CN113335467A - 一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可再生能源技术和海洋装备领域，更具体的说是一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，包括浮力平台、桁架构件、太阳能发电装置、波浪能发电装置和系泊装置，桁架构件连接在浮力平台上，桁架构件上设置有太阳能发电装置，浮力平台的外围设置有波浪能发电装置，桁架构件的外侧连接有系泊装置，可以将太阳能和波浪能结合起来，实现互补发电、协同增效；浮力平台由若干空心浮子构成，可以快速部署大面积海上浮式平台，用以放置太阳能电池板；浮力平台空心浮子之间的中空区域有效地减小了入射波的作用力；波浪能发电装置采用垂直振荡浮子，无需通过液压装置将机械能转换为电能，直接通过电磁感应简化了结构，提高了发电效率。

Description

一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台
技术领域
本发明涉及可再生能源技术和海洋装备领域，更具体的说是一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台。
背景技术
近年来各个国家尤其是陆地资源较少如日本和欧洲丹麦、荷兰等国家大力发展海洋浮式平台，以探索和利用海洋蕴藏的储量巨大的可再生能源，包括的海上太阳能、波浪能、风能等。
目前海洋浮式平台基本以海上浮式风力发电机为主，处于小规模商业化运营的只有位于英国的Hywind Scotland和葡萄牙的WindFloat Atlantic两个项目，其他浮式风机概念均停留在缩比实验阶段。但是海上风能并不是连续的、稳定的，太阳能和波浪能亦是如此，相较而言，波浪能具有更高的能量密度,因此，多种能源互补的海洋漂浮基础应用而生，海洋可再生能源的组合是一种有效率且有前途的解决方案，可以达到协同增效的作用，例如增加能量转换效率，降低运营和维护成本。
风能和波浪能组合发电的海洋浮式平台研究较多，由于风力发电机浮式平台采用的荷兰三浮子设计较为成熟，利用三浮子外壁及三浮子之间的桁架空间，直接安装摆式波浪能发电装置，如公开号CN111042978A所示。由于风力发电机的重量大、重心高，需要尺寸巨大的浮子来提供浮力和降低重心，浮式平台的制造和安装成本非常高。太阳能和波浪能结合的比较少，原因是一般的波浪能装置无法提供大面积的甲板来安装太阳能电池板。
公开号CN110805524A提供了一种海上太阳能、风能和波浪能互补的浮式平台，采用了和水下巨型压载舱的尺寸相同的双层上甲板用来分布布置太阳能电池板和小功率垂直轴风机，甲板边缘设置了振荡浮子波浪能发电装置，这个发明的半潜式浮式平台建造成本极高，尤其是尺寸巨大的压载舱，悬臂式振荡浮子连接到液压系统，需要经过两次能量转换，降低了发电效率。公开号CN111193464A提供了一种太阳能和波浪能组合发电的浮式平台，浮力支撑板上设计了带有四个倾斜面的棱台结构，每个面均安装有太阳能电池板，这个发明的棱台设计并未考虑太阳能电池板的有效利用率，同时大面积的支撑板及一体式的棱台结构设计非常容易遭受大的波浪作用力，波浪能发电装置同样需要经过两次能量转换。综上现有技术的缺点是无法将波浪能和太阳能低成本、高效率地结合起来，实现能源互补。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，以张力腿式浮力平台为安装基础，振荡浮子无需考虑波浪入射方向，太阳能电池板可以通过海水降温来提高发电效率，将波浪能和太阳能结合起来，实现能源互补。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，包括浮力平台、桁架构件、太阳能发电装置、波浪能发电装置和系泊装置，桁架构件连接在浮力平台上，桁架构件上设置有太阳能发电装置，浮力平台的外围设置有波浪能发电装置，桁架构件的外侧连接有系泊装置；
浮力平台由若干空心浮子组成上下两层，空心浮子上设置有三个第一外延臂，三个第一外延臂位于同一水平面内，三个第一外延臂之间的夹角互为120度，空心浮子上设置有位于垂直面内的第三外延臂，第三外延臂与第一外延臂所在平面夹角120度，空心浮子上设置有位于垂直面内垂直方向的第二外延臂，三个第一外延臂、第二外延臂和第三外延臂的外侧均连接有盲法兰，相邻的空心浮子之间通过盲法兰相互连接；
桁架构件包括第一桁架构件、第二桁架构件和第三桁架构件，第一桁架构件由多个横梁和多个纵梁在同一个平面上构成，第一桁架构件连接在浮力平台的上侧，第一桁架构件的外围固定连接有多个第二桁架构件，第一桁架构件的四角均固定连接有第三桁架构件，第一桁架构件的底部固定连接在位于上侧的盲法兰上；
太阳能发电装置由若干块并列的太阳能电池板构成，太阳能发电装置固定连接在第一桁架构件的上侧，太阳能电池板水平放置或根据所在纬度倾斜放置；
波浪能发电装置为振荡浮子式波浪能发电装置，波浪能发电装置包括振荡浮子、导杆和PTO装置，波浪能发电装置的数量为偶数，多个波浪能发电装置对称分布在浮力平台外围，多个PTO装置分别固定连接在多个第二桁架构件上，PTO装置外形为圆筒形或多边形，PTO装置上装有励磁绕组，PTO装置内滑动连接有导杆，导杆上装有永磁体和磁轭，导杆的下端固定连接有振荡浮子；
系泊装置包括系泊点、张力筋腱和锚，张力筋腱为合成纤维绳或钢索，四个第三桁架构件上均设置有系泊点，每个系泊点上至少连接有两根张力筋腱，其中一个张力筋腱垂直于海床，另一根张力筋腱倾斜设置，每个张力筋腱的下端均连接有锚，多个张力筋腱对称分布。
本发明一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台的有益效果为：
本发明一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，可以将太阳能和波浪能结合起来，实现互补发电、协同增效；浮力平台由若干空心浮子构成，具备模块化制造和装配的条件，具有良好的扩展性，可以低成本地快速部署大面积海上浮式平台，用以放置太阳能电池板；浮力平台空心浮子之间的中空区域减小了平台的迎浪面积，降低了入射波的作用力，同时中控区域可以通过不同周期的波浪，波浪在不同浮子之间形成驻波，有效地削弱了波浪的作用力，保证了浮力平台的漂浮稳定性，提高了太阳能电池板的发电效率；波浪能发电装置采用垂直振荡浮子，无需通过液压装置将机械能转换为电能，直接通过电磁感应简化了结构，提高了波浪能发电效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台整体结构示意图；
图2是本发明的基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台正试图结构示意图；
图3是本发明的基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台局部结构示意图；
图4是本发明的浮力平台结构示意图一；
图5是本发明的浮力平台结构示意图二；
图6是本发明的两个空心浮子连接结构示意图；
图7是本发明的桁架构件结构示意图；
图8是本发明的太阳能发电装置局部结构示意图；
图9是本发明的波浪能发电装置结构示意图；
图10是本发明的系泊装置结构示意图。
图中：浮力平台1；空心浮子11；第二外延臂12；第一外延臂13；第三外延臂14；盲法兰15；桁架构件2；第一桁架构件21；横梁211；纵梁212；第二桁架构件22；第三桁架构件23；太阳能发电装置3；太阳能电池板31；波浪能发电装置4；振荡浮子41；导杆42；PTO装置43；系泊装置5；系泊点51；张力筋腱52；锚53。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
下面结合图1至10说明本实施方式，一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，包括浮力平台1、桁架构件2、太阳能发电装置3、波浪能发电装置4和系泊装置5，桁架构件2连接在浮力平台1上，桁架构件2上设置有太阳能发电装置3，浮力平台1的外围设置有波浪能发电装置4，桁架构件2的外侧连接有系泊装置5；
浮力平台1由若干空心浮子11组成上下两层，空心浮子11由玻璃纤维制成，空心浮子11上设置有三个第一外延臂13，三个第一外延臂13位于同一水平面内，三个第一外延臂13之间的夹角互为120度，用于水平面内连接，空心浮子11上设置有位于垂直面内的第三外延臂14，第三外延臂14与第一外延臂13所在平面夹角120度，第三外延臂14用于竖直方向上的连接，空心浮子11上设置有位于垂直面内垂直方向的第二外延臂12，第二外延臂12用于垂直方向上的支撑，三个第一外延臂13、第二外延臂12和第三外延臂14的外侧均连接有盲法兰15，相邻的空心浮子11之间通过盲法兰15相互连接；空心浮子11为空心结构，结构壁面为夹层结构，空心浮子11与外延臂连接处有加强筋。
桁架构件2包括第一桁架构件21、第二桁架构件22和第三桁架构件23，第一桁架构件21由多个横梁211和多个纵梁212在同一个平面上构成，第一桁架构件21连接在浮力平台1的上侧，第一桁架构件21的外围固定连接有多个第二桁架构件22，第一桁架构件21的四角均固定连接有第三桁架构件23，第一桁架构件21的底部固定连接在位于上侧的盲法兰15上；
横梁211间距由太阳能电池板31的宽度决定；纵梁212必须经过所有上层空心浮子11的第三外延臂14对应的盲法兰15，第二桁架构件22分为上下两层，上层杆件连接第一桁架21，下层杆件连接上层空心浮子11的第一外延臂13对应的盲法兰15，第三桁架构件23为第一桁架构件21的向外延伸；
第一桁架构件21位于浮力平台1正上方，用以支撑太阳能发电装置3，第二桁架构件22位于第一桁架构件21外围，用以支撑波浪能发电装置4，第三桁架构件23位于第一桁架构件21四个角，用以固定系泊装置5；
太阳能发电装置3由若干块并列的太阳能电池板31构成，太阳能发电装置3固定连接在第一桁架构件21的上侧，太阳能电池板301水平放置或根据所在纬度倾斜放置；
波浪能发电装置4为振荡浮子式波浪能发电装置，波浪能发电装置4包括振荡浮子41、导杆42和PTO装置43，振荡浮子41呈圆饼形，振荡浮子41随海浪起伏，带动导杆42上下运动，通过PTO装置43将机械能转化为电能波浪，能发电装置4的数量为偶数，多个波浪能发电装置4对称分布在浮力平台1外围，多个PTO装置43分别固定连接在多个第二桁架构件22上，PTO装置43外形为圆筒形或多边形，PTO装置43上装有励磁绕组，PTO装置43内滑动连接有导杆42，导杆42上装有永磁体和磁轭，导杆42的下端固定连接有振荡浮子41；
浮力平台1前后左右各布置了三套振荡浮子式波浪能发电装置4，PTO装置43呈圆筒形，PTO装置43的上端和下端分别装有导轮，以方便导杆42进行滑动，通过调整空心浮子11的数量和调节张力筋腱52的张力，使浮力平台1的上下层连接处为静水面；导杆和PTO装置43外形可以是圆筒形或多边形，多边形的PTO装置43具有成本优势；
在正常工作状态下，振荡浮子41位于水面，在波浪的作用下向上抬升，在重力的作用下向下降落，振荡浮子41带动导杆42上下往复运动，通过电磁感应，将机械能直接转化为电能，将振荡浮子式波浪能发电装置4和太阳能发电装置3发出的电能，经过整流和滤波后将交流电转换为直流电，然后送到海上升压站；
系泊装置5包括系泊点51、张力筋腱52和锚53，张力筋腱52为合成纤维绳或钢索，四个第三桁架构件23上均设置有系泊点51，每个系泊点51上至少连接有两根张力筋腱52，其中一个张力筋腱52垂直于海床，用以限制桁架构件2横摇、纵摇和垂荡，另一根张力筋腱52倾斜设置，用以限制桁架构件2横荡、纵荡和艏摇，每个张力筋腱52的下端均连接有锚53，多个张力筋腱502对称分布，优选的张力筋腱502设置有八根。
以上所述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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，包括浮力平台(1)、桁架构件(2)、太阳能发电装置(3)和波浪能发电装置(4)，其特征在于：所述桁架构件(2)连接在浮力平台(1)上，桁架构件(2)上设置有太阳能发电装置(3)，浮力平台(1)的外围设置有波浪能发电装置(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述浮力平台(1)由若干空心浮子(11)组成上下两层。
3.根据权利要求2所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述空心浮子(11)上设置有三个第一外延臂(13)，三个第一外延臂(13)轴心共面，三个第一外延臂(13)之间夹角为120度，空心浮子(11)上设置有第三外延臂(14)，空心浮子(11)上设置有第二外延臂(12)。
4.根据权利要求3所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述三个第一外延臂(13)、第二外延臂(12)和第三外延臂(14)的外侧均连接有盲法兰(15)，相邻的空心浮子(11)之间通过盲法兰(15)相互连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述桁架构件(2)包括连接在浮力平台(1)上的第一桁架构件(21)，第一桁架构件(21)的外围固定连接有多个第二桁架构件(22)，第一桁架构件(21)的四角均固定连接有第三桁架构件(23)。
6.根据权利要求5所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述第一桁架构件(21)由多个横梁(211)和多个纵梁(212)在同一个平面上构成。
7.根据权利要求1所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述太阳能发电装置(3)由若干块并列的太阳能电池板(31)构成，太阳能发电装置(3)设置在桁架构件(2)的上侧。
8.根据权利要求1所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述波浪能发电装置(4)包括振荡浮子(41)、导杆(42)和PTO装置(43)，PTO装置(43)上装有励磁绕组，PTO装置(43)内滑动连接有导杆(42)，导杆(42)上装有永磁体和磁轭，导杆(42)的下端固定连接有振荡浮子(41)。
9.根据权利要求1所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：所述波浪能发电装置(4)为振荡浮子式波浪能发电装置，波浪能发电装置(4)的数量为偶数，多个波浪能发电装置(4)对称分布在浮力平台(1)外围。
10.根据权利要求1所述的一种基于波浪能和太阳能组合发电的海洋浮式平台，其特征在于：还包括用于限制浮力平台(1)横摇、纵摇、垂荡、横荡、纵荡、和艏摇的系泊装置(5)。
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