專利名稱：一種海上能源綜合利用系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海上能源綜合利用系統(tǒng)，尤其是一種近海打樁式海上風(fēng)能、波浪能、洋流能綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好和經(jīng)濟(jì)效益高的特點。
背景技術(shù)：
海洋中存儲著豐富的能源，其中風(fēng)能，波浪能，洋流能是取之不盡用之不竭的綠色可再生能源。目前，單臺海上風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率達(dá)到MW級別，但是由于風(fēng)速不穩(wěn)定，風(fēng)力機(jī)輸出的電力容易波動，很難直接并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。波浪能也不穩(wěn)定，且能量轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電效率低，占用空間大，需要規(guī)?；貌拍塬@得有效收益。洋流能相比之下較穩(wěn)定，波動有規(guī)律性，周期較長。目前單臺垂直軸洋流能渦輪的功率為10-100KW。但是洋流能的來流速度容易受海面波浪影響，增大了湍流度，降低了能量轉(zhuǎn)換裝置的效率和運行壽命。以上問題都導(dǎo)致了海洋能裝置的可靠性以及經(jīng)濟(jì)性下降，是目前海洋能利用中急需解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題為了解決海上風(fēng)力機(jī)輸出電力不穩(wěn)定，以及波浪能洋流能利用效率低，可靠性與經(jīng)濟(jì)性差的問題，本發(fā)明提出一種海上能源綜合利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)為打樁式固定于海底，波浪能和洋流能發(fā)電裝置共用一套發(fā)電系統(tǒng)，固定于海底，布置在風(fēng)力機(jī)周圍。該系統(tǒng)實現(xiàn)了三種發(fā)電形式的綜合利用，在復(fù)雜多變的海上發(fā)電環(huán)境中形成互補(bǔ)。(二)技術(shù)方案針對上述要解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、波浪能轉(zhuǎn)換裝置和洋流能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述波浪能轉(zhuǎn)換裝置包括頂部封閉下端開口的若干個浮臺、空氣透平和發(fā)電機(jī)，所述若干個浮臺布置于風(fēng)力機(jī)周圍，每個浮臺與一固定于海底的立柱固定連接，其側(cè)壁設(shè)有氣孔，浮臺之間通過安裝于側(cè)壁上的與所述氣孔連接的軟管連通，軟管出口安裝單向通氣閥，限定空氣流動方向。波浪起伏時使浮臺下方的空氣壓縮或膨脹，沿著軟管流動。其中有兩個浮臺的頂端各開一個氣孔，分別安裝方向相反的單通氣閥，作為浮臺內(nèi)氣室與外界的接口。一個單通氣閥只能進(jìn)氣，另一個只能出氣。出氣的浮臺頂端安裝空氣透平，透平的進(jìn)氣口，正對單向通氣閥的出口?？諝鈴母∨_下方流入透平機(jī)葉片，推動軸轉(zhuǎn)動?？諝馔钙降妮敵鲚S與洋流能輸出軸通過齒輪系統(tǒng)實現(xiàn)動力合成，轉(zhuǎn)換為一個軸的轉(zhuǎn)動帶動一個交流電機(jī)發(fā)電。洋流能轉(zhuǎn)換裝置安裝于出氣浮臺下方，采用垂直軸水力渦輪，固連于海底。洋流推動該水力渦輪旋轉(zhuǎn)，輸出軸伸入浮臺頂部的齒輪系統(tǒng)，實現(xiàn)與波浪能的動力合成。動力合成齒輪系統(tǒng)包括一個錐齒輪系與一個行星輪系。空氣透平輸出軸通過錐齒輪系將水平方向轉(zhuǎn)動變?yōu)榇怪狈较蜣D(zhuǎn)動。行星輪系實現(xiàn)雙動力的合成。其中外齒圈由錐齒輪帶動，太陽輪由洋流能裝置的輸出軸帶動，行星輪繞太陽輪的公轉(zhuǎn)運動作為合成后動力的輸出，帶動交流電機(jī)發(fā)電。發(fā)出的電通過電纜從海底伸入風(fēng)力機(jī)塔架底部，然后伸到塔筒以及機(jī)艙內(nèi)。波浪與洋流能發(fā)出的電力一部分作為風(fēng)力機(jī)內(nèi)控制系統(tǒng)，變槳偏航系統(tǒng)，空調(diào)，電梯等供電，另一部分存入蓄電池中。當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電力因波動而不足時，啟動蓄電池發(fā)電,迅速補(bǔ)償輸出功率,實現(xiàn)電力輸出的穩(wěn)定。(四)有益效果該系統(tǒng)將海上風(fēng)能，波浪能，洋流能三種發(fā)電形式綜合利用，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下電力的互補(bǔ)，保證了功率輸出的穩(wěn)定，有利于并網(wǎng)。該系統(tǒng)利用波浪能與海洋能發(fā)出的電力進(jìn)行風(fēng)力機(jī)內(nèi)輔助裝置的供電，節(jié)約部分能源。該系統(tǒng)采用蓄電池為輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償，響應(yīng)迅速，解決了因變槳機(jī)構(gòu)執(zhí)行緩慢導(dǎo)致的功率補(bǔ)償滯后的問題。該系統(tǒng)波浪能與洋流能裝置共用一個發(fā)電平臺，共用一臺電機(jī)與輸電電纜，節(jié)約了成本。該系統(tǒng)中波浪能裝置吸收了風(fēng)力機(jī)與洋流能裝置附近的波浪能，不但減小了波浪對塔架的沖擊，還減小了洋流來流的湍流度，使洋流能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)電效率與運行壽命增加。


圖1(a)為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖，圖1(b)為本發(fā)明的系統(tǒng)俯視圖。圖2為本發(fā)明的動力合成齒輪系示意圖。圖3為本發(fā)明能量與控制信號流動圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1(a)、圖1(b)所示，風(fēng)力機(jī)塔架固定于海底，海風(fēng)推動風(fēng)輪I旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)力機(jī)周圍海面上布置著若干個浮臺2，通過一個與海底固連的立柱3固定，浮臺側(cè)壁上開有氣孔4，連接軟管5將各個浮臺連接相通，軟管出口都安裝單向通氣閥6，保證空氣流的單向流動。其中有兩個浮臺的頂端各開一個氣孔，分別安裝方向相反的單通氣閥7，8，作為浮臺內(nèi)氣室與外界的接口。單通氣閥7只能出氣，單通氣閥8只能進(jìn)氣。當(dāng)波浪抬升，海水?dāng)D壓浮臺下方的氣室，使氣室容積變小，壓強(qiáng)增大，空氣沿軟管5流動，最終從單向通氣閥7流出氣室。當(dāng)波浪下沉，氣室容積變大，壓強(qiáng)減小，大氣中的空氣從單通氣閥8流入氣室，沿軟管5流動進(jìn)行空氣補(bǔ)充。出氣的浮臺頂端安裝空氣透平9，透平的進(jìn)氣口，正對單向通氣閥7的出口?？諝鈴母∨_下方流入透平機(jī)葉片，推動軸轉(zhuǎn)動。空氣透平的輸出軸與洋流能輸出軸通過動力合成齒輪系統(tǒng)10實現(xiàn)動力合成,轉(zhuǎn)換為一個軸的轉(zhuǎn)動帶動一個交流電機(jī)發(fā)電。洋流能轉(zhuǎn)換裝置11安裝于出氣浮臺下方，采用垂直軸水力渦輪，固連于海底。洋流推動該水力渦輪旋轉(zhuǎn)，輸出軸伸入浮臺頂部的齒輪系統(tǒng)10，實現(xiàn)與波浪能的動力合成。發(fā)出的電通過電纜12從海底伸入風(fēng)力機(jī)塔架底部，然后伸到塔筒以及機(jī)艙內(nèi)。圖2所示為動力合成齒輪系示意圖，齒輪系統(tǒng)包括一個錐齒輪系與一個行星輪系?？諝馔钙捷敵鲚S帶動錐齒輪13水平方向旋轉(zhuǎn)，13與行星輪系的外齒圈14外齒嚙合，驅(qū)動外齒圈14垂直方向旋轉(zhuǎn)。太陽輪15由洋流能裝置輸出軸帶動，垂直方向旋轉(zhuǎn)，行星輪16繞太陽輪15公轉(zhuǎn)，作為合成后動力的輸出，帶動交流電機(jī)17發(fā)電。圖3所示為該系統(tǒng)的能量與控制信號流動示意圖。粗線代表能量流動圖，細(xì)線代表控制信號流動圖。風(fēng)驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，帶動交流發(fā)電機(jī)發(fā)電。海浪與洋流分別帶動空氣透平與垂直軸水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過動力合成齒輪箱合成為一個軸的旋轉(zhuǎn)再帶動交流發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)出的電一部分為風(fēng)力機(jī)內(nèi)的塔架電梯，機(jī)內(nèi)空調(diào)，變槳偏航機(jī)構(gòu)，控制器等設(shè)備供電，剩余的部分為蓄電池充電。風(fēng)力機(jī)輸出的電功率與設(shè)定功率比較，當(dāng)?shù)陀陂T限功率時，向控制器發(fā)出信號，一方面命令變槳機(jī)構(gòu)啟動變槳，另一方面命令蓄電池啟動發(fā)電，將放出的電對輸出功率進(jìn)行迅速補(bǔ)償，實現(xiàn)電力輸出的穩(wěn)定。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、波浪能轉(zhuǎn)換裝置和洋流能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 所述波浪能轉(zhuǎn)換裝置包括頂部封閉下端開口的若干個浮臺、空氣透平和發(fā)電機(jī)，所述若干個浮臺布置于風(fēng)力機(jī)周圍，每個浮臺與一固定于海底的立柱固定連接，其側(cè)壁設(shè)有氣孔，浮臺之間通過安裝于所述氣孔間的連接管連通，其中，有兩個浮臺的頂端各開有一個氣孔，分別安裝方向相反的單向通氣閥，一個只能進(jìn)氣，另一個只能出氣，出氣的浮臺頂端安裝空氣透平，所述空氣透平的進(jìn)氣口正對只能出氣的單向通氣閥的出口， 所述空氣透平的輸出軸與洋流能轉(zhuǎn)換裝置的輸出軸通過齒輪系統(tǒng)實現(xiàn)動力合成，帶動所述發(fā)電機(jī)發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述洋流能轉(zhuǎn)換裝置安裝于出氣浮臺下方，其輸出軸伸入浮臺頂部的所述齒輪系統(tǒng)，實現(xiàn)與波浪能轉(zhuǎn)換裝置的動力合成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述洋流能轉(zhuǎn)換裝置為固連于海底的垂直軸水力渦輪。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述齒輪系統(tǒng)包括一錐齒輪系與一行星輪系，所述空氣透平的輸出軸通過錐齒輪系將水平方向轉(zhuǎn)動變?yōu)榇怪狈较蜣D(zhuǎn)動，行星輪系實現(xiàn)雙動力的合成，其外齒圈由錐齒輪帶動，太陽輪由洋流能轉(zhuǎn)換裝置的輸出軸帶動，行星輪繞太陽輪的公轉(zhuǎn)運動作為合成后動力的輸出，帶動交流電機(jī)發(fā)電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至 4任一項所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)發(fā)出的電通過電纜伸到所述風(fēng)力機(jī)的塔筒以及機(jī)艙內(nèi)。
6.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)發(fā)出的電一部分供應(yīng)至風(fēng)力機(jī)中的耗電部件，另一部分存入蓄電池中，當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電力因波動而不足時，啟動所述蓄電池，以補(bǔ)償輸出功率，實現(xiàn)電力輸出的穩(wěn)定。
7.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)力機(jī)為部署于近海的固定于海底的打樁式風(fēng)力機(jī)。
8.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述若干個浮臺均勻布置于風(fēng)力機(jī)周圍。
9.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述連接管為軟管，其出口安裝單向通氣閥，限定空氣流動方向，波浪起伏時使浮臺下方的空氣壓縮或膨脹，沿著浮臺間的軟管流動，并實現(xiàn)空氣逐級壓縮或膨脹。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海上能源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、波浪能轉(zhuǎn)換裝置和洋流能轉(zhuǎn)換裝置，波浪能轉(zhuǎn)換裝置包括頂部封閉下端開口的若干個布置于風(fēng)力機(jī)周圍的浮臺，每個浮臺與一固定于海底的立柱固定連接，浮臺之間通過安裝于浮臺側(cè)壁的連接管連通，有兩個浮臺的頂端各開有一個氣孔，分別安裝方向相反的單向通氣閥，一個只能進(jìn)氣，另一個只能出氣，出氣的浮臺頂端安裝空氣透平，其輸出軸與洋流能轉(zhuǎn)換裝置的輸出軸通過齒輪系統(tǒng)實現(xiàn)動力合成，帶動所述發(fā)電機(jī)發(fā)電。該系統(tǒng)將海上風(fēng)能、波浪能、洋流能三種發(fā)電形式綜合利用，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下電力的互補(bǔ)，保證了功率輸出的穩(wěn)定，有利于并網(wǎng)。此外，波浪能裝置還減小了波浪對塔架的沖擊及洋流的湍流度。
文檔編號F03D9/02GK103075295SQ20121056475
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月22日
發(fā)明者楊科, 吳蔚, 徐建中 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所