CN114087117B - 气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置和海上集成发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置和海上集成发电系统及方法，海洋可再生能源利用领域，为了解决气囊波浪能压力发电气密性问题，气囊，开口位于浮筒内部，气囊内填充气体，气囊在迎浪侧以其柔性面与波浪接触并对气囊内气体挤压，使气囊的气口冲向涡轮发电机的叶片排放压缩气体而使涡轮发电机叶片转动发电，且在压缩空气通过涡轮发电机叶片后从另一通道回流至所述气囊中将气囊填充，效果是提升喷射气体压力，且气体在使用后能够被回收重复使用，保持了装置内部的良好气密性。

Description

气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置和海上集成发电系统 及方法

技术领域

本发明属于海洋可再生能源利用领域，涉及一种气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置和海上集成发电系统。

背景技术

随着煤炭等化石能源开发逐渐步入夕阳产业行列，全球能源结构正在进行迅速迭代，以风能、海洋能等可再生能源为首的清洁能源的崛起，已经成为人类社会发展过程中必不可少的环节。作为一种清洁的可再生能源，海上风电已成为国际风电发展的新方向，备受各国关注。由于海上风电通常靠近能源消耗中心且风资源情况优于陆上风电，风电的利用开发正逐渐从陆地转向海洋，正呈现加速发展的态势。但由于近海空间资源有限，海上风电的发展不断地从浅近海走向深远海。相应的，海上风机支撑结构形式也伴随水深变化，从固定式支撑结构到漂浮式支撑结构演变。发展海上风能为节能减排和应对气候变化提供技术支撑，也符合我国发展能源节约型和环境友好型社会的战略需求。目前，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。特别是气囊波浪压力发电气体对外排放，无法满足系统气密性。

发明内容

为了解决气囊波浪能压力发电气密性问题，并进一步解决多气囊间相互无影响排布提高喷射气体压力以及提高波浪能收集效率的问题，本发明提出如下技术方案：一种气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，包括

浮筒，由系泊系统牵引而浮于水面，

气囊，开口位于浮筒内部，气囊内填充气体，气囊在迎浪侧以其柔性面与波浪接触并对气囊内气体挤压，使气囊的气口冲向涡轮发电机的叶片排放压缩气体而使涡轮发电机叶片转动发电，且在压缩空气通过涡轮发电机叶片后从另一通道回流至所述气囊中将气囊填充。

进一步的，所述浮筒，包括

由第一隔板沿浮筒轴向将浮筒内部纵向分隔为的第一长腔、第二长腔，

由第二隔板沿浮筒轴向将任意长腔竖向分隔为的上通道和下通道，

由第三隔板沿浮筒轴向将同一长腔的上通道和下通道横向分隔为的若干气室，及

承装涡轮发电机的涡轮室，

由第四隔板沿浮筒轴向将涡轮室竖向分隔为部分连通的上室和下室，同一长腔的同一通道的各气室间连通，涡轮室的上室与两长腔的上通道均连通，涡轮室的下室与两长腔的下通道均连通，且两长腔的上通道的压缩空气出气口均朝向涡轮室的涡轮发电机的叶片，

同一长腔的上、下两个通道的竖向直接相对的两个气室组成一个气室组，每个长腔至少两个气室组中安装有气囊，气囊包括柔性面及与柔性面分别连接的第一刚性部和第二刚性部，气囊的第一刚性部及其上的用于出气的第一开口嵌入式固定在气室组的上通道的气室中，第二刚性部及其上的用于进气的第二开口嵌入式固定在气室组的下通道的气室中，使得气室组的上通道的气室与下通道的气室通过气囊的柔性面连通。

进一步的，同一长腔的同一通道的各气室间的第三隔板上具有使气体流动的开口，归因于多个气囊被风浪依次挤压而使上通道内部横向朝向涡轮室的方向上气压逐步增加，使逐渐增加的气体朝向涡轮室的方向流动，并通过涡轮室后，逐渐减压的气体朝向远离涡轮室的方向在下通道中流动，并由气囊的第二开口通入气囊内。

进一步的，第一开口安装单向出气门，第二开口安装单向进气门。

进一步的，第四隔板沿浮筒轴向在隔板的末端形成开口以连通位于开口上方的涡轮室的上室和位于开口下方的涡轮室的下室，至少两个以上的浮筒以一定角度分布于迎浪方向并浮于水面。

进一步的，所述的浮筒的两个端部安装边柱，边柱嵌入式的与浮筒内部连接但不连通，所述边柱为空心柱，空心中承装压载水。

进一步的，单向出气门包括门轴、门和门栓，门轴安装在第一开口的一侧上，门连接门轴，门栓安装在第一开口的另一侧上，且门起始安装位置为门栓的外侧，门的宽度超过门栓与门轴间的距离，使门通过门轴由门栓外侧向内侧方向转动而被门栓所阻碍。

进一步的，单向进气门包括门轴、门和门栓，门轴安装在第一开口的一侧上，门连接门轴，门栓安装在第一开口的另一侧上，且门起始安装位置为门栓的内侧，门的宽度超过门栓与门轴间的距离，使门通过门轴由门栓内侧向外侧方向转动而被门栓所阻碍。

为了解决海洋能源中的风能和波浪能互补性利用的问题，本发明还提出如下技术方案：

一种海上集成发电系统，包括风力发电机和作为风力发电机海面支撑的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，所述发电装置为任一项所述的发电装置。

一种海上集成发电方法，风机在风力作用下发出电能，波浪依次经过气囊后压缩出来的气体进入上层出气通道，经主立柱所在的浮筒部分的涡轮发电机后，沿上下通道开口处进入下部通道，下部通道为进气通道，气体流经下部通道，按顺序通过气囊的进气孔依次再次充满气囊，不断反复，持续发电，电能通过风机的传输系统和风能装置产生的电能一同输送至电网。

有益效果：本发明的漂浮发电装置，通过合理排列和间隔成多个气室，使得多个气囊能够互不影响的同步喷射气体，提升喷射气体压力，且气体在使用后能够被回收重复使用，保持了装置内部的良好气密性，能够提高发电效率和发电量，并且，该合理排列还使得浮筒在各个方向均可以对波浪能收集，极大拓宽了能量收集范围，能量使用更为充分。本发明的集成系统，实现了风力和波浪能发电的有机结合，对两种海洋能源实现了互补式利用。

附图说明

图1是集成系统的整体结构示意图。

图2是浮筒的主视图的剖视图。

图3是浮筒侧视图的剖视图。

图4是气囊出气状态图。

图5是气囊进气状态图。

图中：1.风机，2.塔筒，3.主立柱，4.边柱，5.浮筒，6.气囊，7.锚链，8.涡轮发电机，9.浮筒上下层通气口，10.气囊装置出气口，11.气囊装置进气口，12.气囊柔性橡胶，13.气囊混凝土结构基础，14.第一隔板，15.第二隔板，16.第三隔板，17.第四隔板，18.上通道，19.下通道，20.气室，21.涡轮室，22.单向进气门，23.单向出气门。

具体实施方式

实施例1：如图2所示，一种气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，包括浮筒5和气囊6，浮筒5由系泊系统牵引而浮于水面，气囊6的开口位于浮筒5内部，气囊6内填充气体，气囊6在迎浪侧以其柔性面与波浪接触并对气囊6内气体挤压，使气囊6的气口冲向涡轮发电机8的叶片排放压缩气体而使涡轮发电机8叶片转动发电，且在压缩空气通过涡轮发电机8叶片后从另一通道回流至所述气囊6中将气囊6填充。

在一种方案中，所述浮筒5，包括由第一隔板14沿浮筒5轴向将浮筒5内部纵向分隔为的第一长腔、第二长腔，(如图3所示)由第二隔板15沿浮筒5轴向将任意长腔竖向分隔为的上通道18和下通道19，由第三隔板16沿浮筒5轴向将同一长腔的上通道18和下通道19横向分隔为的若干气室20，及承装涡轮发电机8的涡轮室21。

由第四隔板17沿浮筒5轴向将涡轮室21竖向分隔为部分连通的上室和下室，同一长腔的同一通道的各气室20间连通，涡轮室21的上室与两长腔的上通道18均连通，涡轮室21的下室与两长腔的下通道19均连通，且两长腔的上通道18的压缩空气出气口均朝向涡轮室21的涡轮发电机8的叶片。

同一长腔的上、下两个通道的竖向直接相对的两个气室组成一个气室组，每个长腔至少两个气室组中安装有气囊6，气囊6包括柔性面及与柔性面分别连接的第一刚性部和第二刚性部，气囊6的第一刚性部及其上的用于出气的第一开口嵌入式固定在气室组的上通道18的气室20中，第二刚性部及其上的用于进气的第二开口嵌入式固定在气室组的下通道19的气室20中，使得气室组的上通道18的气室20与下通道19的气室20通过气囊6的柔性面连通。

在该方案中，第一长腔、第二长腔划分使得一个浮筒5的两侧均可以安装气囊6，对于来浪能尽可能多的角度收集能量。划分多个气室20也是希望通过多个气囊6的并排安装实现更大范围和更高效率的多角度能量收集。并且划分上、下两个通道，并形成气室组，是为了形成上下通道19的隔离，从而实现上通道18气囊6出气，下通道19气囊6进气的方案，实现气体有效循环，保证了整个装置的气密。并且，实现还依据于来浪一般是从上而下作用在气囊6上，从而来浪的力基本作用在气囊6的上部，即气体主要从上部的出气口排出。并为了进一步确保出气、进气方向，如图4和图5所示，本实施例还在第一开口安装单向出气门23，第二开口安装单向进气门22。作为优选方案，单向出气门23包括门轴、门和门栓，门轴安装在第一开口的一侧上，门连接门轴，门栓安装在第一开口的另一侧上，且门起始安装位置为门栓的外侧，门的宽度超过门栓与门轴间的距离，使门通过门轴由门栓外侧向内侧方向转动而被门栓所阻碍。作为优选方案，单向进气门22包括门轴、门和门栓，门轴安装在第一开口的一侧上，门连接门轴，门栓安装在第一开口的另一侧上，且门起始安装位置为门栓的内侧，门的宽度超过门栓与门轴间的距离，使门通过门轴由门栓内侧向外侧方向转动而被门栓所阻碍。在一种方案中，气囊的对应上通道的气囊部分与气囊的对应下通道的气囊部分所采用的材料硬度不同，气囊的下部分的材料硬度超过与气囊的上部分的材料，可以协助解决上述问题。

在一种方案中，同一长腔的同一通道的各气室20间的第三隔板16上具有使气体流动的开口，归因于多个气囊6被风浪依次挤压而使上通道18内部横向朝向涡轮室21的方向上气压逐步增加，使逐渐增加的气体朝向涡轮室21的方向流动，并通过涡轮室21后，逐渐减压的气体朝向远离涡轮室21的方向在下通道19中流动，并由气囊6的第二开口通入气囊6内。

在一种方案中，第四隔板17沿浮筒5轴向在隔板的末端形成开口以连通位于开口上方的涡轮室21的上室和位于开口下方的涡轮室21的下室。在末端形成该连接口，可以使得压缩空气在起始压力下有更多的时间作用于叶片。

在一种方案中，至少两个以上的浮筒5以一定角度分布于迎浪方向并浮于水面。能够使得收集角度更多，对来浪的利用率更高。角度优选为30～60°

在一种方案中，所述的浮筒5的两个端部安装边柱4，边柱4嵌入式的与浮筒5内部连接但不连通，所述边柱4为空心柱，空心中承装压载水。目的在于通过边柱4承装压载水的方式进一步保持整个系统的平衡性。

在一种方案中，所述的第三隔板16上具有使气体流动的开口朝向涡轮室21方向逐渐减小。目的是为了能够逐步减小开口，逐步增加压力，使得压力能够在向外喷射的时候达到尽量大，从而能够提高发电效率。

本发明解决了气囊波浪能压力发电气密性问题，并进一步解决多气囊间相互无影响排布提高喷射气体压力以及提高波浪能收集效率的问题，本发明的漂浮发电装置，通过合理排列和间隔成多个气室，使得多个气囊能够互不影响的同步喷射气体，提升喷射气体压力，且气体在使用后能够被回收重复使用，保持了装置内部的良好气密性，能够提高发电效率和发电量，并且，该合理排列还使得浮筒在各个方向均可以对波浪能收集，极大拓宽了能量收集范围，能量使用更为充分。

实施例2：本实施例与上述实施例区别在于，更为详细的对风机1和气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置的结合方式进行描述，如图1所示，一种基于波浪压力发电的漂浮式风浪互补能源集成系统，包括风机1、塔筒2、主立柱3、两个边柱4、两个浮筒5、锚链7、气囊6、涡轮发电机8和电力输出系统，风机1和涡轮发电机8与电力输出系统连，两个浮筒5呈一定角度漂浮在水面迎浪方向，且两个浮筒5的顶部连接处安装主立柱3，两个浮筒5的尾部各安装一个边柱4，风机1通过塔筒2与主立柱3连接，浮筒5通过锚链7与海床相连，气囊6安装在浮筒5内部，且气囊6柔性面内充气，气囊6的柔性面位于浮筒5外部，气囊6的气体排放口与安装涡轮发电机8的涡轮室21连通。

风力发电系统与波浪能发电装置在同一支撑结构上完成，二者共用电力传输系统，一定程度上降低了发电成本。波浪压力发电装置为气囊6，结构简单，造价相对于其他机械波浪能发电装置更为低廉，节约成本。浮筒5两侧各安装两个以上的气囊6，优选为四个，保证发电量充足，运行稳定。

在本实施例中，本发明提供了一种基于波浪压力发电的漂浮式风浪互补能源集成系统，在海洋中建立风能、波浪能系统于一体的集成系统，二者共用支撑结构和电力传输系统，具有较高的实用性，并一定程度上降低发电成本。本发明创新性地使用气囊6进行波浪压力发电，该气囊6制造成本低，安装便利，运行稳定。且可拆卸，利于检修。本发明在V型基础的两个浮筒5两侧均设置四个气囊6，既保证了波浪压力发电系统的发电量，也保证了系统运行的稳定性。本发明为能源集成系统，同时收集风能和波浪能进行发电，将波压力发电技术与现有的成熟风机1技术相结合，促进了波浪能装置商业化的应用，是一种可靠的深海可再生能源发电集成装置。本发明的集成系统，实现了风力和波浪能发电的有机结合，对两种海洋能源实现了互补式利用。

实施例3：本实施例提出的是一种风能-波浪能为一体的风浪互补能源集成装置，装置以漂浮式结构为基础，将风能和波浪能相结合并创新性地使用气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置进行波浪能发电。

本实施例能够利用风浪具有天然的相关性的特点，解决在半潜式支撑结构基础下借助波浪压力将风浪能量联合使用的问题，如图1～5所示，其技术方案是：一种基于波浪压力发电的漂浮式风浪互补能源集成系统，包括风机1、塔筒2、波浪压力发电装置和半潜式平台。风机1与塔筒2连接，塔筒2底部为V-Shape半潜式平台基础，在平台两侧安装波浪压力发电装置，平台通过系泊系统与海床连接。

在一种方案中，波浪压力发电装置包括可拆卸的气囊6。气囊6为柔性橡胶包覆安装在混凝土结构基础上，在本实施例中其被称为刚性部。混凝土结构基础一侧留有上下两个开口，上部开口为出气口，下部开口为进气口。同时两个开口与浮筒5内的开口对应，以实现浮筒5与气囊6的结构对接。

在一种方案中，所述浮筒5内部分为上下两层，并在浮筒5主立柱3所在的浮筒5部分，浮筒5的上下两层间留有开口。使得气体能通过该开口从上层去到下层中，浮筒5内部上层为出气通道，波浪依次经过气囊6后压缩出来的气体进入上层出气通道，经主立柱3所在的浮筒5部分的涡轮发电机8后，沿上下通道19开口处进入下部通道。下部通道为进气通道，气体流经下部通道，按顺序通过气囊6的进气孔依次再次充满气囊6。

在一种方案中，所述涡轮发电机8安装在浮筒5主立柱3所在的浮筒5部分的上部通道内，同时位于上下两层间留有开口的前侧。气囊6内压缩出的气体流经涡轮发电机8时，带动涡轮发电机8叶片转动，产生电能。随后气体被回收流入下部通道用于再次充满气囊6。

本实施例的风机1在风力作用下发出电能，波浪中的能量通过挤压气囊6，产生的气体带动涡轮发电机8转动发电，之后气体回收再次充满气囊6，从而不断反复，持续发电，实现波浪能向电能的转化，电能通过风机1的传输系统和风能装置产生的电能一同输送至电网。

实施例4：如图1～5所示，一种基于波浪压力发电的漂浮式风浪互补能源集成系统，包括风力发电系统和波浪能发电系统。

所述的风力发电系统包括风机1、塔筒2、主立柱3、两个边柱4、两个浮筒5、三条锚链7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与立柱3、4和浮筒5相连，浮筒5通过锚链7与海床相连。

所述的波浪能发电装置为基于波浪压力的一种波浪能转换装置。当波浪越过气囊装置6时，该装置上部的气囊柔性橡胶12受到波浪压力的挤压作用，气囊内部空气通过气囊装置出气孔10排出，进入浮筒5的上层通道，传递到涡轮发电机8处，空气带动涡轮发电机旋转发电。随后空气被回收利用，通过浮筒上下层通气口9进入浮筒5下部通道，通过气囊装置进气口11进入气囊装置中，依次将每一个气囊装置再次充满空气。

本发明利用多种海洋能在资源区和时间上具有的重合性以及在不同季节和时间上具有的互补性，提出了海洋能互补开发利用的方案，弥补了海洋能的功率波动，降低了海洋能利用成本，提高了海洋能输出稳定性。

集成发电技术主要在于多能源的捕获、转换、发电和供电紧密融合到同一系统中，该系统在海洋中长期运转，进行自供电与对外供电，与海上各种用电设备之间进行电能传输和信号交换，为不同海洋场景下的能源输入输出提供接口，实现多能源的多级、高效利用，有效地提高资源的利用率，提高发电效率，本发明对其加以利用，提高了海洋可再生能源发电系统的经济性、降低成本，并最终推动其商业化发展。

由此，本发明系统的结构简单、安装方便，成本较低。风力发电系统与波浪能发电装置在同一支撑结构上完成，二者共用电力传输系统，一定程度上降低了发电成本。波浪压力发电装置为气囊装置，结构简单，造价相对于其他机械波浪能发电装置更为低廉，节约成本。浮筒两侧各安装两个以上的气囊装置，优选为四个，保证发电量充足，运行稳定。

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 (8)

1.一种气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，包括

浮筒（5），由系泊系统牵引而浮于水面；

气囊（6），开口位于浮筒（5）内部，气囊（6）内填充气体，气囊（6）在迎浪侧以其柔性面与波浪接触并对气囊（6）内气体挤压，使气囊（6）的气口冲向涡轮发电机（8）的叶片排放压缩气体而使涡轮发电机（8）叶片转动发电，且在压缩空气通过涡轮发电机（8）叶片后从另一通道回流至所述气囊（6）中将气囊（6）填充；

所述浮筒（5），包括

由第一隔板（14）沿浮筒（5）轴向将浮筒（5）内部纵向分隔为的第一长腔、第二长腔，

由第二隔板（15）沿浮筒（5）轴向将任意长腔竖向分隔为的上通道（18）和下通道（19），

由第三隔板（16）沿浮筒（5）轴向将同一长腔的上通道（18）和下通道（19）横向分隔为的若干气室（20），及

承装涡轮发电机（8）的涡轮室（21），

其中：

由第四隔板（17）沿浮筒（5）轴向将涡轮室（21）竖向分隔为部分连通的上室和下室，同一长腔的同一通道的各气室（20）间连通，涡轮室（21）的上室与两长腔的上通道（18）均连通，涡轮室（21）的下室与两长腔的下通道（19）均连通，且两长腔的上通道（18）的压缩空气出气口均朝向涡轮室（21）的涡轮发电机（8）的叶片，

同一长腔的上、下两个通道的竖向直接相对的两个气室组成一个气室组，每个长腔至少两个气室组中安装有气囊（6），气囊（6）包括柔性面及与柔性面分别连接的第一刚性部和第二刚性部，气囊（6）的第一刚性部及其上的用于出气的第一开口嵌入式固定在气室组的上通道（18）的气室（20）中，第二刚性部及其上的用于进气的第二开口嵌入式固定在气室组的下通道（19）的气室（20）中，使得气室组的上通道（18）的气室（20）与下通道（19）的气室（20）通过气囊（6）的柔性面连通。

2.如权利要求1所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，同一长腔的同一通道的各气室（20）间的第三隔板（16）上具有使气体流动的开口，归因于多个气囊（6）被风浪依次挤压而使上通道（18）内部横向朝向涡轮室（21）的方向上气压逐步增加，使逐渐增加的气体朝向涡轮室（21）的方向流动，并通过涡轮室（21）后，逐渐减压的气体朝向远离涡轮室（21）的方向在下通道（19）中流动，并由气囊（6）的第二开口通入气囊（6）内。

3.如权利要求2所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，第一开口安装单向出气门（23），第二开口安装单向进气门（22）。

4.如权利要求1所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，第四隔板（17）沿浮筒（5）轴向在隔板的末端形成开口以连通位于开口上方的涡轮室（21）的上室和位于开口下方的涡轮室（21）的下室，至少两个以上的浮筒（5）以一定角度分布于迎浪方向并浮于水面。

5.如权利要求3所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，所述的浮筒（5）的两个端部安装边柱（4），边柱（4）嵌入式的与浮筒（5）内部连接但不连通，所述边柱（4）为空心柱，空心中承装压载水。

6.如权利要求3所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，单向出气门（23）包括门轴、门和门栓，门轴安装在第一开口的一侧上，门连接门轴，门栓安装在第一开口的另一侧上，且门起始安装位置为门栓的外侧，门的宽度超过门栓与门轴间的距离，使门通过门轴由门栓外侧向内侧方向转动而被门栓所阻碍。

7.如权利要求3所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，其特征在于，单向进气门（22）包括门轴、门和门栓，门轴安装在第一开口的一侧上，门连接门轴，门栓安装在第一开口的另一侧上，且门起始安装位置为门栓的内侧，门的宽度超过门栓与门轴间的距离，使门通过门轴由门栓内侧向外侧方向转动而被门栓所阻碍。

8.一种海上集成发电系统，其特征在于，包括风力发电机和作为风力发电机海面支撑的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置，所述气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置为权利要求1-7任一项所述的气体往复式多向波浪压力漂浮发电装置。