CN114483452A - 一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置。包括风力发电设备、太阳能光伏板、支撑桁架结构、波浪能发电设备、风机浮式基础与潮流能发电设备。该装置依托风力发电基础，将风机、光伏板、波浪能发电设备、潮流能发电设备沿竖直方向紧密布置，实现了风能、太阳能、波浪能、潮流能的立体开发，在不增加用海面积的情况下，既大幅增加了发电量，增加工程经济效益，又充分利用了风力发电基础，增加用海面积利用率；同时，又可借助风力发电海缆，升压站等设施，将产生的电能统一输送至电网，不必再新建变电站和增加海缆，实现已有资源的最大化利用。

Description

一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置
技术领域
本发明涉及一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，适用于海上发电领域。
技术背景
随着工业的迅速发展、人口的增长和自然资源的不断开采，能源需求已成为世界性问题，能源补充受到越来越多国家的重视。而其中以煤炭，石油等为代表的化石能源属于不可再生能源，不但需要上千年的生成周期，而且持续使用所带来的二氧化碳和有害气体也引发了严重的环境问题，如海床、地层、地表结构破坏，温室效应，雾霾等。因此，可再生资源、清洁能源的开发与利用成为我国实现能源可持续发展以及环境保护的首要任务。而太阳能、风能、海洋能作为典型的新型可再生能源，可以说是取之不尽、用之不竭，具有显著的社会和环保效益。
现如今新能源行业呈高爆发的发展态势，陆域甚至近海区域可开发的范围逐渐减少，其发展也逐渐受到限制，人们转而将目光投向沿海甚至深远海区域。该区域具备干扰因素少、风力稳定、波浪及潮流能充足、光照条件好等多种优势，是未来新能源行业的发展趋势。
现阶段我国对海域新能源利用率还比较低，能源开发利用技术进展缓慢。目前，海上新能源开发多以风电为主，项目占用海域面积大且布局稀疏，没有实现场址用海面积最大化利用。同时，现有海上风电项目多采用固定式基础，存在基础费用大、基础水下部分利用率低且无法重复利用等问题。另外，现有海上发电设施在运输以及现场施工和安装过程中，都需要众多大型船机设备辅助，涉及多种施工工艺，周期长且费用高。而且，现有海上新能源产业能源利用形式单一，适用场景局限性大，尚未有一种综合海上发电设施能够实现多种能源协同发电，经济效益提升受限。尤其在“30·60”双碳目标以及海上风电去补贴政策提出后，国家对新能源的进一步开发需求更加迫切。在海上新能源领域实现多种能源一体化的开发模式，是当前形势下降本增效的一个重要方向。
发明内容
本发明的目的是：针对背景技术存在的问题，提供一种结构简单、施工便利的海上新能源一体化发电装置。
本发明所采用的技术方案是：一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：包括风力发电设备、太阳能光伏板、支撑桁架结构、波浪能发电设备、风机浮式基础与潮流能发电设备；风力发电设备位于所述装置最上方，所述风机浮式基础与支撑桁架结构连接。该装置以风力发电为基础，沿竖直方向紧密布置各种发电设备，实现风能、太阳能、海洋能(波浪能和潮流能)一体化发电功能。
作为优选，所述海上发电装置从上往下依次布置风力发电设备、太阳能光伏板、支撑桁架结构、波浪能发电设备、风机浮式基础和潮流能发电设备。
作为优选，考虑到经济型以及装置整体的灵活性要求，风机设备选用目前工艺成熟的1～2MW小型机组，所述风力发电设备包括风机叶片和风机塔筒，位于所述装置最上方，所属部件均可实现工厂预制化生产，达到标准化制造工艺。
作为优选，所述太阳能光伏板采用平铺方式布置于支撑桁架结构上表面。所述太阳能光伏板在外表现为以风机塔筒为中轴线的多个环形光伏板围成圆环状依次向外扩展，光伏板具备一定的防腐与抗浪性能，满足海上长期作业要求，该设备可直接成品采购，布置数量可根据项目规模大小灵活调整。所述光伏板采用模块化太阳能硅板，光伏板可直接成品采购，成环形布置于箱型支撑桁架上方。
作为优选，所述支撑桁架结构采用箱型梁作为支撑构件的桁架结构。所述支撑桁架结构包括箱型环梁以及箱型直梁，箱型环梁围成多圈圆环框架，与多根放射状箱型直梁焊接，组成下开口的圆锥面布置形式。所述多根径向箱型直梁与多圈周向箱型环梁共同组成光伏板支撑结构。所述桁架支撑桁架结构呈下开口锥形布置，且结构整体漂浮于水面上，既可以为装置提供浮力，又能借助下表面水负压抵抗浮式风机横摇及纵摇力矩，提高结构整体稳定性。同时，在支撑桁架结构最外侧箱型环梁表面，均匀布置有波浪能发电设备，该设备既可吸收波浪所产生的部分动能，并将其转化为电能，又可削弱波浪整体机械能，降低其冲击力。
所述桁架结构还可在顶部设置顶部栏杆，使得箱型直梁，箱型环梁构成互通的顶部通道。
作为优选，所述潮流能发电设备通过轴承固定在风机浮式基础立柱上，以涡轮的形式，将潮流能转化为叶片机械能，进而产生源源不断的电能。其中，轴承根据海水流向的变化，可灵活转换方向，使涡轮始终能最大程度的捕获电能。
作为优选，所述太阳能光伏板、波浪能发电设备以及潮流能发电设备将产生的电能经风机塔筒内的逆变器和变压器并入风力发电海缆，并借助海上风电的送电设施，比如升压站等设施，将产生的电能统一输送至电网。其中逆变器和箱变等电力设施可放置于风机塔筒内。
作为优选，所述风机浮式基础由立柱和下部浮筒结构组成，浮筒为薄壁结构，位于立柱的底部。风机塔筒的底部与立柱连接，所述风机浮式基础的上端和支撑桁架结构连接；浮筒结构被立柱贯通，且内部设置横纵交错的支撑构件。将浮筒压入水中，利用其产生的浮力来平衡结构以及设备的重力。同时内部的支撑构件使得浮筒在受到水压力而不产生较大变形甚至破坏。更优选地，并将浮筒设计为流线型，也可以大大减小海流对结构的影响。该设计不仅大幅缩减基础工程量，也使得装置具有较高的灵活性，方便施工与定位。
作为优选，所述风机浮式基础和支撑桁架结构均为浮式结构，通过锚链和吸力桶与海床之间实现连接和固定。同时，该基础可以收锚，以满足检修、变更机位等需求。
作为优选，所述支撑桁架结构外围布置有4个系泊角点，通过锚链和锚结构将整个一体化发电装置固定于海上，既方便施工安装，又便于检修和移位。
所述装置针对不同项目容量及海域条件，仅需对装置外形尺寸以及各设备容量进行调整即可满足设计要求，具有广泛的适用性。
根据以上技术方案，本发明具有如下有益效果：
(1)区别于传统海上单一的新能源开发方式，本发明提出一种综合风能、太阳能、海洋能于一体的发电装置。依托风力发电基础，将风机、光伏板、波浪能发电设备、潮流能发电设备沿竖直方向紧密布置，实现了风能、太阳能、波浪能、潮流能的立体开发，在不增加用海面积的情况下，既大幅增加了发电量，增加工程经济效益，又充分利用了风力发电基础，增加用海面积利用率；同时，又可借助风力发电海缆，升压站等设施，将产生的电能统一输送至电网，不必再新建变电站和增加海缆，实现已有资源的最大化利用。该一体化发电模式，为降本增效提供了很好的技术方案。
(2)区别于传统海上新能源设施抗弯曲性能差，结构稳定性不高，本发明提出一种箱型支撑桁架结构。结构整体由箱型梁组成，呈下开口锥形布置。该结构既可以为装置提供部分浮力，又能借助下表面水负压抵抗浮式风机横摇及纵摇力矩，提高结构整体稳定性，同时还可作为布置光伏板、波浪能发电设备的场地，实现结构功能的综合化利用。
(3)区别于传统海上新能源开发固定式基础，本发明提出一种新的流线型漂浮式基础，并通过锚链和吸力桶与海床之间实现连接和固定，既有效的减小海流对于结构的冲击，又能提供足够的浮力，使结构稳定的漂浮于海面之上。另外，在需要检修或变更机位等情况下，该基础可以通过收锚操作，快速的进行移动和安装。
(4)区别于传统海上新能源项目无法满足不同海域条件下的发电需求，设计及建造成本高，本发明提出一种标准化综合发电方案，对于不同项目容量及海域条件，仅需对装置外形尺寸以及各设备容量进行调整即可满足设计要求，具有广泛的适用性。
(5)区别于传统海上新能源项目建造与施工工艺复杂，生产周期长，本发明提出一种简易结构与成品设备相结合的方案。结构方面实现精简化设计，结构整体简单轻便，可在工厂实现预制化生产，陆地组装后便可直接浮运至海域机位点，且运输和现场施工不需要大型船机设备辅助，建造与施工成本低；设备方面采用可靠的市场化推广装置，均可实现成品化采购，既能降低工程建造成本，又可缩短项目施工周期。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图。
图2是本发明的整体结构俯视图。
图3是本发明的下部组块剖视图。
图4为图3中的A部位局部放大图。
图中标注：1、风机叶片、2、风机塔筒；3、太阳能光伏板；4、栏杆；5、箱型支撑桁架结构；6、波浪能发电设备；7、风机浮式基础8、潮流能发电设备；9、箱型环梁；10、箱型直梁；11、浮筒；12、浮筒横梁；13、浮筒纵梁；14、轴承内圈环板；15、轴承外圈环板；16、轴承钢球；17、潮流能发电设备撑杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
参照附图。本发明的融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，由风机叶片1、风机塔筒2、太阳能光伏板3、箱型支撑桁架结构5、波浪能发电设备6、风机浮式基础7与潮流能发电设备8。所述箱型桁架结构5包括顶部栏杆4、箱型环梁9以及箱型直梁10。
如图1～4所示，所述风机叶片1和风机塔筒2组成风力发电设备，位于装置最上方。考虑到经济型以及装置整体的灵活性要求，风机设备选用目前工艺成熟的小型机组，所属部件均可实现工厂预制化生产，达到标准化制造工艺。
所述太阳能光伏板3采用平铺方式布置于箱型支撑桁架结构5上表面，在外表现为多个环形光伏板围成圆环状依次向外扩展，光伏板3具备一定的防腐与抗浪性能，满足海上长期作业要求，该设备可直接成品采购，布置数量可根据项目规模大小灵活调整。
所述箱型支撑桁架结构5由外围栏杆4、箱型环梁9以及箱型直梁10组成，箱型环梁9围成四圈圆环框架，与多根放射状箱型直梁10焊接，组成下开口的圆锥面布置形式。桁架结构整体漂浮于水面上，既可以为装置提供浮力，又能借助下表面水负压抵抗浮式风机横摇及纵摇力矩，提高结构整体稳定性。
在桁架结构5最外侧箱型环梁表面，均匀布置有波浪能发电设备6。该设备通过内部机械系统吸收波浪所产生的动能，并将其转化为电能，同时又可削弱波浪冲击力。
所述潮流能发电设备8固定装置包括轴承内圈环板14、轴承外圈环板15、轴承钢球16以及潮流能发电设备撑杆17。设备通过轴承固定在风机浮式基础7上，以涡轮的形式，将潮流能转化为叶片机械能，进而转化为源源不断的电能。其中，轴承内圈环板14焊接在立柱7表面，轴承外圈环板15套在轴承内圈环板14外侧，中间设置有环形凹槽并留有缝隙，凹槽内布置一圈钢珠16以起到连接及固定作用。潮流能发电设备撑杆17焊接在轴承外圈环板15表面，随外圈环板15一起转动。最终使得潮流能发电设备8可根据海水流向的变化，可灵活转换方向，使涡轮始终能最大程度的捕获电能。
所述太阳能光伏板3、波浪能发电设备6以及潮流能发电设备8将产生的电能经风机塔筒内的逆变器和箱变并入风力发电海缆，借助升压站等设施，将产生的电能统一输送至电网。其中逆变器和箱变等电力设施可放置于风机塔筒2内。
所述风机浮式基础7由上部立柱和下部浮筒11结构组成，浮筒11为薄壁结构，位于立柱结构的底部。浮筒结构被立柱贯通，且内部设置有横纵交错的支撑横梁12与支撑纵梁13。运行时将浮筒压入水中，利用其产生的浮力来平衡结构以及设备的重力，同时内部的支撑构件使得浮筒在受到水压力而不产生较大变形甚至破坏。并将浮筒设计为流线型，也可以大大减小海流对结构的影响。该设计不仅大幅缩减基础工程量，也使得装置具有较高的灵活性，方便施工与定位。
所述箱型支撑桁架结构5外围布置有4个系泊角点，通过锚链和吸力桶与海床之间实现连接和固定，使结构稳定的漂浮于海面之上，既方便施工安装，又便于检修和移位。
本实施例充分考虑性标准化方案，对于不同项目容量及海域条件，仅需对装置外形尺寸以及各设备容量进行调整即可满足设计要求，具有广泛的适用性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：包括风力发电设备、太阳能光伏板(3)、支撑桁架结构(5)、波浪能发电设备(6)、风机浮式基础(7)与潮流能发电设备(8)；风力发电设备位于所述装置最上方；所述风机浮式基础(7)与支撑桁架结构(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：从上往下依次布置风力发电设备、太阳能光伏板、支撑桁架结构、波浪能发电设备、风机浮式基础和潮流能发电设备。
3.根据权利要求1或2所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述太阳能光伏板(3)采用平铺方式布置于支撑桁架结构(5)上表面。
4.根据权利要求3所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述太阳能光伏板(3)在外表现为多个环形光伏板围成圆环状依次向外扩展。
5.根据权利要求1或2所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述支撑桁架结构(5)采用箱型梁作为支撑构件的桁架结构。
6.根据权利要求5所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述支撑桁架结构(5)包括箱型环梁(9)以及箱型直梁(10)，箱型环梁(9)围成以风机塔筒为中轴线的多圈圆环框架，与多根放射状箱型直梁(10)焊接，组成下开口的圆锥面布置形式；支撑桁架结构整体漂浮于水面上，既可以为装置提供浮力，又能借助下表面水负压抵抗浮式风机横摇及纵摇力矩，提高结构整体稳定性。
7.根据权利要求6所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述支撑桁架结构(5)最外侧箱型环梁表面，布置波浪能发电设备(6)。
8.根据权利要求1或2所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述潮流能发电设备(8)通过轴承固定在风机浮式基础(7)的立柱上，以涡轮的形式，将潮流能转化为叶片机械能，进而产生电能；其中，轴承根据海水流向的变化，可灵活转换方向，使涡轮始终能最大程度地捕获电能。
9.根据权利要求1或2所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述太阳能光伏板(3)、波浪能发电设备(6)以及潮流能发电设备(8)将产生的电能经风机塔筒内的逆变器和变压器并入风力发电海缆，将产生的电能统一输送至电网。
10.根据权利要求1或2所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述风机浮式基础(7)的上端和支撑桁架结构(5)连接；所述风机浮式基础(7)由立柱和下部浮筒结构组成，浮筒为薄壁结构，位于所述立柱的底部；所述浮筒被立柱贯通，且内部设置支撑构件；将浮筒压入水中，利用其产生的浮力来平衡结构以及设备的重力；同时内部的支撑构件使得浮筒在受到水压力而不产生较大变形甚至破坏。
11.根据权利要求10所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述浮筒设计为流线型。
12.根据权利要求1或2所述的一种融合海洋能、光伏与风能的海上发电装置，其特征在于：所述支撑桁架结构(5)外围布置有4个系泊角点，通过锚链和锚结构将整个一体化发电装置固定于海上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115009451A (zh) * 2022-06-21 2022-09-06 深圳大学 一种半潜式能源浮岛发电装置
WO2024011956A1 (zh) * 2022-07-13 2024-01-18 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种多功能综合平台

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