CN220263013U - 基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，包括从上至下依次设置的塔筒、平台以及舱体，塔筒上端连接有用于收集风能的风能发电机组，风能发电机组与海底电缆电连接，塔筒上还设置有控制器，控制器与海底电缆以及风能发电机组电连接，还包括转动连接在舱体上的潮流能发电机组，潮流能发电机组与海底电缆以及控制器电连接，并设置有潮流方向传感器；潮流能发电机组与舱体的连接处设置有驱动机构，驱动机构以及潮流方向传感器均与控制器电连接；当潮流方向发生变化时，控制器根据潮流方向传感器的反馈信息，控制驱动机构驱动潮流能发电机组绕舱体的周向旋转；本申请能够适应海上复杂多变的风向和潮流方向，更加适合在深远海作业。

Description

基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置

技术领域

本实用新型涉及海洋发电领域，具体而言，涉及一种基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置。

背景技术

风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术之一，其中，陆地风力发电场在快速发展的同时，人们已经注意到了陆地风力发电场的局限性，如占地面积大、噪声污染等问题。而中国属于海岸线绵长的国家，由于天然的地理优势，且海洋本身具有比陆地更加充足和稳定的风能资源，再加上现代科学技术的可行性，人们很快就着手将风力发电场建设在海上，并通过海底电缆将电能传输到岸上的变电场。传统的海上风力发电装置内部设置控制器，且叶片上会设置有风向传感器，控制器可以根据风向去调整叶片的角度。

另一方面，海洋中的潮流能是潮水在水平运动时所含有的动能，又称海流能。潮流能和潮汐能是一对孪生兄弟，都是海水受月球和太阳的引力作用而产生的动能，是一种可再生的自然能源。这也使得海上的风力发电场能够将风能与潮流能结合一起发电成为可能。

现在的海上风力发电装置的结构类型如附图6所示，从左至右依次为单桩式、导管架式、张力腿式、半潜式以及立柱式，其中，单桩式与导管架式都是按照地面上风力发电机的固定式建造方法，把风力发电装置的柱体底端通过打桩的方式埋入海底进行固定，并将风力发电机主体露出于海面以供收集风能；这种方法局限性显然是较大的，比如只能用于近海水浅的地方、对所处位置海底土壤的松软程度要求高、需要特殊的打桩船只以及无法移动等等；于是漂浮式风力发电装置应运而生，张力腿式、半潜式以及立柱式均为漂浮式风力发电装置，主要运用的是阿基米德定理，即部分沉没于水中的物体，会受到垂直向上的浮力作用。其中，如附图6所示，立柱式漂浮式海上发电装置的柱体有相当一部分是没入水中的，并在水面交界处设置平台，没入水中的柱体的舱体内填充有千吨级别的压舱物，使得整个漂浮式海上发电装置保持稳定，然后在周围通过多根不同方向与海底锚接的牵引绳将没入水中的柱体拉拽住，防止漂远，最终在多方牵制下，立柱式的漂浮式海上发电装置会在小范围内位移浮动，不会漂远，且不会被风浪打倒。

专利申请号为CN202220775001.3的专利文件中公开了一种基于风能和潮流能的海上发电装置，它能够将海上风力发电与潮流能发电有机结合，但却忽略了潮流方向变化对能量收集的影响，尤其是在情况复杂多变的深远海区域，风向和潮流方向会发生很大程度的变化，进而影响能量收集。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是：提供一种于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，能够适应海上复杂多变的风向和潮流方向，更加适合在深远海作业。

为解决上述问题，本实用新型提供一种基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，包括从上至下依次设置的塔筒、平台以及舱体，塔筒上端连接有用于收集风能的风能发电机组，风能发电机组与海底电缆电连接，塔筒上还设置有控制器，控制器与海底电缆以及风能发电机组电连接，还包括转动连接在舱体上的潮流能发电机组，潮流能发电机组与海底电缆以及控制器电连接，且潮流能发电机组上设置有潮流方向传感器；潮流能发电机组与舱体的连接处设置有驱动机构，驱动机构以及潮流方向传感器均与控制器电连接；当潮流方向发生变化时，控制器根据潮流方向传感器的反馈信息，控制驱动机构驱动潮流能发电机组绕舱体的周向旋转，使得潮流能发电机组正对来流。

本实用新型的有益效果为，风能发电机组与潮流能发电机组可以分别收集风能与潮流能，并转换成电能通过海底电缆输送至岸上的变电场，由于深远海地区的潮流方向变化无常，当潮流方向发生变化时，潮流方向传感器会感应到潮流方向的变化，并把反馈信息传送到控制器，控制器会控制驱动机构驱动潮流能发电机组绕舱体的周向旋转，直到潮流能发电机组正对来流，这样可以最大效率的采集潮流能。

进一步地，还包括水平设置的安装轴；潮流能发电机组包括多个潮流能水轮机以及数量与潮流能水轮机一一对应的多个发电机，所有潮流能水轮机均固定在安装轴上并沿安装轴的长度方向均匀分布；发电机设置在安装轴内，并均与海底电缆电连接，各发电机通过传动轴与对应的潮流能水轮机叶片传动连接；安装轴上设置有套环，安装轴通过套环与舱体转动连接。

该设置有益效果为，由于海洋中的潮流能是潮水在水平运动时所含有的动能，所以安装轴需要水平设置，并让各潮流能发电机组沿安装轴的长度方向均匀分布，多个潮流能发电机组可以让收集电能更加有效率，当潮流力使得潮流能水轮机叶片转动时，带动传动轴转动，传动轴带动发电机转动发电；套环可以使得安装轴与舱体的转动连接更有效。

进一步地，潮流方向传感器的数量与潮流能水轮机的数量一一对应，各潮流方向传感器分别设置在各潮流能水轮机的叶片转轴端部。

该设置有益效果为，能够更全面以及均匀地感受到潮流的变化，潮流方向传感器设置在各潮流能水轮机的叶片转轴端部可以很快速地感受到潮流的变化，且不会影响叶片的转动工作。

进一步地，还包括开设在舱体外周壁上的一圈凹槽，凹槽的槽底固定设有一圈第一齿轮；驱动机构为多个，并沿套环的内周壁均匀分布；驱动机构包括一对固定块、转轴、盘式电机以及第二齿轮；盘式电机以及第二齿轮均固定地设置在转轴上；两个固定块与套环内侧壁固定连接，并沿上下方向分布，转轴的两端转动地连接在上下两个固定块之间；当套环转动地设置在凹槽内时，各第二齿轮均与第一齿轮啮合，且各盘式电机均与控制器电连接。

该设置有益效果为，由于盘式电机以及第二齿轮均与转轴固定，所以当盘式电机发生旋转时，可以有效带动转轴旋转，从而带动第二齿轮旋转，凹槽可以防止整个安装轴转动时脱落。

进一步地，驱动机构还包括扭力传感器，扭力传感器固定连接在转轴上并与控制器电连接；扭力传感器用于感应第二齿轮与第一齿轮之间的扭力。

该设置有益效果为，扭力传感器可以检测第二齿轮与第一齿轮之间的啮合运动是否剧烈，当海上风浪较大时，会使得整个装置发生偏转，从而带动第一齿轮转动，如果此时潮流方向发生变化，很可能会使得第二齿轮发生与第一齿轮相反的转动，这样会导致第一齿轮和第二齿轮啮齿损坏，所以需要进行制动或者回调，由于扭力传感器检测是固定在转轴上的，所以扭力传感器很容易感知到转轴的转动速率，当第二齿轮发生与第一齿轮相反的转动时，第二齿轮发生与第一齿轮会发生卡死，此时继续转动会产生很大阻力，扭力传感器感应到后会将反馈信息给到控制器，控制器会根据扭力传感器的反馈信息控制盘式电机往反方向转动，从而防止第二齿轮与第一齿轮往相反方向运动卡死，避免损坏。

附图说明

图1为本实用新型立体结构示意图；

图2为本实用新型中舱体上的凹槽以及第一齿轮示意图；

图3为本实用新型中安装轴上套环的示意图；

图4为本实用新型中驱动机构具体示意图；

图5为本实用新型中安装轴的剖视图；

图6为现有的海上风力发电装置类型示意图。

附图标记说明：

1-塔筒，2-平台，3-舱体，3.1-凹槽，3.2-第一齿轮，4-风能发电机组，5-控制器，6-潮流能发电机组，6.1-潮流方向传感器，6.2-发电机，6.3-传动轴，7-驱动机构，7.1-固定块，7.2-转轴，7.3-盘式电机，7.4-第二齿轮，7.5-扭力传感器，8-安装轴，8.1-套环。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型的实施例的附图1中设置有坐标系XYZ，其中X轴的正向代表前，X轴的反向代表后，Y轴的正向代表右，Y轴的反向代表左，Z轴的正向代表上，Z轴的反向代表下。

需要说明的是，本实用新型属于附图6中立柱式的漂浮式海上发电装置；漂浮式海上发电装置属于现有技术中较为成熟的技术，比如中国著名的海油观澜号属于附图6中半潜式的漂浮式海上发电装置，虽然其水下部分的结构与本申请中立柱式的漂浮式海上发电装置不同，但是本申请中水上部分的塔筒1、平台2、风能发电机组4以及控制器5完全是与其一致的，本领域技术人员完全可以根据现有技术实现下述的塔筒1、平台2、风能发电机组4以及控制器5；且完全可以根据现有技术将下述实施例在岸上进行制造完成，然后通过拖船将其拖拽至指定海域进行漂浮放置，并通过多根不同方向的牵引绳一端与舱体外侧壁固定连接从而形成稳定，牵引绳的自由端锚入海底；为简化说明，在以下实施例中不再赘述。

本实施例提供一种基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，包括从上至下依次设置的塔筒1、平台2以及舱体3，塔筒1上端连接有用于收集风能的风能发电机组4，风能发电机组4与海底电缆电连接，塔筒1上还设置有控制器5，控制器5与海底电缆以及风能发电机组4电连接，还包括转动连接在舱体3上的潮流能发电机组6，潮流能发电机组6与海底电缆以及控制器5电连接，且潮流能发电机组6上设置有潮流方向传感器6.1；潮流能发电机组6与舱体3的连接处设置有驱动机构7，驱动机构7以及潮流方向传感器6.1均与控制器5电连接；当潮流方向发生变化时，控制器5根据潮流方向传感器6.1的反馈信息，控制驱动机构7驱动潮流能发电机组6绕舱体3的周向旋转，使得潮流能发电机组6正对来流。

进一步地，还包括水平设置的安装轴8；潮流能发电机组6包括多个潮流能水轮机以及数量与潮流能水轮机一一对应的多个发电机6.2，所有潮流能水轮机均固定在安装轴8上并沿安装轴8的长度方向均匀分布；发电机6.2设置在安装轴8内，并均与海底电缆电连接，各发电机6.2通过传动轴6.3与对应的潮流能水轮机叶片传动连接；安装轴8上设置有套环8.1，安装轴8通过套环8.1与舱体3转动连接。

进一步地，潮流方向传感器6.1的数量与潮流能水轮机的数量一一对应，各潮流方向传感器6.1分别设置在各潮流能水轮机的叶片转轴端部。

进一步地，还包括开设在舱体3外周壁上的一圈凹槽3.1，凹槽3.1的槽底固定设有一圈第一齿轮3.2；驱动机构7为多个，并沿套环8.1的内周壁均匀分布；驱动机构7包括一对固定块7.1、转轴7.2、盘式电机7.3以及第二齿轮7.4；盘式电机7.3以及第二齿轮7.4均固定地设置在转轴7.2上；两个固定块7.1与套环8.1内侧壁固定连接，并沿上下方向分布，转轴7.2的两端转动地连接在上下两个固定块7.11之间；当套环8.1转动地设置在凹槽3.1内时，各第二齿轮7.4均与第一齿轮3.2啮合，且各盘式电机7.3均与控制器5电连接。

具体的，使用时，控制器5通过海底电缆、风能发电机组4或者潮流能发电机组6三者之一供电。当本装置放入海中时，如附图6所示，塔筒1以及平台2露出于水面，舱体3没入水面，舱体3的没入长度以及内部的压舱物本领域技术人员完全可以根据现有技术进行灵活调整，目的是为了能保证本装置稳定的悬浮于海上。控制器5设置在塔筒1上端，并位于风能发电机组4后侧，这样不会影响风能发电机组4的工作，且不会被海水侵袭。另一方面，风能发电机组4包括与叶片传动连接的发电机，当叶片受风转动时，会带动发电机发电，此时生成的电能将通过海底电缆传送到岸上的变电场；风能发电机组4的变桨以及偏航等技术均属于本领域技术人员可以根据现有技术实施的，且风能发电机组4与本申请中所改进的技术方案无关，在此不再赘述。

潮流能发电机组6同理，潮流能水轮机各叶片与舱体3之间平行设置，这样更容易接收横水平方向传来的潮流力，当潮流力使得潮流能水轮机转动时，叶片通过传动轴6.3带动发电机6.2发电，此时生成的电能通过海底电缆输送至岸上的变电场，由于深远海地区的潮流方向变化无常，当潮流方向发生变化时，潮流方向传感器6.1会感应到潮流方向的变化，并把反馈信息传送到控制器5，控制器5会控制驱动机构7驱动安装轴8绕舱体3的周向旋转，即潮流能发电机组6绕舱体3的周向旋转，直到潮流能发电机组6叶片正对来流，这样可以最大效率的采集潮流能。

其中，潮流方向传感器6.1可以是水平潮汐传感器，能够更全面以及均匀地感受到潮流的变化，潮流方向传感器6.1设置在各潮流能水轮机的叶片转轴端部可以很快速地感受到潮流的变化，且不会影响叶片的转动工作。

上述的安装轴8为两根，潮流能水轮机为八个，均沿两根安装轴8的长度方向均匀分布，每根安装轴8上设置有四个潮流能水轮机，并且在舱体3的外周壁上开设两个互相平行的凹槽3.1，两个凹槽3.1均设置有上述的第一齿轮3.2使得两根安装轴8能够分别转动连接在两个凹槽3.1内，且两根安装轴8互相平行设置，当两根安装轴8能够分别转动连接在两个凹槽3.1内时，套环8.1内周壁上各驱动机构7的第二齿轮7.4均与第一齿轮3.2啮合；固定块7.1的数量为转轴7.2数量的两倍，每一根转轴7.2均对应两个固定块7.1，各驱动机构7的转轴7.2两端均通过轴承转动连接在对应的两个固定块7.1上，设置两根安装轴8的目的是为了能够提高利用潮流能源的效率。当然也可以将两个凹槽3.1直接开设与舱体3的底部外侧壁上，由于舱体3内主要填充压舱物用于稳定整个装置，所以将两个凹槽3.1直接开设与舱体3的底部外侧壁上，这样可以将两根安装轴8也安装在舱体3的底部外侧壁上，这样能顺便起到和压舱物一样的作用，使得整个装置更加稳定。

本实用新型的优选实施例中，安装轴8为两根，第一根安装轴8的长度为第二根安装轴8的二分之一，潮流能水轮机为六个，其中四个潮流能水轮机设置在沿位于下方的第二根安装轴8上，并沿其长度方向均匀分布；剩余两个潮流能水轮机设置在位于上方的第一根安装轴8上，并沿其长度方向均匀分布；并且在舱体3的外周壁上开设两个互相平行的凹槽3.1，两个凹槽3.1均设置有上述的第一齿轮3.2使得两根安装轴8能够分别转动连接在两个凹槽3.1内，且两根安装轴8互相平行设置，当两根安装轴8能够分别转动连接在两个凹槽3.1内时，套环8.1内周壁上各驱动机构7的第二齿轮7.4均与第一齿轮3.2啮合；这样做的目的是为了能够把牵引绳的干涉降低，如附图6所述，当牵引绳锚入海底时，另一端需要与舱体固定连接，这种情况牵引绳与舱体之间的距离是从上至下依次变大的，所以本实施例中的两根安装轴8可以一定程度上放置牵引绳对潮流能发电机组6的干涉；当然也可以将两个凹槽3.1直接开设与舱体3的底部外侧壁上，由于舱体3内主要填充压舱物用于稳定整个装置，所以将两个凹槽3.1直接开设与舱体3的底部外侧壁上，这样可以将两根安装轴8也安装在舱体3的底部外侧壁上，这样能顺便起到和压舱物一样的作用，使得整个装置更加稳定。具体运行原理与上述实施例同理，不再赘述。

在本实用新型的优选实施例中，驱动机构7还包括扭力传感器7.5，扭力传感器7.5固定连接在转轴7.2上并与控制器5电连接；扭力传感器7.5用于感应第二齿轮7.4与第一齿轮3.2之间的扭力。

具体的，如附图4所示，扭力传感器7.5，固定连接在转轴7.2上端，由于盘式电机7.3、第二齿轮7.4以及转轴7.2都是互相固定的，三者任意一个发生剧烈转动都会被扭力传感器7.5捕捉。当扭力过载时，控制器5根据扭力传感器7.5的反馈信息控制盘式电机7.3往反方向转动。当整个装置在海上作业时，会产生以下两种情况，第一种情况为：整个发电装置发生艏摇运动，但是海平面以下的潮流方向不变；由于塔筒1、平台2以及舱体3均是一体式的，所以整个装置发电装置发生艏摇运动即塔筒1、平台2以及舱体3发生艏摇运动，也就是说海浪会使得整个舱体3发生绕z轴的顺时针或者逆时针旋转；从而带动第一齿轮3.2转动，这样会非必要地带动第二齿轮7.4，从而潮流能发电机组6发生偏转，使得潮流能发电机组6不再正对潮流方向，潮流方向传感器6.1会感知到此时异常的潮流方向，将反馈信息传递至控制器5，控制器5控制盘式电机7.3的转动，依次带动转轴7.2以及第二齿轮7.4转动，使得安装轴8发生旋转，进而使得潮流能发电机组6正对潮流方向。

第二种情况为：整个装置发电装置发生艏摇运动，海平面以下的潮流方向也发生变化。如果此时潮流方向发生变化，由于塔筒1、平台2以及舱体3均是一体式的，所以整个装置发电装置发生艏摇运动即塔筒1、平台2以及舱体3发生艏摇运动；如果此时海平面以下的潮流方向也发生变化，潮流能发电机组6为了正对来流也会反馈控制器5发生旋转，这种情况很可能会出现第二齿轮7.4发生与第一齿轮3.2相反的转动，也就是说海浪会使得整个舱体3发生绕z轴的顺时针或者逆时针旋转，如果此时潮流方向发生变化，为了使得潮流能发电机组6正对来流，盘式电机7.3可能会发生与舱体3反方向的旋转，这样会导致第一齿轮3.2和第二齿轮7.4啮齿损坏，所以需要进行制动或者回调，由于扭力传感器7.5是固定在转轴7.2上的，所以扭力传感器7.5很容易感知到转轴7.2的转动速率，当第二齿轮7.4发生与第一齿轮3.2相反的转动时，第二齿轮7.4发生与第一齿轮3.2会发生卡死，此时继续转动会产生很大阻力，扭力传感器感7.5感应到阻力后会将反馈信息给到控制器5，控制器5会根据扭力传感器7.5的反馈信息控制盘式电机7.3往反方向转动，从而防止第二齿轮7.4与第一齿轮3.2往相反方向运动卡死，避免损坏。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，包括从上至下依次设置的塔筒(1)、平台(2)以及舱体(3)，所述塔筒(1)上端连接有用于收集风能的风能发电机组(4)，所述风能发电机组(4)与海底电缆电连接，所述塔筒(1)上还设置有控制器(5)，所述控制器(5)与海底电缆以及风能发电机组(4)电连接，其特征在于，还包括转动连接在所述舱体(3)上的潮流能发电机组(6)，所述潮流能发电机组(6)与海底电缆以及控制器(5)电连接，且所述潮流能发电机组(6)上设置有潮流方向传感器(6.1)；所述潮流能发电机组(6)与所述舱体(3)的连接处设置有驱动机构(7)，所述驱动机构(7)以及潮流方向传感器(6.1)均与所述控制器(5)电连接；当潮流方向发生变化时，所述控制器(5)根据所述潮流方向传感器(6.1)的反馈信息，控制所述驱动机构(7)驱动所述潮流能发电机组(6)绕所述舱体(3)的周向旋转，使得所述潮流能发电机组(6)的叶片正对来流。

2.根据权利要求1所述的基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，其特征在于，还包括水平设置的安装轴(8)；所述潮流能发电机组(6)包括多个潮流能水轮机以及数量与所述潮流能水轮机一一对应的多个发电机(6.2)，所有所述潮流能水轮机均固定在所述安装轴(8)上并沿所述安装轴(8)的长度方向均匀分布；所述发电机(6.2)设置在所述安装轴(8)内，并均与海底电缆电连接，各所述发电机(6.2)通过传动轴(6.3)与对应的所述潮流能水轮机叶片传动连接；所述安装轴(8)上设置有套环(8.1)，所述安装轴(8)通过所述套环(8.1)与所述舱体(3)转动连接。

3.根据权利要求2所述的基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，其特征在于，所述潮流方向传感器(6.1)的数量与所述潮流能水轮机的数量一一对应，各所述潮流方向传感器(6.1)分别设置在各所述潮流能水轮机的叶片转轴端部。

4.根据权利要求3所述的基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，其特征在于，还包括开设在所述舱体(3)外周壁上的一圈凹槽(3.1)，所述凹槽(3.1)的槽底固定设有一圈第一齿轮(3.2)；所述驱动机构(7)为多个，并沿所述套环(8.1)的内周壁均匀分布；所述驱动机构(7)包括一对固定块(7.1)、转轴(7.2)、盘式电机(7.3)以及第二齿轮(7.4)；所述盘式电机(7.3)以及第二齿轮(7.4)均固定地设置在所述转轴(7.2)上；两个所述固定块(7.1)与所述套环(8.1)内侧壁固定连接，并沿上下方向分布，所述转轴(7.2)的两端转动地连接在上下两个所述固定块(7.1)之间；当所述套环(8.1)转动地设置在所述凹槽(3.1)内时，各所述第二齿轮(7.4)均与所述第一齿轮(3.2)啮合，且各所述盘式电机(7.3)均与所述控制器(5)电连接。

5.根据权利要求4所述的基于风能和潮流能的海上漂浮式发电装置，其特征在于，所述驱动机构(7)还包括扭力传感器(7.5)，所述扭力传感器(7.5)固定连接在所述转轴(7.2)上并与所述控制器(5)电连接；所述扭力传感器(7.5)用于感应所述第二齿轮(7.4)与所述第一齿轮(3.2)之间的扭力。