多自由度波浪能浮子与半潜浮式风机耦合发电系统及方法

1.本发明涉及一种海洋波浪能与风能耦合的发电技术，尤其是一种海洋多自由度波浪能与半潜浮式风机耦合发电系统及方法。


背景技术：

2.随着人类生产力的提高，社会生产和生活对能源的需求越来越大。目前人类的能源供应以化石能源为主，但是化石能源储量有限，大量燃烧化石能源排放的温室气体对地球生态文明造成了巨大的破坏。在能源供应越来越紧张和气候变化越来越剧烈的背景下，可再生清洁能源的开发利用越来越受到重视。广袤的海洋中蕴含了巨量的海洋风能和波浪能，目前海上固定式风力发电技术已趋于成熟，海上风力发电正朝漂浮式风力发电机方向发展；波浪能发电技术经过几十年的发展也取得了很大的进步，目前的发展攻坚方向为降低工程造价成本，提高装置的生存可靠性。
3.现有的海上风力发电机大都为固定基础式，只能在近海区域建造固定的风机搭载平台，开发的只是有限的近海风能。现有的波浪能发电装置大都采用单自由度获能技术，装置基本为单独布置，尚未有与海上风力发电机相结合的工程实践。已提出的风浪耦合概念机型中，以大型的单自由度垂荡波能浮子和伸臂式振荡浮子与风力发电机相结合为主。
4.现有波浪能发电和风能发电装置大都独立运行，需要各自建造安装基础，使波浪能发电和海上风力发电的开发维护成本较高。目前波浪能发电和海上风力发电以近浅海为主，近浅海的波浪能和风能资源不如深远海丰富，资源品质也稍差，且在近浅海的波浪能和风能开发行为对渔业生产等活动具有较大的负面影响，进入深远海开发波浪能和风能后，固定式基础的经济成本过高。国内外正在试运行的风浪耦合开发装置以波浪能单自由度获能为主，单自由度波浪能发电装置对波浪条件适应性较差，波浪较大时运动响应幅度过大，使得装置的制造维护更为困难。
5.中国发明专利申请cn 105781899 a公开了一种海上风力波浪一体化发电厂，由通过连接件连接的发电模块组成；其中发电模块包括：平台，平台浮于海面上；风能吸收转换单元，风能吸收转换单元设置在平台上；波浪能收集转换单元，波浪能收集转换单元设置在平台上；液压能发电单元，液压能发电单元设置在平台上，液压能发电单元分别与风能吸收转换单元及波浪能收集转换单元连接。该申请所涉及的波浪能发电装置，其浮子为悬臂外伸式，波浪作用下悬臂铰接轴单侧受横向力，容易因为扭矩过大而结构失效；该申请所涉及的波浪能发电装置液压管路复杂且较长，在能量传递过程中损耗较大。
6.中国发明专利申请cn 113202699 a公开了一种基于浮式平台的风能-波浪能发电装置，包括：风力发电组件、浮式平台、波浪能发电组件；风力发电组件设置于浮式平台的平台上；浮式平台的周圈均匀设置数个波浪能发电组件；波浪能发电组件可以根据波浪起伏高度调节高度；浮子中有摆重式发电机构，通过浮子的随波浪的起伏摆动带动摆重做圆周运动进行发电。该申请所涉及的波浪能发电装置，其浮子为悬臂外伸式，波浪作用下悬臂铰接轴单侧受横向力，容易因为扭矩过大而结构失效；该申请所涉及的风能-波浪能发电装置
风能和波浪能分开独立发电，由于风和浪资源的随机性较大，电能质量不好控制。
7.中国发明专利申请cn 112780483 a公开了一种新型自适应式垂荡、摇晃振荡浮子式波浪能发电装置，包括小浮子、限位装置、单立柱、转子、电磁线圈、主动齿轮、齿槽、第一轮系装置、第二轮系装置和发电机，所述小浮子内设置有限位装置，且限位装置的下侧连接有单立柱，所述单立柱的外侧设置有舵，所述单立柱的下端安装有第一轴，且第一轴连接在固定台上。该申请所涉及的波浪能发电装置为单独的波浪能发电装置，成本高；该申请所涉及的波浪能发电装置有齿轮传动机构在水下工作，防腐和维护困难较大。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种多自由度波浪能浮子与半潜浮式风机耦合发电系统及方法。
9.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种多自由度波浪能浮子与半潜浮式风机耦合发电系统，包括半潜浮式平台，所述半潜浮式平台上部中心处安装有风力发电机构，风力发电机构外围的半潜浮式平台上安装有多自由度波浪能浮子；风力发电机构和多自由度波浪能浮子均由中央控制系统控制；所述多自由度波浪能浮子包括安装在半潜浮式平台上的竖向导柱，竖向导柱的内侧面上竖向安装有导轨，导轨上卡接有能沿其自由滑动的滑块，滑块与波能浮子上的转轴转动连接，波能浮子相对于半潜浮式平台发生垂荡和纵摇两个自由度的运动；波能浮子的顶部与多根活塞杆底部铰接，活塞杆另一端通过球支座与活塞相连，活塞与液压缸轴向配合，波能浮子在波浪作用下发生的垂荡和纵摇运动转换成活塞在液压缸内部的轴向滑移；所述液压缸的进液口和出液口分别对应与低压蓄能器和高压蓄能器连通，高压蓄能器通过管路与液压马达进液口连通，液压马达与发电机连接并能带动其做功发电，液压马达出液口与低压蓄能器的进液口连通。
10.所述半潜浮式平台包括分别布置于等边三角形三个夹角上的三个漂浮桩腿，三个漂浮桩腿之间通过横撑连接，三个漂浮桩腿与位于三角形中心的中心立柱通过斜撑连接。
11.所述风力发电机构安装于中心立柱上部。
12.每个漂浮桩腿上均连接有一根用于锚泊于深远海的系泊缆。
13.每两个漂浮桩腿之间通过上下两根平行的横撑连接，两横撑之间通过两根平行的竖向导柱连接；上部的横撑上面设置有固定于其上的支撑部，支撑部上安装有低压蓄能器、高压蓄能器、液压马达和发电机。
14.所述多自由度波浪能浮子共有三组，分别安装在相邻两个漂浮桩腿之间。
15.所述波能浮子、活塞杆和液压缸均位于两横撑和两竖向导柱之间的空间内。
16.所述中央控制系统设置于风力发电机构的塔筒底部。
17.风力发电机构和多自由度波浪能浮子所发电能均汇入中央控制系统，中央控制系统通过主线缆输出电能。
18.多自由度波浪能浮子与半潜浮式风机耦合发电系统的发电方法，包括：耦合发电系统安装完毕并启用后，海上风力发电机构在风的驱动下做功发电，电能接入中央控制系统，中央控制系统检测风电的电能品质，包括电压、功率、电流和频率参数，并将该参数与系统额定参数相比，自动计算出调整方案，进一步将调整方案转换为高压
蓄能器的液压释放压力控制参数，以改变波浪能发电装置的输出功率和电压、电流参数；波能浮子在波浪作用下发生的垂荡和纵摇运动转换成活塞在液压缸内部的轴向滑移；活塞向下运动时，将低压蓄能器内的液压油抽入液压缸内，当活塞向上运动时，则会将液压缸内的液压油挤入高压蓄能器内，至此波浪能便通过波能浮子的多自由度运动转换为液压能储存在高压蓄能器内；当高压蓄能器内的压力值达到中央控制系统设定的释放压力值时，高压油便会释放沿管路流至液压马达，液压马达在高压油的驱动下会转动带着发电机做功发电，做功完成的液压油会沿着管路流回低压蓄能器，至此完成一次波浪能发电循环；波浪能发电装置所发的电能同样汇入中央控制系统，与风力发电机所获得的电能进行互补整合后经主线缆汇入电网。
19.本发明的半潜浮式平台在圆周方向设置三组竖向导桩用于安装滑块导轨装置，在每组竖向导桩内安放波能浮子一个，波能浮子在滑块导轨装置的限制下能相对于半潜平台发生垂荡和纵摇两个自由度的运动。每个波能浮子通过三个活塞杆与三个活塞相连，其中活塞杆与浮子铰接相连，与活塞通过球支座连接，符合活塞杆两端的运动特性和受力特征。
20.波浪作用下浮子能带动活塞各自在液压缸内轴向运动，从而驱动液压油能在高压蓄能器和低压蓄能器之间循环流动。液压油在活塞运动下由低压蓄能器泵入高压蓄能器，当高压蓄能器内压力达到中央控制系统所设定的释放压力值时，液压油会释放流经液压马达后回到低压蓄能器，液压马达在液压油的驱动下会转动带动发电机发电。
21.风力发电机安装于半潜平台中心立柱上，风机塔筒底部设置有中央控制系统，波浪能所发电能和风机所发电能都汇入中央控制系统后由主线缆输出。
22.使用上述风浪耦合发电系统发电时，其中央控制系统能实时监测风力发电机所发电能的品质，包括其功率、电压和频率，并将其与装置额定参数进行对比，自动将差额转换为波浪能发电装置的控制参数（如高压蓄能器释放压力值、液压回路流量值等），从而调整波浪能发电装置的发电行为，达到波浪能发电装置输出的电能与风力发电机输出电能互补的效果，使由中央控制系统输出的电能质量更加接近额定参数，从而使风浪耦合发电系统生产出更丰富更高质量的电能。
23.本发明相对于背景技术中的专利申请技术方案，波能浮子无外伸结构而更安全，波浪能发电装置结构紧凑，液压布局更合理；风浪耦合发电系统具有耦合调节的能力，对电能输出质量更有保障；风能和波浪能发电装置共用支撑和锚泊装置，单位建设成本更低；波浪能发电装置运动部件均远离水面，维护难度大大降低。
24.本发明与现有技术相比较，具有以下优点：（1）与单独的海上风能和波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合发电系统在相同装机功率下可大幅减少基础建设投资，并有效减少海上电能生产的运行维护成本。
25.（2）与近浅海风能和波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合发电系统能获得深远海更加优质的风能和波浪能资源，且减少对渔业生产和运输航行等人类活动的负面影响。
26.（3）与单自由度波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合发电系统中波能浮子能通过两个自由度运动获能，装置对波浪条件适应范围更宽，获能更稳定，能量利用效率更高。
27.（4）与单自由度波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合发电系统中波能浮子可以用较小的运动响应获得更多的波浪能，使装置结构更加紧凑稳固，从而降低制造和维护成本。
28.（5）与固定式风能和波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合开发系统在深远海具有明显的成本优势，且漂浮式的平台能自动适应潮位变化，免去了波浪能发电装置潮位适应控制系统的研发和制造成本，消除了潮位适应控制系统的安全隐患和维护成本。
29.（6）与单独的海上风能和波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合发电系统风力发电机与波浪能发电装置公用一套半潜浮式平台，波浪能发电装置能获得更平稳的运行平台，而波浪能发电装置能吸收浮式平台附近入射波的能量，减少波浪对浮式平台的冲击作用，进一步增加浮式平台的平稳性，保障风力发电机和波浪能发电装置安全运行。
30.（7）对比漂浮式平台搭载外伸式波浪能发电装置，本发明的风浪耦合发电系统结构更为紧凑，在风浪环境下受大力矩破坏的可能性更小，结构更安全。
31.（8）本发明的风浪耦合发电系统设置有中央控制单元，中央控制单元能实时监测风力发电机输出的电能参数，并自动生成相应的波浪能装置发电行为控制参数，从而调控波浪能发电装置的输出电能品质。
32.（9）与单独的海上风能和波浪能发电装置相比，本发明的风浪耦合发电系统能将两种资源所发电能互补，从而提升系统输出电能的品质。
33.（10）本发明的风浪耦合发电系统中波浪能能量摄取机构用到了独特设计的液压活塞杆，能同时满足波能浮子垂荡和纵摇运动的能量转换需求。
34.（11）本发明的风浪耦合发电系统中，潜浮式平台在圆周方向增设三组竖向导桩为波能浮子提供了必须而巧妙的安装空间，同时增强了半潜浮式平台的结构强度。
35.（12）本发明的风浪耦合发电系统中，波浪能发电装置配备高压蓄能器和低压蓄能器各一套，液压油从高压蓄能器流出，对液压马达做功后回到低压蓄能器，相比传统的油箱配置，低压蓄能器能回收液压油做功后的残余能量，使能量利用效率更高。
36.（13）本发明的风浪耦合发电系统中，一个波能浮子同时与三个液压缸相连，相比仅由一个液压缸控制的波能浮子，本发明的波能浮子运动姿态更可控，连接强度更高，相同波高作用下运动行程更小，可使液压缸和活塞杆做的更紧凑，进一步提高结构强度。
附图说明
37.图1是本发明发电系统正面图；图2是本发明发电系统俯视图；图3是本发明发电系统轴侧视图；图4是多自由度波浪能发电装置结构示意图；图5是活塞与活塞杆细节图；图6是波浪能发电装置瞬时功率对比图；图7是波能浮子纵摇运动对比图；图8是波能浮子垂荡运动对比图；图9是半潜浮式平台垂荡运动对比图；图10是半潜浮式平台纵摇运动对比图；
图中，1.系泊缆、2.半潜浮式平台、3.风机塔筒、4.风机叶片、5.风机轮毂、6.机舱、7.波能浮子、8.活塞杆、9.液压缸、10.低压蓄能器、11.高压蓄能器、12.液压马达、13.发电机、14.活塞、15.滑块、16.导轨、17.竖向导桩、18.中央控制系统、19.主线缆。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
39.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
40.如图1-图10所示，多自由度波浪能浮子与半潜浮式风机耦合发电系统，包括半潜浮式平台2，半潜浮式平台2上部中心处安装有风力发电机构，风力发电机构外围的半潜浮式平台上安装有多自由度波浪能浮子；风力发电机构和多自由度波浪能浮子均由中央控制系统控制。
41.半潜浮式平台2由三根系泊缆1锚泊于深远海，作为海上风力发电机和波浪能发电装置的搭载平台。
42.海上风力发电机的塔筒3安装在半潜浮式平台2的中心立柱上，在塔筒3的顶端安装机舱6，机舱6的前端安装风机轮毂5，风机轮毂5上安装三个风机叶片4，由此风机叶片4可在风的吹动下带动风机轮毂5旋转，进而带动机舱6内的发电机旋转发电，至此完成由海上风能发电的过程。
43.半潜浮式平台2主要由三个较大的漂浮桩腿和一些横撑、斜撑连接而成，在圆周方向的横撑之间均匀增设三组竖向导桩17，作为波能浮子的安装框架，每组竖向导桩分布在半潜浮式平台2的周向横撑中间。竖向导桩17内侧固定安装一组导轨15，滑块16能沿着导轨15垂向滑动。
44.波能浮子7通过转轴与滑块16连接，则波能浮子7能相对于滑块16转动，那么在滑块导轨装置的限制下，波能浮子7能相对于半潜浮式平台2发生垂荡和纵摇两个自由度的运动。
45.波能浮子7的顶部通过铰接方式与三根活塞杆8相连，活塞杆8的另一端通过球支座与活塞14相连，活塞14与液压缸9轴向配合，波能浮子7在波浪作用下发生的垂荡和纵摇运动则巧妙转换成了活塞14在液压缸9内部的轴向滑移，波浪作用下浮子能带动活塞在液压缸内轴向运动。
46.波浪能发电装置还包含一组高压蓄能器11和一组低压蓄能器10，两组蓄能器均与液压缸9相连，高压蓄能器11的释放压力可调从而实现对波能浮子的运动和装置的发电行为的控制。波浪能发电装置还包含液压马达12，液压马达12在高压蓄能器11释放的液压油驱动下可带动发电机做工发电。
47.活塞14向下运动时，会将低压蓄能器10内的液压油抽入液压缸9内，当活塞14向上
运动时，则会将液压缸9内的液压油挤入高压蓄能器11内，至此波浪能便通过波能浮子7的多自由度运动转换为液压能储存在高压蓄能器11内。当高压蓄能器11内的压力值达到中央控制系统18设定的释放压力值时，高压油便会释放沿管路流至液压马达12，液压马达12在高压油的驱动下会转动带着发电机13做功发电，做功完成的液压油会沿着管路流回低压蓄能器10，至此完成一次波浪能发电循环。中央控制系统能控制波浪能发电装置中高压蓄能器11的释放压力和液压管路中的流量，从而能自主切换波浪能发电装置的发电和蓄能状态以及调节发电时液压马达的转速，进而使波浪能发电装置输出的电能与风力发电机输出电能互补而提升电能质量。
48.耦合发电系统的发电方法为：上述耦合发电系统安装完毕并启用后，海上风力发电机在风的驱动下做功发电，电能接入中央控制系统18，中央控制系统18会检测风电的电能品质，包括电压、功率、电流和频率等参数，并将该参数与系统额定参数相比，自动计算出调整方案，进一步将调整方案转换为高压蓄能器11的液压释放压力等控制参数，以改变波浪能发电装置的输出功率和电压、电流等参数。波浪能发电装置所发的电能同样汇入中央控制系统18，与风力发电机所获得的电能进行互补整合后经主线缆19汇入电网，使海上电能的生产管理更加便捷。通过此发电方法的调控，耦合发电系统相较单独的海上风力发电和波浪能发电都能获得更优质更丰富的电能。
49.为了验证多自由度波能浮子与半潜浮式风机耦合发电系统在波浪能发电功率和抑制浮子与平台运动方面的优势，做了如下计算：若给波能浮子施加如下式（1）形式的线性pto阻尼力f=cv
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(1)式中f表示pto反力，c表示线性阻尼系数，v表示浮子在垂荡或纵摇方向的运动速度。
50.在垂荡方向和纵摇方向分别施加阻尼系数为60000n/(m/s)和60000n.m/(rad/s)的线性阻尼时，波高1.6m，周期6s的波浪作用下，本装置的波浪能发电装置发电功率大于单自由度波能浮子与半潜浮式风机耦合时的发电功率，如图6所示，多自由度波能浮子风浪耦合时波浪能发电装置的平均功率为33kw，高于波能浮子仅有垂荡自由度时的32 kw和仅有纵摇自由度的1.5kw；浮子运动幅度在多自由度耦合情况下更小，如图7和图8所示，多自由度的波能浮子垂荡运动和纵摇运动幅值比单自由度情况下均减小了5%；对比仅有半潜浮式风机情况下，半潜浮式平台的垂荡和纵摇运动也大幅减小，如图9和图10所示，风浪耦合情况下，半潜浮式平台的垂荡运动幅值和纵摇运动幅值均减小了40%。说明本发明所提出的风浪耦合发电系统能有效增加波浪能装置的发电能力，并减小波浪能发电装置的运动幅值以提高装置的结构强度和生存能力；在提高半潜浮式平台的平稳性方面，本发明提出的风浪耦合发电系统具有显著的效果，进一步提高了波浪能发电装置和漂浮式风机在海上的生存能力。
51.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。