海洋能综合利用浮式能源岛装置及其工作与维护方法

1.本发明涉及海洋能开发领域，具体地，涉及一种海洋能综合利用浮式能源岛装置及其工作与维护方法。


背景技术：

2.我国东部沿海地区经济发达，为能源调入地区，消耗巨大，能源供应长期处于紧张状况，且受到西部能源输出地区制约，缺乏应急能源供给，迫切需要建立大型能源基地。因地制宜开发海洋可再生能源，包括海上风能、太阳能、波浪能、潮流能等，可以有效替代化石能源，减少能源对外依存度，逐步实现能源自足。海洋可再生能源开发以主要以单一能源发电装置为主，如海上风力发电平台、潮流能发电驳船等，其存在发电稳定性差、功率密度低、建设或布放困难、恶劣海况影响损坏等问题。
3.为解决上述海洋能开发难题，现有技术cn110945234a提出了一种海上能源岛装置，通过在六角形半潜式平台上布置风力发电机、太阳能面板500、潮流能发电机等装置，实现了海洋能集成综合利用。但是该装置采用大型六角形半潜式平台，不具备自航能力且拖航机动性较差，不适用于近海的往复潮流海域；现有技术cn114537607a提出了一种浮式风机制氢一体化装置，在三角浮式基础上布置风力发电机、太阳能面板500和海水淡化制氢装置，可实现海上风能、太阳能就地制氢存储，但该装置未结合潮流能和波浪能发电设备，功率密度较低，且不具备机动能力；现有技术cn217206714u提出了一种海上多能源互补发电集成系统，同样采用三角浮式基础，布置风力发电机、太阳能面板500和波浪能发电装置，但不具备制氢等二次能源生产能力，且该平台适用于深水海域，不具备机动能力；现有技术cn110805524b提出了一种海上太阳能、风能和波浪能互补发电设备，整体通过在浮筒式平台上布置垂直轴风力发电装置、太阳能面板500和波浪能发电装置，实现多种海洋能互补，且具有一定回收避风功能。但该装置采用的垂直轴小型风力发电机效率较低，仅能利用近海面的低速海风，能量利用率和装置功率密度较低。
4.综上所述，工程上亟需一种具有快速投运功能、功率密度高、适应多海况多工况的海洋能综合利用装置。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种海洋能综合利用浮式能源岛装置及其工作与维护方法，浮式能源岛装置能够集成布置了大型海上风力发电机、太阳能发电模块、潮流能发电模块和波浪能发电模块，以及氢能、合成燃料和生物质能生产模块，实现了多种海洋能源综合利用和互补，并具有快速投运功能和避险维修收放功能，可解决传统海洋能利用装置发电稳定性差、功率密度低、适应范围小等问题。
6.根据本发明提供的一种海洋能综合利用浮式能源岛装置，包括多体船型浮式平台、单点锚泊装置、海洋能发电装置、多工况控制装置；
7.所述多体船型浮式平台采用船型结构；
8.所述单点锚泊装置布置于多体船型浮式平台的船艏位置；
9.所述多体船型浮式平台通过单点锚泊装置延伸出的若干锚链与布置于海底的固定锚相接，实现在水平面内绕着单点锚泊装置转动；
10.所述海洋能发电装置设置有若干发电模块实现输出电能；所述发电模块布置于多体船型浮式平台内；
11.所述海洋能发电装置通过所述多工况控制装置在多体船型浮式平台上实现一体化协调运作。特别地，多工况控制装置主要是将多个发电模块、浮式能源岛装置其他各部分装置的机械控制、数据信息化处理、智能化协调运作等功能，实现一体式集成的控制系统。
12.优选地，所述多工况控制装置包含采集系统、控制中枢和执行模块；所述控制中枢根据所述采集系统收集的机构实时运行数据和环境数据，进行自主数据处理分析，输出自主运行指令；同时结合人工实时监控，输出人工操作指令；所述执行系统执行所述自主运行指令和人工操作指令。
13.优选地，还包括二次能源生产装置、供电装置、储能装置；
14.所述二次能源生产装置、供电装置、储能装置布置于所述多体船型浮式平台上；
15.所述供电装置将海洋能发电装置的电能进行转化、输送；
16.所述二次能源生产装置利用所述海洋能发电装置的电能实现生产能源；
17.所述储能装置存储所述海洋能发电装置的电能、所述二次能源生产装置所生产的能源；
18.所述海洋能发电装置、二次能源生产装置、供电装置、储能装置通过所述多工况控制装置在多体船型浮式平台上实现一体化协调运作。
19.优选地，所述多体船型浮式平台包括布置于内部的水密舱室、中央主船体、并列布置于中央主船体两侧的片体；
20.所述单点锚泊装置布置于中央主船体的船艏位置；
21.所述水密舱室用于装载设备、作压载水舱使用；
22.优选地，海洋能发电装置包含风能发电模块，太阳能发电模块，潮流能发电模块、波浪能发电模块；
23.所述风能发电模块包括风机塔筒底座、两台大型风力发电机；两台所述大型风力发电机分别布置于左右两个片体上，风机塔筒底座与片体刚性相接，风力发电机与风机塔筒底座之间活动相接，具体可通过螺栓法兰活动连接，实现所述风力发电机的直立或水平放倒；
24.所述太阳能发电模块设有若干布置于多体船型浮式平台上的太阳能面板；
25.所述潮流能发电模块包括潮流能水轮机、旋转梁、水轮机连接梁；潮流能水轮机通过水轮机连接梁刚性连接于旋转梁上，所述旋转梁的两端连接于主船体和片体之间，并能够绕旋转梁的轴心旋转，带动固定于旋转梁上的潮流能水轮机向上旋转；
26.所述波浪能发电模块设有布置于多体船型浮式平台上的浮子升降滑轨；所述波浪能发电模块固定于浮子升降滑轨上，并且能够沿着浮子升降滑轨滑动，实现波浪能发电模块浮子接触水面发电状态和离开水面避险维修状态的转换。
27.优选地，所述风能发电模块还包括布置于风力发电机的片体上方、风力发电机后方的风机倒竖装置；
28.所述风机倒竖装置包括倒竖装置油缸、倒竖装置抱箍、倒竖装置底座、倒竖机械臂；
29.所述倒竖装置底座与风力发电机塔筒底部在铰接点处铰接，使得风力发电机能够绕倒竖装置底座旋转；
30.所述倒竖机械臂的一端连接于所述铰接点，使得倒竖机械臂能够绕铰接点旋转；
31.所述倒竖装置抱箍布置于倒竖机械臂的另一端，所述倒竖装置抱箍的内径与抱持风力发电机的对应塔筒位置的直径相匹配；
32.所述倒竖装置油缸的两端分别与倒竖装置底座和倒竖机械臂铰链相接，通过调整倒竖装置油缸的伸缩推动倒竖机械臂带动风力发电机直立或水平放倒。
33.特别地，倒竖装置油缸在伸出活塞臂时可将倒竖机械臂顶起至竖直位置，在回收活塞臂时可将倒竖机械臂放至水平位置。
34.优选地，所述风能发电模块还包括布置于风机倒竖装置后方的风机托举装置；所述风机托举装置刚性固定于安装风力发电机的片体上，设有托举装置抱箍，在风力发电机水平放倒时实现辅助托举作用。
35.优选地，所述波浪能发电模块采用震荡浮子式波浪能发电结构，包括浮子、浮子油缸；所述浮子与浮子油缸通过万向铰链相接，使得浮子能够吸收多个方向的运动能量。
36.优选地，所述船体和片体之间通过若干不接触水面的连接梁连接，所述连接梁上方覆盖铺设有主甲板、移动甲板，所述移动甲板沿着布置于主甲板上的甲板滑轨移动。
37.优选地，所述控制中枢包括数据处理模块、作业控制模块、运行监测模块、紧急备用模块；
38.所述数据处理模块将采集系统直接收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量，并提交给其他模块；
39.所述运行监测模块将所述各类物理量数据转化为图表，并通过可视化界面实现人工实时监控；
40.所述作业控制模块根据所述数据处理模块所得的各类物理量以及所述运行监测模块的人工实时监控情况，向所述执行系统输出操作运行指令；
41.所述紧急备用模块在作业控制模块失效的极端情况下紧急接管浮式能源岛装置，实现对浮式能源岛装置的人工控制，保证浮式能源岛装置在紧急状况下的脱困避险。
42.优选地，所述执行系统包含浮式平台控制模块、装置收放控制模块、能源生产控制模块和电力系统控制模块；
43.所述浮式平台控制模块根据指令控制调节各压载水舱压载水从而调整平台浮态、控制单点锚泊装置的收放；特别地，控制单点锚泊装置的锚链的收放。
44.所述装置收放控制模块根据指令控制各发电模块机械装置的收放；
45.所述能源生产控制模块根据指令控制海洋能发电装置的能源生产；
46.所述电力系统控制模块根据指令控制浮式能源岛装置的电力供应、输送。
47.本发明还提供了一种海洋能综合利用浮式能源岛装置的工作与维护方法，采用了上文所述的海洋能综合利用浮式能源岛装置，还包括码头组装阶段、拖航布放阶段、发电运维阶段、避险维修阶段、回收阶段；
48.所述码头组装阶段：先对多体船型浮式平台进行各部件组装，并通过多工况控制
装置完成海洋能发电装置的安装和调试，保证浮式能源岛装置正常运作；特别地，对二次能源生产装置、供电装置、储能装置的安装调试也应在此阶段完成。
49.所述拖航布放阶段：将能够正常运作的浮式能源岛装置行驶至作业海域，通过单点锚泊装置布置锚链，将多体船型浮式平台固定在指定位置；布置电缆，连接电网，测试并确认各发电模块和电网连接正常；并通过多工况控制装置将各发电模块调整至发电状态；
50.所述发电运维阶段：当多体船型浮式平台在单点锚泊装置的作用下实现平台姿态的对流稳定后，将海洋能发电装置各发电模块所产生的电能并入电网。具体地，当发电量若超出电网负载，超出的部分将提供储能装置进行存储；发电量若不足电网负载，则由储能装置输出电能补齐，使得浮式能源岛装置整体输出电能稳定；当储能装置电量已满时，多余的电能将输入至二次能源生产装置实现能源生产。
51.所述避险维修阶段：当针对极端海况时，启动各发电模块的机械装置，实现收放，减小平台所受的风浪流载荷，及时避险；当正常海况时进行维修工作，启动待维修的发电模块的机械装置实现收放运动，完成检修作业；
52.所述回收阶段：完成发电任务后，将各海洋能发电模块的机械装置实现机械回收，断开电网连接，收起锚链，抵达港口或下一作业海域。
53.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
54.1、本发明通过采用单点锚泊的多体船型浮式平台设计，可实现浮式能源岛整体快速移动投运，适应水深范围广，同时装置可依靠单点锚泊自由旋转实现风标效应，解决了现有海洋能综合利用装置不具备应急机动能力、对风对流困难、发电效率低下的问题；通过在多体船型浮式平台上合理布置海洋能发电装置、二次能源生产装置和储能装置，包含风能、太阳能、潮流能、波浪能发电模块以及氢能、合成燃料和生物质能生产模块，实现了综合海洋能源利用的高效集成和多能互补，提高了发电功率密度和海域面积利用率，其快速投运能力和多海况适应能力可满足应急能源快速供给需求，解决了现有海洋能利用装置发电效率低、成本高、布放难、发电稳定性差的问题。
55.2、本发明通过海洋能发电装置的应急和维修装置设计，包括大型风力机倒竖装置和潮流能发电模块、波浪能发电模块回收布放装置，可实现各海洋能发电模块在高危海况下的回收避险，亦可实现高效便利的设备维护，解决了现有海洋能利用装置缺乏极端海况避险能力、维修检修困难的问题。
56.3、本发明通过一套包含采集系统、控制中枢和执行模块组成的多工况实时控制和监控系统，实现发明装置各海洋能发电模块协调互补运作，以及各机械结构精准运动控制，协同高效保证拖航布放、发电运维和避险维修等多种工况的正常进行。
57.4、本发明基于上述海洋能综合利用浮式能源岛装置提出了一套工作与维护方法，包括风机码头组装、拖航布放、发电运维、避险维修等多种工况和运行阶段的工作方法，可实现本发明浮式能源岛装置的安全快速投运、多能源综合高效利用、极端海况避险和便利检查维修功能。
附图说明
58.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
59.图1为本发明浮式能源岛装置立体结构示意图；
60.图2为本发明浮式能源岛装置正面结构示意图；
61.图3为本发明浮式能源岛装置侧面结构示意图；
62.图4为本发明浮式能源岛装装置俯视结构示意图；
63.图5为本发明潮流能发电模块示意图；
64.图6为本发明波浪能发电模块示意图；
65.图7为本发明风机倒竖装置结构示意图；
66.图8为本发明港口风机整体水平吊装示意图；
67.图9为本发明浮式能源岛装置正常运行示意图；
68.图10为本发明浮式能源岛装置避险或维修示意图；
69.图11为本发明风机倒竖装置运作示意图；
70.图12为本发明浮式能源岛装置控制系统框图。
71.图中示出：
72.100-主船体
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202-风机托举装置
73.101-片体
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2021-托举装置抱箍
74.102-主甲板
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203-风机塔筒底座
75.103-移动甲板
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300-潮流能发电模块
76.104-单点锚泊装置
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301-潮流能水轮机
77.105-锚链
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302-旋转梁
78.106-甲板滑轨
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303-水轮机连接梁
79.107-防撞条
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400-波浪能发电模块
80.108-连接梁
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401-浮子
81.109-电缆
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402-浮子油缸
82.200-风力发电机
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403-浮子升降滑轨
83.201-风机倒竖装置
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500-太阳能面板
84.2011-倒竖装置油缸
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600-储能装置
85.2012-倒竖装置抱箍
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601-二次能源生产装置
86.2013-倒竖装置底座
87.2014-倒竖机械臂
具体实施方式
88.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
89.本发明提供了一种海洋能综合利用浮式能源岛装置及其工作与维护方法。浮式能源岛装置采用了多体船型浮式平台结合布置多种海洋能发电装置、二次能源生产装置和储能装置，在海洋能高效综合集成利用的同时实现了装置整体的快速投运能力和海域适应范围，解决了海洋能利用功率密度低、传统海洋能利用装置投运难、机动性差的难题；采用了
针对风力发电机等海洋能发电设备的应急回收和维修装置设计，包括风力发电机倒竖装置等，可实现紧急海况下的避险回收或便利维修，弥补了多体船型浮式平台在高海况运动响应过大的问题，解决了现有海洋能利用装置缺乏极端海况避险能力、维修检修困难的问题。基于上述海洋能综合利用浮式能源岛装置，提供了一套控制系统和工作与维护方法，可实现装置各模块的协同、高效运作。
90.实施例1：
91.本实施例提供了一种海洋能综合利用浮式能源岛装置，如图1、图2、图3、图4所示，包括多体船型浮式平台、单点锚泊装置104、海洋能发电装置、多工况控制装置；多体船型浮式平台采用船型结构；单点锚泊装置104布置于多体船型浮式平台的船艏位置；多体船型浮式平台通过单点锚泊装置104延伸出的若干锚链105与布置于海底的固定锚相接，实现在水平面内绕单点锚泊装置104转动；海洋能发电装置设置有若干发电模块实现输出电能；各发电模块布置于多体船型浮式平台内；海洋能发电装置通过所述多工况控制装置在多体船型浮式平台上实现一体化协调运作。特别地，多工况控制装置主要是将多个发电模块、浮式能源岛装置其他各部分装置的机械控制、数据信息化处理、智能化协调运作等功能，实现一体式集成的控制系统。
92.多工况控制装置包含采集系统、控制中枢和执行模块；控制中枢根据采集系统收集的机构实时运行数据和环境数据，进行自主数据处理分析，输出自主运行指令；同时结合人工实时监控，输出人工操作指令；执行系统执行自主运行指令和人工操作指令；其中人工实时监控基于采集系统的运行数据和环境数据，通过可视化处理来实现，通过系统的协调运作实现人工与自动化的有效结合。至此，通过一套包含采集系统、控制中枢和执行模块组成的多工况实时控制和监控系统，实现发明装置各海洋能发电模块协调互补运作，以及各机械结构精准运动控制，协同高效保证拖航布放、发电运维和避险维修等多种工况的正常进行。
93.进一步地，本实施例的浮式能源岛装置，还包括二次能源生产装置601、供电装置、储能装置600；二次能源生产装置601、供电装置、储能装置600均布置于所述多体船型浮式平台上；其中，供电装置将海洋能发电装置的电能进行转化、输送；二次能源生产装置601利用所述海洋能发电装置的电能实现生产能源；储能装置600存储所述海洋能发电装置的电能、所述二次能源生产装置601所生产的能源；海洋能发电装置、二次能源生产装置601、供电装置、储能装置600通过多工况控制装置在多体船型浮式平台上实现一体化协调运作。通过在多体船型浮式平台上合理布置海洋能发电装置、二次能源生产装置601和储能装置，包含风能、太阳能、潮流能、波浪能发电模块以及氢能、合成燃料和生物质能生产模块，实现了综合海洋能源利用的高效集成和多能互补，提高了发电功率密度和海域面积利用率，其快速投运能力和多海况适应能力可满足应急能源快速供给需求，解决了现有海洋能利用装置发电效率低、成本高、布放难、发电稳定性差的问题。
94.多体船型浮式平台包括中央主船体100、并列布置于中央主船体100两侧的片体101；多体船型浮式平台的内部设有多个水密舱室，舱室可用于装载设备、作压载水舱使用；单点锚泊装置104布置于中央主船体100的船艏位置，通过单点锚泊装置104延伸出若干锚链105连接着布置于海底的固定锚。通过采用单点锚泊的多体船型浮式平台设计，可实现浮式能源岛整体快速移动投运，适应水深范围广，同时装置可依靠单点锚泊自由旋转实现风
标效应，解决了现有海洋能综合利用装置不具备应急机动能力、对风对流困难、发电效率低下的问题。船体100和片体101之间通过若干不接触水面的连接梁108连接，连接梁108上方覆盖铺设有主甲板102、移动甲板103，移动甲板103沿着布置于主甲板102上的甲板滑轨106移动。通过移动甲板103的灵活移动，可实现遮盖或显露布置于多体船型浮式平台内的水密舱室或各发电模块，方便工作人员检修和监测。
95.海洋能发电装置包含风能发电模块，太阳能发电模块，潮流能发电模块300、波浪能发电模块：
96.风能发电模块包括风机塔筒底座203、两台大型风力发电机200；两台大型风力发电机200分别布置于左右两个片体101上，风机塔筒底座203与片体101刚性连接，风力发电机200与风机塔筒底座203之间通过螺栓法兰活动连接，实现风力发电机200的直立或水平放倒；风能发电模块还包括布置于风力发电机200的片体101上方、风力发电机200后方的风机倒竖装置201；如图7所示，风机倒竖装置201包括倒竖装置油缸2011、倒竖装置抱箍2012、倒竖装置底座2013、倒竖机械臂2014；倒竖装置底座2013紧贴风机塔筒底座203布置，风力发电机200塔筒底部与倒竖装置底座2013在铰接点处通过铰链连接，使得风力发电机200能够绕倒竖装置底座2013旋转；倒竖机械臂2014的一端连接于铰接点，使得倒竖机械臂2014能够绕铰接点旋转；倒竖装置抱箍2012布置于倒竖机械臂2014的另一端，倒竖装置抱箍2012的内径与抱持风力发电机200的对应塔筒位置的直径相配合；倒竖装置油缸2011的两端分别与倒竖装置底座2013和倒竖机械臂2014铰链连接，倒竖装置油缸2011在伸出活塞臂时可将倒竖机械臂2014顶起至竖直位置，在回收活塞臂时可将倒竖机械臂2014放至水平位置，通过调整倒竖装置油缸2011的伸缩推动倒竖机械臂2014带动风力发电机200直立或水平放倒。
97.风能发电模块还包括布置于风机倒竖装置201后方的风机托举装置202；风机托举装置202刚性固定于安装风力发电机的片体101上，设有托举装置抱箍2021，在风力发电机200水平放倒时实现辅助托举作用。
98.太阳能发电模块设有若干布置于多体船型浮式平台上的太阳能面板500；其可选择为不可移动的太阳能面板500或附带旋转底座可实时对光的太阳能发电装置。
99.潮流能发电模块300包括潮流能水轮机301、旋转梁302、水轮机连接梁303；如图5所示，潮流能水轮机301通过水轮机连接梁303刚性连接在旋转梁302上，旋转梁302的两端连接于主船体100和片体101之间，并可绕梁轴心旋转，能够带动固定于旋转梁302上的潮流能水轮机301向上旋转回收。
100.波浪能发电模块400设有布置于多体船型浮式平台上的浮子升降滑轨403；如图6所示，波浪能发电模块400固定于浮子升降滑轨403上，并且能够沿着浮子升降滑轨403滑动，实现波浪能发电模块400浮子接触水面发电状态和离开水面避险维修状态的转换。波浪能发电模块400采用震荡浮子式波浪能发电结构，包括浮子401、浮子油缸402；浮子401与浮子油缸402通过万向铰链连接，实现对浮子401多个方向运动能量的吸收。
101.多工况控制装置包含采集系统、控制中枢和执行模块三个部分；采集系统主要由布置于装置上的各类传感器组成，包括航态浮态传感器、风速风向传感器、浪高传感器、水深水流传感器、照度传感器、若干摄像头以及各发电模块、二次能源生产模块的工作状态传感器等，其主要作用为收集机构实时运行数据和环境数据，提供上位控制中枢进行数据处
理和指令决策。
102.控制中枢包括数据处理模块、作业控制模块、运行监测模块、紧急备用模块：数据处理模块将采集系统直接收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量，并提交给其他模块；运行监测模块将各类物理量数据转化为图表，并通过可视化界面提供工作人员实时监控；作业控制模块根据数据处理模块所得的各类物理量以及运行监测模块人工实时监控情况，向执行系统输出操作运行指令；紧急备用模块在作业控制模块失效的极端情况下紧急接管浮式能源岛装置实现能源岛装置各部分的人工控制，保证浮式能源岛装置在紧急状况下的脱困避险。
103.执行系统包含浮式平台控制模块、装置收放控制模块、能源生产控制模块和电力系统控制模块：浮式平台控制模块根据指令控制调节各压载水舱压载水从而调整平台浮态、控制锚链105收放；装置收放控制模块根据指令控制各发电模块收放的机械装置运动；能源生产控制模块根据指令控制海洋能发电装置的能源生产调节；电力系统控制模块根据指令控制浮式能源岛装置的电力供应、输送控制。
104.本实施例还提供了一种基于上文的海洋能综合利用浮式能源岛装置的工作与维护方法，包括码头组装阶段、拖航布放阶段、发电运维阶段、避险维修阶段、回收阶段，可实现本发明浮式能源岛装置的安全快速投运、多能源综合高效利用、极端海况避险和便利检查维修功能。
105.码头组装阶段完成多体船型浮式平台的组装，并完成海洋能发电装置、二次能源生产模块的安装和调试，保证浮式能源岛装置正常运作；
106.拖航布放阶段采用拖航方式使得浮式能源岛装置行驶至作业海域，布置锚链105，通过单点锚泊装置104将多体船型浮式平台固定在指定位置；布置电缆109，连接电网，测试并确认各发电模块与储能装置600和电网连接正常；通过控制系统将各发电模块调整至发电状态；
107.发电运维阶段基于多体船型浮式平台由于单点锚泊的风向标效应，实现平台姿态的对流稳定后，通过海洋能发电装置各发电模块产生电能，并入电网；当发电量若超出电网负载，超出的部分将提供储能装置600进行存储；发电量若不足电网负载，则由储能装置600输出电能补齐，使得浮式能源岛装置整体输出电能稳定；当储能装置600电量已满时，多余的电能将输入至二次能源生产装置601实现能源生产；
108.避险维修阶段在针对极端海况时，启动各发电模块的机械装置，实现收放运动，减小平台所受的风浪流载荷，及时避险；在正常海况时进行维修工作，启动待维修的发电模块的机械装置实现收放运动，完成检修作业；通过海洋能发电装置的应急和维修装置设计，包括大型风力机倒竖装置和潮流能发电模块300、波浪能发电模块回收布放装置，可实现各海洋能发电模块在高危海况下的回收避险，亦可实现高效便利的设备维护，解决了现有海洋能利用装置缺乏极端海况避险能力、维修检修困难的问题。
109.回收阶段为完成发电任务后，通过发电运维阶段将各海洋能发电模块的机械装置实现机械回收，断开电网连接，收起锚链105，抵达港口或下一作业海域。
110.实施例2：
111.一种海洋能综合利用浮式能源岛，包括多体船型浮式平台，海洋能发电装置，二次能源生产装置601，单点锚泊装置，供电装置，储能装置和多工况控制装置几个部分。
112.多体船型浮式平台的主要结构由中央主船体100和并列布置于两侧的片体101组成。主船体和片体均为船型结构，具有一般船舶的结构特点，内部分为多个水密舱室，舱室可用于装载设备、作压载水舱使用等。主船体100和片体101之间均由不接触水面的横向连接梁108结构连接，上方则覆盖铺设主甲板102。其中，为保证强度，横向设置的连接梁108可布置若干条，在本实施例中布置为前后两条。前后连接梁108之间需留出一定宽度的间隙，保证潮流能发电模块300在旋转回收时，其整体结构可完全暴露于间隙之中，而不至于被连接梁108遮挡，从而方便人员进行检查和维修。在所述潮流能发电模块300的回收预留间隙上方布置有移动甲板103，其可沿着布置于主甲板102上的甲板滑轨106移动，从而遮挡或显露为潮流能发电模块300回收预留的连接梁间隙，不削减甲板面积的同时保证了波浪能发电模块回收维修。甲板滑轨106的布置方向为船型主船体100的船艏-船艉方向，移动甲板103沿此方向活动时不会对两侧片体101上的风力发电机200及其倒竖装置201造成干涉。单点锚泊装置104布置于中央主船体100的船艏位置，通过单点锚泊装置104延伸出若干锚链105连接着布置于海底的固定锚。单点锚泊装置104采用的是一般海洋工程领域采用的单点锚泊设计，其作用在于，使得所固定的船体(在本实施例中即为所述的海洋能综合利用浮式能源岛装置整体)可在水平面内绕着单点锚泊装置104转动，而无法在水平面内平动。多体船型浮式平台在单点锚泊装置104作用下在遭遇某一方向的潮流时，由于风向标效应，平台的船艏方向会朝向来流方向，使得平台上布置的潮流能发电模块300始终处于正对来流的状态，且这样的状态会显著减小平台受到的潮流作用力，提高平台在近海往复潮流海域的适应性。另外，在片体101外侧布置有防撞条107，可在装置停靠港口时缓冲装置和岸基的碰撞。
113.海洋能发电装置包含风能发电模块，太阳能发电模块，潮流能发电模块300和波浪能发电模块。其中，风能发电模块包括两台大型风力发电机200，分别布置于左右两个片体101上，风力发电机200与风机塔筒底座203之间通过螺栓法兰连接，风机塔筒底座203与片体101刚性连接。在布置风力发电机200的片体101上方、风力发电机200的后方(所述后方为靠近船艉方向)布置有风机倒竖装置201，其包含倒竖装置油缸2011、倒竖装置抱箍2012、倒竖装置底座2013和倒竖机械臂2014四个主要结构。其中倒竖装置底座2013紧贴风机塔筒底座203布置，风力发电机200塔筒底部与倒竖装置底座2013铰链连接，使得风力发电机200可绕倒竖装置底座旋转，相同的铰接点还连接着倒竖机械臂2014，使得倒竖机械臂2014也可绕同一个铰接点旋转。倒竖装置抱箍2012布置于倒竖机械臂2014的远端(即相对于倒竖机械臂2014与倒竖装置底座2013的铰接点的另一端)，呈闭环状且优选为左右两扇开合的钳形机械抱箍形式，其闭环内部呈圆形，直径与抱持风力发电机200所在塔筒位置的直径相配合，且闭环内部需布置弹性防撞条，防止风力发电机200塔筒与抱箍之间碰撞或压迫损坏。倒竖装置油缸2011的两端分别与倒竖装置底座2013和倒竖机械臂2014铰链连接，倒竖装置油缸2011在伸出活塞臂时可将倒竖机械臂2014顶起至竖直位置，在回收活塞臂时可将倒竖机械臂2014放至水平位置。在解除风力发电机200与风机塔筒底座203之间的螺栓法兰连接后，倒竖装置抱箍2012抱住风力发电机200塔筒后，即可通过调整倒竖装置油缸2011的伸缩推动倒竖机械臂2014带动风力发电机200直立或水平放倒。在与风机倒竖装置201旋转移动不干涉的后方布置有风机托举装置202，其刚性固定于安装风力发电机的片体101上，具有托举装置抱箍2021结构，可在风力发电机200水平放倒时起到辅助托举作用，减轻风力发电
机200与倒竖装置底座铰接点的载荷，并限制和防止风力发电机200受船体浮动影响而产生的运动。托举装置抱箍2021与倒竖装置抱箍2012类似，呈闭环式设计且闭环内部呈圆形，闭环内部圆形直径与风机水平放倒时与之接触的塔筒直径相配合，且闭环内部布置有弹性防撞条。托举装置抱箍2021的布置高度需保证在风力发电机200由其倒竖装置201放平时可支撑风力发电机200的重量，其抱箍开口需保证风力发电机200的塔筒由上方进入而不发生干涉。
114.海洋能发电装置的太阳能发电模块主要包含布置于主甲板102和移动甲板103上的太阳能面板500，其可选择为不可移动的太阳能面板500或附带旋转底座可实时对光的太阳能发电装置，在此实施例中优选为前者，因其布置和控制简便、成本较低且后者在我国东部海域的发电效率相比前者提高量较小，考虑其他海域时可根据实际情况选择合适的太阳能发电模块设计。
115.海洋能发电装置的潮流能发电模块300主要包含潮流能水轮机301、旋转梁302和水轮机连接梁303，其中旋转梁302与连接梁108类似，两端连接与主船体100和片体101之间，但旋转梁302可绕梁轴心旋转，且不承担主船体100和片体101连接的载荷，其功能在于带动固定于旋转梁302上的潮流能水轮机301向上旋转回收，方便应急避险和维修。在本实施例中，潮流能水轮机301优选为带有导流涵道的无轴水轮机，同样的也可根据实际工作海域的环境选择无导流涵道的一般水轮机等。潮流能水轮机301通过水轮机连接梁303刚性连接在旋转梁302上，同一条旋转梁302上可布置多台潮流能水轮机301，水轮机的朝向必须为水轮机入流面朝向船艏方向，从而保证在上文所述的风向标效应下，潮流能水轮机301始终正对来流方向，提高潮流能发电模块300的发电效率。
116.海洋能发电装置的波浪能发电模块400采用的是震荡浮子式波浪能发电结构，其主要包括浮子401和浮子油缸402两部分。浮子升降滑轨403布置于连接梁108上，波浪能发电模块400则固定于浮子升降滑轨403上，且可沿着滑轨上下滑动，实现波浪能发电模块400浮子接触水面发电状态和离开水面避险维修状态的转换，因此浮子升降滑轨403的长度需达到一定程度，使得波浪能发电模块400沿着滑轨提升时可以完全离开水面、浮子可完全摆脱水面和波浪的影响。优选的，浮子401和多个浮子油缸402之间采用万向铰链连接，从而实现对浮子多个方向运动能量的吸收。
117.海洋能发电装置的各发电模块与供电装置、储能装置之间均有电性连接，保证各发电模块输出的电力可并入电网、储存或进行二次能源的生产活动。
118.二次能源生产装置601包含氢能生产模块，合成燃料生产模块，海洋微藻生物质能生产模块等。其中氢能生产模块主要通过电解海水生产氢气并存储，合成燃料生产模块则通过化学催化将空气中的二氧化碳转化为甲醇等化合物，海洋微藻生物质能则通过饲养海洋微藻并将微藻生物质破碎发酵转化为甲醇/乙醇等化合物。各模块主体均布置于主船体100船舱内部，利用上述海洋能发电装置的电能进行生产活动，并将产储的氢气、甲醇等物质存储起来。
119.供电装置主要包含海洋能发电装置的电能转换器、平台整体外输电力的逆变器和电缆109等，其功能在于将海洋能发电装置各发电模块的电能进行转化、输送至外部电网或储能装置。
120.储能装置600布置于主船体100船舱内，包含大量电能储能模块以及氢气、甲醇储
存罐和各类管道设备，其功能主要是将海洋能发电装置的电能以及二次能源生产装置601生产的氢气和甲醇等进行储存，并在特定的情况下输出这些电能或燃料物质。
121.如图12所示，多工况控制装置包含采集系统、控制中枢和执行模块三个部分。所述的采集系统主要由布置于装置上的各类传感器组成，包括航态浮态传感器、风速风向传感器、浪高传感器、水深水流传感器、照度传感器、若干摄像头以及各发电模块、二次能源生产模块的工作状态传感器等，其主要作用为收集机构实时运行数据和环境数据，提供上位控制中枢进行数据处理和指令决策。其中，所述的航态浮态传感器可以包含加速度计、陀螺仪等，主要负责采集发明装置实时的航态和浮态数据，包括六自由度加速度以及纵倾、横倾数据；所述的风速风向传感器主要采集装置不同位置处的风速和风向信息，包括甲板、风力发电机轮毂等位置；浪高传感器主要采集主船体和片体的船艏船中和船艉等位置的实时浪高数据；水深水流传感器布置于主船体和片体的水线面以下，主要对应位置的水深以及海水流速数据；所述的照度传感器布置于甲板表面，主要采集实时阳光照度数据；若干摄像头广泛布置于装置各个角落，主要采集视频信息以作记录和监控；所述的各发电模块、二次能源生产模块的工作状态传感器，包括但不限于风力发电机实时发电功率传感器、转速传感器、偏航角度传感器、塔筒应力传感器、潮流能水轮机转速传感器、波浪能发电模块油缸传感器以及各处电压电流传感器等，主要负责收集记录各发电模块的实时工作状态数据，以供控制系统对各发电模块的状态进行调整控制。
122.所述的控制中枢主要负责将采集系统收集到的各类环境和机构运行数据进行处理和分析，提供船上工作人员实时监控，并将自主运行和人工操作指令发送至执行系统执行。控制中枢包括数据处理模块、作业控制模块、运行监测模块和紧急备用模块四个部分。所述的数据处理模块主要负责将采集系统的各个传感器直接收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量，并提交给其他模块；所述的运行监测模块将必要的数据转化为图表，并通过可视化界面提供船上工作人员实时监控；所述的作业控制模块主要负责向执行系统输出操作运行指令，包括风力发电机倒竖装置的油缸伸缩指令、抱箍开合指令、波浪能发电模块和潮流能发电模块300的回收布放指令、移动甲板移动指令、各发电模块状态控制指令等。所述的紧急备用模块是作业控制模块基础上的简化模块，主要负责在作业控制模块失效的极端情况下紧急接管装置。该模块提供执行系统的人工控制渠道，在紧急状况下切换到该模块后，可以实现发明装置各部分人工控制，从而保证发明装置在紧急状况下的脱困避险。
123.所述的执行系统主要负责执行控制中枢发出的指令。执行系统包含浮式平台控制模块、装置收放控制模块、能源生产控制模块和电力系统控制模块。其中浮式平台控制模块主要负责根据指令控制平台推进器和舵(如有安装推进器)、调节各压载水舱压载水从而调整平台浮态、控制锚链105收放等；装置收放控制模块主要包括风机倒竖装置的油缸压力控制、移动甲板的驱动电机控制、潮流能收放旋转梁驱动电机控制、波浪能发电模块的滑轨驱动电机控制等，负责根据指令控制各发电模块收放的机械装置运动；能源生产控制模块和电力系统控制模块则主要采用自动化控制，前者包含控制风力发电机机舱角度、轮毂角度、叶片桨距角、波浪能发电模块的油缸液压等，后者则包含装置上所有发电模块、输电模块和用电设施的开关、限流限压等控制。
124.基于上述海洋能综合利用浮式能源岛装置，提供了一套工作与维护方法，如图8所
示，包含五个主要阶段，分别是码头组装阶段、拖航布放阶段、发电运维阶段、避险维修阶段和回收阶段，具体操作步骤如下：
125.风机码头组装阶段：
126.步骤101，装置主体除风力发电机以外，均可以常规方式建造和组装。待装置其他部分均已完工后，装置整体停靠在安装港口旁，控制系统操控风机倒竖装置和风机托举装置上的抱箍完全打开。
127.步骤102，风力发电机于岸上横躺状态下组装为整体，而后通过岸基起重机水平起吊，缓慢放入风机倒竖装置和风机托举装置上的抱箍内。而后，风机塔筒底部和风机倒竖装置底座的铰接点连接，上述两个抱箍闭合。
128.步骤103，装置主体调转方向，安装另一侧的风力发电机。同时在港口完成其他发电模块、二次能源生产模块的安装和调试，保证装置运作一切正常，做好出海作业的全部准备
129.拖航布放阶段：
130.步骤201，采用拖航的方式，或者可在主船体和片体上安装船舶螺旋桨推进器并采用自航的方式，行驶至作业海域。
131.步骤202，布置锚链105和电缆109，通过单点锚泊装置将船体固定在指定位置。装置连接电网，测试并确认各发电模块与储能装置和电网连接正常。
132.步骤203，通过控制系统将各发电模块调整至发电状态。完全打开风机倒竖装置和风机托举装置的抱箍，启动风机倒竖装置，倒竖装置油缸伸出，将倒竖机械臂推动至竖直状态，同时也带动风力发电机转动至竖直状态；随后锁紧风力发电机塔筒与塔筒底座之间的螺栓法兰，检查并确认风力发电机与塔筒底座安全固定；最后打开倒竖装置抱箍，收缩倒竖装置油缸，带动倒竖机械臂放平，回到初始位置，并关闭抱箍。控制系统操纵驱动电机，转动旋转梁结构，将潮流能发电模块300由水平回收位置下放至垂直发电位置，然后锁紧旋转梁结构，防止其受力旋转；控制浮子升降滑轨，将波浪能发电模块向下移动，至浮子结构接触海面并且可以正常发电，然后锁紧滑轨结构，防止波浪能发电模块受力上下移动。
133.发电运维阶段，如图9所示：
134.步骤301，多体船型浮式平台由于单点锚泊的风向标效应，逐渐移动到来流方向的下游，此时潮流能水轮机即对流完成。平台姿态在对流过程后逐渐稳定，此时进行风力发电机对风操作，转动风力发电机机舱对准来风方向。
135.步骤302，装置正常发电和监控。各海洋能发电模块产生的电能经过转换器、逆变器后并入电网，此时发电量若超出电网负载，超出的部分将提供储能装置进行存储；发电量若不足电网负载，则由储能装置输出电能补齐，使得发明装置整体输出电能稳定。当储能装置电量已满时，多余的能量将输入至二次能源生产装置601，进行电解海水制氢和合成燃料制造等工作。采集系统实时收集平台和各装置的运行数据，并输出至控制中枢供工作人员监控。
136.避险维修阶段，如图10所示：
137.步骤401，如图11所示，遭遇极端海况时，为减小平台所受的风浪流载荷，应启动各发电模块的收放装置。首先关闭风力发电机，将叶轮锁紧并将桨距角调整至停机状态，同时调整机舱角度，使得叶轮正面对准船艏方向，避免后续风机放倒过程中产生碰撞。启动风机
倒竖装置，打开倒竖装置抱箍和风机托举装置抱箍，控制倒竖装置油缸伸出，将倒竖机械臂顶起至竖直状态，此时塔筒已进入倒竖装置抱箍当中，关闭倒竖装置抱箍将塔筒抱紧。确认抱箍抱紧塔筒后，保持倒竖装置油缸状态不变，拆卸风力发电机与塔筒底座之间的法兰螺栓，解除二者的连接状态。随后控制倒竖装置油缸收缩，带动机械臂将风机放平，其中塔筒中部对应位置也已完全进入风机托举装置抱箍中。闭合风机托举装置抱箍，将倒竖装置油缸设定为固定油压，防止风力发电机受平台和风浪影响而产生大幅度运动。风力发电机进行避险回收的同时，控制旋转梁旋转收起潮流能发电模块300，将其回收至水平位置，完全脱离水体；控制浮子升降滑轨，将波浪能发电模块抬升离开水面。
138.步骤402，若在正常海况下需要进行某一发电设备的维修工作，则单独启动其收放装置。如单独放下一台风力发电机或单独升起一台波浪能发电机进行检修，其回收过程同上述步骤401。
139.步骤403，极端海况结束或维修结束后，重复步骤203，重新启动各发电模块的收放装置，恢复工作姿态，进入发电运维阶段。重复步骤301和步骤302，正常运行发电。
140.回收阶段
141.步骤501，如当前紧急发电任务结束，需转移至港口或新的作业海域，首先应重复步骤401将各海洋能发电模块回收。断开电网连接，收起锚链105，通过拖航或自航方式前往港口或下一作业海域。抵达新的作业海域后则重复上述步骤。
142.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。
143.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
144.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。