轮叶504、带增速机构的发电机组503、整流罩中段506和整流罩后段507六者同轴心布置。
如图3和与10所示，重力压载组件3包括重力块301和转向组件，重力块301可采用水泥、砂石等材料制造。转向组件固定于重力块301上用于实现平台主体1水平转向，该转向组件包括自下而上依次设置的下推力轴承302、可绕轴向自由旋转的滑台303、上推力轴承304和固定环305，其中固定环305与重力块301通过螺栓固定连接并压紧转向组件，滑台303上设有滑台吊耳306，钢缆2上设置有用于锁紧的锁缆器9，钢缆2的一端与平台主体1的平台吊耳408相连，另一端与滑台303的滑台吊耳相连接，并且两端通过锁缆器9锁紧，钢缆2可跟随滑台303转动，其中，锁缆器9能够防止海底基平台在使用周期内因水流等外因导致走锚或损坏。当海流来流方向与海底基平台不一致时偏航翼会产生偏航力矩，偏航力矩带动平台主体1发生转向，平台主体1拉动钢缆转动，钢缆拉动滑台303绕轴向旋转，实现平台主体1水平转向，使海底基平台与来流方向一致，从而进一步实现更高效率的发电。
本发明的海底基平台具有以下功能：
1)采用发电组件为海底基平台及其附属设备等提供稳定持续的能源供给，不用经常吊起更换电池；
2)除可以搭载常规的各类科学仪器外，还设有内置潜器8及外置潜器7可拓展海底基的探测范围；
3)本发明的海底基定位为海底节点中心，每个节点除了探测功能外还可以给其他节点海底基的外置潜器提供电能补给及信息回传等功能；
4)通过内置潜器8实现海底基各类探测数据的回传到路上信息中心，不需要通过动用相关工程船舶打捞海底基的方式来获得海底基上的数据；
5)通过外置潜器7实现不同海底基平台之间的通讯链接，不需要通过铺设海底电缆的方式进行通讯。
如图12～图15所示，本发明在安装海底基平台时首先利用工程船舶将基平台主体1和重力压载组件3运输至预设海域，待重力压载组件3调运至海底预设位置后，需将平台主体1吊送至预设位置并用钢缆2链接，随后调整连接桥组件4内设压载舱401的压载水至设定水位，平台主体1在自身浮力与重力压载组件3提供的垂向下拉力的平衡下保持受力平衡稳定。

Claims (9)

1.一种兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：包括平台主体(1)、通过钢缆(2)与平台主体底部相连接的重力压载组件(3)，重力压载组件(3)重力产生的向下拉力与平台主体(1)的自身浮力相平衡；所述平台主体(1)包括带压载舱室的连接桥组件(4)、对称位于连接桥组件两侧利用海流能发电的发电组件(5)以及当海流来流方向与海底基平台不一致时会产生偏航力矩的偏航翼(6)；所述重力压载组件(3)包括重力块(301)和固定于重力块上用于实现平台主体水平转向的转向组件，该转向组件包括自下而上依次设置的下推力轴承(302)、可绕轴向自由旋转的滑台(303)、上推力轴承(304)和固定环(305)，其中固定环(305)与重力块(301)固定连接并压紧转向组件，钢缆(2)的一端与平台主体(1)固定，另一端与滑台(303)固定可跟随滑台(303)转动；所述连接桥组件(4)包括三层甲板、位于第一层甲板两侧和第三层甲板两侧的压载舱室(401)、位于第一层甲板中间的电力单元组件舱室(402)、位于第二层甲板前部的内置潜器舱室(403)、位于第二层甲板后部的通讯及控制组件舱室(404)和位于第三层甲板中间的多载荷任务舱室(405)，所述连接桥组件(4)的左右两侧具有与发电组件外壁形状相适配的呈凹陷弧状结构(406)，连接桥组件的上下对称设有偏航翼(6)，上部的偏航翼(6)上设置有用于连接外置潜器(7)的对接机构(407)，连接桥组件的下部还设有用于连接钢缆的平台吊耳(408)，连接桥组件的前后面板上内嵌有用于化学防腐的牺牲阳极金属块(409)。
2.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述发电组件(5)包括整流罩(501)、通过发电机支撑架(502)设置于整流罩内部带增速机构的发电机组(503)以及与发电机组前端相连且位于整流罩内部的双向涡轮叶(504)，所述整流罩(501)包括依次相连的整流罩前段(505)、整流罩中段(506)和整流罩后段(507)，且整流罩前段(505)和整流罩后段(507)的端口处均设有防护网(508)。
3.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述对接机构上对接有外置潜器(7)，外置潜器(7)的电能与通讯传输通过对接机构(407)完成；所述内置潜器舱室(403)中设置有内置潜器(8)，内置潜器(8)通过电缆与海底基平台进行电能和通讯传输；外置潜器(7)和内置潜器(8)均包括通信模块(701)、充电模块(702)和动力模块(703)，内置潜器(8)和外置潜器(7)通过位于通讯及控制组件舱室(404)中的通讯及控制组件联通；内置潜器(8)和外置潜器(7)将海底基平台自身的工作状态、外置潜器的探测数据、内置潜器自身工作状态及采集数据以内置潜器或外置潜器上浮靠近海平面并通过内置潜器或外置潜器内置的通讯模块传送给路基工作站。
4.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述电力单元组件舱室(402)内置有蓄能电池，发电组件(5)产生的电能储存于蓄能电池。
5.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述通讯及控制组件舱室(404)中内置有通讯及控制组件，通讯及控制组件实现海底基平台自身的自动化控制、对外置潜器的电能与通讯传输的控制，对发电组件正常蓄能工作的控制，对内置潜器探测及与路基工作站互相通讯的控制以及对内置潜器电能与通讯传输的控制。
6.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述多载荷任务舱室(405)内设有物理海洋观测传感器、物探观测仪器传感器以及生物化学海洋观测传感器。
7.根据权利要求6所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述物理海洋观测传感器包括水温传感器、盐度传感器、深度传感器和海流传感器，所述物探观测仪器传感器包括海底重力仪、磁力仪、地震仪和海啸传感器，所述生物化学海洋观测传感器包括叶绿素传感器、DO传感器、甲烷探测仪和PH探测仪。
8.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述电力单元组件舱室(402)的舱门处设置有第一检修舱门(410)，内置潜器舱室(403)的舱门处设置有第二检修舱门(411)，多载荷任务舱室(405)的舱门处设置有第三检修舱门(412)。
9.根据权利要求1所述的兼具海流能发电的海底基平台，其特征在于：所述钢缆(2)上设置有用于锁紧的锁缆器(9)，所述滑台(303)上设有滑台吊耳(306)，钢缆(2)一端与滑台吊耳(306)相连，另一端与平台吊耳(408)相连，并通过锁缆器(9)锁紧。
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