CN113931786B - 液压式波浪能发电装置及海上风浪发电系统 - Google Patents

Abstract

液压式波浪能发电装置及海上风浪发电系统，属于可再生能源利用领域，为了解决波浪能充分利用的问题，并进一步解决风能和波浪能联合发电的问题，要点是各液压浮筒水平放置，相邻两个液压浮筒的底面相对，各组液压泵安装在位于中间的液压浮筒的内部，一组液压泵的柱塞的终端连接在左侧液压浮筒的底面上，另一组液压泵的柱塞的终端连接在右侧浮筒的底面上，以及两组液压泵的液压输出管路由不同方位连接在蓄压器上，一组水平向连接在蓄压器上，另一组竖直向连接在蓄压器上，效果是充分利用波浪能，并进一步实现风浪联合发电。

Description

液压式波浪能发电装置及海上风浪发电系统

技术领域

本发明属于海上可再生能源利用领域，涉及一种基于风能-波浪能的多能源发电系统。

背景技术

随着化石燃料危机和环境危机的加剧，越来越多国家都意识到只有依靠清洁能源人类才有继续生存的希望，现在中国就在大力投资建设清洁能源供应体系，其中发展海上风电是重中之重。相比于陆地，海上的风力更加强大，风向和风速也更稳定，可以改善风电效率较差和输出容易波动的缺点。海上风力机可以减少对陆地土地资源的占用；可以降低对运行环境的要求，不必担心电磁波、噪声对居民的影响；与陆上风电相比，海上风电靠近传统的电力负荷中心，利于电网的消纳和减少长距离输电带来的投资成本和电力损耗；海上风速比陆上风速高出20％～100％，发电效率也会相应提高。此外，风浪具有天然的相关性，在风能丰富的地区通常具有丰富的波浪能。然而，由于海洋能源有典型的不稳定性和分散性，单一的海洋能源利用装置大都存在着投资大、规模小、获益能力低以及输出功率不稳定等缺陷，严重阻碍了海洋能源开发利用快速发展。于是提出了风能-波浪能的多能源发电方案，并采取液压及推板式复合波浪能发电方法，弥补了海洋能的功率波动，降低海洋能利用成本，提高海洋能输出稳定性。

发明内容

为了解决波浪能充分利用的问题，并进一步解决风能和波浪能联合发电的问题。本发明提出如下的技术方案：一种液压式波浪能发电装置，包括

蓄压器，

液压马达，其连接蓄压器并由蓄压器内的高压液压油驱动转动，

发电机，其连接液压马达，并由液压马达驱动发电，

三个液压浮筒，各液压浮筒水平放置，相邻两个液压浮筒的底面相对，

两组液压泵，各组液压泵安装在位于中间的液压浮筒的内部，一组液压泵的柱塞的终端连接在左侧液压浮筒的底面上，另一组液压泵的柱塞的终端连接在右侧浮筒的底面上，以及两组液压泵的液压输出管路由不同方位连接在蓄压器上，一组水平向连接在蓄压器上，另一组竖直向连接在蓄压器上。

作为技术方案的补充，液压浮筒包括第一液压浮筒、第二液压浮筒、第三液压浮筒，液压泵包括第一液压泵、第二液压泵。

作为技术方案的补充，第一液压泵包括两个，两路第一液压泵的液压输出管路连接在蓄压器的侧面，且连接位置在水平向上为相对设置，两第一液压泵的柱塞套装在各自的柔性套管中，各第一液压泵的柱塞的终端与第一液压浮筒的一侧底面连接，且分布在所述底面的水平向两端；

第二液压泵包括两个，两路第二液压泵的液压输出管路连接在蓄压器的上下的两个底面，两第二液压泵的柱塞套装在各自的柔性套管中，各第二液压泵的柱塞的终端与第三液压浮筒连接的一侧底面连接，且分布在所述底面的竖直向两端。

作为技术方案的补充，各一个第一液压浮筒、第二液压浮筒、第三液压浮筒组成一组浮筒系统，两个相邻的浮筒系统间通过一个第二液压浮筒连接形成浮筒系统组。

一种海上风浪发电系统，包括

风机，

塔筒，风机安装在塔筒的顶端部，

半潜浮式平台，具有中部开口，且通过支撑装置连接平台外框，将塔筒支撑在中部开口的上方，由立柱支撑平台使其在水域中半潜式浮荡，

以及

任一项所述的液压式波浪能发电装置，液压式波浪能发电装置连接在两个立柱之间，液压浮筒漂浮于水域中，且液压式波浪能发电装置朝向迎浪方向安装。

作为技术方案的补充，所述的海上风浪发电系统还包括气压推板式波浪能发电装置，其包括涡轮发电机安装筒、腔室、摆动机构，腔室安装在涡轮发电机安装筒内，腔室由隔板分隔为下部连通的第一腔和第二腔，第一腔和第二腔的顶板均开出第一气口和第二气口，各腔的第一气口向下连接防坠网，防坠网中兜装竖向移动的球体且竖向移动的球体尺寸超过第一气口尺寸，第一腔的顶板的第二气口连通第一气流管道，第二腔的顶板的第二气口连通第二气流管道，第一气流管道和第二气流管道在管道顶部汇聚连通并形成一路出气管道，水平向移动的球体通过第一气流管道和第二气流管道的两个管道的连通区域在两个管道中移动，且水平向移动的球体的尺寸超过第二气口，并超过出气管道的开口，第一腔和第二腔各安装有活塞，两个腔内的活塞连杆均与摆动机构铰接，气压推板式波浪能发电装置的涡轮发电机安装筒安装在在中央开口平台的外框的下台面，且朝向迎浪方向安装，摆动机构漂浮在水域中。

作为技术方案的补充，腔室的底板连接刚性连杆，刚性连杆与摆动机构铰接，并位于两个腔内的活塞连杆之间。

作为技术方案的补充，所述的摆动机构包括横板和与横板一侧板面相交或垂直固定的立板，横板的另一侧板面与活塞连杆、刚性连杆铰接，横板的非迎浪侧安装平衡装置。

作为技术方案的补充，涡轮发电机安装筒内安装涡轮发电机，且至少一个所述的腔室安装在涡轮发电机安装筒内，各腔室的出气管道分别或连通成一个管道而朝向涡轮发电机的叶片喷射压缩气体。

作为技术方案的补充，所述的半潜浮式平台大体呈中央开口的三角形平台，且三条边为外凸圆弧边框，塔筒安装在支撑架上，支撑架具有三个支撑柱，各支撑柱连接在一个外凸圆弧边框上，使塔筒位于中央开口平台的中央开口位置。

本发明的有益效果：充分利用波浪能，并进一步实现风浪联合发电。

附图说明

图1是本发明的基于风能-波浪能的多能源发电系统立体结构示意图。

图2是本发明的液压式波浪能发电装置关节处示意图。

图3是本发明的T型推板式波浪能发电装置侧视图。

图4是本发明的装有T型推板式波浪能发电装置的浮筒剖面图。

图5是本发明的垂荡板俯视图。

图中：1.风机，2.塔筒，3.支撑架，4.半潜浮式平台，5.气压推板式波浪能发电装置，6.第一立柱，7.第二立柱，8.第三立柱，9.液压式波浪能发电装置，10.垂荡板，11.锚链，12.第一液压浮筒，13.第二液压浮筒，14.柔性套管，15.第一液压泵，16.蓄压器，17.液压马达，18.涡轮发电机安装筒，19.出气管道，20.第一球形阀门，21.第二球形阀门，22.第三球形阀门，23.腔室，24.防坠网，25.气压塞泵，26.腔室通气孔，27.塞泵连杆，28.刚性连杆，29.平衡球，30.T型板，31.涡轮发电机，32.第三液压浮筒，33.第一腔，34.第二腔，35.第一气口，36.第二气口，37.第一气流管道，38.第二气流管道，39.第二液压泵。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步说明。

在一种实施例中：一种多能源发电系统，包括风力发电系统、液压式波浪能发电系统和气压推板式波浪能发电系统。在一种优选方式中，本发明以流线型半潜浮式平台为基础将风能和液压及推板式波浪能装置相结合的多能源发电系统。

所述的风力发电系统包括风机1、塔筒2、支撑架3、半潜浮式平台4、第一立柱6、第二立柱7、第三立柱8、透空式六边形的垂荡板10、锚链11和电力传输系统。所述的风机1为兆瓦级水平轴风力发电机，其通过塔筒2与支撑架3相连、支撑架3安装在半潜浮式平台4上，各立柱连接在半潜浮式平台4的三个角点上，垂荡板10安装在各立柱的下端，立柱通过锚链11与海床相连。风机1在风力的推动下做旋转运动，将风力转换成机械能，再经过齿轮箱，驱动风1发电。

所述的液压式波浪能发电系统包括第一液压浮筒12、第二液压浮筒13、第三液压浮筒32、柔性套管14、油泵、蓄压器16、液压马达17和发电机(未图示)。液压式波浪能发电系统共设置两个，其结构为条状，并设置在迎浪方向，在一种实施方式汇总，每个液压式波浪能发电系统由5节圆柱形的液压浮筒组成，其排列顺序为第一液压浮筒12、第二液压浮筒13、第三液压浮筒32、第二液压浮筒13和第三液压浮筒32。可以理解的是，在组装时第一浮筒和第三浮筒并无区别，均是右侧连接第一液压泵，左侧连接第二液压泵，该处做附图标记和名称序号的区分，仅是为了描述和区分两种类型的液压泵更为清晰。在一种优选方案中，一条状的液压式波浪能发电系统首尾连接在第一立柱6与第二立柱7之间，另一条状的液压式波浪能发电系统首尾连接在第一立柱6与第三立柱8之间。液压浮筒随波浪上下起伏，带动由柔性套管4和液压泵的柱塞形成的关节做水平与垂直方向运动，从而推动液柔性套管14内的柱塞做往复运动，驱动油泵15工作，油泵不断做功，蓄压器16压力不断升高，当压力上升到上限值时，蓄压器内部的液压油驱动液压马达17带动发电机旋转实现液压能到电能的转换。该发电装置对于波浪能横向力和纵向力均进行考虑转化，相较于仅对波浪的横向力利用的发电装置，能量利用更为充分。

所述的气压推板式波浪能发电系统包括涡轮发电机安装筒18内部的腔室23、外部的摆动机构(优选为T型板30)和平衡球29。平衡球29安装在T型板30上，腔室23通过刚性连杆28与T型板30铰接。腔室23包括出气管道19、第一球形阀门20、第二球形阀门21、第三球形阀门22、球形阀门的防坠网24、气压塞泵25、腔室通气孔26、塞泵连杆27、涡轮机31。如图3，当波浪推动T型板30，腔室23内部左侧腔室的气压塞泵25由塞泵连杆27带动向下运动，左侧腔室气压增大，第二球形阀门21打开，即竖向移动的球体掉到防坠网24上，使得第一腔33(左侧腔)的第一气口35敞开，外部气体进入第一腔33中；与此同时第二腔(右侧腔室)的气压塞泵25上移，第三球形阀门22关闭，第一球形阀门20中小球进入到左侧通道，即水平向移动的球体由第二气流管道38进入第一气流管道37而堵塞第一腔33的第二气口36。在上述过程中，气体从左侧腔室压缩并经由腔室通气孔26进入右侧腔室，随后进入出气管道19喷射。压缩气体喷射到涡轮机31处，带动涡轮机叶片转动，开始发电。随后由于平衡球29重力作用带动T型板30反方向摆动，如此反复，持续发电。在优选方案中，所述的防坠网为柔性网。

由此，本发明采用的发电系统结构稳定性强，适用水深范围广。风力发电、多种波浪能发电在同一个支撑结构上完成，共享支撑平台和电力传输配套系统，有效降低发电成本，保证发电稳定性，极大程度提高发电效率与发电量。结构结合性高，设计合理，具有可实施性，适于商业化推广应用。

在一个实施例中，提出一种液压式波浪能发电装置9，包括第一液压浮筒12、第二液压浮筒13、第三液压浮筒32、柔性套管14、第一液压泵15、第二液压泵39、蓄压器16、液压马达17、发电机，

各液压浮筒水平放置，且第二液压浮筒13安装在第一液压浮筒12、第二液压浮筒13之间，

第一液压泵15的液压输出管路连接在蓄压器16的侧面，且第一液压泵15的柱塞套装在柔性套管14中，柱塞的终端与第一液压浮筒12的一侧底面连接，

第二液压泵39的液压输出管路连接在蓄压器16的底面，且第二液压泵39的柱塞套装在柔性套管14中，柱塞的终端与第三液压浮筒32连接的一侧底面连接，

蓄压器16、液压马达17和发电机安装在第二液压浮筒13内，蓄压器16连接液压马达17，液压马达17连接发电机。

在一种方案中，第一液压泵15包括两个，两路第一液压泵15的液压输出管路连接在蓄压器16的侧面，且连接位置在水平向上为相对设置，两第一液压泵15的柱塞套装在各自的柔性套管14中，各第一液压泵15的柱塞的终端与第一液压浮筒12的一侧底面连接，且分布在所述底面的水平向两端；

第二液压泵39包括两个，两路第二液压泵39的液压输出管路连接在蓄压器16的上下的两个底面，两第二液压泵39的柱塞套装在各自的柔性套管14中，各第二液压泵39的柱塞的终端与第三液压浮筒32连接的一侧底面连接，且分布在所述底面的竖直向两端。

在一种方案中，各一个第一液压浮筒12、第二液压浮筒13、第三液压浮筒32组成一组浮筒系统，两个相邻的浮筒系统间通过一个第二液压浮筒13连接形成浮筒系统组。

在一个实施例中，提出一种气压推板式波浪能发电装置5，包括涡轮发电机安装筒18、腔室23、摆动机构，腔室23安装在涡轮发电机安装筒18内，腔室23由隔板分隔为下部连通的第一腔33和第二腔34，第一腔33和第二腔34的顶板均开出第一气口35和第二气口36，各腔的第一气口35向下连接防坠网24，防坠网24中兜装竖向移动的球体且竖向移动的球体尺寸超过第一气口35尺寸，第一腔33的顶板的第二气口36连通第一气流管道37，第二腔34的顶板的第二气口36连通第二气流管道38，第一气流管道37和第二气流管道38在管道顶部汇聚连通并形成一路出气管道19，水平向移动的球体通过第一气流管道37和第二气流管道38的两个管道的连通区域在两个管道中移动，且水平向移动的球体的尺寸超过第二气口36，并超过出气管道19的开口，第一腔33和第二腔34各安装有活塞，两个腔内的活塞连杆均与摆动机构铰接。

在一种方案中，腔室23的底板连接刚性连杆28，刚性连杆28与摆动机构铰接，并位于两个腔内的活塞连杆之间。

在一种方案中，所述的摆动机构包括横板和与横板一侧板面相交或垂直固定的立板，横板的另一侧板面与活塞连杆、刚性连杆28铰接，横板的非迎浪侧安装平衡装置。

在一种方案中，涡轮发电机安装筒18内安装涡轮发电机，且至少一个所述的腔室23安装在涡轮发电机安装筒18内，各腔室23的出气管道19分别或连通成一个管道而朝向涡轮发电机的叶片喷射压缩气体。

在一个实施例中，提出一种风能和波浪能联合的海上清洁能源发电系统，包括风机1、塔筒2和半潜浮式平台4，风机1安装在塔筒2的顶端部，半潜浮式平台4包括中央开口平台、立柱、垂荡板10以及锚链11，中央开口平台由立柱支撑，立柱的底端部安装在垂荡板10上，且立柱连接锚链11，垂荡板10和锚链11安装在海床上，液压式波浪能发电装置9连接在两个立柱之间，气压推板式波浪能发电装置5安装在中央开口平台的下台面。

在一种方案中，所述的垂荡板10为具有均匀或不均匀分布在板面上的至少一个透空孔的六边形垂荡板10。

在一种方案中，所述的透空孔包括六个小圆孔均匀分布在六边形六个边角。

在一种方案中，所述的中央开口平台大体呈中央开口的三角形平台，且三条边为外凸圆弧边框，塔筒2安装在支撑架3上，支撑架3具有三个支撑柱，各支撑柱连接在一个外凸圆弧边框上，使塔筒2位于中央开口平台的中央开口位置。

在一种方案中，将液压式波浪能发电装置9通过两段缆绳连接在两个相邻的立柱间，两段缆绳一端各连接在第一浮筒和第三浮筒的非与第二浮筒连接的底面上，各段缆绳的另一端与相应的立柱连接，各浮筒漂浮在水域中。

在一种方案中，将液压式波浪能发电装置9的浮筒系统组通过两段缆绳连接在两个相邻的立柱间，一缆绳一端连接在位于一个终端的浮筒系统的第一浮筒的非与第二浮筒连接的底面上，另一缆绳连接在位于另一个终端的浮筒系统的第三浮筒的非与第二浮筒连接的底面上，各段缆绳的另一端与相应的立柱连接，各浮筒漂浮在水域中。

在一种方案中，气压推板式波浪能发电装置5的涡轮发电机安装筒18安装在在中央开口平台的下台面，摆动机构漂浮在水域中。

本发明的发电系统，半潜浮式平台创新性采用流线型设计，减小涡旋作用或避免涡旋的形成，因而大大地减低了流体对它的阻力，从而使平台的运动响应减弱，较好地提高了浮式基础整体的稳定性。

本发明的发电系统，包括海上风电装置和波浪能发电装置。所述的波浪能发电装置包括两条液压式波浪能发电装置及四个推板式波浪能发电装置。与以往单一波浪能发电装置不同，本发明将多种波浪能发电形式与半潜式平台有效结合，最大限度地对平台进行结合利用，更加充分地将波浪能转化为电能。供电更加平稳、高效，供电成本有效降低，更易进行商业化推广利用。

本发明的发电系统的半潜式平台的垂荡板，选取六边形透空设计，通过透空设计，将使平台的整体稳定性得到显著提高。

本实施例为了能够更加充分、高效、稳定地将海洋能转化为电能，提供了一种新型的基于风能、波浪能的多能源发电系统。该系统以流线型半潜浮式平台为基础，结合风力发电和液压与推板式结合的波浪能发电为一体的多能源发电系统。将有效提高海上风电场的整体经济性，降低风能和波浪能发电的成本，推动其在工业上的应用。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海上风浪发电系统，其特征在于，包括

风机（1），

塔筒（2），风机（1）安装在塔筒（2）的顶端部，

半潜浮式平台（4），具有中部开口，且通过支撑装置连接平台外框，将塔筒（2）支撑在中部开口的上方，由立柱支撑半潜浮式平台（4）使其在水域中半潜式浮荡，

以及

液压式波浪能发电装置（9），液压式波浪能发电装置（9）连接在两个立柱之间，液压浮筒漂浮于水域中，且液压式波浪能发电装置（9）朝向迎浪方向安装；

液压式波浪能发电装置（9），包括

蓄压器（16），

液压马达（17），其连接蓄压器（16）并由蓄压器（16）内的高压液压油驱动转动，

发电机，其连接液压马达（17），并由液压马达（17）驱动发电，

三个液压浮筒，各液压浮筒水平放置，相邻两个液压浮筒的底面相对，

两组液压泵，各组液压泵安装在位于中间的液压浮筒的内部，一组液压泵的柱塞的终端连接在左侧液压浮筒的底面上，另一组液压泵的柱塞的终端连接在右侧浮筒的底面上，以及

两组液压泵的液压输出管路由不同方位连接在蓄压器（16）上，一组水平向连接在蓄压器（16）上，另一组竖直向连接在蓄压器（16）上；

海上风浪发电系统还包括气压推板式波浪能发电装置（5），其包括涡轮发电机安装筒（18）、腔室（23）和摆动机构，腔室（23）安装在涡轮发电机安装筒（18）内，腔室（23）由隔板分隔为下部连通的第一腔（33）和第二腔（34），第一腔（33）和第二腔（34）的顶板均开出第一气口（35）和第二气口（36），各腔的第一气口（35）向下连接防坠网（24），防坠网（24）中兜装竖向移动的球体且竖向移动的球体尺寸超过第一气口（35）尺寸，第一腔（33）的顶板的第二气口（36）连通第一气流管道（37），第二腔（34）的顶板的第二气口（36）连通第二气流管道（38），第一气流管道（37）和第二气流管道（38）在管道顶部汇聚连通并形成一路出气管道（19），水平向移动的球体通过第一气流管道（37）和第二气流管道（38）的两个管道的连通区域在两个管道中移动，且水平向移动的球体的尺寸超过第二气口（36），并超过出气管道（19）的开口，第一腔（33）和第二腔（34）各安装有活塞，两个腔内的活塞连杆均与摆动机构铰接，气压推板式波浪能发电装置（5）的涡轮发电机安装筒（18）安装在中央开口半潜浮式平台（4）的外框的下台面，且朝向迎浪方向安装，摆动机构漂浮在水域中，所述的摆动机构包括横板和与横板一侧板面相交固定的立板，横板的另一侧板面与活塞连杆、刚性连杆（28）铰接，横板的非迎浪侧安装平衡装置，腔室（23）的底板连接刚性连杆（28），刚性连杆（28）与摆动机构铰接，并位于两个腔内的活塞连杆之间。

2.如权利要求1所述的海上风浪发电系统，其特征在于，涡轮发电机安装筒（18）内安装涡轮发电机，且至少一个所述的腔室（23）安装在涡轮发电机安装筒（18）内，各腔室（23）的出气管道（19）分别或连通成一个管道而朝向涡轮发电机的叶片喷射压缩气体。

3.如权利要求1所述的海上风浪发电系统，其特征在于，所述的半潜浮式平台（4）大体呈中央开口的三角形平台，且三条边为外凸圆弧边框，塔筒（2）安装在支撑架（3）上，支撑架（3）具有三个支撑柱，各支撑柱连接在一个外凸圆弧边框上，使塔筒（2）位于中央开口的半潜浮式平台（4）的中央开口位置。

4.如权利要求1所述的海上风浪发电系统，其特征在于，

液压浮筒包括第一液压浮筒（12）、第二液压浮筒（13）和第三液压浮筒（32），

液压泵包括第一液压泵（15）和第二液压泵（39）。

5.如权利要求4所述的海上风浪发电系统，其特征在于，

第一液压泵（15）包括两个，两路第一液压泵（15）的液压输出管路连接在蓄压器（16）的侧面，且连接位置在水平向上为相对设置，两第一液压泵（15）的柱塞套装在各自的柔性套管（14）中，各第一液压泵（15）的柱塞的终端与第一液压浮筒（12）的一侧底面连接，且分布在所述底面的水平向两端；

第二液压泵（39）包括两个，两路第二液压泵（39）的液压输出管路连接在蓄压器（16）的上下的两个底面，两第二液压泵（39）的柱塞套装在各自的柔性套管（14）中，各第二液压泵（39）的柱塞的终端与第三液压浮筒（32）连接的一侧底面连接，且分布在所述底面的竖直向两端。

6.如权利要求4所述的海上风浪发电系统，其特征在于，各一个第一液压浮筒（12）、第二液压浮筒（13）和第三液压浮筒（32）组成一组浮筒系统，两个相邻的浮筒系统间通过一个第二液压浮筒（13）连接形成浮筒系统组。

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