一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置，包括風力發(fā)電機、浮式基礎平臺、波浪能俘獲裝置和浮體間連接結(jié)構(gòu)組成，所述風力發(fā)電機包括葉片、輪轂、機艙和塔架等部分；所述浮式基礎平臺為半潛型，由懸垂形式的錨鏈線定位于海面；所述波浪能俘獲裝置包括浮子和能量俘獲(PTO)系統(tǒng)，利用波浪作用下波浪能浮子與基礎平臺立柱間的軸向相對運動帶動PTO系統(tǒng)，產(chǎn)生電能；所述連接機構(gòu)包括導軌和U型輪兩部分，可使平臺與波浪能浮子僅發(fā)生軸向的相對運動。本發(fā)明可利用海上空氣和波浪所具有的機械能，實現(xiàn)了海上風能和波浪能共同發(fā)電的目的，穩(wěn)定性好，適用水深范圍廣，發(fā)電效率高，同時結(jié)構(gòu)形式簡單，發(fā)電方式可靠。
【專利說明】
一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，尤其涉及一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置，屬于可再生能源開發(fā)利用領域。
【背景技術】
[0002]能源需求的增長和全球氣候變暖的現(xiàn)狀，使人們開始關注可再生能源的開發(fā)?？稍偕茉淳哂袃α控S富、可再生無污染或很少污染的特點，恰能彌補傳統(tǒng)化石能源的不足。近年來，海上風能和波浪能的利用成為研究的熱點，加之對空間、噪聲等因素的考慮和為獲得更優(yōu)質(zhì)資源，研究的重心出現(xiàn)由近海向深海轉(zhuǎn)移的趨勢，因而浮式結(jié)構(gòu)物的設計時必不可少的。
[0003]目前，海上風能和波浪能的開發(fā)多是獨立進行的，但注意到當風速達到可利用值時波面脈動出現(xiàn)較大規(guī)律性，且在波頻小于0.2Hz范圍內(nèi)波浪能較集中，這一現(xiàn)象為兩者的同時開發(fā)利用提供了可能。專利《風浪能混合發(fā)電機》(專利號201220479451)公開了一種風浪能混合發(fā)電機，將海洋上兩種不穩(wěn)定的新能源綜合利用，輸出電能，提高資源利用率;但此裝置適用海域僅限于淺水。2012年美國Muliawan教授綜合了 Spar型浮式風力機Hywind和振蕩浮子式波能發(fā)電裝置Wavebob的發(fā)電原理提出STC混合利用系統(tǒng)；但是垂蕩方向阻尼小，波浪能浮子使垂蕩方向運動幅度增大，給風力機發(fā)電帶來不利因素，且僅適用于深水海域。歐洲“MARINA Platform”項目于2013年提出了C-HyP概念，該混合利用系統(tǒng)使用一個直徑為100米的圓形駁船作為支撐平臺，為其上安裝的5MW風力機提供浮力，同時在迎波面的半圓區(qū)域安裝20個相互獨立的縱蕩波浪能吸收裝置;但是該系統(tǒng)會受到較大的波浪力，對定位系統(tǒng)要求高，不適合在惡劣環(huán)境中使用。
[0004]研究上述裝置可得出以下結(jié)論:水線面積大具有雙面性，既可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性但也引起較大的水面力；可采用振蕩浮子形式俘獲波浪能以具有較高轉(zhuǎn)化效率，同時增加數(shù)量以提高總功率;可通過增設垂蕩板，以增加系統(tǒng)垂蕩方向阻尼，從而減小波浪能浮子對系統(tǒng)運動性能的影響。
[0005]風浪能混合利用的研究相對較少，因此設計一種可適用深水的漂浮式風浪能混合發(fā)電裝置，兼顧降低成本和提高能量利用效率，具有重要意義。綜合考慮我國的海洋條件、基礎平臺特點和波浪能俘獲原理以及現(xiàn)有裝置的優(yōu)缺點等因素，本發(fā)明選擇半潛式類型的浮式風力機和振蕩浮子式的波浪能俘獲裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了更好地開發(fā)利用海上風能和波浪能，降低其發(fā)電裝置的建造成本，同時提高發(fā)電效率而提供一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:包括風力發(fā)電機、浮式基礎平臺、波浪能俘獲裝置，所述浮式基礎平臺包括中立柱、均勻設置在中立柱周圍的三個側(cè)立柱、用于連接側(cè)立柱與中立柱以及相鄰側(cè)立柱之間的撐桿，所述風力發(fā)電機安裝在中立柱的上端，每個側(cè)立柱的下端設置有垂蕩板，每個側(cè)立柱的內(nèi)底設置有壓載，每個側(cè)立柱上還設置有導纜孔，每個導纜孔連接錨鏈，每個錨鏈的端部固定在海底，所述波浪能俘獲裝置包括通過浮體間連接機構(gòu)設置在每個側(cè)立柱外的浮子、設置在側(cè)立柱內(nèi)部的定子和設置在浮子內(nèi)部的動子，所述浮體間連接機構(gòu)是指:在側(cè)立柱的外表面設置有導軌，導軌中安裝有U型輪，U型輪通過支架與浮子固定連接。
[0008]本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征:
[0009]1.每個側(cè)立柱的外面對稱設置有三個導軌，每個導軌中安裝有U型輪，每個U型輪通過支架與浮子固定連接。
[0010]2.所述風力發(fā)電機是水平軸風力機。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明使風能發(fā)電與波浪能發(fā)電共享同一個浮式基礎平臺、系泊系統(tǒng)以及能量輸出系統(tǒng)等，裝置穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)形式簡單，且發(fā)電效率高，特別適用于淺水海域有限且水深變化范圍廣的我國海域。相對于獨立的海上風力發(fā)電裝置和波浪能利用裝置，本發(fā)明公開的浮式風浪能混合發(fā)電裝置實現(xiàn)兩者共用同一個支撐基礎平臺、系泊系統(tǒng)和能量輸出系統(tǒng)，降低了建造成本，同時又提高了發(fā)電功率。半潛式平臺在近水面處采用截面積小的圓柱筒可有效減小了近水面處的波浪力大小，同時將側(cè)立柱內(nèi)部空間設置成壓載艙以放置波浪能發(fā)電設備和壓載，既充分利用空間又增大浮心與重心間距，增大回復力矩;垂蕩板減弱了浮式基礎垂蕩方向的運動，有利于風場的穩(wěn)定;懸垂形式的系泊系統(tǒng)在浮式基礎平臺周圍呈正三角形均勻分布，可將裝置限制在一定范圍內(nèi)運動且有效限制其艏搖運動;本發(fā)明采用三個振蕩浮子式波浪能浮子，提高了裝置的發(fā)電量和穩(wěn)定性;直驅(qū)發(fā)電機的利用減少能量的中間轉(zhuǎn)換過程，提高了轉(zhuǎn)化效率，同時定子和動子分別密封于側(cè)立柱和浮子內(nèi)部，有效防止了海水腐蝕作用。本發(fā)明按照1:40的縮尺比在哈爾濱工程大學多功能深水池開展了模型試驗，結(jié)果顯示裝置最大輸出波浪能高達600kW。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的軸測圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的俯視圖；
[0014]圖3是本發(fā)明的連接機構(gòu)整體布置的俯視圖；
[0015]圖4是本發(fā)明的連接機構(gòu)的俯視方向的放大示意圖；
[0016]圖5是本發(fā)明連接機構(gòu)的側(cè)視方向的放大示意圖；
[0017]圖6是本發(fā)明的PTO系統(tǒng)軸測圖；
[0018]圖7是本發(fā)明的PTO系統(tǒng)正視圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0020]本發(fā)明所提供的一種新型風浪能混合發(fā)電裝置，具體組成如圖1和圖2所示，由5MW風力發(fā)電機、浮式基礎平臺、波浪能俘獲裝置和浮體間連接結(jié)構(gòu)四部分組成。其中，5MW風力發(fā)電機是由美國可再生能源實驗室針對海上風能開發(fā)而設計的水平軸風力機，包括葉片1、輪轂2、機艙3以及塔架4，三個葉片均勻安裝于輪轂2周圍，輪轂2與機艙3相連并通過塔架4坐落于浮式基礎平臺的中立柱上，在不同風速下，可通過驅(qū)動輪轂內(nèi)的變槳電機改變?nèi)~片角度，使輸出功率最大;風速過大時，葉片完全順槳而處于停機自存狀態(tài)。
[0021]所述浮式基礎平臺為由立柱、撐桿及系泊系統(tǒng)組成的半潛型浮體;浮式基礎平臺由三個側(cè)立柱5通過橫撐8和斜撐10與中立柱6相連，側(cè)立柱間通過橫撐9相連且底部均設有垂蕩板7;具體的說是三個側(cè)立柱呈正三角形均布于中立柱周圍，通過橫撐和斜撐相連；中立柱與風力機塔架相連。側(cè)立柱5內(nèi)部設計成壓載艙放置壓載21，且在側(cè)立柱上設置有導纜孔12，導纜孔12處連有錨鏈線(系泊線)11，其另一端固定于海底。波浪能俘獲裝置包括浮子13和PTO系統(tǒng)，其中浮子13可正浮于靜水面處，浮子為圓柱形結(jié)構(gòu)，通過連接機構(gòu)14使其僅可沿側(cè)立柱5軸向運動。如圖3所示，每個側(cè)立柱5和浮子13間均勻設置三個連接機構(gòu)，所述連接機構(gòu)包括鑲嵌于側(cè)立柱5上的導軌16和U型輪15組成，其中U型輪通過支架17安裝于浮子內(nèi)壁;為保持穩(wěn)定性，每個軌道16上有兩個U型輪15與之對應，圖4和圖5分別為其俯視圖和側(cè)視圖。所述PTO系統(tǒng)為直驅(qū)發(fā)電機，如圖6和圖7所示，由固定在側(cè)立柱5里面的定子(線圈、電樞等)18和固定于浮子13內(nèi)的動子(永磁體類)19組成，產(chǎn)生的電能通過輸電線20導出并網(wǎng)。
[0022]本發(fā)明的工作原理包括風力機發(fā)電原理和波浪能發(fā)電原理。風力機發(fā)電原理是:由于葉片I的特殊形狀，有海風流過時造成壓力場分布不均勻，產(chǎn)生垂直于相對速度的升力，從而使葉片I帶動輪轂2旋轉(zhuǎn)，通過輪轂2內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)將該形式的運動傳遞到機艙3內(nèi)部的發(fā)電機進行發(fā)電，這里不再贅述。波浪能發(fā)電原理是:在波浪水質(zhì)點軌圓運動的作用下，浮式基礎平臺和波浪能俘獲裝置會產(chǎn)生不同的運動，從而使側(cè)立柱5與浮子13間會存在相對運動。由于連接機構(gòu)14的存在，U型輪15恰好卡在軌道16上，僅能沿其上下運動，故浮子13僅有沿側(cè)立柱5軸向的相對運動，而不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)和其他平移。在此相對運動下，固定于浮子13內(nèi)的直驅(qū)電機動子19會產(chǎn)生變化的磁場，而根據(jù)電磁感應原理，定子18在磁場中運動會切割磁感線，從而產(chǎn)生電能，并通過輸電線20導出并收集，完成波浪能發(fā)電。也即浮子與對應側(cè)立柱之間的相對運動實現(xiàn)定子切割動子所產(chǎn)生的磁場的磁感線，產(chǎn)生的電能通過輸電線導出后收集起來。
【主權項】
1.一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置，其特征在于:包括風力發(fā)電機、浮式基礎平臺、波浪能俘獲裝置，所述浮式基礎平臺包括中立柱、均勻設置在中立柱周圍的三個側(cè)立柱、用于連接側(cè)立柱與中立柱以及相鄰側(cè)立柱之間的撐桿，所述風力發(fā)電機安裝在中立柱的上端，每個側(cè)立柱的下端設置有垂蕩板，每個側(cè)立柱的內(nèi)底設置有壓載，每個側(cè)立柱上還設置有導纜孔，每個導纜孔連接錨鏈，每個錨鏈的端部固定在海底，所述波浪能俘獲裝置包括通過浮體間連接機構(gòu)設置在每個側(cè)立柱外的浮子、設置在側(cè)立柱內(nèi)部的定子和設置在浮子內(nèi)部的動子，所述浮體間連接機構(gòu)是指:在側(cè)立柱的外表面設置有導軌，導軌中安裝有U型輪，U型輪通過支架與浮子固定連接。2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置，其特征在于:每個側(cè)立柱的外面對稱設置有三個導軌，每個導軌中安裝有U型輪，每個U型輪通過支架與浮子固定連接。3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種新型浮式多浮子風浪能混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述風力發(fā)電機是水平軸風力機。
【文檔編號】F03D9/30GK106014862SQ201610338932
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】閆發(fā)鎖, 馬慶位, 王淇, 孫麗萍
【申請人】哈爾濱工程大學