CN116857112A - 适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置及控制方法，该装置包括风力机、潮流能水轮机发电机构、OWC波浪能气室、闭锁控制组件和锚固组件。本发明中将风力机、潮流能水轮机与波浪能装置安装于同一浮式平台上，能够节省材料、降低成本：在原有叶片基础上针对叶片形状进行优化设计，减小了叶片阻力，提升了获能效率；通过波浪能装置，在利用波浪能发电的同时，增强平台稳定性控制；本平台集成海上风力、潮流能、波浪能发电于一体，综合利用三种能源，并具有良好的平台稳定性能，拥有更广泛的海域适用范围。

Description

适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置及控制方法

技术领域

本发明属于海洋能发电技术领域，具体涉及一种适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置及控制方法。

背景技术

随着经济社会的发展，我国的能源紧缺与环境污染问题日益突出。在此背景下，海洋能因其具有清洁可再生、可预测性强、分布范围广等优点，愈发受到国家的重视。另外，我国海域面积广阔，潮流能、风能、波浪能等海洋能资源储量十分丰富，具有广阔的发展前景。

对于海洋能的开发和利用，我国近海资源开发已趋近饱和，但具有更丰富海洋能的远海海域还未得到充分开发。相较于近海海域，远海海况复杂，海上浮式平台受到风载荷、波浪载荷、系泊系统共同影响，平台运动复杂多变，而浮式平台的轻微运动就会导致上部高耸且质量集中的风力机结构剧烈晃动，不仅影响浮式风力机正常运行，还可能导致系统失稳发生平台倾覆等严重后果，因此突破兼顾能源利用效率与平台结构稳定已成为漂浮式风浪流集成能源装备设计的关键技术瓶颈。

发明内容

本发明提出一种适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置及控制方法，将风电机、潮流能水轮机与波浪能装置安装于同一浮式平台上，并设置一种波浪能闭锁控制系统，以应对当下深远海海洋能开发中存在的平台稳定性差的工程问题。

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明采用如下方案实现：

一种适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，包括漂浮平台，以及设置在漂浮平台上的风力发电机构、多个潮流能水轮机发电机构、多个振荡水柱式波浪能发电机构和系泊组件；

所述振荡水柱式波浪能发电装置包括OWC波浪能气室和闭锁控制组件。

进一步优化，所述风力发电机构包括风力机转子、风力机机舱和塔架；

所述风力机转子安装在风力机机舱中，风机转子前端沿其周向均匀安装片叶片，整体呈辐射状；风力机机舱固定在塔架上端，塔架通过中心立柱固定在漂浮平台的中心位置；

所述潮流能水轮机发电机构包括潮流能水轮机机舱9和潮流能水轮机转子；所述潮流能水轮机转子安装于潮流能水轮机机舱中，潮流能水轮机转子前端沿其周向均匀安装3个水轮机叶片，构成水平轴水轮机；潮流能水轮机机舱通过竖直连接杆固定于浮式平台的下方。

进一步优化，所述水轮机叶片末端向远离潮流能水轮机机舱的一侧弯折形成小翼，小翼与水轮机叶片的夹角为90-150°，小翼13的长度为叶片整体长度的5%-10%，采用融合式小翼增强叶片结构强度。

进一步优化，所述水轮机叶片上流动分离点附近设置有沟槽，沟槽顺流向纵向布置。利用翼尖小翼削弱翼尖涡强度的作用和沟槽重新划分流场的能力提高潮流能水轮机叶片的或能效率、减小水轮机叶片的摩擦阻力系数，最终实现叶片水动力性能优化。

进一步优化，所述潮流能水轮机发电机构的数量为4个，4个潮流能水轮机发电机构均匀安装在漂浮平台的底面，4个连接杆的长度不同，即4个水平轴水轮机的位于不同深度处，高度上相互错开以减少尾流干扰导致的能量损失。

由于海底不同位点处流速流向均有较大差别，距离海面不同高度的位置水流速度也不相同，为了保证发电机始终能保持相对较高的效率输出电能，本发明4个水轮机能够实现适应海底流场的变化调节方向和高度。

进一步优化，所述漂浮平台为正六边形，正六边形漂浮平台等分为六腔体；

所述振荡水柱式波浪能发电机构包括3个OWC波能发电单元；3个OWC波能发电单元和3个浮箱交替布置在漂浮平台的六腔体中；

每个OWC波浪能发电单元包括气舱、以及汽轮机、发电机和闭锁系统；所述汽轮机和发电机安装在气舱上，气舱为部分浸没在水下、底部开放的壳体解构，气舱的腔体上部为气室，气室上端开设有排气孔和进气孔，排气孔与汽轮机的进气口连通，汽轮机的输出轴与发电机的转子连接。

在波浪作用下气舱腔体内水柱产生振荡运动推动气室内空气运动，从而驱动汽轮机带动发电机发电。

进一步优化，所述闭锁系统包括液位传感器、倾角传感器、A/D稳性控制微机、进气阀门、排气阀门和报警系组件；

所述液位传感器安装在气室顶部中心位置，倾角传感器安装在气舱顶部中心位置，所述进气阀门和排气阀门均为电磁阀，其中，进气阀门安装在进气孔处，排气阀门安装在排气孔处；

所述液位传感器、倾角传感器、进气阀门、排气阀门和报警系组件均与A/D稳性控制微机电连接。

所述闭锁控制系统设置在气室出入口透平处，用于监测气室内气压并调整平台运动响应，能有效调节气室内压强，进行平台稳定控制，并通过适时开关闭锁系统达到增强漂浮平台稳定性及提高波浪能转化效率。

所述进气阀门、排气阀门均采用节流止回阀门，可控制气体通过透平发电装置，且避免气室内外液体回流现象。

进一步优化，所述系泊组件包括三根系泊缆绳，系泊缆绳包括两端的钢链和中间的聚酯缆绳；所述泊缆绳的一端与漂浮平台固连，另一端与锚固件连接。

缆绳采用合成纤维缆绳和钢链的组合形式。系泊缆依靠锚链自身重量和弯曲形态来实现浮式平台的固定，可用于较深的水深。缆绳采用合成纤维缆绳和钢链的组合形式。组合式系泊缆具有更好的系泊性能，减轻海底泥沙对缆绳的磨损，延长使用寿命。

OWC波浪能发电单元的闭锁系统的控制方法，基于上述的闭锁系统，具体包括如下步骤：

步骤1：液位传感器实时采集气舱的腔体中的液面位置，所述液位传感器为超声波液位传感器，通过换能器发出高频超声波脉冲， 遇到被测液面，超声波发生反射，反射波被同一换能器接收，转换成电信号并发送给A/D稳性控制微机；A/D稳性控制微机根据发射到接收声波脉冲的时间间隔和距离计算出气室内液面高度数据；随着液面升高，振荡水柱相对气室发生上升时，A/D稳性控制微机的运算控制芯片发出指令，伺服控制电机激活电磁驱动模块，利用电磁线圈产生的电磁力作用，推动阀芯切换，控制进气阀门关闭，排气阀门打开；

当通过超声波液位传感器检测到振荡水柱下降时，A/D稳性控制微机的运算控制芯片发出信号，控制进气阀门打开，排气阀门关闭；

步骤2：以姿态倾角传感器的安装位置为坐标原点，气舱竖直轴为z轴建立动态三维直角动坐标系x₁y₁o₁z₁，以系泊组件的三个锚固组件所构成三角形的几何中心为原点建立静态三维直角静坐标系x₂y₂o₂z₂，根据两个坐标系相对位置，以漂浮平台姿态变化确定平台动态变化信息；

所述倾角传感器实时采集漂浮平台的姿态角数据，并传递给A/D稳性控制微机；当姿态角超出设定的稳定阈值时，则A/D稳性控制微机发出指令，控制进气阀门打开，电磁排气阀门关闭，气室中气体增加海水逐渐减少，浮体浮力增加，浮体上浮后进行平衡稳定性调节，气室内水位再分配；当需要减小浮体浮力时，电磁进气阀门关闭，排气阀门打开，高压空气通过排气阀排出，外界海水再次进入室内，浮力减小，浮体下沉，实现平台稳定控制；

步骤3：当采集的姿态角超出设定的预警阈值时，A/D稳性控制微机发出指令，通过报警系组件进行报警。

本发明的有益效果是：

1、本发明所述适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，将风力机、潮流能水轮机与波浪能装置安装于同一浮式平台上，融合多种海上可再生能源，实现多能互补，在有限空间充分利用海洋能资源，提升了系统发电量。

2、本发明通过在潮流能水轮机叶片表面布置沟槽，减小摩擦阻力；增加叶尖小翼，减弱尾流影响，优化了翼型结构设计，实现叶片水动力性能多目标优化，提高了叶片获能效率，降低了启动流速，扩大系统的适用范围。

3、本发明通过在振荡水柱式波浪能发电机构中设置闭锁系统，增加了浮式平台的稳定性。通过调节装置气室气压增加相对运动幅度，减小由于波浪导致平台的晃动，起到消波防浪作用，实现平台力学稳定性控制，同时将多余的波浪能转化为电能，提高波浪能捕获效率。采取闭锁力实时反馈控制策略，通过控制相对运动与外荷载之间的相位增加相对运动幅度，减小平台运动响应。采用电磁气阀式闭锁控制装置，减少无功功率产生，带来更少的电损耗。

附图说明

图1显示了本发明所述适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置的整体结构示意图；

图2显示了风力机发电机构结构示意图；

图3显示了潮流能水轮机发电机构示意图；

图4显示了潮流能水轮机叶片结构示意图；

图5显示了振荡水柱式波浪能发电装置结构示意图；

图6显示了闭锁控制系统结构示意图；

图7显示了系泊控制系统结构示意图

图8显示了A/D稳性控制微机作用流程图；

图9显示了平台姿态信息处理流程图；

图10显示了动静坐标相对变换示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1，本发明提供了一种适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，将风力机发电机构1、4个潮流能水轮机发电机构2和3个振荡水柱式波浪能发电机构3，均安装于同一漂浮平台上，并设置闭锁控制系统4和锚固组件5，实现多能开发，并提升平台抵御外部载荷的能力。

在本实施例中，如图2所示，所述风力机发电机构1包括风力机转子6、风力机机舱5和塔架7；

所述风力机转子6安装在风力机机舱5中，风机转子前端沿其周向均匀安装片叶片，整体呈辐射状；风力机机舱5固定在塔架7上端，塔架7通过中心立柱8固定在漂浮平台的中心位置，风机所受气动载荷、运行载荷通过中心立柱8传递至浮式平台，浮式平台中闭锁控制系统检测平台所受水动载荷与上部风机传递载荷，实现平台稳定控制。

如图3所示，所述潮流能水轮机发电机构包括潮流能水轮机机舱9和潮流能水轮机转子10；所述潮流能水轮机转子安装于潮流能水轮机机舱中，潮流能水轮机转子前端沿其周向均匀安装3个水轮机叶片，构成水平轴水轮机；潮流能水轮机机舱通过竖直连接杆11固定于浮式平台的下方。

在本实施例中，所述水轮机叶片末端向远离潮流能水轮机机舱的一侧弯折形成小翼13，小翼与水轮机叶片的连接处光滑过度并凸起一定高度，保证翼尖小翼13与原始叶片的连接强度。小翼13通过减小吸力面压力、增大压力面压力，从而增大潮流能水轮机叶片12叶尖部分上下表面压力差，提高水轮机获能效率和单位水域面积获能性能。进一步地，在尾流影响上，小翼13可以扩散漩涡，抑制叶尖涡，使潮流能水轮机叶片12尾流的速度恢复能力提高，减弱海流经过水轮机形成尾流影响。

在本实施例中，如图4所示，所述水轮机叶片上流动分离点附近设置有沟槽14，沟槽顺流向纵向布置。

考虑到流体绕过水轮机叶片时将分别在流动方向上产生阻力在垂直于流动方向上产生升力。当流动角大于一定数值时，在逆压梯度和翼型粘性的阻滞共同作用下，流体会发生边界层分离现象，分离点的位置及边界层内的流态与翼型表面结构密切相关，同时也决定着翼型阻力的大小。相比于层流边界层，紊流边界层内由于流体的强烈掺混和流体间强烈的动量交换，流体动能分布更加均匀，分离点位置相对层流边界层更靠近翼型后缘，因而尾迹变得狭窄，从而显著降低翼型的压差阻力。因此，在流动分离点附近布置沟槽14，可增加翼型表面粗糙度，使得边界层分离点附近的流体由层流边界层提前过渡为紊流边界层，进而减小翼型总体摩擦力系数，达到减小摩擦阻力的目的。具体设计为沟槽顺流向纵向布置，覆盖翼型的上下表面。

在本实施例中，4个潮流能水轮机发电机构均匀安装在漂浮平台的底面，4个连接杆的长度不同，即4个水平轴水轮机的位于不同深度处，高度错开，减少多台水轮机运行时机组间的尾流干扰，减少能量损失。

如图1所示，所述振荡水柱式波浪能发电机构包括3个OWC波能发电单元；3个OWC波能发电单元和3个浮箱交替布置在漂浮平台的六腔体中。

如图5、6所示，每个OWC波浪能发电单元包括气舱21、汽轮机24、发电机23和闭锁系统；所述汽轮机和发电机安装在气舱上，气舱为部分浸没在水下、底部开放的壳体解构，气舱的腔体上部为气室，气室上端开设有排气孔和进气孔，排气孔与汽轮机的进气口连通，汽轮机的输出轴与发电机的转子连接。

所述闭锁系统包括液位传感器15、倾角传感器16、A/D稳性控制微机17、进气阀门18、排气阀门19和报警系组件20。

所述液位传感器安装在气室顶部中心位置，倾角传感器安装在气舱顶部中心位置，所述进气阀门和排气阀门均为电磁阀，其中，进气阀门18安装在进气孔处，排气阀门安装在排气孔处；所述液位传感器、倾角传感器、进气阀门、排气阀门和报警系组件均与A/D稳性控制微机电连接。

通过在三个方向对称布置浮箱和发电单元，利用三角形稳定性原理增强整个漂浮平台的稳定性。同时三个气室结构内部的水柱运动要比单气室的剧烈，气室内部的波面和压强均比单气室的要大，能够拓宽装置的有效频带宽度和提高装置的水动力性能，进而能提升多气室OWC装置对波浪能的吸收和转换能力，能量转换效率更高。

如图7所示，所述系泊组件包括三根系泊缆绳25，和缆绳一端连接的锚固系统26组成。系泊缆绳25两端连接部位采用钢链27，中间部分采用聚酯缆绳28，从而形成合成纤维缆绳和钢链的组合式系泊缆绳。

本发明采用的合成纤维材质可降低系缆总体重量和增加系缆的柔度和可伸长量，具有更好的柔性，同时钢链保证系泊缆绳的强度。

本发明采用混合缆系泊系统系缆的张力比锚链系泊中同一位置处的系缆张力更低。由于聚酯缆绳在相同载荷下具有高伸长量及较大变形率，同时其具有复杂的力学特性，因此相比于传统钢链，酯缆缆绳最小破断强度更高，有极大的潜力应用于超深水系泊工程。针对本装置所处极端海况的情况下，混合缆系泊系统中系缆的最大张力值较锚链系泊更大，采用混合缆系泊系统可以大大减低系缆在导缆孔处的平均张力和最大载荷。使系泊系统更加安全可靠。

本发明的系泊组件设计采用悬链式系泊系统，在纵荡、垂荡方向上和在张力方面，悬链式系泊系统在风能及波能等发电装置中动力响应较高，利用联合发电装置高效获能。

实施例2：

如图8所示，A/D稳性控制微机17包括集成信号采集电路、伺服控制电机、控制芯片等，用于一次处理传感器监测的数据，根据信号采集电路和运算控制芯片分析平台实时稳性状态，在平台荷载失稳时发出控制指令，伺服控制电机激活电磁驱动模块，电磁进、排气阀完成指定动作。进气阀18、排气阀19通过调整气压及气室水位进而实现闭锁控制，通过数字报警系统20二次处理收集的数据，向监测系统发出装置异常警报。

如图9所示，OWC波浪能发电单元的闭锁系统的控制方法，基于上述的闭锁系统，具体包括如下步骤：

步骤1：液位传感器15实时采集气舱的腔体中的液面位置，所述液位传感器为超声波液位传感器，通过换能器发出高频超声波脉冲， 遇到被测液面，超声波发生反射，反射波被同一换能器接收，转换成电信号并发送给A/D稳性控制微机；A/D稳性控制微机根据发射到接收声波脉冲的时间间隔和距离计算出气室内液面高度数据；随着液面升高，振荡水柱相对气室发生上升时，A/D稳性控制微机的运算控制芯片发出指令，伺服控制电机激活电磁驱动模块，利用电磁线圈产生的电磁力作用，推动阀芯切换，控制进气阀门18关闭，排气阀门19打开；

当通过超声波液位传感器检测到振荡水柱下降时，A/D稳性控制微机的运算控制芯片发出信号，控制进气阀门打开，排气阀门关闭；

步骤2：以姿态倾角传感器的安装位置为坐标原点，气舱竖直轴为z轴建立动态三维直角动坐标系x₁y₁o₁z₁，以系泊组件的三个锚固组件所构成三角形的几何中心为原点建立静态三维直角静坐标系x₂y₂o₂z₂，根据两个坐标系相对位置，以漂浮平台姿态变化确定平台动态变化信息，如图10所示；

所述倾角传感器16实时采集漂浮平台的姿态角数据，并传递给A/D稳性控制微机；当姿态角超出设定的稳定阈值时，则A/D稳性控制微机发出指令，控制进气阀门打开，电磁排气阀门关闭，气室中气体增加海水逐渐减少，浮体浮力增加，浮体上浮后进行平衡稳定性调节，气室内水位再分配；当需要减小浮体浮力时，电磁进气阀门关闭，排气阀门打开，高压空气通过排气阀排出，外界海水再次进入室内，浮力减小，浮体下沉，实现平台稳定控制；

步骤3：当采集的姿态角超出设定的预警阈值时，A/D稳性控制微机发出指令，通过报警系组件进行报警。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，包括漂浮平台，以及设置在漂浮平台上的风力发电机构、多个潮流能水轮机发电机构、多个振荡水柱式波浪能发电机构和系泊组件；

所述振荡水柱式波浪能发电装置包括OWC波浪能气室和闭锁控制组件。

2.根据权利要求1所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述风力发电机构包括风力机转子、风力机机舱和塔架；

所述风力机转子安装在风力机机舱中，风机转子前端沿其周向均匀安装片叶片，整体呈辐射状；风力机机舱固定在塔架上端，塔架通过中心立柱固定在漂浮平台的中心位置；

所述潮流能水轮机发电机构包括潮流能水轮机机舱和潮流能水轮机转子；所述潮流能水轮机转子安装于潮流能水轮机机舱中，潮流能水轮机转子前端沿其周向均匀安装3个水轮机叶片，构成水平轴水轮机；潮流能水轮机机舱通过竖直连接杆固定于浮式平台的下方。

3.根据权利要求2所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述水轮机叶片末端向远离潮流能水轮机机舱的一侧弯折形成小翼，小翼与水轮机叶片的夹角为90-150°，小翼的长度为叶片整体长度的5%-10%。

4.根据权利要求3所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述水轮机叶片上流动分离点附近设置有沟槽，沟槽顺流向纵向布置。

5.根据权利要求1所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述潮流能水轮机发电机构的数量为4个，4个潮流能水轮机发电机构均匀安装在漂浮平台的底面，4个连接杆的长度不同，即4个水平轴水轮机的位于不同深度处。

6.根据权利要求5所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述漂浮平台为正六边形，正六边形漂浮平台等分为六腔体；

所述振荡水柱式波浪能发电机构包括3个OWC波能发电单元；3个OWC波能发电单元和3个浮箱交替布置在漂浮平台的六腔体中；

每个OWC波浪能发电单元包括气舱、汽轮机、发电机和闭锁系统；所述汽轮机和发电机安装在气舱上，气舱为部分浸没在水下、底部开放的壳体解构，气舱的腔体上部为气室，气室上端开设有排气孔和进气孔，排气孔与汽轮机的进气口连通，汽轮机的输出轴与发电机的转子连接。

7.根据权利要求6所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述闭锁系统包括液位传感器、倾角传感器、A/D稳性控制微机、进气阀门、排气阀门和报警系组件；

所述液位传感器安装在气室顶部中心位置，倾角传感器安装在气舱顶部中心位置，所述进气阀门和排气阀门均为电磁阀，其中，进气阀门安装在进气孔处，排气阀门安装在排气孔处；

所述液位传感器、倾角传感器、进气阀门、排气阀门和报警系组件均与A/D稳性控制微机电连接。

8.根据权利要求7所述的适用于深远海的新型浮式风浪流综合发电装置，其特征在于，所述系泊组件包括三根系泊缆绳，系泊缆绳包括两端的钢链和中间的聚酯缆绳；

所述泊缆绳的一端与漂浮平台固连，另一端与锚固件连接。

9.OWC波浪能发电单元的闭锁系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求7、8中任一项所述的闭锁系统，具体包括如下步骤：

步骤1：液位传感器实时采集气舱的腔体中的液面位置，所述液位传感器为超声波液位传感器，通过换能器发出高频超声波脉冲， 遇到被测液面，超声波发生反射，反射波被同一换能器接收，转换成电信号并发送给A/D稳性控制微机；A/D稳性控制微机根据发射到接收声波脉冲的时间间隔和距离计算出气室内液面高度数据；随着液面升高，振荡水柱相对气室发生上升时，A/D稳性控制微机的运算控制芯片发出指令，控制进气阀门关闭，排气阀门打开；

当通过超声波液位传感器检测到振荡水柱下降时，A/D稳性控制微机的运算控制芯片发出信号，控制进气阀门打开，排气阀门关闭；

步骤2：以姿态倾角传感器的安装位置为坐标原点，气舱竖直轴为z轴建立动态三维直角动坐标系x₁y₁o₁z₁，以系泊组件的三个锚固组件所构成三角形的几何中心为原点建立静态三维直角静坐标系x₂y₂o₂z₂，根据两个坐标系相对位置，以漂浮平台姿态变化确定平台动态变化信息；

所述倾角传感器实时采集漂浮平台的姿态角数据，并传递给A/D稳性控制微机；当姿态角超出设定的稳定阈值时，则A/D稳性控制微机发出指令，控制进气阀门打开，电磁排气阀门关闭，气室中气体增加海水逐渐减少，浮体浮力增加，浮体上浮后进行平衡稳定性调节，气室内水位再分配；当需要减小浮体浮力时，电磁进气阀门关闭，排气阀门打开，高压空气通过排气阀排出，外界海水再次进入室内，浮力减小，浮体下沉，实现平台稳定控制；

步骤3：当采集的姿态角超出设定的预警阈值时，A/D稳性控制微机发出指令，通过报警系组件进行报警。