CN110296049A - 一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋可再生能源利用相关技术领域，其公开了一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，集成发电设备风力发电机构、半潜式平台及多个波浪能发电机构，风力发电机构用于进行风力发电，其设置在半潜式平台上；多个波浪能发电机构分别设置在半潜式平台上，且波浪能发电机构用于消耗集成发电设备受到的波浪能来进行发电；集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，波浪能发电机构限制半潜式平台运动的同时消耗波浪能来进行发电及发生弹性变形而储存能量；储能结束后，波浪能发电机构通过弹性恢复力进行发电，由此通过消耗集成发电设备受到的波浪能进行发电的同时减小集成发电设备的振动幅度。本发明提高了发电效率及稳定性，实用性较强。

Description

一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备
技术领域
本发明属于海洋可再生能源利用相关技术领域，更具体地，涉及一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备。
背景技术
随着世界经济的快速发展，能源需求不断增加，石油等不可再生能源加速减少，大量消耗的化石能源还导致一系列的环境问题，而风能作为一种清洁的可再生能源，可以很好地解决当今世界传统能源紧缺和环境污染的问题，越来越受到人们的重视。目前，国内的风力发电项目主要集中在陆地上和浅海区域，但是深海区域的风力资源比陆地和近海区域更为丰富，而且风速更高更稳定，风电场的规模经济效益会更好，故风力发电走向深海区域是必然趋势。深海区域的较大水深和恶劣的环境条件，使得风机基础从传统的固定式发展到浮式基础。
现有的浮式风机基础主要有半潜式基础、张力腿式基础、单柱式基础、多风机机组基础以及混合基础。目前，单柱式基础使用最为广泛，但是其产生的运动响应较大，而半潜式基础可以通过水线面惯性矩来保证稳定，且吃水较小，投资成本相对较小，越来越受到欢迎使用。
处于深海区域的浮式风机平台，成年累月的遭受风、浪、海域等载荷的作用，甚至遭受地震、海啸等突发外力，对平台结构的可靠性和安全性影响很大。传统的半潜式基础在复杂的深海区域仍会产生较大的运动响应，加剧平台的振动，降低系统的稳定性，从而降低了风机的发电效率。相应地，本领域存在着发展一种发电效率较好的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其基于现有浮式风机的特点，研究及设计了一种发电效率较好的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备。所述集成发电设备利用机械发电结构可以对半潜式平台进行有效的耗能，从而减小半潜式平台的振动，增强了所述集成发电设备的稳定性，同时机械发电结构可以通过发电机将消耗的能量转换为电能，极大地增加了集成发电设备的发电效率，适用性较强。
为实现上述目的，本发明提供了一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，所述集成发电设备包括风力发电机构、半潜式平台及多个波浪能发电机构，所述风力发电机构用于进行风力发电，其设置在所述半潜式平台上；多个所述波浪能发电机构分别设置在所述半潜式平台上，且所述波浪能发电机构用于消耗所述集成发电设备受到的波浪能来进行发电，由此所述集成发电设备同时实现了风力发电和波浪能发电；
所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，所述波浪能发电机构限制所述半潜式平台运动范围的同时消耗波浪能来进行发电及发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述波浪能发电机构通过弹性恢复力进行运动以发电，由此通过消耗所述集成发电设备受到的波浪能进行发电的同时减小所述集成发电设备的振动幅度。
进一步地，所述半潜式平台包括相连接的主柱及多个浮筒，多个所述浮筒绕所述主柱均匀排布，所述波浪能发电机构设置在所述浮筒上，所述半潜式平台设置在所述主柱上。
进一步地，所述半潜式平台还包括多个系泊锚索，所述系泊锚索的一端连接于所述浮筒，另一端用于连接海底锚固点。
进一步地，所述浮筒为阶梯状的圆柱体，其包括基柱及上柱，所述上柱设置在所述基柱上；所述基柱的直径大于所述上柱的直径。
进一步地，所述波浪能发电机构包括钢索、发电机、传动轴、齿轮组件、螺旋弹簧片及外壳，所述发电机、所述传动轴、所述齿轮组件及所述螺旋弹簧片均收容于所述外壳内；所述外壳设置在所述半潜式平台内；所述螺旋弹簧片的一端连接于所述外壳，另一端连接于所述传动轴的一端；所述齿轮组件连接所述传动轴的另一端及所述发电机；所述钢索的一端用于连接海底锚固点，另一端缠绕在所述传动轴上。
进一步地，所述钢索处于张紧状态。
进一步地，所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，所述螺旋弹簧片消耗波浪能来发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述螺旋弹簧片通过弹性恢复力带动所述传动轴转动，进而驱动所述发电机进行发电。
进一步地，所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，张紧的所述钢索限制所述半潜式平台的运动，同时带动所述传动轴旋转，继而驱动所述发电机进行发电。
进一步地，所述风力发电机构包括风机叶片、机舱及风机塔架，所述风机塔架的一端连接于所述主柱，所述机舱设置在所述风机塔架的另一端；所述风机叶片设置在所述机舱。
进一步地，所述塔架的中心轴与所述塔架的中心轴重合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备主要具有以下有益效果：
1.所述集成发电设备同时实现了风力发电和波浪能发电，对平台进行有效的耗能，减小平台的振动，提高了系统的稳定性及发电效率，适用性较强。
2.所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，所述波浪能发电机构限制所述半潜式平台运动范围的同时消耗波浪能来进行发电及发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述波浪能发电机构通过弹性恢复力进行运动以发电，由此通过消耗所述集成发电设备受到的波浪能进行发电的同时减小所述集成发电设备的振动幅度，提高了发电效率，减小了振动，且提高了稳定性。
3.多个所述浮筒绕所述主柱均匀排布，所述浮筒上还连接有系泊锚索，如此使得半潜式平台受力均匀，实现了对平台的平稳约束，提高了稳定性；此外，整体结构质量较小，且结构稳定，受载分布均衡，稳定性较好，成本较低。
4.所述基柱的直径大于所述上柱的直径，有利于抑制所述集成发电设备的运动，特别是在升沉方向，也可限制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。
5.所述塔架的中心轴与所述塔架的中心轴重合，如此使得整个风力发电机构能稳定于所述半潜式平台的中心轴上，从而使得集成发电设备可以更好地适应海上复杂多变的环境，进一步提高了稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备的示意图；
图2是图1中的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备的波浪能发电机构及基柱的示意图；
图3是图2中的波浪能发电机构的示意图；
图4是图2中的波浪能发电机构的传动轴的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-风机叶片，2-机舱，3-风机塔架，4-主柱，5-上柱，6-基柱，7-撑杆，8-波浪能发电机构，9-钢索，10-系泊锚索，11-海底锚固点，12-发电机，13-传动轴，14-齿轮组件，15-螺旋弹簧片，16-外壳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，所述集成发电设备主要包括风力发电机构、半潜式平台及多个波浪能发电机构8，所述风力发电机构设置在所述半潜式平台上，所述波浪能发电机构8分别设置在所述半潜式平台上，且多个所述波浪能发电机构8绕所述半潜式平台的中心轴均匀排布。
所述半潜式平台包括主柱4、多个浮筒、多个撑杆7及多个系泊锚索10，多个所述浮筒绕所述主柱4均匀排布，且多个所述浮筒之间相互连接。多个所述浮筒与所述主柱4之间通过多个所述撑杆7相连接。多个所述系泊锚索10的一端分别连接于多个所述浮筒，另一端分别连接于多个海底锚固点11，所述海底锚固点11设置在海底。
本实施方式中，所述浮筒为阶梯状的圆柱体，其包括基柱6及上柱5，所述上柱5设置在所述基柱6上，且所述基柱6的中心轴与所述上柱5的中心轴重合；所述基柱6的直径大于所述上柱5的直径，如此可以有利于抑制所述集成发电设备运动，特别是在升沉方向，也可抑制浪涌、摇摆、滚动及俯仰；所述浮筒的数量为三个，三个所述浮筒的中心轴分别通过同一个等边三角形的顶点；多个所述系泊锚索10的数量为三个，所述基柱6上设置有导缆器，三个所述导缆器分别位于同一个等边三角形的顶点，所述系泊锚索10的一端连接于所述导缆器，另一端连接于所述海底锚固点11；所述系泊锚索10是悬链线式，其部分平躺在海床上。
请参阅图2、图3及图4，所述波浪能发电机构包括钢索9、发电机12、传动轴13、齿轮组件14、螺旋弹簧片15及外壳16，所述发电机12、所述传动轴13、所述齿轮组件14及所述螺旋弹簧片15均收容于所述外壳16内。所述外壳16设置在所述基柱6内。所述螺旋弹簧片15的一端连接于所述外壳16，另一端连接于所述传动轴13的一端。所述齿轮组件14连接所述传动轴13的另一端及所述发电机12。所述钢索9的一端连接于所述海底锚固点11，另一端缠绕在所述传动轴13上。
当所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，张紧的所述钢索9会限制所述半潜式平台的运动，同时带动所述传动轴13旋转和所述螺旋弹簧片15收缩，以将消耗的能量部分储存在所述螺旋弹簧片15内，所述传动轴13通过所述齿轮组件14带动所述发电机12快速旋转，从而所述发电机12进行发电；当所述螺旋弹簧片15松开时，所述螺旋弹簧片15带动所述传动轴13反方向旋转，也通过所述齿轮组件14带动所述发电机12进行发电，如此可以极大地提高所述集成发电设备的发电效率。
所述风力发电机构包括风机叶片1、机舱2及风机塔架3，所述风机塔架3的一端连接于所述主柱4，所述机舱2设置在所述风机塔架3的另一端。所述风机叶片1设置在所述机舱2上。本实施方式中，所述风力发电机构为兆瓦级的水平轴风力发电机构，其基于风能进行发电。
本发明提供的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，所述集成发电设备集成了风力发电机构及波浪能发电机构，同时实现了风能发电和波浪能发电，有效地消耗了所述集成发电设备所受到的波浪能，减小了所述集成发电设备的振动，增强了集成发电设备的稳定性，提高了发电效率，适用性较强，且结构简单，集成度高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：
所述集成发电设备包括风力发电机构、半潜式平台及多个波浪能发电机构(8)，所述风力发电机构用于进行风力发电，其设置在所述半潜式平台上；多个所述波浪能发电机构(8)分别设置在所述半潜式平台上，且所述波浪能发电机构(8)用于消耗所述集成发电设备受到的波浪能来进行发电，由此所述集成发电设备同时实现了风力发电和波浪能发电；
所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，所述波浪能发电机构(8)限制所述半潜式平台运动范围的同时消耗波浪能来进行发电及发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述波浪能发电机构(8)通过弹性恢复力进行运动以发电，由此通过消耗所述集成发电设备受到的波浪能进行发电的同时减小所述集成发电设备的振动幅度。
2.如权利要求1所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述半潜式平台包括相连接的主柱(4)及多个浮筒，多个所述浮筒绕所述主柱(4)均匀排布，所述波浪能发电机构(8)设置在所述浮筒上，所述半潜式平台设置在所述主柱(4)上。
3.如权利要求2所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述半潜式平台还包括多个系泊锚索(10)，所述系泊锚索(10)的一端连接于所述浮筒，另一端用于连接海底锚固点(11)。
4.如权利要求2所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述浮筒为阶梯状的圆柱体，其包括基柱(6)及上柱(5)，所述上柱(5)设置在所述基柱(6)上；所述基柱(6)的直径大于所述上柱(5)的直径。
5.如权利要求1所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述波浪能发电机构(8)包括钢索(9)、发电机(12)、传动轴(13)、齿轮组件(14)、螺旋弹簧片(15)及外壳(16)，所述发电机(12)、所述传动轴(13)、所述齿轮组件(14)及所述螺旋弹簧片(15)均收容于所述外壳(16)内；所述外壳(16)设置在所述半潜式平台内；所述螺旋弹簧片(15)的一端连接于所述外壳(16)，另一端连接于所述传动轴(13)的一端；所述齿轮组件(14)连接所述传动轴(13)的另一端及所述发电机(12)；所述钢索(9)的一端用于连接海底锚固点(11)，另一端缠绕在所述传动轴(13)上。
6.如权利要求5所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述钢索(9)处于张紧状态。
7.如权利要求5所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，所述螺旋弹簧片(15)消耗波浪能来发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述螺旋弹簧片(15)通过弹性恢复力带动所述传动轴(13)转动，进而驱动所述发电机(12)进行发电。
8.如权利要求5所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述集成发电设备受到波浪能作用产生振动时，张紧的所述钢索(9)限制所述半潜式平台的运动，同时带动所述传动轴(13)旋转，继而驱动所述发电机(12)进行发电。
9.如权利要求2所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述风力发电机构包括风机叶片(1)、机舱(2)及风机塔架(3)，所述风机塔架(3)的一端连接于所述主柱(4)，所述机舱(2)设置在所述风机塔架(3)的另一端；所述风机叶片(1)设置在所述机舱(2)。
10.如权利要求9所述的海上半潜式风能及波浪能集成发电设备，其特征在于：所述塔架的中心轴与所述塔架的中心轴重合。
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