CN115750211A - 一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种基于导管架平台的波浪能‑风能发电装置集成系统，包括导管架平台、桩基基础、风机平台、风力发电系统、气囊系统、导气系统和气流发电系统；导管架平台通过桩基基础固定安装于海底，风机平台设置在导管架平台的顶部，风力发电系统安装在风机平台上；导管架平台包括多个导管架腿柱和连接在导管架腿柱之间的导管架横撑和导管架斜撑，气囊系统安装在导管架平台水面以下的导管架横撑上，导气系统位于导管架横撑和导管架腿柱内部，气囊系统与导气系统相连通，气流发电系统安装在导气系统内部。本发明以导管架平台为基础，将柔性气囊波浪能发电装置和风力发电系统安装在导管架平台上，形成集成系统，综合利用波浪能和海上风能发电。
Description
技术领域
本发明涉及海上风力发电和波浪能发电技术领域，具体涉及一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统。
背景技术
在诸多种类的新型能源中，波浪能具有能量储备多、分布范围广等优点，已经成为各国争相研究的热点。
现有的波浪能发电装置主要有摆式、振荡水柱式、点头鸭式等等，这些装置大多使用刚质浮体将波浪能转换为机械能，再由刚质浮体连带的各式发电装置完成发电工作。这些波浪能发电装置转换效率较低且造价昂贵，大量刚性可动结构的使用，使得这些装置易产生结构破坏，使用寿命短；同时刚性材料在海水中容易被腐蚀从而造成结构破坏，装置可靠性较低。采用柔性结构设计波浪能发电装置是该类问题较合理的解决方案。
传统的风电产业往往占地面积较大，虽然在西部偏远地区发展风电可以大幅降低土地成本，但是会造成制造，运输和并网送电等成本的增加，这意味着风电产业的发展将会和高度紧张的土地资源的利用产生冲突。而海上风电产业可以较好的解决相关的土地资源问题，并且风能来源相对稳定，也能改善传统风电产业中存在能量转换效率降低的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，该集成系统以导管架平台为基础，将柔性气囊波浪能发电装置和风力发电系统安装在导管架平台上，能够综合利用波浪能和海上风能进行发电。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，包括导管架平台、桩基基础、风机平台、风力发电系统、气囊系统、导气系统和气流发电系统；导管架平台通过桩基基础固定安装于海底，风机平台设置在导管架平台的顶部，风力发电系统安装在风机平台上；导管架平台包括多个导管架腿柱和连接在导管架腿柱之间的导管架横撑和导管架斜撑，导管架横撑与导管架腿柱相连通，气囊系统安装在导管架平台水面以下的导管架横撑上，导气系统位于导管架横撑和导管架腿柱内部，气囊系统与导气系统相连通，气囊系统的进气口与导气系统的出气口相连接，气囊系统的出气口与导气系统的进气口相连接，气流发电系统安装在导气系统内部。
进一步的，多个气囊系统阵列布置在导管架横撑上，导气系统上设有多对进气口和出气口，多个气囊系统与导气系统上的多对进气口和出气口一一对应。
进一步的，气囊系统包括柔性气囊，柔性气囊通过螺栓连接在导管架横撑上，螺栓连接处涂有防水胶，柔性气囊的底部对称设有进气口和出气口，柔性气囊的底部还设有充气口；柔性气囊采用橡胶薄膜制成。
进一步的，导气系统包括通气管道，通气管道上设有多对进气口和出气口，通气管道的进气口和出气口处均安装有单向阀。
进一步的，气流发电系统包括空气透平、转轴、转子以及定子，定子固定安装在通气管道内部，转子转动安装在定子内，转子通过转轴与空气透平连接。
进一步的，定子包括机座、定子铁芯和线圈，定子铁芯均匀分布在机座内部，线圈绕制在定子铁芯上。
进一步的，转子包括钕铁硼磁铁、转子铁芯和夹板，钕铁硼磁铁位于转子铁芯和夹板之间。
进一步的，风机平台包括风机平台中心柱、多个连接筒、风机平台横撑和风机平台斜撑，连接筒连接在导管架腿柱的顶部，风机平台横撑连接在连接筒之间，风机平台中心柱位于多个连接筒之间，风机平台斜撑的一端连接在风机平台横撑的中部，另一端连接在风机平台中心柱上。
进一步的，风力发电系统包括塔筒、风机、风机轮毂和叶片，塔筒固定连接在风机平台中心柱上，风机固定连接在塔筒顶部，风机轮毂转动安装在风机上，叶片固定安装在风机轮毂上。
进一步的，桩基基础包括多个单直基桩，单直基桩的底部打入海底地基持力层，单直基桩的顶部安装有桩基承台，桩基承台连接在导管架腿柱底部。
总的说来，本发明具有如下优点：
一、本发明以导管架平台为基础，将柔性气囊波浪能发电装置和风力发电系统安装在导管架平台上，形成集成系统，综合利用波浪能和海上风能发电。波浪作用于柔性气囊，使柔性气囊发生形变，柔性气囊形变会推动气体在通气管道中流动，利用通气管道中的气流发电系统发电，将气体流动的机械能转换为电能，从而实现波浪能发电。在风力的带动下，叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电，将风能转换成电能。
二、本发明的气囊系统在利用波浪能发电时有一定的消波作用，能够降低波浪对导管架平台的冲击力，进一步提高导管架平台的稳定性。
三、本发明的气囊系统安装在导管架平台水面以下的导管架横撑上，能够有效避免波浪的直接冲击，减小气囊系统被破坏的风险。同时导气系统位于导管架横撑和导管架腿柱内部，气流发电系统安装在导气系统内部，使得导气系统和气流发电系统免于与海水接触，有效避免了海水对导气系统和气流发电系统的腐蚀破坏，提高了本发明的可靠性。
四、本发明的柔性气囊采用橡胶薄膜制成，橡胶薄膜具有高弹性，并且可塑性强、耐腐蚀性强，可最大限度避免波浪冲击和海水腐蚀造成的损坏，延长使用寿命。
五、本发明的柔性气囊波浪能发电装置和风力发电系统依托导管架平台建设，降低了波浪能发电装置的建设安装成本，解决了波浪能发电装置支撑结构造价高且单一发电时经济效益低下的问题，综合利用了波浪能和海上风能，提高了整体发电效率，提高了海洋可再生能源的综合利用率，在经济性和结构安全性都具有极高的可行性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的风机平台的俯视结构示意图。
图3是本发明的风机平台的侧面结构示意图。
图4是本发明的导气系统的结构示意图。
图5是本发明的导气系统和气流发电系统的俯视结构示意图。
图6是本发明的定子和转子的结构示意图。
图7是本发明的气囊系统的结构示意图。
其中：1为导管架平台，1-1为导管架腿柱，1-2为导管架横撑，1-3为导管架斜撑，2为桩基基础，2-1为桩基承台，2-2为单直基桩，3为风机平台，3-1为连接筒，3-2为风机平台横撑，3-3为风机平台斜撑，3-4为风机平台中心柱，4为风力发电系统，4-1为塔筒，4-2为风机，4-3为风机轮毂，4-4为叶片，5为气囊系统，5-1为柔性气囊，5-2为柔性气囊进气口，5-3为柔性气囊出气口，5-4为充气口，6为导气系统，6-1为通气管道，6-2为通气管道进气口，6-3为通气管道出气口，6-4为单向阀，7为气流发电系统，7-1为空气透平，7-2为转轴，7-3为转子，7-3-1为转子铁芯，7-3-2为钕铁硼磁铁，7-3-3为夹板，7-4为定子，7-4-1为机座，7-4-2为定子铁芯，7-4-3为线圈。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，包括导管架平台、桩基基础、风机平台、风力发电系统、气囊系统、导气系统和气流发电系统；导管架平台通过桩基基础固定安装于海底，风机平台设置在导管架平台的顶部，风力发电系统安装在风机平台上；导管架平台包括多个导管架腿柱和连接在导管架腿柱之间的导管架横撑和导管架斜撑，导管架横撑与导管架腿柱相连通，气囊系统安装在导管架平台水面以下的导管架横撑上，导气系统位于导管架横撑和导管架腿柱内部，气囊系统与导气系统相连通，气囊系统的进气口与导气系统的出气口相连接，气囊系统的出气口与导气系统的进气口相连接，气流发电系统安装在导气系统内部。波浪作用于气囊系统，使气囊系统发生形变，气囊系统形变推动气体在导气系统中流动，利用导气系统中的气流发电系统发电，将气体流动的机械能转换为电能，从而实现波浪能发电；同时，风力发电系统也会将风能转换成电能。
如图1、图2、图4和图5所示，在本实施方式中，导管架平台包括四个导管架腿柱，相邻的两个导管架腿柱之间均连接有多个导管架横撑和导管架斜撑。各个方向的导管架横撑上均安装有气囊系统，各个方向的导管架横撑内部均对应设置有导气系统，导气系统用于安装气流发电系统的部位位于与导管架横撑相邻的导管架腿柱内。
如图1、图4和图5所示，多个气囊系统阵列布置在导管架横撑上，导气系统上设有多对进气口和出气口，多个气囊系统与导气系统上的多对进气口和出气口一一对应。在本实施方式中，导管架横撑上阵列布置有三个气囊系统，导气系统上对应设有上设有三对进气口和出气口，三个气囊系统与导气系统上的三对进气口和出气口一一对应。
如图5和图7所示，气囊系统包括柔性气囊，柔性气囊通过螺栓连接在导管架横撑上，螺栓连接处涂有防水胶，柔性气囊的底部对称设有进气口和出气口，柔性气囊的底部还设有充气口。在本实施方式中，柔性气囊的底部呈长方形状，柔性气囊的底部通过螺栓连接在导管架横撑顶面上。通过充气口可向柔性气囊充气，同时也能及时调整柔性气囊内部气压。
柔性气囊采用橡胶薄膜制成。橡胶薄膜具有高弹性，并且可塑性强、耐腐蚀性强，可最大限度避免波浪冲击和海水腐蚀造成的损坏。
如图4和图5所示，导气系统包括通气管道，通气管道上设有多对进气口和出气口，通气管道的进气口和出气口处均安装有单向阀。在本实施方式中，通气管道上设有三对进气口和出气口。
通过设置单向阀，能够控制通气管道中的气体单向流动，使得从柔性气囊流出的气体通过通气管道，流经气流发电系统发电后又流回柔性气囊中。
如图5和图6所示，气流发电系统包括空气透平、转轴、转子以及定子，定子固定安装在通气管道内部，转子转动安装在定子内，转子通过转轴与空气透平连接。定子包括机座、定子铁芯和线圈，定子铁芯均匀分布在机座内部，线圈绕制在定子铁芯上。转子包括钕铁硼磁铁、转子铁芯和夹板，钕铁硼磁铁位于转子铁芯和夹板之间。气体经通气管道流经气流发电系统时带动空气透平转动，经转轴带动转子转动，从而切割磁感线发电。
气流发电系统安装在导气系统内部，使得气流发电系统免于与海水接触，有效避免了海水对气流发电系统的腐蚀破坏，有效的提高了气流发电系统的可靠性。
如图1至图3所示，风机平台包括风机平台中心柱、多个连接筒、风机平台横撑和风机平台斜撑，连接筒连接在导管架腿柱的顶部，风机平台横撑连接在连接筒之间，风机平台中心柱位于多个连接筒之间，风机平台斜撑的一端连接在风机平台横撑的中部，另一端连接在风机平台中心柱上。
在本实施方式中，风机平台包括四个连接筒，四个连接筒分别连接在四个导管架腿柱的顶部，相邻的两个连接筒之间均连接有一个风机平台横撑，每个风机平台横撑的中部均连接有一个风机平台斜撑，风机平台中心柱位于四个连接筒的中心处，四个风机平台斜撑均与风机平台中心柱连接，用于支撑风机平台中心柱。
如图1所示，风力发电系统包括塔筒、风机、风机轮毂和叶片，塔筒固定连接在风机平台中心柱上，风机固定连接在塔筒顶部，风机轮毂转动安装在风机上，叶片固定安装在风机轮毂上。在风力的带动下叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电。
如图1和图2所示，桩基基础包括多个单直基桩，单直基桩的底部打入海底地基持力层，单直基桩的顶部安装有桩基承台，桩基承台连接在导管架腿柱底部。通过桩基基础可以将导管架平台稳固的安装于海底。
本发明的工作原理如下：
通过充气口向柔性气囊充气，柔性气囊充气后膨胀，在波浪作用下，柔性气囊发生形变，柔性气囊形变推动柔性气囊内的气体沿柔性气囊出气口流出，沿通气管道进气口流入通气管道中，并流经通气管道中的气流发电系统，气体流经气流发电系统时会带动空气透平转动，经转轴带动转子转动，从而切割磁感线发电，气体流经气流发电系统后通过通气管道出气口流出，通过柔性气囊进气口流回柔性气囊中，如此反复。由于通气管道的进气口处和出气口处均安装有单向阀，使得通气管道中的气体仅能单向流动，使得从柔性气囊流出的气体通过通气管道，流经气流发电系统发电后又流回柔性气囊中。
与此同时，在风力的带动下，叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电，将风能转换成电能。
气流发电系统和风力发电系统所产生的电能经过整流器调整后具备相同的电压、频率、相位，即可具备并网条件。
总的说来，本发明以导管架平台为基础，将柔性气囊波浪能发电装置和风力发电系统安装在导管架平台上，形成集成系统，综合利用波浪能和海上风能发电。波浪作用于柔性气囊，使柔性气囊发生形变，柔性气囊形变会推动气体在通气管道中流动，利用通气管道中的气流发电系统发电，将气体流动的机械能转换为电能，从而实现波浪能发电。在风力的带动下，叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电，将风能转换成电能。本发明的气囊系统在利用波浪能发电时有一定的消波作用，能够降低波浪对导管架平台的冲击力，进一步提高导管架平台的稳定性。本发明的气囊系统安装在导管架平台水面以下的导管架横撑上，能够有效避免波浪的直接冲击，减小气囊系统被破坏的风险。同时导气系统位于导管架横撑和导管架腿柱内部，气流发电系统安装在导气系统内部，使得导气系统和气流发电系统免于与海水接触，有效避免了海水对导气系统和气流发电系统的腐蚀破坏，提高了本发明的可靠性。本发明的柔性气囊采用橡胶薄膜制成，橡胶薄膜具有高弹性，并且可塑性强、耐腐蚀性强，可最大限度避免波浪冲击和海水腐蚀造成的损坏，延长使用寿命。本发明的柔性气囊波浪能发电装置和风力发电系统依托导管架平台建设，降低了波浪能发电装置的建设安装成本，解决了波浪能发电装置支撑结构造价高且单一发电时经济效益低下的问题，综合利用了波浪能和海上风能，提高了整体发电效率，提高了海洋可再生能源的综合利用率，在经济性和结构安全性都具有极高的可行性，具有广阔的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：包括导管架平台、桩基基础、风机平台、风力发电系统、气囊系统、导气系统和气流发电系统；导管架平台通过桩基基础固定安装于海底，风机平台设置在导管架平台的顶部，风力发电系统安装在风机平台上；导管架平台包括多个导管架腿柱和连接在导管架腿柱之间的导管架横撑和导管架斜撑，导管架横撑与导管架腿柱相连通，气囊系统安装在导管架平台水面以下的导管架横撑上，导气系统位于导管架横撑和导管架腿柱内部，气囊系统与导气系统相连通，气囊系统的进气口与导气系统的出气口相连接，气囊系统的出气口与导气系统的进气口相连接，气流发电系统安装在导气系统内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：多个气囊系统阵列布置在导管架横撑上，导气系统上设有多对进气口和出气口，多个气囊系统与导气系统上的多对进气口和出气口一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：气囊系统包括柔性气囊，柔性气囊通过螺栓连接在导管架横撑上，螺栓连接处涂有防水胶，柔性气囊的底部对称设有进气口和出气口，柔性气囊的底部还设有充气口；柔性气囊采用橡胶薄膜制成。
4.根据权利要求2所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：导气系统包括通气管道，通气管道上设有多对进气口和出气口，通气管道的进气口和出气口处均安装有单向阀。
5.根据权利要求4所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：气流发电系统包括空气透平、转轴、转子以及定子，定子固定安装在通气管道内部，转子转动安装在定子内，转子通过转轴与空气透平连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：定子包括机座、定子铁芯和线圈，定子铁芯均匀分布在机座内部，线圈绕制在定子铁芯上。
7.根据权利要求5所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：转子包括钕铁硼磁铁、转子铁芯和夹板，钕铁硼磁铁位于转子铁芯和夹板之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：风机平台包括风机平台中心柱、多个连接筒、风机平台横撑和风机平台斜撑，连接筒连接在导管架腿柱的顶部，风机平台横撑连接在连接筒之间，风机平台中心柱位于多个连接筒之间，风机平台斜撑的一端连接在风机平台横撑的中部，另一端连接在风机平台中心柱上。
9.根据权利要求8所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：风力发电系统包括塔筒、风机、风机轮毂和叶片，塔筒固定连接在风机平台中心柱上，风机固定连接在塔筒顶部，风机轮毂转动安装在风机上，叶片固定安装在风机轮毂上。
10.根据权利要求1所述的一种基于导管架平台的波浪能-风能发电装置集成系统，其特征在于：桩基基础包括多个单直基桩，单直基桩的底部打入海底地基持力层，单直基桩的顶部安装有桩基承台，桩基承台连接在导管架腿柱底部。
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