一种单柱漂浮式海上综合电力装置的制作方法

1.本实用新型涉及海上风电和海洋波浪能发电技术领域，具体涉及一种单柱漂浮式海上综合电力装置。


背景技术：

2.海上风电场选址处于风资源集中海域，风速快，又因为波浪本身来自于风力，所以海上风电场同时也是波浪能资源富集的场所。把海上风电的开发同波浪能资源的利用结合在一起，可以有效地扩充海上电厂的发电能力，提高海上电厂的整体经济性。
3.采用浮式基础的海上风电装置，可以利用较深海域的风浪资源。其中单柱漂浮式海上风电装置结构简单，易于制造和维护，但一来浮式基础容易受海浪影响，需要采取设计和工程措施增强其稳定性。二来与其他漂浮式海上风电平台相比，单柱漂浮式风机没有平台结构来平衡波浪冲击的力矩，原理上比较像不倒翁，虽然不容易被风浪掀倒，但摇摆幅度很大，更不稳定。


技术实现要素：

4.为了提高单柱漂浮式海上风机的稳定性和综合利用效率，本实用新型的目的在于提供一种单柱漂浮式海上综合电力装置，该装置除了满足海上风电需求外，还可以利用附近的波浪能发电。而且由于振荡水柱式波浪能发电装置有阻尼作用，在同等浪高环境下，本实用新型的稳定性强于一般的单柱漂浮式风电平台。
5.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种单柱漂浮式海上综合电力装置，包括海上发电风机和单柱式浮子、波浪能发电系统、外部系泊系统、控制系统和平衡系统；
7.所述单柱式浮子与海上发电风机的塔筒连接，塔筒内设置所述控制系统；控制系统与波浪能发电系统、海上发电风机电连接；所述单柱式浮子具有镂空连接的上下两部分，上部分中空以设置所述波浪能发电系统，下部分外部连接系泊系统和平衡系统；
8.所述平衡系统包括若干翼片和若干减摇鳍，翼片和减摇鳍均匀布置在所述单柱式浮子下部分外壁；所述翼片竖向与下部分外壁铰接；
9.每个所述减摇鳍铰接有连接杆，连接杆通过浮子侧面开孔进入单柱式浮子下部分内部，连接杆与一圆盘铰接，圆盘围绕圆心转动。
10.可选的，所述减摇鳍为矩形片材，竖向截面为椭圆形，所述减摇鳍主体面与单柱式浮子轴向垂直。
11.可选的，若干所述减摇鳍位于单柱式浮子外部的同一水平面上。
12.可选的，所述翼片为四边形结构，四边形结构的一条边与单柱式浮子下部分外壁铰接，四边形结构的最小锐角设置在下端外侧。
13.可选的，所述波浪能发电装置为振荡式波浪能发电装置。
14.可选的，所述振荡式波浪能发电装置包括空腔、进出气口、上气管、下气管、单向阀
门、涡轮和发电机；空腔被水面分为上下两部分，空腔从中部开始向上逐渐收窄，空腔顶端与进出气口连通，进出气口分别与上气管、下气管连通，上气管和下气管之间设有涡轮，上气管和下气管内气体分别往复运动转化以驱动涡轮同向转动，上气管和下气管均设置有单向阀门，涡轮通过转轴连接发电机。
15.可选的，所述控制系统包括计算机、控制板卡、涡轮、发电机、逆变器和电网，计算机通过控制板卡控制涡轮、发电机，发电机的电流通过逆变器和电网并网。
16.可选的，所述单柱式浮子为圆柱体浮子。
17.可选的，所述翼片设置在减摇鳍和外部系泊系统之间。
18.与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
19.本实用新型海上风电同波浪能发电装置相结合，风机塔筒底端连接浮子，浮子既是漂浮式海上风机基础，又是波浪能发电装置容器，这样结合设计，总体建造花费小于两种发电装置单独建设所需的，降低了建设成本。特别是采用平衡系统与发电系统结合，振荡水柱式波浪能发电装置在海浪的作用下做阻尼运动，可以吸收海浪对装置的冲击，在同等浪高下，拥有该装置的海上平台比一般的单柱漂浮式海上平台更稳定。
20.进一步，与传统波浪能发电装置相比，振荡水柱式波浪能发电装置结构非常简单，主要设备放置于海面之上的塔筒内，对密封和防腐的要求较低，方便维护；波浪能发电装置虽然总功率较小，但可以满足装置自身的用电需求。因此降低了后期运维、用电成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型的整体结构示意图。
23.图2为单柱式浮子上部分结构示意图。
24.图3为单柱式浮子下部分结构示意图。
25.图4为振荡水柱式波浪能发电装置的结构示意图。
26.图5为振荡水柱式波浪能发电过程示意图。
27.图6为单柱漂浮式海上综合电力装置控制系统示意图。
28.图7为减摇鳍主视图；
29.图8为减摇鳍侧视图；
30.图9为阻尼器的连接状态示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
32.如图1至图3所示，本实用新型一种单柱漂浮式海上综合电力装置，包括海上风机
1，单柱式浮子2，波浪能发电系统3，系泊装置4，控制系统5和平衡系统6组成。海上风机1与单柱式浮子2连接，平台上端布置海上风机，风机1塔筒与单柱式浮子2同心，塔筒底部内可用于布置波浪能发电系统3，控制系统5 等必要设施。
33.其中，单柱式浮子2为圆柱体，分为上下两部分，上下之间镂空连接，镂空处海水可以自由进出，浮子下半部分用于提供浮力和维持平衡，上半部分中空，可作为振荡水柱式波浪能发电装置的空腔，单柱式浮子2外部有系泊系统4连接海底。
34.为了适应单柱式平台的工作条件，波浪能发电系统3采用振荡水柱式原理，利用海浪带动空腔内水位上下振动，单柱式浮子2漂浮于海上时，静水水位在浮子2上半部分中段，波浪可以激发水面上下振荡不断变化，变化的水面可以迫使空腔3-1内空气往复运动，空气吹动涡轮3-6即可带动波浪能发电机3-7发电。风力和波浪能发出的电可以由装置内储能设备存储，也可以一同送至电网。
35.参照图4和图5，一种单柱漂浮式海上综合电力装置，包括由海上风机1和单柱式浮子2连接组成的海上风电装置。单柱式浮子2由上下两部分组成。
36.参照图4，所述的振荡水柱式波浪能发电装置3包括空腔3-1，进出气口3-2，上气管3-3，下气管3-4，单向阀门3-5，涡轮3-6和发电机3-7。浮子2内部有同心的圆柱空腔3-1，空腔3-1一部分在水面上，另一部分在水面下，顶端有进出气口3-2。进出气口3-2外连气管，气管内阀门3-5只能单向开启，上端气体只允许从左至右流动，下端气体只允许从右至左流动。气体流动时可以带动涡轮3-6 旋转，从而带动发电机3-7转动发电。波浪可以激发空腔3-1内部水面开随波上下振荡，水面向上运动时，空腔3-1上方气体收到水面挤压，从进出气口3-2吹出，在阀门3-5限制下，只可以从上端气管中流动；水面向下运动时，空腔3-1 上方气压降低，外部气体在大气压作用下，经过下方管道被吹入进出气口3-2，在阀门3-5限制下，只可以从下端气管中流动。也就是将气流的往复运动转化为涡轮3-6的单向转动，这样，无论是进气还是出气，涡轮3-6都保持同向转动，保证了发电机3-7的连续同向工作。
37.空腔3-1被水面分为上下两部分，空腔3-1从中部开始向上逐渐收窄，提高气体流速，顶端的进出气口3-2和气管相连。上下气管之间设有涡轮3-6，气管内气体可吹动涡轮3-6旋转。涡轮3-6通过转轴连接发电机3-7。
38.振荡水柱式波浪能联合发电装置采用上下气管和单向阀门3-5配合的设计方式，将气流的往复运动转化为涡轮3-6的同向转动。充分利用了气流的能量，并且结构简单。
39.参照图5，当暂时不需要波浪能发电时，控制系统5可以控制涡轮3-6和发电机3-7处断开，需要波浪能部分工作时再控制涡轮3-6和发电机3-7连接。
40.参照图6，控制系统5可以安装在风电塔筒内部，由计算机和逆变器组成，计算机通过内部安装的控制程序向控制板卡发出指令，板卡收到指令后，可以控制涡轮3-6和发电机3-7连接处的开合。
41.具体所述控制系统5包括计算机10、控制板卡11、涡轮12(涡轮3-6)、发电机13(发电机3-7)、逆变器14和电网15，计算机10通过控制板卡11控制涡轮12、发电机13，发电机13的电流通过逆变器14和电网15并网。
42.控制程序的功能实现手段在自动控制中大量运用，将成熟产品稍加改变即可满足要求，控制板卡可采用类似ni公司的成熟产品，只需很少费用。逆变器可以直接利用风电机并网必须的电力设备，如电控柜，无需大量施工。
43.其中，发出的电能在控制系统5协调下，经过逆变器转为直流电后进行输送。也可以由储能系统存储。
44.参照图1，单柱式浮子2外部有系泊系统4的锚链，锚定整个装置。
45.参照图3及图7至图9，平衡系统6包括翼片6-6和减摇鳍6-1，安装在下端浮子四周，可以减少整个平台的横摇，维持并适当加强纵摇。这样设计可以加强平台的稳定性，加大波浪能发电的震荡幅度，提高发电功率。
46.单柱式浮子2为圆柱体浮子，平衡性好，稳固，重量较轻。浮子2内部的振荡式波浪能发电装置，结构简单，主要工作设备位于海面上，密封，防腐成本低。
47.控制系统5可利用现有的自动控制程序以及风电中成熟的调节、输电系统，对装置所发出的电力进行逆变调整，无需增设大量设备，易于施工。控制系统5 可以命令波浪能发电装置随时启停。
48.波浪能发电装置3同时为整个平台提供阻尼，减少了平台的晃动幅度，增加稳定性。下端浮子采用减摇鳍6-1和翼片6-6加强平台的稳定性。减摇鳍6-1采用模拟鱼鳍的设计，并通过阻尼器6-5来减小整个平台的摇摆幅度。
49.减摇鳍6-1鳍面位于浮子外，形状类似鱼翅，在海中摆动，靠近浮子一侧有一根连接杆6-2，连接杆6-2通过浮子侧面开孔6-3进入下端浮子内部，并与一个圆盘6-4相连，一根阻尼器6-5连接圆盘6-4和浮子内壁。
50.作为优选，所述减摇鳍6-1为矩形片材，竖向截面椭圆形(如图7所示)。所述减摇鳍6-1主体面与单柱式浮子2轴向垂直。
51.作为优选，若干所述减摇鳍6-1位于单柱式浮子2外部的同一水平面上，且每个减摇鳍6-1通过阻尼器6-5连接一个圆盘6-4，多个圆盘6-4在单柱式浮子2 内部均各自绕各自圆心转动。当受到外力作用时，减摇鳍6-1带动阻尼器6-5，阻尼器带动圆盘6-4转动，消除外力作用。实现系统整理平衡。
52.作为优选，所述翼片6-6为四边形结构，四边形结构的一条边与单柱式浮子 2下部分外壁铰接，四边形结构的最小锐角设置在下端外侧。
53.当减摇鳍6-1摆动时，圆盘6-4跟随旋转，推拉阻尼器6-5不断做往复阻尼运动，运动过程中，阻尼器6-5会消耗机械能，达到维持平台稳定的效果。
54.本实用新型具有以下优点：
55.1、将海上风电同波浪能发电装置相结合，共用单柱漂浮式海上平台，整体发电功率高，增加了发电量和有效工作小时数。
56.2、海上风电同波浪能发电装置相结合，风机塔筒底端连接浮子，浮子既是漂浮式海上风机基础，又是波浪能发电装置容器，这样结合设计，总体建造花费小于两种发电装置单独建设所需的，降低了建设成本。
57.3、与传统波浪能发电装置相比，振荡水柱式波浪能发电装置结构非常简单，主要设备放置于海面之上的塔筒内，对密封和防腐的要求较低，方便维护；波浪能发电装置虽然总功率较小，但可以满足装置自身的用电需求。因此降低了后期运维、用电成本。
58.4、浮式基础的海上综合电力装置与固定基础海上风机或者波浪能发电装置相比，适用范围更广，可以充分利用近远海的海洋风能和波浪能资源。
59.5、平衡系统6与发电系统结合，振荡水柱式波浪能发电装置在海浪的作用下做阻
尼运动，可以吸收海浪对装置的冲击，在同等浪高下，拥有该装置的海上平台比一般的单柱漂浮式海上平台更稳定。
60.以上披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
61.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
62.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。