CN113107748A - 一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置 - Google Patents

一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，包括风机，风机与振荡水柱式发电装置相连，振荡水柱式发电装置通过支撑杆与减摇装置相连，减摇装置沿着振荡水柱式发电装置的周向均匀间隔分布，减摇装置包括平台浮筒、压载底座、螺旋侧板和减摇围板，压载底座上设置同轴的平台浮筒和减摇围板，平台浮筒与减摇围板的空间内设置螺旋侧板，减摇围板、螺旋侧板上均设置若干通孔。本发明能够高效利用清洁能源；活塞使空气压出和吸入更加平缓稳定，有利于提高波浪能转换效率；减摇装置增加了漂浮式基础的运动阻尼，减小发电装置在风、浪、流作用下的运动响应，在减少系泊系统疲劳，也减少摆动幅度，保证整体结构安全，提高发电效率。

Description

一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置
技术领域
本发明涉及发电装置，具体为一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置。
背景技术
目前，清洁能源的开发和利用是全球关注的热点问题，其中风能是清洁能源中最具规模的，我国拥有1.8万公里的海岸线海上风能资源不仅储量大且密度高，具有大规模开发的优势。对于水深超过50米海域，漂浮式风机基础比固定式风机基础在经济性和安全性上更具有优势。其优势主要包括：(1)远场海域风能资源充足、质量优；(2)选址安装不受限，便于移动；(3)降低噪声和消除视觉污染。
但是，漂浮式基础没有稳定的桩基，在风、浪、流的作用下就会产生六自由度的运动响应，再加上位置较高的风电机组，导致风机最大摆动幅度能达到10°，破坏流场的稳定性，泄涡之间相互作用加强，严重影响发电效率。风机在不断摆动过程中，系泊系统响应频繁，非常容易产生疲劳，甚至发生锚链断裂，，也是潜在的安全隐患。
因此，需要开发一种减摇发电装置，减小海上漂浮式基础运动响应的同时提高能源利用率，这是保证风机正常运转的关键技术。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种能够有效减少横纵摇、垂荡、提高耐波性、提高减摇效果、平稳运行的风浪能混合利用的海上浮式发电装置。
技术方案：本发明所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，包括风机，风机与振荡水柱式发电装置相连，振荡水柱式发电装置通过支撑杆与减摇装置相连，减摇装置沿着振荡水柱式发电装置的周向均匀间隔分布，减摇装置包括平台浮筒、压载底座、螺旋侧板和减摇围板，压载底座上设置同轴的平台浮筒和减摇围板，平台浮筒与减摇围板的空间内设置螺旋侧板，减摇围板、螺旋侧板上均设置若干通孔。减摇装置使海上风机整体的附加质量增加，在保证结构强度的同时，有效抵抗风、浪、流对风机的作用，减少整体摆动幅度，有利于提高稳定性，降低维护成本，缩短维护周期，提高使用寿命。
进一步地，螺旋侧板呈螺旋上升状，内接于平台浮筒，外接于减摇围板，独特的螺旋环绕结构可以增加海上风机垂向的运动阻尼。平台浮筒为空心体，是整体结构浮力的主要来源。压载底座为实心体，使平台重心降低，保证平台稳性。
进一步地，通孔为圆形、椭圆形或方形。减摇围板上的通孔优选为竖向均匀排列。减摇围板通孔可以增加横向、纵向的运动阻尼。螺旋侧板主要有两个作用，一是加固和支撑减摇围板，二是增加平台垂向运动阻尼，降低了海上浮式发电装置的垂荡运动。
进一步地，振荡水柱式发电装置包括上舱体、无轴涡轮、通气孔、活塞和下舱体，上舱体上设置无轴涡轮和通气孔，通气孔用于平衡上、下舱体的体积变化引起的压差，无轴涡轮转动式嵌套于上舱体顶部，在空气推动下可以将机械能转化为电能，活塞位于液面以上。
进一步地，活塞为工字型。活塞包括顶板、底板和连接杆，顶板与上舱体的内壁相连，底板与下舱体的内壁相连。顶板的面积比底板的面积小，使空气压出和吸入更加平缓稳定，提高波浪能转换效率。在未接触到自由液面的情况下，由于活塞的顶板比底板面积小的结构特点，根据“压强＝压力/面积”的物理关系，上舱体的压强是下舱体的数倍，在接触到自由液面的情况下活塞又可以起到平缓自由液面的作用舱。在这两种情况下活塞都提高了动能转化的效率。
进一步地，风机包括风机塔柱和风机叶片，风机叶片通过风机塔柱与振荡水柱式发电装置相连。
工作原理：在风力的作用下，风力机叶片将发生旋转，将风的动能转化为风力机机舱内风轮轴的机械能，风力机机舱内的发电机在风轮轴的带动下旋转发电。
在风力资源丰富的地方通常伴有良好的波浪能资源，平台的垂荡运动会使中部立柱内部形成振荡水柱，振荡水柱的往复运动使活塞产生同样频率的周期性往复运动，活塞的周期性往复运动使无轴涡轮上下两侧产生空气压力差，进而驱动无轴涡轮旋转完成发电。
在强风大浪的情况下，减摇围板均匀竖直排列的通孔可以增加横向、纵向的运动阻尼，螺旋侧板独特的螺旋环绕结构和管穿孔可以增加海上风机垂向的运动阻尼，减摇装置使整体的附加质量增加，在保证结构强度的同时，有效抵抗风、浪、流对发电装置的作用，减少发电装置整体摆动幅度，提高风机稳定性，同时避免了一部分锚链、锚固装置等系泊系统的疲劳，降低维护成本，缩短维护周期，提高使用寿命。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、是一种风能和波浪能混合利用的海上浮式发电装置，能够高效利用清洁能源；
2、振荡水柱式发电装置具有活塞，使空气压出和吸入更加平缓稳定，有利于提高波浪能转换效率；
3、减摇装置的独特结构，增加了漂浮式基础的运动阻尼，减小了发电装置在风、浪、流作用下的运动响应，在减少系泊系统疲劳，也减少了摆动幅度，从而能够保证发电装置的整体结构安全，提高发电效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明减摇装置4的剖视图；
图3是本发明螺旋侧板43的结构示意图；
图4是本发明振荡水柱式发电装置2的剖视图；
图5是本发明无轴涡轮22的结构示意图；
图6是本发明六个方向上自由度的示意图。
具体实施方式
以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。
如图1，风浪能混合利用的海上浮式发电装置，包括风机1(NREL5MW)和半潜浮式支撑平台(OC4-DeepCWind)。风机1包括一根风机塔柱11和三个风机叶片12。风机1就是现有的风力发电装置，在风力的作用下，风力机叶片将发生旋转，将风的动能转化为风力机机舱内风轮轴的机械能，风力机机舱内的发电机在风轮轴的带动下旋转发电。半潜浮式支撑平台包括支撑杆3将三个减摇装置和振荡水柱式发电装置2，减摇装置沿着振荡水柱式发电装置2的周向均匀间隔分布，减摇装置作为平台桩腿，主要起到承载振荡水柱式发电装置2和支撑上部风机1的作用。
如图2～3，减摇装置使海上风机1整体的附加质量增加，在保证结构强度的同时，有效抵抗风、浪、流对风机1的作用，减少整体摆动幅度，有利于提高稳定性，降低维护成本，缩短维护周期，提高使用寿命。减摇装置包括平台浮筒41、压载底座42、螺旋侧板43和减摇围板44，压载底座42上设置同轴的平台浮筒41和减摇围板44，平台浮筒41与减摇围板44的空间内设置螺旋侧板43，减摇围板44、螺旋侧板43上均设置若干通孔45。
螺旋侧板43呈螺旋上升状，内接于平台浮筒41，外接于减摇围板44，独特的螺旋环绕结构可以增加海上风机1垂向的运动阻尼。螺旋侧板43上的通孔45的孔径为底部圆周直径的10％，开孔率为18％。螺旋侧板43主要有两个作用，一是加固和支撑减摇围板44，二是增加平台垂向运动阻尼，降低了海上浮式发电装置的垂荡运动。平台浮筒41为空心体，是整体结构浮力的主要来源。压载底座42为实心体，使平台重心降低，保证平台稳性。通孔45为圆形、椭圆形或方形，考虑到加工方便以及板面应力集中等因素，优选为圆形。减摇围板44采用冲孔网结构，减摇围板44上的通孔45的孔径为围板宽度的80％，开孔率为5％。在保证结构的同时，通孔45优选为竖向均匀排列，增加了横向、纵向的运动阻尼，降低了海上漂浮式基础沿y轴向上的横摇和x轴向上的纵摇，如图6。
如图4～5，半潜浮式支撑平台的中部立柱内部设有振荡水柱式发电装置2，振荡水柱式发电装置2包括上舱体21、无轴涡轮22、通气孔23、活塞24和下舱体25，上舱体21上设置无轴涡轮22和轴向均匀分布的通气孔23。无轴涡轮22由数片无轴式叶片组成，可转动式嵌套于上舱体21顶部，在空气推动下可以将机械能转化为电能。活塞24为工字型，位于液面以上。活塞24包括顶板241、底板242和连接杆243，顶板241与上舱体21的内壁相连，底板242与下舱体25的内壁相连。顶板241的面积比底板242的面积小，使空气压出和吸入更加平缓稳定，提高波浪能转换效率。在未接触到自由液面的情况下，由于活塞24的顶板241比底板242面积小的结构特点，根据“压强＝压力/面积”的物理关系，上舱体21的压强是下舱体25的数倍，在接触到自由液面的情况下活塞24又可以起到平缓自由液面的作用舱。在这两种情况下活塞24都提高了动能转化的效率。
如图6，在风力资源丰富的地方通常伴有良好的波浪能资源，平台的垂荡运动会使中部立柱内部形成振荡水柱，振荡水柱沿z轴方向的往复运动使活塞24产生同样频率的周期性往复运动，活塞24的周期性往复运动使无轴涡轮22上下两侧产生空气压力差，进而驱动无轴涡轮22旋转完成发电。
在强风大浪的情况下，减摇围板44均匀竖直排列的通孔45可以增加横向(y轴方向)、纵向(x轴方向)的运动阻尼，螺旋侧板43独特的螺旋环绕结构和管穿孔可以增加垂向(z轴方向)的运动阻尼，减摇装置使整体的附加质量增加，在保证结构强度的同时，有效抵抗风、浪、流对发电装置的作用，减少发电装置整体摆动幅度，提高风机1稳定性，同时避免了一部分锚链、锚固装置等系泊系统的疲劳，降低维护成本，缩短维护周期，提高使用寿命。

Claims (10)

1.一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：包括风机(1)，所述风机(1)与振荡水柱式发电装置(2)相连，所述振荡水柱式发电装置(2)通过支撑杆(3)与减摇装置(4)相连，所述减摇装置(4)沿着振荡水柱式发电装置(2)的周向均匀间隔分布，所述减摇装置(4)包括平台浮筒(41)、压载底座(42)、螺旋侧板(43)和减摇围板(44)，所述压载底座(42)上设置同轴的平台浮筒(41)和减摇围板(44)，所述平台浮筒(41)与减摇围板(44)的空间内设置螺旋侧板(43)，所述减摇围板(44)、螺旋侧板(43)上均设置若干通孔。
2.根据权利要求1所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述螺旋侧板(43)呈螺旋上升状，内接于平台浮筒(41)，外接与减摇围板(44)。
3.根据权利要求1所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述平台浮筒(41)为空心体。
4.根据权利要求1所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述压载底座(42)为实心体。
5.根据权利要求1所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述通孔为圆形、椭圆形或方形。
6.根据权利要求1所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述振荡水柱式发电装置(2)包括上舱体(21)、无轴涡轮(22)、通气孔(23)、活塞(24)和下舱体(25)，所述上舱体(21)上设置无轴涡轮(22)和通气孔(23)，所述无轴涡轮(22)转动式嵌套于上舱体(21)顶部，所述活塞(24)位于液面以上。
7.根据权利要求6所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述活塞(24)为工字型。
8.根据权利要求6所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述活塞(24)包括顶板(241)、底板(242)和连接杆(243)，所述顶板(241)与上舱体(21)的内壁相连，所述底板(242)与下舱体(25)的内壁相连。
9.根据权利要求8所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述顶板(241)的面积比底板(242)的面积小。
10.根据权利要求1所述的一种风浪能混合利用的海上浮式发电装置，其特征在于：所述风机(1)包括风机塔柱(11)和风机叶片(12)，所述风机叶片(12)通过风机塔柱(11)与振荡水柱式发电装置(2)相连。
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