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CN107795431A - 基于单桩平台垂直轴风力机‑两向波浪能装置‑潮流能装置集成结构 - Google Patents

基于单桩平台垂直轴风力机‑两向波浪能装置‑潮流能装置集成结构 Download PDF

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CN107795431A CN201710967635.2A CN201710967635A CN107795431A CN 107795431 A CN107795431 A CN 107795431A CN 201710967635 A CN201710967635 A CN 201710967635A CN 107795431 A CN107795431 A CN 107795431A
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Abstract

本发明为一种基于单桩平台垂直轴风力机‑两向波浪能装置‑潮流能装置集成结构，属于海洋能利用领域。基于单桩平台垂直轴风力机‑两向波浪能装置‑潮流能装置集成结构包括垂直轴风力机、两向波浪能发电装置、位于两向波浪能发电装置内的两向液压发电系统、塔架结构、单桩支撑平台结构、潮流能发电装置和配套电力传输系统。该集成结构利用上部的垂直轴风力机获取风能，利用设在塔架结构水面处的垂向和水平两向波浪能发电装置获取波浪能，利用设在水下单桩支撑平台结构上的潮流能发电装置获取潮流能。两向波浪能装置可以同时利用与塔架结构相对垂向和相对水平向的运动驱动液压传动系统进行发电，有效提高了波浪能的利用效率。

Description

基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集 成结构
技术领域
本发明属于海洋能利用领域，尤其涉及基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构。
背景技术
海上风能、波浪能和潮流能都是清洁可再生的海洋能源，可利用风力发电机将风力能转换成电能，利用波浪发电装置将波浪能转换成电能，利用潮流发电装置将潮流能转换成电能。我国东部沿海的海上可开发风能资源不仅资源潜力巨大，而且开发利用市场条件良好，更靠近中国的经济中心。海上风能开发具有节约宝贵土地资源、风力更稳定、风电机组单机容量更大、年有效利用小时数更高、受噪音标准限制更小、运输条件更为便利等优势。风能丰富水域的波浪能资源和潮流能资源也相对丰富。但由于波浪能发电装置能量转化率较低，单位发电成本较高，一定程度限制了其商业化应用。
目前，近海风力发电装置的基础主要有单桩式、多桩式、重力式、导管架式、高桩承台式等固定式支撑平台结构，其中，单桩式平台以其施工便利、建造成本低、适用性强等优势，应用最为广泛。波浪能发电装置的种类繁多，不拘一格，有点头鸭式、波面筏式、波力发电船式、环礁式、整流器式、海蚌式、软袋式、振荡水柱式、多共振荡水柱式、波流式、摆式、结合防波堤的振荡水柱式、收缩水道式等十余种。
现有技术的不足是：波浪能发电装置和潮流发电装置的能量转化率较低，单位发电成本较高，且缺少同时利用两向及多向相对运动获取波浪能的发电装置结构系统。目前还非常缺少将垂直轴风力机、多向波浪能发电装置、潮流能发电装置集成为一体的海洋能源综合开发结构系统。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，使三者共享支撑平台结构和电力传输配套系统，提高海洋可再生资源综合利用效率并降低发电成本。
本发明的技术方案：
基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，包括垂直轴风力机1、两向波浪能发电装置2、位于两向波浪能发电装置2内的两向液压发电系统、塔架结构3、单桩支撑平台结构4、潮流能发电装置5和配套电力传输系统；所述的两向液压发电系统包括结构相同的垂向液压系统与水平液压系统；两向液压发电系统为多个，各两向液压发电系统并联连接。垂直轴风力机1设置于塔架结构3上方，单桩支撑平台结构4设于塔架结构3下方，潮流能发电装置5设于水下的单桩支撑平台结构4上。该集成结构利用上部的垂直轴风力机1获取风能，利用设在塔架结构3水面处的垂向和水平两向波浪能发电装置2获取波浪能，利用设在水下单桩支撑平台结构4上的潮流能发电装置5获取潮流能。
所述的两向波浪能发电装置2通过水平活塞结构8与滑道式接触装置6连接，滑道式接触装置6与塔架结构3耦合连接，两向波浪能发电装置2通过滑道式接触装置6沿塔架结构3发生垂向运动。水平活塞结构8一端连接滑道式接触装置6，另一端深入水平液压系统的液压缸9中；垂向活塞结构7上端与套筒固接，垂向活塞结构7的下端深入垂向液压系统的液压缸9中，斜支撑杆两端分别与塔架结构3和套筒固接。
所述的潮流能发电装置5共两个，通过伸臂结构19对称设置于单桩支撑平台结构4两侧，伸臂结构19的一端与潮流能发电装置5固接，另一端与套在单桩支撑平台结构4上的连接套筒结构18固接。
所述的两向液压发电系统包括两个闭合回路，第一闭合回路由液压缸9、第一单向入流阀10、节流阀11、液压马达12、发电装置13、第一单向出流阀14依次连接构成；第二闭合回路由液压缸9、第二单向入流阀15、节流阀11、液压马达12、发电装置13、第二单向出流阀16构成。所述的两向波浪能发电装置2与塔架结构3之间能够进行相对垂向运动和相对水平运动，进而带动垂向活塞结构7及水平活塞结构8做压缩或拉伸运动。当垂向活塞结构7及水平活塞结构8做压缩运动时，带动液压缸9内的液体经第一单向入流阀10和节流阀11进入液压马达12，驱动其旋转，从而带动发电装置13发电，最终液体经第一单向出流阀14回流至液压缸9；当垂向活塞结构7及水平活塞结构8做拉伸运动时，带动液压缸9内的液体经第二单向入流阀15和节流阀11进入液压马达12驱动其旋转，从而带动发电装置13发电，最终液体经第二单向出流阀16回流至液压缸9内；节流阀11和储能器17主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的。
所述的垂直轴风力机1的叶片为2-6个，呈中心对称分布。
所述滑道式接触装置6为4套，沿塔架结构3外侧面对称布置。
所述的潮流能发电装置5是水平轴潮流发电机。
与普通垂向单向波浪能发电装置不同，新增加的水平向波浪能液压发电系统不仅可以利用同一浮体增加波浪能的发电量，而且可以有效降低滑道式接触装置6对塔架结构3的水平作用力载荷。
所述的波浪能装置的两向液压发电系统的具体工作原理及流程如下：两向波浪能发电装置2与塔架结构3的相对垂向运动带动垂向式活塞7或相对水平运动带动水平式活塞8压缩液压缸9内的液体，使其经第一单向入流阀10(或反向时：经第二单向入流阀15)进入液压马达12，驱动其旋转，从而带动发电装置13发电，节流阀11和储能器17主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的；所述滚轮式接触装置6通过水平式活塞杆8与两向波浪能发电装置2连接，两向波浪能发电装置2可以通过滚轮式接触装置6沿塔架结构3发生垂向相对运动。
本发明的有益效果：
(1)单桩平台结构施工便利、建造成本低，适用范围广。
(2)垂直轴风力发电机组、两向波浪发电装置和潮流能发电装置共享单桩支撑结构和电力传输系统，可以提高海洋能源利用效率并有效降低单位发电成本。
(3)两向波浪能装置可以同时利用与塔架结构相对垂向和相对水平向的运动驱动液压传动系统进行发电，有效提高了波浪能的利用效率；通过设置水平相对运动波浪能液压发电系统，可以有效降低了波浪能浮体对单桩基础塔架结构的水平作用载荷，降低塔架结构建造成本。
(4)波浪能转化装置采用两向液压驱动发电系统，其主要性能参数可以结合选址场地的波浪特征进行优化设计。
(5)对称布置的潮流能装置可以实现流向的自动对正效果。
(6)结构设计合理、稳定，施工方案技术成熟
附图说明
图1是本发明基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构的正视图。
图2是本发明基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构的侧视图。
图3是本发明波浪能发电装置与塔架结构连接的剖面示意图。
图4是本发明波浪能发电装置与塔架结构连接的俯视示意图。
图5a是本发明单个波浪能发电装置系统示意图。
图5b是本发明并联波浪能发电装置系统示意图。
图6是本发明水下潮流发电机的单桩式平台支撑结构的俯视图；
图中：1垂直轴风力机；2两向波浪能发电装置；3塔架结构；4单桩支撑平台结构；5潮流能发电装置；6滑道式接触装置；7垂向活塞结构；8水平活塞结构；9液压缸；10第一单向入流阀；11节流阀；12液压马达；13发电装置；14第一单向出流阀；15第二单向入流阀；16第二单向出流阀；17储能器；18连接套筒结构；19伸臂结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，包括垂直轴风力机1、两向波浪能发电装置2、位于两向波浪能发电装置2内的两向液压发电系统、塔架结构3、单桩支撑平台结构4、潮流能发电装置5和配套电力传输系统；所述的两向液压发电系统包括结构相同的垂向液压系统与水平液压系统；两向液压发电系统为多个，各两向液压发电系统并联连接。垂直轴风力机1设置于塔架结构3上方，单桩支撑平台结构4设于塔架结构3下方，潮流能发电装置5设于水下的单桩支撑平台结构4上。该集成结构利用上部的垂直轴风力机1获取风能，利用设在塔架结构3水面处的垂向和水平两向波浪能发电装置2获取波浪能，利用设在水下单桩支撑平台结构4上的潮流能发电装置5获取潮流能。
所述的两向波浪能发电装置2通过水平活塞结构8与滑道式接触装置6连接，滑道式接触装置6与塔架结构3耦合连接，两向波浪能发电装置2通过滑道式接触装置6沿塔架结构3发生垂向运动。水平活塞结构8一端连接滑道式接触装置6，另一端深入水平液压系统的液压缸9中；垂向活塞结构7上端与套筒固接，垂向活塞结构7的下端深入垂向液压系统的液压缸9中，斜支撑杆两端分别与塔架结构3和套筒固接。
所述的潮流能发电装置5共两个，通过伸臂结构19对称设置于单桩支撑平台结构4两侧，伸臂结构19的一端与潮流能发电装置5固接，另一端与套在单桩支撑平台结构4上的连接套筒结构18固接。
所述的两向液压发电系统包括两个闭合回路，第一闭合回路由液压缸9、第一单向入流阀10、节流阀11、液压马达12、发电装置13、第一单向出流阀14依次连接构成；第二闭合回路由液压缸9、第二单向入流阀15、节流阀11、液压马达12、发电装置13、第二单向出流阀16构成。所述的两向波浪能发电装置2与塔架结构3之间能够进行相对垂向运动和相对水平运动，进而带动垂向活塞结构7及水平活塞结构8做压缩或拉伸运动。当垂向活塞结构7及水平活塞结构8做压缩运动时，带动液压缸9内的液体经第一单向入流阀10和节流阀11进入液压马达12，驱动其旋转，从而带动发电装置13发电，最终液体经第一单向出流阀14回流至液压缸9；当垂向活塞结构7及水平活塞结构8做拉伸运动时，带动液压缸9内的液体经第二单向入流阀15和节流阀11进入液压马达12驱动其旋转，从而带动发电装置13发电，最终液体经第二单向出流阀16回流至液压缸9内；节流阀11和储能器17主要起到稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的。
本发明产品设计要结合以下因素：
(1)根据装机地点的风资源特征，优化选取垂直轴风力机1的性能参数，依据风力机1的空气动力学载荷特征，优化塔架结构3的高度和截面尺寸。
(2)根据选址地点的波浪统计特征，优化选取波浪能发电装置垂向和水平向液压传动发电系统的性能参数，并优化设计滚轮式耦合接触装置6；
(3)根据装机地点的潮流能的统计特征，选取潮流能发电装置，并依据相关发电性能和结构载荷参数，优化设计伸臂结构尺寸及其安装角度，确保潮流发电机旋转水平轴与来流方向的一致性。
(4)结合波浪能发电装置的水动力特征和选址地点的水深及地质条件，优化设计单桩式平台支撑结构4和塔架结构3的截面尺寸，确保单桩基础支撑结构的安全性及耐久性。
基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构的施工安装流程如下：首先，用现有单桩平台施工工艺，将单桩支撑平台结构4固定于海底，将连接套筒结构18、伸臂结构19、两台水平轴潮流发电机和单桩支撑平台结构4在岸上组装好，再将单桩支撑平台结构4运到装机位置安装在单桩平台上；其次，在岸上将两向波浪能发电装置2组装在塔架结构3的水面处，并利用专业施工船将组装好的两向波浪能发电装置2和塔架结构3运到装机位置整体安装在单桩支撑平台结构4上，最后，依次安装塔架结构和顶部的垂直轴风力机1，完成基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构的施工安装。

Claims (5)

1.基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，其特征在于,所述的基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构包括垂直轴风力机(1)、两向波浪能发电装置(2)、位于两向波浪能发电装置(2)内的两向液压发电系统、塔架结构(3)、单桩支撑平台结构(4)、潮流能发电装置(5)和配套电力传输系统；所述的两向液压发电系统包括对个结构相同、并联连接的垂向液压系统与水平液压系统；垂直轴风力机(1)位于塔架结构(3)上方，单桩支撑平台结构(4)位于塔架结构(3)下方，潮流能发电装置(5)位于水下的单桩支撑平台结构(4)上；该集成结构利用上部的垂直轴风力机(1)获取风能，利用设在塔架结构(3)水面处的垂向和水平两向波浪能发电装置(2)获取波浪能，利用设在水下单桩支撑平台结构4上的潮流能发电装置(5)获取潮流能；
所述的两向波浪能发电装置(2)通过水平活塞结构(8)与滑道式接触装置(6)连接，滑道式接触装置(6)与塔架结构(3)耦合连接，两向波浪能发电装置(2)通过滑道式接触装置(6)沿塔架结构(3)发生垂向运动；水平活塞结构(8)一端连接滑道式接触装置(6)，另一端深入水平液压系统的液压缸(9)中；垂向活塞结构(7)上端与套筒固接，下端深入垂向液压系统的液压缸(9)中，斜支撑杆两端分别与塔架结构(3)和套筒固接；
所述的潮流能发电装置(5)共两个，通过伸臂结构(19)对称设置于单桩支撑平台结构(4)两侧，伸臂结构(19)的一端与潮流能发电装置(5)固接，另一端与套在单桩支撑平台结构(4)上的连接套筒结构(18)固接；
所述的两向波浪能发电装置(2)与塔架结构(3)之间能够进行相对垂向运动和相对水平运动，进而带动垂向活塞结构(7)及水平活塞结构(8)做压缩或拉伸运动；当垂向活塞结构(7)及水平活塞结构(8)做压缩运动时，带动液压缸(9)内的液体经第一单向入流阀(10)和节流阀(11)进入液压马达(12)，驱动其旋转，从而带动发电装置(13)发电，最终液体经第一单向出流阀(14)回流至液压缸(9)；当垂向活塞结构(7)及水平活塞结构(8)做拉伸运动时，带动液压缸(9)内的液体经第二单向入流阀(15)和节流阀(11)进入液压马达(12)驱动其旋转，从而带动发电装置(13)发电，最终液体经第二单向出流阀(16)回流至液压缸(9)内；节流阀(11)和储能器(17)起稳定液压系统压力及保护液压系统安全的目的。
2.根据权利要求1所述的基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，其特征在于，所述的垂直轴风力机(1)的叶片为2-6个，呈中心对称分布。
3.根据权利要求1或2所述的基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，其特征在于，所述的滑道式接触装置(6)为4套，沿塔架结构(3)外侧面对称布置。
4.根据权利要求1或2所述的基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，其特征在于，所述的潮流能发电装置(5)是水平轴潮流发电机。
5.根据权利要求3所述的基于单桩平台垂直轴风力机-两向波浪能装置-潮流能装置集成结构，其特征在于，所述的潮流能发电装置(5)是水平轴潮流发电机。
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