一种配用于波浪提水的导管架储能发电装置及其系统技术领域
本发明属于海洋平台及储能领域，具体涉及一种配用于波浪提水的导管架
储能发电装置及其系统。
背景技术
全球波浪发电已有相当多的技术专利方案，但至今仍未能用作海岛独立电
网的主电源，仍未能实现大规模的商业化运用，关键在于波浪的随机性。
即便是在日常平均波高稳定的时段，按波浪学科的基本归纳总结，当平均
波高H为0.63米时，H1/3、H1/10、H1/100、H1/1000、H1/10000、分别为1米、1.27米、
1.61米、1.94米，仅这些波高对应的能量变化范围，至少在1倍至9.3倍之
间，可见随机波动相当之大。
并且海浪日常的平均波高并不是稳定的，波浪提水装置相配的水轮发电机
所发出的工频电力功率，会在100％与3.2％之间，并且不以人的意志为转移，
随机波动。这样的情况下，很难保持发电频率和电压的稳定。
若进一步，扩展到全年的时间段，考虑到当地海域气象海况在春夏秋冬四
季的变化，那么，浮筒提水装置产出功率的随机变动范围，会进一步扩大，这
不难理解。根据实测加上推算，随机变动范围至少会在1倍至100倍之间，也
就是说，与这一波浪提水装置相配的水轮发电机所发出的工频电力，至少会在
100％至1％之间，随机变化。
众所周知，任何一个发电厂在1倍至100倍的范围内，即在满发功率100％
与满发功率的1％之间随机变化，随机波动地生产工频电力，向岛上独立电网用
户供电，即便发电厂的技术超乎寻常，能稳住频率和电压，全球没有一个岛上
独立电网用户有能力接受功率如此变动的电力供应。
功率在这么大范围内全年随机波动的工频电力，在全球任何海岛，均不可
能用作海岛独立电网的主电源，甚至无法接纳作为辅助电源。即便是规模容量
巨大的大陆电网，一般也不会轻易同意较大容量的这类型电厂入网，除非另加
相关措施。这是迄今为止，波浪发电仍未能实现大规模商业化运用的关键问题。
可以说，在随机变动范围1倍至至100倍的波浪提水流量和平稳可控生产
工频电力之间，如何以较低的成本，实现能量的储存缓冲，是目前波浪发电能
否实现大规模商业化运用的主要矛盾。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种结构简单，强度高的导管架装置及
导管架上配套的能够最大限度的储能发电的装置及其控制系统。
本发明公开一种配用于波浪提水的导管架储能发电装置，梯形导管架通过
在导管架桩腿中穿过并穿透海底软覆盖层、砂层、强风化岩、中风化岩直插入
海底弱风化岩的钢管桩及间隙间的高强固化水泥，固定在海底上，导管架桩腿
与竖直方向存在5-15度的夹角；导管架桩腿之间从上至下依次设置有顶横撑
面、中横撑面和底横撑面，底横撑面上设置有圆柱形的水下储水罐；所述的水
下储水罐和导管架桩腿之间放置有配重砂石；中横撑面上设置有水轮发电机组
平台，其水轮发电机组平台的末端设置有尾水管钢结构；
顶横撑面上有2—3米处设置有承载水上储水罐的钢构平台，在该钢构平
台的四周设置有伸入到海底弱风化岩的浮筒中心定位桩，浮筒中心定位桩上设
置有浮筒提水装置；钢构平台通过带螺丝推瓦的横向支撑钢杆与浮筒提水装置
相连；水上储水罐包括上层罐和下层罐，且上层罐的下底面为下层罐的上表面；
浮筒提水装置通过中部汇水管和顶部输水鸭嘴与上层罐相连通；
所述的上层罐的顶部入水端为输水鸭嘴的出水端，底部入水端通过水下储
水罐引水管与水下储水罐的底部相连通；上层罐的出水端通过上层罐底的上层
罐引水管与水轮发电机的入水端相连，下层罐的出水端通过下层罐底的下层罐
引水管与水下储水罐的顶端相连通；
所述导管架顶横撑面之上、水上储水罐底面之下的空间设置有高压储气罐
罐组，高压储气罐罐组包括有若干个相连的高压储气罐、两处储能工作机房、
变压器和其配备的控制室；第一处储能工作机房的气体压缩机一端与高压储气
罐相连通，一端通过输气管道与下层罐顶端相连通，第二处储能工作机房的气
体压缩机一端与高压储气罐相连通，一端通过输气管道与上层罐顶端相连通；
所述的水上储水罐上层罐内部设置有连通至钢构平台下方的溢水管，溢水管在
钢构平台下方端设置有溢水管阀门。
优选方案如下：
中横撑面上设置有水轮发电机组及其水下厂房，在中横撑面和顶横撑面之
间设置有上下通道。上下通道可供工作人员进出水下厂房。
上层罐的水体表面和下层罐的水体表面上设置有防止水体晃动的浮顶。
底横撑面横撑杆中部设置有桩靴。
导管架底横撑面上设置有底面钢板和四周的钢板墙，导管架底横撑面与水
下储水罐之间设置有配重砂石，其相对应的钢板墙外围设置有碎石堆围护。
一种配用于波浪提水的导管架储能发电装置的控制系统如下：
(1)设定上层罐的预定最低起动水位和预定最高起动水位及溢水水位，
实时监测上层罐的实际水位与预定最低起动水位和预定最高起动水位及溢水
水位的大小；
(2)当上层罐的实际水位小于等于预定最低起动水位时，减小上层罐引
水管输向水轮发电机的海水流量；同时开启第一处储能工作机房的涡轮发动
机，高压储气罐内的气体经过涡轮发动机后，将气体通过输气管道输入下层罐，
下层罐内的海水通过下层罐引水管压入水下储水罐，水下储水罐内的海水通过
水下储水罐引水管进入上层罐中，补充提水流量的不足；同时，高压储气罐气
体通过第二处储能工作机房的涡轮发动机后，通过溢水管进入上层罐水体上方
的空间，该空间中的空气通过上层罐水体和输向水轮发电机的引水管，作用在
水轮发电机的叶片上，维持水轮发电机的正常运行出力；
当上层罐的实际水位大于等于预定最高起动水位时，增大上层罐引水管输
向水轮发电机的海水流量，加大水下厂房中水轮发电机的实时产出功率；同时，
下层罐水体上方空间的压缩空气通过输气管道经过第一处储能工作机房的气
体压缩机压缩后进入高压储气罐，重复该操作直至下层罐内充满海水；同时，
上层罐水体上方空间的压缩空气通过溢水管经过第二处储能工作机房的气体
压缩机压缩后进入高压储气罐，重复该操作直至上层罐内海水达到溢水水位，
此时加大水轮发电机的用水流量，当提水流量超过水轮发电机所能承接的最大
用水流量时，则打开溢水管阀门,将提水流量超过水轮发电机所能承接的最大
用水流量的部份，从溢水管泄出至钢构平台下方的海面上；当提水流量减小后，
上层罐水位低于溢水水位时，关闭溢水管，第二处储能工作机房向上层罐水体
上方空间注入压缩空气；
(3)判断上层罐的实际水位与预定最低起动水位和预定最高起动水位及
溢水水位的比值大小，继续循环步骤(1)和(2)直至系统停止。
本发明优点如下：
1、在导管架架构内的最低潮位下的海中，安置了水轮发电机组及其水下
厂房，具备引水发电的功能，所生产的电力符合电网市售工频交流电的技术指
标；
2、在能够抵御强风强浪同时作用的前提下，以经济实惠作为设计原则，
用导管架在海面上托举起容积尽可能大的水上储水罐，用于储存波浪提水装置
所采集势能发电；
3、在导管架架构内的最低潮位下的海中，安置水下储水罐，引用压缩气
体储能技术，以维持海面上水上储水罐日常运行的水位。采用压缩气体在高压
和低压状态之间来回转换的方式，将水下储水罐中的海水，压入水上储水罐，
或将水上储水罐中的海水，回流入水下储水罐中，达到了成倍放大水上储水罐
储能作用的效果；
4、浮筒提水装置在导管架平台的底横撑面上，为浮筒中心定位桩安设了
沉桩定位用的桩靴；
5、水轮发电机组平台的末端设置有尾水管钢结构，为抵御海流与浪涌的
冲击，提供了经济实用的尾水管支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施
例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描
述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出
创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置示意图；
图中，1、导管架，2、导管架桩腿，3、水下储水罐，4、配重砂石，5、
水轮发电机组，6、尾水管，7、钢构平台，8、浮筒中心定位桩，9、浮筒提水
装置，10、上层罐，11、下层罐，12、中部汇水管，13、输水鸭嘴，14、水下
储水罐引水管，15、上层罐引水管，16、下层罐引水管，17、高压储气罐，18、
溢水管，19、溢水管阀门，20、桩靴，21、水下厂房，22、上下通道，23、碎
石堆围护。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细的描述，但本发明并不局限于具体
的实施例。
实施例1：
一种配用于波浪提水的导管架储能发电装置，梯形导管架1通过在导管架
桩腿2中穿过并穿透海底软覆盖层、砂层、强风化岩、中风化岩直插入海底弱
风化岩的钢管桩及间隙间的高强固化水泥，固定在海底上，导管架桩腿2与竖
直方向存在5-15度的夹角；导管架桩腿2之间从上至下依次设置有顶横撑面、
中横撑面和底横撑面，底横撑面上设置有圆柱形的水下储水罐3；所述的水下
储水罐3和导管架桩腿2之间放置有配重砂石4；中横撑面上设置有水轮发电
机组5平台，其水轮发电机组5平台的末端设置有尾水管6钢结构；
顶横撑面上有2—3米处设置有承载水上储水罐的钢构平台7，在该钢构平
台7的四周设置有伸入到海底弱风化岩的浮筒中心定位桩8，浮筒中心定位桩
8上设置有浮筒提水装置9；钢构平台7通过带螺丝推瓦的横向支撑钢杆与浮
筒提水装置9相连；水上储水罐包括上层罐10和下层罐11，且上层罐10的下
底面为下层罐11的上表面；浮筒提水装置9通过中部汇水管12和顶部输水鸭
嘴13与上层罐10相连通；
所述的上层罐10的顶部入水端为输水鸭嘴13的出水端，底部入水端通过
水下储水罐引水管14与水下储水罐3的底部相连通；上层罐10的出水端通过
上层罐10底的上层罐引水管15与水轮发电机的入水端相连，下层罐11的出
水端通过下层罐11底的下层罐引水管16与水下储水罐3的顶端相连通；
所述导管架1顶横撑面之上、水上储水罐底面之下的空间设置有高压储气
罐17罐组，高压储气罐17罐组包括有若干个相连的高压储气罐17、两处储能
工作机房、变压器和其配备的控制室；第一处储能工作机房的气体压缩机一端
与高压储气罐17相连通，一端通过输气管道与下层罐11顶端相连通，第二处
储能工作机房的气体压缩机一端与高压储气罐17相连通，一端通过输气管道
与上层罐10顶端相连通；所述的水上储水罐上层罐10内部设置有连通至钢构
平台7下方的溢水管18，溢水管18在钢构平台7下方端设置有溢水管阀门19。
中横撑面上设置有水轮发电机组5及其水下厂房21，在中横撑面和顶横撑
面之间设置有上下通道22。
上层罐10的水体表面和下层罐11的水体表面上设置有防止水体晃动的浮
顶。
底横撑面横撑杆中部设置有桩靴20。
导管架1底横撑面上设置有底面钢板和四周的钢板墙，导管架1底横撑面
与水下储水罐3之间设置有配重砂石4，其相对应的钢板墙外围设置有碎石堆
围护23。
实施例2：
一种针对实施例1的控制系统如下：
(1)设定上层罐10的预定最低起动水位和预定最高起动水位及溢水水位，
实时监测上层罐10的实际水位与预定最低起动水位和预定最高起动水位及溢
水水位的大小；
(2)当上层罐10的实际水位小于等于预定最低起动水位时，减小上层罐
引水管15输向水轮发电机的海水流量；同时开启第一处储能工作机房的涡轮
发动机，高压储气罐17内的气体经过涡轮发动机后，将气体通过输气管道输
入下层罐11，下层罐11内的海水通过下层罐引水管16压入水下储水罐3，水
下储水罐3内的海水通过水下储水罐引水管14进入上层罐10中，补充提水流
量的不足；同时，高压储气罐17气体通过第二处储能工作机房的涡轮发动机
后，通过溢水管18进入上层罐10水体上方的空间，该空间中的空气通过上层
罐10水体和输向水轮发电机的引水管，作用在水轮发电机的叶片上，维持水
轮发电机的正常运行出力；
当上层罐10的实际水位大于等于预定最高起动水位时，增大上层罐引水
管15输向水轮发电机的海水流量，加大水下厂房21中水轮发电机的实时产出
功率；同时，下层罐11水体上方空间的压缩空气通过输气管道经过第一处储
能工作机房的气体压缩机压缩后进入高压储气罐17，重复该操作直至下层罐
11内充满海水；同时，上层罐10水体上方空间的压缩空气通过溢水管18经过
第二处储能工作机房的气体压缩机压缩后进入高压储气罐17，重复该操作直至
上层罐10内海水达到溢水水位，此时加大水轮发电机的用水流量，当提水流
量超过水轮发电机所能承接的最大用水流量时，则打开溢水管阀门19,将提水
流量超过水轮发电机所能承接的最大用水流量的部份，从溢水管18泄出至钢
构平台7下方的海面上；当提水流量减小后，上层罐10水位低于溢水水位时，
关闭溢水管18，第二处储能工作机房向上层罐10水体上方空间注入压缩空气；
判断上层罐10的实际水位与预定最低起动水位和预定最高起动水位及溢
水水位的比值大小，继续循环步骤(1)和(2)直至系统停止。
该装置及系统的设计是根据现有波浪发电的资料，并在2015年第9号台
风经青岛市海域北上时，对董家口海域波浪提水装置的实测结果。在8.43小
时内海上实测的结果整理如表1：
表1董家口测试台7月11日实测记录
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在以上时段中，累积提水量为2736立方，持续测量时间为30339秒(折
8.43小时)，总平均流量为每秒0.09立方，折算平均出力为20.7千瓦。
从以上数据可见波浪提水功率有以下特点：
1、随机波动性较大:从最小的提水流量每秒0.028立方(持续714秒)直
至最大的提水流量每秒0.871立方(持续135秒)，随机变动范围在1倍至31
倍之间；
2、对实测数据列成时序流量表进行分析，绝大部分时段的流量，均在0.042
至0.202之间。也就是说，如果按0.202选为水轮发电机最大出力对应的流量，
则0.09就应该是日常出力，同时也是平均波高下对应的流量。也就是说，如
果与波浪提水相配的水轮发电机，非得要选定某一标称容量规格，则最大出力
就是这规格的110％，日常出力就是这规格容量的50％。这样，只要知道该海域
的年平均波高值或月平均波高最大值，就可根据这一平均波高值下的提水量，
选择与波浪提水相配的水轮发电机的标称装机容量；
3、在各个不同的月平均波高中，挑选月平均波高的最大值，作为选定与
波浪提水相配的水轮发电机的标称容量规格的“日常出力”。
一旦明确了如何选定与波浪提水相配的水轮发电机的“日常出力”，就可
根据表1所列各时段的流量和持续时间及以往的累积效果，推算与这一水轮发
电机标称容量规格相对应的缓冲储水量。
综上可以得出，10立方储水确保1个千瓦的电力。即为了确保向用户供电
100个千瓦，需1000立方的储水，标称装机200千瓦以上，最大出力220千瓦
以上，同时，至少配200千瓦的海水淡化等可调度负荷。
对表1所列各时段的流量和持续时间仔细分析，可见，最大的缓冲储水量
需求，出现在第25时段，流量为平均流量的47％，持续时间为3262秒。只要
能满足这一时段的缓冲储水量需求，则其他时段的缓冲储水量需求，就不成问
题。若要使水轮发电机在这长达3262秒的时段，也能达到平均出力，则缓冲
储水量要达到：
3262秒×(1－47％)×平均流量＝1729×平均流量
也就是说，完全依靠释放缓冲储水量，填平当时提水量的不足。只要确定
了波浪提水装置在所处海域的平均提水流量，便可估算出所需的缓冲储水量，
从而初步确定与波浪提水相配的水轮发电机组5的容量，从而估算在此海域展
开波浪提水发电的造价和产量。
表2不同的平均波高对应的平均流量和日常出力举例：
![]()
(注：年均波高不同的海域所配浮筒提水装置9的提水浮筒的直径和提
水管的直径不同)
由表2可知：若按月平均波高的最大值1.7米，选作储水设计用的“日
常出力”，则对应的平均流量为每秒5.65立方。储水量为9769立方，保出力
944千瓦。但在工程实践中，海上储水设施的设计建造比岸上困难得多，若不
从系统工程和经济实用的总体上进行把握，则波浪发电设施的总造价就会急剧
上升，以致最终使波浪发电演变成毫无投资价值的事情。因此，为实现波浪发
电的商业化应用，就不得不先对海上储水设施问题分析到位。
由于在海上，为避免抗风能力要求过高导致造价过高，平台上的水上储水
罐上缘不能过高；同时，为避免最高潮位时突发较大波浪对压缩储能设施的冲
击，承载压缩储能设施的导管架1顶横撑面不能过低，这就意味着承载储水罐
的钢构平台7上缘不能过低。也就是说，水上储水罐的上缘下底的外延都受到
了制约，再加上钢构平台7的周边尺寸是与浮筒提水装置9相配的，也受到了
制约，因此，波浪发电平台在海面上可为水上储水罐提供的空间极为有限。
将配有不同直径的浮筒提水装置9的波浪发电平台在不同海域，在表2的
制约下，计算所得波浪发电平台在海面上可为水上储水罐提供的空间中储水罐
的最大允许容积列表3如下：
![]()
其中，CH2＝Ht+Hw+5～6m
CH2:支撑储水罐的钢结构平台的顶面高程(m)
Ht：极端环境条件下的最高潮汐水位(m)
Hw：重现期为100年的最大波高(m)
由表3可知，按10立方储水保1个千瓦供电功率的经验作理想估算，12
米平台可确保的供电功率，分别为135千瓦和95千瓦。但在实际运行中，只
要较多地调用日常运行水位以下的水量，储水罐中的水位，就会明显下降，这
就意味着，要保1个千瓦供电功率的储水量，就得超过10立方，上述尺寸的
储水罐，分别只能保115千瓦和81千瓦。很明显，如果为提高储水蓄能加大
钢构平台7尺寸，那么，为储水蓄能所花的投资，将远超浮筒提水装置9所花
的投资。
围绕着水下储水罐3，将导管架1的底横撑面全部焊上钢板，并在四边侧
面用钢板围成2米左右高的方框，形成22×22－12×12×0.8＝368.8平方米的
沉箱凹槽，可放入860立方的砂石，同时，边侧面钢板外侧，也堆上石块。由
于底横撑面是压在海底上的，所以，正常情况下，这近两千吨砂石，扣除水的
浮力，余一千多吨，主要是压在368.8平方米的海底上的，每平方米三、四吨，
在非淤泥海底，不成问题。有了这一千多吨的额外配重，则水下储水罐3中可
调用的海水量，可进一步增加近一千吨。这样，以12米边长的平台为例，原
先海面上的储水罐最大可调用的储水量为1350立方至950立方，经过压缩气
体储能技术调用水下储水罐3中可调用的水量后，最大可调用的储水量可扩大
到三千多立方，且均可顶到目标水位，再下泄冲击水轮发电机发电，从而将该
平台确保的供电功率，从100千瓦左右，大幅提升到300千瓦左右，而对应的
压缩空气储能规模可达300千瓦左右，而无需花巨资在海面上建造6000多立
方的巨大储水罐。
设计的直径12米的浮筒提水装置9，在年均波高0.7米的青岛即墨车岛海
域，单筒平均出力为30-60千瓦；但在年均波高1.4米的南海西沙海域，单筒
平均出力为150-250多千瓦，单个平台模块可实现的确保供电功率为500-1000
千瓦，相对应的最大供电功率为1100-2200千瓦，这就达到了适度规模化的应
用要求，可作为海岛独立电网的主电源。
以上仅为实施例说明，作一具体举例，并不是本装置系统的限定实施参数。
本发明优点如下：
1、在导管架1架构内的最低潮位下的海中，安置了水轮发电机组5及其
水下厂房21，具备引水发电的功能，所生产的电力符合电网市售工频交流电的
技术指标；
2、在能够抵御强风强浪同时作用的前提下，以经济实惠作为设计原则，
用导管架1在海面上托举起容积尽可能大的水上储水罐，用于储存波浪提水装
置所采集势能发电；
3、在导管架1架构内的最低潮位下的海中，安置水下储水罐3，引用压缩
气体储能技术，以维持海面上水上储水罐日常运行的水位。采用压缩气体在高
压气体和低压气体状态之间来回转换的方式，将水下储水罐3中的海水，压入
水上储水罐，或将水上储水罐中的海水，回流入水下储水罐3中，达到了成倍
放大水上储水罐储能作用的效果；
4、浮筒提水装置9在导管架平台的底横撑面上，为浮筒中心定位桩安设
了沉桩定位用的桩靴20；
5、水轮发电机组5平台的末端设置有尾水管6钢结构，为抵御海流与浪
涌的冲击，提供了经济实用的尾水管6支撑。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，
当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍
属本发明涵盖范围内。