CN112901418B - 集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其波浪能发电子系统通过自调节式机械传动装置安装于固定支撑结构上；波浪能发电子系统包括俘能摆板和机械式整流PTO模块，俘能摆板与机械式整流PTO模块铰接；自调节式机械传动装置包括筒形底座、内圈环形架和外圈环形架，筒形底座固定套装于固定支撑结构的海平面波动段，内圈环形架能够相对筒形底座上下滑动，外圈环形架能够相对内圈环形架实现圆周滑动；外圈环形架外侧一端与机械式整流PTO模块固定连接。本发明采用基于机械整流式PTO的摆式波浪能发电装置及带有增速导流罩的潮流能发电子系统，能够提高波浪能和潮流能发电系统的的发电效率。

Description

集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统
技术领域
本发明涉及海洋能利用技术领域，具体涉及一种风能、波浪能和潮流能综合利用系统。
背景技术
二十一世纪，世界主要能源煤、石油、天然气等非可再生资源日渐枯竭，其使用所带来的环境问题及温室效应也日渐严重。降低能耗，减少能损和污染物排放，制止浪费，有效、合理地利用能源迫在眉睫。为了解决这些问题，人们把可发展领域扩展到可再生能源范围，如太阳能、风能、海洋能、生物能、地热能等。海上风能、波浪能和潮流能作为重要的清洁能源，国内外目前均已研究到了一定的程度，拥有了较为成熟的发电装置设计和较高的发电效率。然而这些风能发电装置、波浪能发电装置和潮流能发电装置多为独立发电结构，并且波浪能发电装置和潮流能发电装置转化率较低，造成了海域资源的浪费。故如何实现风、浪、流能共同利用，集成三种发电装置互补发电，是近年来许多学者研究的课题。
中国专利CN103967714A公开了基于单桩平台的风能-波浪能-潮流能集成发电结构，包括设在塔架结构(2)顶部的风力机(1)、设在塔架结构水面处的波浪能发电装置(3)和设在水下的单桩支撑结构上的潮流能发电装置(5)，其中，波浪能发电装置(3)与塔架结构(2)通过滑道式接触装置(7)耦合联接，滑道式接触装置(7)包括滑轮(8)、滑道(9)和弹簧阻尼器(10)，滑道(9)固定在塔架结构(2)外侧面上，滑轮(8)通过滑轮轴安装在波浪能发电装置(3)上，弹簧阻尼器(10)安装在滑轮(8)与安装滑轮(8)位置的波浪能发电装置(3)之间，弹簧阻尼器(10)使滑轮(8)压向滑道(9)。其中，滑道式接触装置(7)由4～8套的偶数套组成，沿塔架结构(2)外侧面对称布置；波浪能发电装置(3)是垂荡式波浪能发电装置，可以有效利用液压缸内活塞结构的双向运动驱动液压马达旋转，并最终带动发电机发电。但是该系统采用了液压式波浪能发电装置，其存在如下缺点：1.液压式波浪能发电装置仅能俘获单方向波浪能，发电效率没有机械整流式波浪能发电装置高；2.液压式波浪能发电装置需要和海水进行物质交换，对海洋环境会造成不利影响；3.液压式波浪能发电装置结构复杂，成本较高；4.液压式波浪能发电装置水下的液压缸等部件易受海水的腐蚀。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，采用基于机械整流式PTO的摆式波浪能发电装置及带有增速导流罩的潮流能发电子系统，能够提高波浪能和潮流能发电系统的的发电效率，并提高综合系统的发电稳定性和海洋能源的利用率，降低单位发电成本；同时配合防冲刷装置降低桩基海床处的局部冲刷作用，提高结构的稳定性。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，包括固定支撑结构、安装于所述固定支撑结构顶部的风能发电子系统、安装于所述固定支撑结构海平面位置处的波浪能发电子系统、安装于所述固定支撑结构底部的潮流能发电子系统；
所述海洋能综合利用系统还包括自调节式机械传动装置，所述波浪能发电子系统通过自调节式机械传动装置安装于所述固定支撑结构上；其中，波浪能发电子系统包括俘能摆板和机械式整流PTO模块，所述俘能摆板与机械式整流PTO模块铰接；自调节式机械传动装置包括筒形底座、内圈环形架和外圈环形架，所述筒形底座固定套装于固定支撑结构的海平面波动段，筒形底座外侧设有竖直导轨，所述内圈环形架内侧与所述竖直导轨适配安装，使内圈环形架能够相对筒形底座上下滑动；所述内圈环形架外侧设有环形导轨，所述外圈环形架内侧与所述环形导轨适配安装，使所述外圈环形架能够相对内圈环形架实现圆周滑动；所述外圈环形架外侧一端与所述机械式整流PTO模块固定连接。
上述方案中，所述内圈环形架内侧设有与所述竖直导轨适配的滑块，内圈环形架通过滑块连接在筒形底座的竖直导轨上。
上述方案中，所述外圈环形架内侧设有与所述环形导轨适配的导轨滑槽，所述环形导轨嵌置于导轨滑槽内。
上述方案中，所述筒形底座的竖直导轨的上下两端设有缓冲防护装置。
上述方案中，所述外圈环形架外侧的另一端设有波浪方向自适应装置，所述波浪方向自适应装置包括传感器、海底光缆、交换机和电子控制单元，所述传感器布置在远海海域用于监测波浪信息，通过所述海底光缆将信号传递至所述交换机转化为电信号，并将电信号传输入所述电子控制单元，从而控制所述机械传动装置实现智能姿态调节，提升波浪能发电效率。
上述方案中，所述机械整流式PTO模块包括连接轴以及对称设置于所述连接轴两端的两组单向离合器、输出轴和发电机；所述机械整流式PTO模块通过连接轴与俘能摆板铰接，连接轴左右两侧分别设置所述单向离合器，通过输出轴与所述发电机相连接；所述连接轴左右两侧的单向离合器方向相反，通过波浪驱使俘能摆板以连接轴为轴、波浪面为对称面进行往复摆动，分别带动一侧输出轴单方向运转，从而驱动单方向摆动对应单个发电机发电，保证波浪能发电子系统发电的连续性，提高发电效率和稳定性。
上述方案中，所述潮流能发电子系统包括对称布置于固定支撑结构两侧的两个潮流能发电装置，每个潮流能发电装置均包括一增速导流罩和一水平轴水轮机，所述增速导流罩为圆形导流罩，通过导流罩支架固定于海床；所述水平轴水轮机设置于增速导流罩内部，通过水轮机支臂安装于固定支撑结构上。
上述方案中，所述海洋能综合利用系统还包括防冲刷防护装置，设置在海床面位置，装配在固定支撑结构上，防冲刷防护装置包括刚性护筒和柔性护垫，所述柔性护垫采用吸能材料制成，套装于所述固定支撑结构上；所述刚性护筒由刚性材料制成，包括外圈和内圈两层结构，且外圈和内圈均设有不规则孔洞，刚性护筒套装在柔性护垫外围，并通过设置于底部的连接盘与柔性护垫固定连接。
上述方案中，所述固定支撑结构底部固定在海床上以支撑所述海洋能综合利用系统，固定支撑结构采用直径大于等于2m的大直径单桩基础，桩基内部设有与风、浪、流能发电子系统配套的电力传输子系统，并分别与风能发电子系统、波浪能发电子系统、潮流能发电子系统中的发电机相连接。
本发明的有益效果在于：
1、波浪能发电子系统为基于机械整流式PTO的摆式波浪能发电装置，通过自调节式机械传动装置安装于固定支撑结构上，自调节式机械传动装置的结构设计使得波浪能发电子系统能够上下移动并能以桩基为轴做环形运动，从而波浪能发电子系统可根据海平面的升降和波浪方向，根据波浪方向自适应装置的监测信号调节高度和方向，以保持俘能摆板与波浪方向尽可能垂直，自适应最大能量密度的浪向，捕获最大的波浪能量，以此提高了波浪能的利用率，不会因为涨潮退潮以及波浪方向的改变而降低工作效率。
2、潮流能发电子系统在水轮机外增设导流罩，使腔内区域海流流速增加，经由水轮机，将动能转化为电能，提高了潮流能的利用率，以实现潮流能的更大限度利用。同时，两个潮流能发电装置关于单桩基础对称设置，最大限度地消除了来流不均匀性对潮流能发电装置发电效率的影响。
3、在桩底海床处设置防冲刷防护装置，经由潮流能发电子系统对能量的捕获，同时配合防冲刷防护装置对海流能量的消散，即整体上减小了海流对桩基的冲刷，同时也一定程度上防止了局部冲刷。
4、风能发电子系统、波浪能发电子系统和潮流能发电子系统通过共同的电力传输系统传输电能，实现了风、浪、流多能互补发电，提高了发电的稳定性和能源的利用率；同时充分使用桩基上、中、下、底部空间，提高了桩基的纵向空间利用率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统的整体结构图；
图2是图1所示海洋能综合利用系统的风能发电子系统的结构图；
图3是图1所示海洋能综合利用系统的波浪能发电子系统及自调节式机械传动装置的结构图；
图4是图3所示自调节式机械传动装置的环形架的结构图；
图5是图3所示波浪能发电子系统的机械式整流PTO模块的结构图；
图6是图1所示海洋能综合利用系统的潮流能发电子系统及防冲刷防护装置的结构图。
图中：10、固定支撑结构；
20、风能发电子系统；11、风机叶片；12、风机塔筒；
30、波浪能发电子系统；31、俘能摆板；32、机械式整流PTO模块；321、连接轴；322、单向离合器；323、输出轴；324、发电机；
40、潮流能发电子系统；41、增速导流罩；42、水平轴水轮机；43、导流罩支架；44、水轮机支臂；
50、自调节式机械传动装置；51、筒形底座；511、竖直导轨；512、缓冲防护装置；52、内圈环形架；521、滑块；522、环形导轨；53、外圈环形架；54、支撑杆；55、波浪方向自适应装置；
60、防冲刷防护装置；61、刚性护筒；62、柔性护垫。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，包括：固定支撑结构10，用于固定在海床上并支撑海洋能综合利用系统；风能发电子系统20，设置在固定支撑结构10上部，用于将风能转化为电能输出；波浪能发电子系统30，设置在海平面位置，与固定支撑结构10相连，用于将波浪能转化为电能输出；潮流能发电子系统40，设置在海床面位置，与固定支撑结构10相连，用于将潮流能转化为电能输出。
海洋能综合利用系统还包括自调节式机械传动装置50，波浪能发电子系统30通过自调节式机械传动装置50安装于固定支撑结构10上，使波浪能发电子系统30始终位于海平面处，将波浪能转化为电能并输出。波浪能发电子系统30为基于机械整流式PTO(动力输出)的摆式波浪能发电装置，包括俘能摆板31和机械式整流PTO模块32，俘能摆板31与机械式整流PTO模块32铰接，如图3-4所示；自调节式机械传动装置50包括筒形底座51、内圈环形架52和外圈环形架53，所述筒形底座51固定套装于固定支撑结构10的海平面波动段，筒形底座51外侧设有竖直导轨511，所述内圈环形架52内侧与所述竖直导轨511适配安装，使内圈环形架52能够相对筒形底座51上下滑动；所述内圈环形架52外侧设有环形导轨522，所述外圈环形架53内侧与所述环形导轨522适配安装，使所述外圈环形架53能够相对内圈环形架52实现圆周滑动；所述外圈环形架53外侧一端与所述机械式整流PTO模块32固定连接。
进一步优化，所述内圈环形架52内侧设有与所述竖直导轨511适配的滑块521，内圈环形架52通过滑块521连接在筒形底座51的竖直导轨511上。
进一步优化，所述外圈环形架53内侧设有与所述环形导轨522适配的导轨滑槽，所述环形导轨522嵌置于导轨滑槽内。
进一步优化，筒形底座51的竖直导轨511的上下两端设有缓冲防护装置512，限制环形架的移动范围并防止环形架在运动中对筒形底座51的冲撞，降低装置在极端海况下的损坏。
进一步优化，外圈环形架53外侧的另一端设有波浪方向自适应装置55，波浪方向自适应装置55包括传感器、海底光缆、交换机和电子控制单元，所述传感器布置在远海海域用于监测波浪信息，通过所述海底光缆将信号传递至所述交换机转化为电信号，并将电信号传输入所述电子控制单元，从而控制所述机械传动装置50实现智能姿态调节，提升波浪能发电效率。
进一步优化，所述机械整流式PTO模块32包括连接轴321以及对称设置于所述连接轴321两端的两组单向离合器322、输出轴323和发电机324；所述机械整流式PTO模块32通过连接轴321与俘能摆板31铰接，连接轴321左右两侧分别设置所述单向离合器322，通过输出轴323与所述发电机324相连接；所述连接轴321左右两侧的单向离合器322方向相反，通过波浪驱使俘能摆板31以连接轴321为轴、波浪面为对称面进行往复摆动，分别带动一侧输出轴323单方向运转，从而驱动单方向摆动对应单个发电机324发电，保证波浪能发电子系统发电的连续性，提高发电效率和稳定性。
进一步优化，潮流能发电子系统40包括对称布置于固定支撑结构10两侧的两个潮流能发电装置，每个潮流能发电装置均包括一增速导流罩41和一水平轴水轮机42，增速导流罩41为圆形导流罩，通过导流罩支架43固定于海床，起到聚能和保护的作用；水平轴水轮机42设置于增速导流罩41内部，通过L型水轮机支臂44安装于固定支撑结构10上。
进一步优化，海洋能综合利用系统还包括防冲刷防护装置60，设置在海床面位置，装配在固定支撑结构10上，用于削弱潜流、涡流等的冲刷作用。如图5所示，防冲刷防护装置60包括刚性护筒61和柔性护垫62，柔性护垫62采用具有大变形能力、刚度小、阻尼系数大、耐腐蚀的硅橡胶或聚氨酯等吸能材料制成，柔性护垫62套装于固定支撑结构10上；刚性护筒61由刚性材料制成，包括外圈和内圈两层结构，且外圈和内圈均设有不规则孔洞，孔洞用于改变桩周流场，刚性护筒61的双层孔洞交错设置，能够改变流场，更好的消能，减小局部涡流的影响。刚性护筒61套装在柔性护垫62外围，并通过设置于底部的连接盘与柔性护垫62固定连接。
进一步优化，固定支撑结构10采用直径大于等于2m的大直径单桩基础，桩基内部设有与风、浪、流能发电子系统配套的电力传输子系统，并分别与风能发电子系统20、波浪能发电子系统30、潮流能发电子系统40中的发电机相连接。
进一步优化，风能发电子系统20为5MW级海上风力发电机，包括风机叶片11、风机塔筒12和设置于机舱内的发电机，可将风能转化为电能并输出。
本发明的工作原理：风能发电子系统20在风力作用下将风能转化为动能，进而转化为电能；波浪能发电子系统30采用基于机械整流式PTO(动力输出)的摆式波浪能发电装置，通过自调节式机械传动装置50与单桩基础相连接，自调节式机械传动装置50具有竖直导轨与环形架，能够调节摆式波浪能发电装置的姿态，自适应不同的潮位和最大能量密度的浪向；同时，机械整流式PTO模块中，通过连接轴与俘能摆板铰接，连接轴内左右分别配置单向离合器，分别通过输出轴连接机械式整流PTO模块内的发电机，保证摆板单方向所俘获的能量对应单个电机发电，实现了机械式整流的功能；海平面以下，增速导流罩41增大导流罩内海流流速，通过水平轴水轮机叶轮将潮流能转化为动能，从而发电；鉴于靠近海床处海流的部分能量已经被潮流能发电子系统40吸收利用，配合海床处的防冲刷防护装置60，减少了海流对桩基的冲刷作用，提高基础的安全性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，包括固定支撑结构(10)、安装于所述固定支撑结构(10)顶部的风能发电子系统(20)、安装于所述固定支撑结构(10)海平面位置处的波浪能发电子系统(30)、安装于所述固定支撑结构(10)底部的潮流能发电子系统(40)；其特征在于，
所述海洋能综合利用系统还包括自调节式机械传动装置(50)，所述波浪能发电子系统(30)通过自调节式机械传动装置(50)安装于所述固定支撑结构(10)上；其中，波浪能发电子系统(30)包括俘能摆板(31)和机械式整流PTO模块(32)，所述俘能摆板(31)与机械式整流PTO模块(32)铰接；自调节式机械传动装置(50)包括筒形底座(51)、内圈环形架(52)和外圈环形架(53)，所述筒形底座(51)固定套装于固定支撑结构(10)的海平面波动段，筒形底座(51)外侧设有竖直导轨(511)，所述内圈环形架(52)内侧与所述竖直导轨(511)适配安装，使内圈环形架(52)能够相对筒形底座(51)上下滑动；所述内圈环形架(52)外侧设有环形导轨(522)，所述外圈环形架(53)内侧与所述环形导轨(522)适配安装，使所述外圈环形架(53)能够相对内圈环形架(52)实现圆周滑动；所述外圈环形架(53)外侧一端与所述机械式整流PTO模块(32)固定连接；所述外圈环形架(53)外侧的另一端设有波浪方向自适应装置(55)，所述波浪方向自适应装置(55)包括传感器、海底光缆、交换机和电子控制单元，所述传感器布置在远海海域用于监测波浪信息，通过所述海底光缆将信号传递至所述交换机转化为电信号，并将电信号传输入所述电子控制单元，从而控制所述机械传动装置(50)实现智能姿态调节，提升波浪能发电效率。
2.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述内圈环形架(52)内侧设有与所述竖直导轨(511)适配的滑块(521)，内圈环形架(52)通过滑块(521)连接在筒形底座(51)的竖直导轨(511)上。
3.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述外圈环形架(53)内侧设有与所述环形导轨(522)适配的导轨滑槽，所述环形导轨(522)嵌置于导轨滑槽内。
4.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述筒形底座(51)的竖直导轨(511)的上下两端设有缓冲防护装置(512)。
5.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述机械整流式PTO模块(32)包括连接轴(321)以及对称设置于所述连接轴(321)两端的两组单向离合器(322)、输出轴(323)和发电机(324)；所述机械整流式PTO模块(32)通过连接轴(321)与俘能摆板(31)铰接，连接轴(321)左右两侧分别设置所述单向离合器(322)，通过输出轴(323)与所述发电机(324)相连接；所述连接轴(321)左右两侧的单向离合器(322)方向相反，通过波浪驱使俘能摆板(31)以连接轴(321)为轴进行往复摆动，分别带动一侧输出轴(323)单方向运转，从而驱动单方向摆动对应单个发电机(324)发电，保证波浪能发电子系统发电的连续性。
6.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述潮流能发电子系统(40)包括对称布置于固定支撑结构(10)两侧的两个潮流能发电装置，每个潮流能发电装置均包括一增速导流罩(41)和一水平轴水轮机(42)，所述增速导流罩(41)为圆形导流罩，通过导流罩支架(43)固定于海床；所述水平轴水轮机(42)设置于增速导流罩(41)内部，通过水轮机支臂(44)安装于固定支撑结构(10)上。
7.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述海洋能综合利用系统还包括防冲刷防护装置(60)，设置在海床面位置，装配在固定支撑结构(10)上，防冲刷防护装置(60)包括刚性护筒(61)和柔性护垫(62)，所述柔性护垫(62)采用吸能材料制成，套装于所述固定支撑结构(10)上；所述刚性护筒(61)由刚性材料制成，包括外圈和内圈两层结构，且外圈和内圈均设有不规则孔洞，刚性护筒(61)套装在柔性护垫(62)外围，并通过设置于底部的连接盘与柔性护垫(62)固定连接。
8.根据权利要求1所述的集成风、浪、流能发电装置的海洋能综合利用系统，其特征在于，所述固定支撑结构(10)底部固定在海床上以支撑所述海洋能综合利用系统，固定支撑结构(10)采用直径大于等于2m的大直径单桩基础，单桩基础内部设有与风、浪、流能发电子系统配套的电力传输子系统，并分别与风能发电子系统(20)、波浪能发电子系统(30)、潮流能发电子系统(40)中的发电机相连接。
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