由浮体单元组合构成的海上发电平台及其安装方法.pdf

本发明涉及由浮体单元组合构成的海上发电平台及其安装方法，包括平台主体和若干浮体单元，浮体单元包括浮体本体和支承体，平台主体通过支承体与浮体本体连接；海上平台通过向浮体本体中注入或排出适量的水，使浮体单元下沉或上升，从而使平台主体的高度可调节；当浮体本体悬浮在水下时，平台主体的至少一部分露出并保持在水面上；海上平台设有发电装置。海上平台的安装方法，包括(1)在水中将两个以上浮体单元连接构成平台主体；(2)将海上平台拖到预定水域，使平台主体始终保持在水面上。本发明海上平台强度高，可用于不同用途。浮体本体悬浮在海面下，受风浪影响小，波浪发电装置同时能抑制海浪的摇摆作用，具备抵御恶劣海况的能力。

1.  一种由浮体单元组合构成的海上平台，其特征是：所述海上平台包括平台主体和若干浮体单元，所述浮体单元包括设有中空内腔的浮体本体和支承体，所述平台主体通过支承体与浮体本体连接和固定；
所述支承体与浮体本体设为整体结构；或，支承体通过可拆卸的安装方式与浮体本体连接和固定；
所述海上平台能够浮在水面上，海上平台通过安装或移去负载，或，通过向浮体本体内腔中注入或排出适量的水，可以使浮体单元下沉或上升，从而使平台主体与水面之间的高度可调节；当浮体本体淹没并悬浮在水面下时，所述平台主体的至少一部分露出并保持在水面上。

2.  根据权利要求1所述的海上平台，其特征是：所述海上平台设有用于增加承载重量的压载装置，压载装置包括与所述浮体单元可拆卸连接的配重块，以及用于向浮体本体内注入或排出水的进排水装置；所述进排水装置包括泵和设在浮体单元上的进排水接口，进排水接口与浮体本体的内腔连通，进排水接口设有控制阀。

3.  根据权利要求1或2所述的海上平台，其特征是：所述支承体包括若干设在浮体本体上的支承柱，所述支承柱中至少设有一根浮力平衡支承柱，该浮力平衡支承柱设为中空结构，其单位体积在水中产生的浮力大于其自身的重量；所述浮体本体悬浮在水面下时，浮力平衡支承柱的至少一部分露出并保持在水面上。

4.  根据权利要求1或2所述的海上平台，其特征是：所述浮体本体与支承体上分别设有连接装置，所述浮体本体通过连接装置连接系泊装置、其它浮体单元或设备；所述支承体通过连接装置连接平台主体、其它浮体单元或设备；
所述浮体本体由钢筋混凝土、轻质高强度复合材料或金属材料制成，浮体本体设为球形、圆柱形、椭圆形、立方体或长方体结构；
所述浮体单元设有电源线与信号线接口、压缩气体管道接口以及用于人员或设备出入的舱门。

5.  根据权利要求4所述的海上平台，其特征是：所述浮体单元设有水位监测装置，所述水位监测装置与信号线接口电路连接。

6.  根据权利要求1所述的海上平台，其特征是：所述海上平台在水中的定位或连接方式包括下述的一种或一种以上：①通过锚链或缆绳固定在水底；②通过锚链或缆绳与水中的固定物连接和固定；③浮体本体上可拆卸连接若干配重块；④通过刚性连接构件与水中的固定物连接和固定。

7.  根据权利要求1所述的海上平台，其特征是：所述海上平台相邻浮体单元的浮体本体之间通过连接柱相互连接，相邻支承体之间通过连接梁相互连接；所述浮体本体之间的连接方式包括水平方向连接和垂直方向连接；所述浮体本体与连接柱之间以及支承体与连接梁之间的连接方式包括固定连接、转动连接和弹性连接。

8.  根据权利要求1所述的海上平台，其特征是：所述海上平台设有发电装置，所述发电装置包括与所述支承体或平台主体连接的波浪能发电装置，在平台主体上安装的太阳能发电装置，在平台主体或支承体上端安装的风力发电装置，以及安装在浮体本体上面或支承体水下部分的海流发电装置。

9.  一种海上平台的安装方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)浮体单元制造完成后放入水中，使浮体本体浮在水中，将两个以上浮体单元通过连接梁和连接柱连接构成海上平台，在连接梁上安装台板构成平台 主体；
(2)将海上平台拖到预定的水域，在海上平台减少或增加负载的同时，向浮体本体内注入或排出适量的水，使浮体本体悬浮在设定深度的水面下，同时使平台主体始终保持在水面上；
(3)将海上平台通过锚链或缆绳与水中的固定物连接和固定。

10.  根据权利要求9所述的海上平台的安装方法，其特征是：所述步骤(1)还包括在浮体本体上或支承体靠近浮体本体的部位安装海流发电装置；通过支承体或平台主体连接安装波浪能发电装置；在平台主体上安装太阳能发电装置；在平台主体或支承体上端安装风力发电装置；
所述步骤(2)还包括适量减少海上平台承载物的重量，或，将浮体本体内的水进一步排出；使海上平台所承载的重量与其自重之和小于受到的浮力，从而使与水底连接固定的锚链或缆绳拉直并承受向上的拉力。

由浮体单元组合构成的海上发电平台及其安装方法
技术领域
本发明涉及海上平台及发电装置，尤其是一种集成安装风力发电装置、波浪发电装置、太阳能发电装置的海上平台，以及由浮体单元组合构建海上发电平台的安装方法。
背景技术
目前，人类利用能源的方式面临转型升级，特别是我国以燃煤为主的发电方式迫切需要以清洁能源取代。海洋能属于清洁能源，主要包括风能、波浪能、太阳能和海流能等，海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积所拥有的能量较小。也就是说，要想得到更多能量，就得从大面积海面或大量的海水中获得。海洋能具有可再生性，可以说取之不尽，用之不竭。
海洋是最大的风能和太阳能吸收器，能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离有关。在每平方公里的海面上，运动着的海浪蕴藏约30万千瓦的能量，全球可供开发的波浪能约30亿千瓦。据研究报告，中国海域上空的风速估计常年在7米/秒以上，即风能功率密度在每平方米200瓦以上，离岸越运，风能功率密度越高，总风能资源非常可观。例如，在上海向东一百五十多公里的海域，年平均波浪高度在2米以上，由此推算，那里70米高上空年平均风能功率密度在每平方米六百瓦左右。总的来说，中国海域的风能和波浪能资源非常丰富，具有商业开发价值。
波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比，大约95％的波浪能包含在水面与深度为1/4波长的水层里。目前，海浪能发电装置可谓五花八门，无非是利用波浪运动的位能差、往复力、浮力产生动力，主 要的利用方法有三种：1.利用海洋波浪推动转换装置上下运动带动发电机发电；2.利用海洋波浪推动转换装置前后摆动带动发电机发电；3.把大波浪的低压水变为小体积高压水送入高位水池积蓄起来，再推动下方水轮发电机发电。
中国专利CN201210149837.3，于2012年5月2日公开了一种钢筋水泥结构的漂浮式海上发电平台，包括平台主体、浮体式波浪能收集装置、海风能量收集装置、发电装置。所有能量收集装置收集的流体运动能量都能同步偶合、集中发电。可望实现安全、长寿命、规模化、维护方便、低成本的商业化应用。漂浮式的发电平台使可利用的海域面积大大增加。该发明的制造难度大、成本高，其自重较大，负载受限，平台主体漂浮在海面上，抵御海上强风浪的生存能力较低。
据报道，2013年11月12日，世界第一座海上浮动式风力发电基站在日本福岛县近海投入运营。该浮动式风力发电基站高120米，被三艘拖轮拖到距离福岛第一核电站20余公里的海上，并开始发电。该浮动式风力发电基站的成本高，不能利用波浪能和太阳能。
本发明人于2011年9月6日提交的中国发明专利CN201110263980.0，公开了风光互补波浪发电站，包括支柱和浮体，支柱固定在海床上，浮体设有支柱孔，每个支柱孔中套设有一根支柱，浮体与支柱活动连接并可以相对支柱上下往复运动；浮体和支柱之间设有直线发电机。波浪发电站由若干独立的浮体和支柱组成，每一支柱与浮体之间都设有发电机，支柱上端设有风力发电机，浮体上表面设有太阳能电池。本发明在波浪的前进方向布置若干安装有发电机的浮体和支柱，通过导线连接形成供电网络，在较大范围内不间断采集波浪起伏的能量，将各个发电机产生的电量通过供电网络汇聚，实现持续供电。该发明 只提出在近海综合利用风能、波浪能和太阳能的解决方案，未提出在深海区域综合利用风能、波浪能和太阳能的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合在深海区域综合采集风能、波浪能和太阳能的海上平台。通过浮体单元组成海上平台，浮体本体悬浮在水面下，海上平台上集成安装风力发电装置、波浪发电装置和太阳能发电装置；以及由浮体单元组合构建海上发电平台的安装方法。
本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：
一种由浮体单元组合构成的海上平台，包括平台主体和若干浮体单元，所述浮体单元包括设有中空内腔的浮体本体和支承体，所述平台主体通过支承体与浮体本体连接和固定；所述支承体与浮体本体设为整体结构；或，支承体通过可拆卸的安装方式与浮体本体连接和固定；所述海上平台能够浮在水面上，海上平台通过安装或移去负载，或，通过向浮体本体内腔中注入或排出适量的水，可以使浮体单元下沉或上升，从而使平台主体与水面之间的高度可调节；当浮体本体淹没并悬浮在水面下时，所述平台主体的至少一部分露出并保持在水面上。
作为本发明的优选技术方案，所述海上平台设有用于增加承载重量的压载装置，压载装置包括与所述浮体单元可拆卸连接的配重块，以及用于向浮体本体内注入或排出水的进排水装置；所述进排水装置包括泵和设在浮体单元上的进排水接口，进排水接口与浮体本体的内腔连通，进排水接口设有控制阀。
作为本发明的优选技术方案，所述支承体包括若干设在浮体本体上的支承柱，所述支承柱中至少设有一根浮力平衡支承柱，该浮力平衡支承柱设为中空结构，其单位体积在水中产生的浮力大于其自身的重量；所述浮体本体悬浮在 水面下时，浮力平衡支承柱的至少一部分露出并保持在水面上。
作为本发明的优选技术方案，所述浮体本体与支承体上分别设有连接装置，所述浮体本体通过连接装置连接系泊装置、其它浮体单元或设备；所述支承体通过连接装置连接平台主体、其它浮体单元或设备；所述浮体本体由钢筋混凝土、轻质高强度复合材料或金属材料制成，浮体本体设为球形、圆柱形、椭圆形、立方体或长方体结构；所述浮体单元设有电源线与信号线接口、压缩气体管道接口以及用于人员或设备出入的舱门。
作为本发明的优选技术方案，所述浮体单元设有水位监测装置，所述水位监测装置与信号线接口电路连接。
作为本发明的优选技术方案，所述海上平台在水中的定位或连接方式包括下述的一种或一种以上：①通过锚链或缆绳固定在水底；②通过锚链或缆绳与水中的固定物连接和固定；③浮体本体上可拆卸连接若干配重块；④通过刚性连接构件与水中的固定物连接和固定。
作为本发明的优选技术方案，所述海上平台相邻浮体单元的浮体本体之间通过连接柱相互连接，相邻支承体之间通过连接梁相互连接；所述浮体本体之间的连接方式包括水平方向连接和垂直方向连接；所述浮体本体与连接柱之间以及支承体与连接梁之间的连接方式包括固定连接、转动连接和弹性连接。
作为本发明的优选技术方案，所述海上平台设有发电装置，所述发电装置包括与所述支承体或平台主体连接的波浪能发电装置，在平台主体上安装的太阳能发电装置，在平台主体或支承体上端安装的风力发电装置，以及安装在浮体本体上面或支承体水下部分的海流发电装置。
一种海上平台的安装方法，包括以下步骤：
(1)浮体单元制造完成后放入水中，使浮体本体浮在水中，将两个以上浮体单元通过连接梁和连接柱连接构成海上平台，在连接梁上安装台板构成平台主体；
(2)将海上平台拖到预定的水域，在海上平台减少或增加负载的同时，向浮体本体内注入或排出适量的水，使浮体本体悬浮在设定深度的水面下，同时使平台主体始终保持在水面上；
(3)将海上平台通过锚链或缆绳与水中的固定物连接和固定。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤(1)还包括在浮体本体上或支承体靠近浮体本体的部位安装海流发电装置；通过支承体或平台主体连接安装波浪能发电装置；在平台主体上安装太阳能发电装置；在平台主体或支承体上端安装风力发电装置；
所述步骤(2)还包括适量减少海上平台承载物的重量，或，将浮体本体内的水进一步排出；使海上平台所承载的重量与其自重之和小于受到的浮力，从而使与水底连接固定的锚链或缆绳拉直并承受向上的拉力。
本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明采用浮体单元作为海上平台的基础设施，通过安装发电装置构成具有发电功能的海上平台。本发明的制造成本相对较低，便于标准化、大批量制造和实施。浮体单元通过连接构件连接形成框架结构，不仅重量轻，强度高，而且便于大面积安装施工。本发明海上平台可以用于不同的用途，实现多种功能应用。例如用于海上石油与天然气开采、海上通信基站、跨海交通、旅游、海洋工程等，还可以用于军事用途。
本发明浮体本体悬浮在海面下，受风浪的影响小，波浪发电装置同时能抑制海浪的摇摆作用，海上平台高于海面、强度高，具备抵御恶劣海况的能力，从而能够保证海上整体设施的安全运行。本发明实现大面积采集海洋能量，降 低发电成本，提高综合发电效益，为大规模、商业化开发利用海洋能源与海洋资源提供了切实可行的解决方案。
附图说明
图1是本发明浮体单元固定在水底的结构示意图。
图2是本发明浮体单元悬浮在水中的结构示意图。
图3是本发明浮体单元连接组成海上平台的结构示意图。
图4是图3的俯视结构示意图。
图5是本发明采用双层浮体单元连接组成海上平台的结构示意图。
图6是图5的俯视结构示意图。
图7是本发明设有发电装置的浮体单元的结构示意图。
图8是本发明设有发电装置的海上平台的结构示意图。
图中：1、浮体本体，2、支承体，3、波浪能发电装置，4、风力发电装置，5、太阳能发电装置，6、海流发电装置，7、配重块，8、缆绳，9、水面，10、连接柱，11、连接梁，12、平台主体，13、进排水接口，101、浮体本体连接平台，102、系泊连接器，201、支承柱连接平台，202、支承柱连接器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1至图8所示，由浮体单元组合构成的海上平台，包括平台主体12和若干浮体单元，浮体单元包括设有中空内腔的浮体本体1和支承体2，平台主体12通过支承体2与浮体本体1连接和固定；支承体2与浮体本体1设为整体结构；或，支承体2通过可拆卸的安装方式与浮体本体1连接和固定。海上平台能够浮在水面9上，海上平台通过安装或移去负载，或，通过向浮体本体1内腔中注入或排出适量的水，可以使浮体单元下沉或上升，从而使平台主体12与水面之间的高度可调节；当浮体本体1淹没并悬浮在水面下时，所述平台主体 12的至少一部分露出并保持在水面上。
本实施例中，海上平台设有用于增加承载重量的压载装置，压载装置包括与浮体单元可拆卸连接的配重块7，以及用于向浮体本体1内注入或排出水的进排水装置，进排水装置包括泵和设在浮体单元上的进排水接口13，进排水接口13与浮体本体1的内腔连通，进排水接口设有控制阀。支承体2包括若干设在浮体本体1上的支承柱，支承柱中至少设有一根浮力平衡支承柱，该浮力平衡支承柱设为中空结构，其单位体积在水中产生的浮力大于其自身的重量；浮体本体1悬浮在水面下时，浮力平衡支承柱的至少一部分露出并保持在水面9上。本发明浮力平衡支承柱，既可以用于支承或安装其它构件，又可以用于平衡浮体单元承载的重量与所受的浮力，使浮体单元在悬浮状态受到大于设定承载重量的外力时，能够及时平衡浮体单元的浮力，避免浮体单元沉没，从而保证浮体单元的安全。
浮体本体1与支承体2上分别设有多个连接装置，浮体本体通过连接装置连接系泊装置、其它浮体单元或设备；支承体通过连接装置连接平台主体、其它浮体单元或设备。本实施例浮体本体1上设有浮体本体连接平台101和系泊连接器102。浮体本体连接平台101包括连接螺栓、连接孔、设有连接孔的连接耳、连接法兰、联轴器。浮体本体1通过设在其下端的系泊连接器102与缆绳8或锚链连接，然后再与配重块7或水底连接。浮体本体1也可以通过连接装置与其它浮体单元连接。支承体2上设有支承柱连接平台201和支承柱连接器202。支承体2通过连接装置与负载或其它浮体单元连接。
本发明浮体本体1可以由钢筋混凝土、高强度复合材料或金属材料制成，浮体本体1设为球形、圆柱形、椭圆形、立方体或长方体结构。本实施例优选浮体本体1设为球形，采用钢筋混凝土制成。浮体单元的浮体本体1上还设有 电源线接口、信号线接口、压缩气体管道接口以及用于人员或设备出入的舱门。浮体本体1内设有水位监测装置，水位监测装置与信号线接口电路连接；浮体本体1内设有水泵，水泵通过管道与进排水接口13连接。
本发明海上平台在水中的定位或连接方式包括下述的一种或一种以上：①通过锚链或缆绳8固定在水底；②通过锚链或缆绳8与水中的固定物连接和固定；③浮体本体上可拆卸连接若干配重块；④通过刚性连接构件与水中的固定物连接和固定。
海上平台相邻浮体单元的浮体本体1之间通过连接柱10相互连接，相邻支承体2之间通过连接梁11相互连接；浮体本体1之间的连接方式包括水平方向连接和垂直方向连接；浮体本体1与连接柱10之间以及支承体2与连接梁11之间的连接方式包括固定连接、转动连接和弹性连接。
本实施例海上平台设有发电装置，发电装置包括与支承体2或平台主体12连接的波浪能发电装置3，在平台主体12上安装的太阳能发电装置5，在平台主体12或支承体2上端安装的风力发电装置4，以及安装在浮体本体1上面或支承体2水下部分的海流发电装置6。
海上平台的安装方法，包括以下步骤：
(1)浮体单元制造完成后放入水中，使浮体本体浮在水中，将两个以上浮体单元通过连接梁和连接柱连接构成海上平台，在连接梁上安装台板构成平台主体；
(2)将海上平台拖到预定的水域，在海上平台减少或增加负载的同时，向浮体本体内注入或排出适量的水，使浮体本体悬浮在设定深度的水面下，同时使平台主体始终保持在水面上；
(3)将海上平台通过锚链或缆绳与水中的固定物连接和固定。
所述步骤(1)还包括在浮体本体上或支承体靠近浮体本体的部位安装海流发电装置；通过支承体或平台主体连接安装波浪能发电装置；在平台主体上安装太阳能发电装置；在平台主体或支承体上端安装风力发电装置；
所述步骤(2)还包括适量减少海上平台承载物的重量，或，将浮体本体内的水进一步排出；使海上平台所承载的重量与其自重之和小于受到的浮力，从而使与水底连接固定的锚链或缆绳拉直并承受向上的拉力。
本实施例中，所述海上平台的安装方法还包括以下步骤：
(4)将所述发电装置产生的电能连接输入蓄电储能装置；或，连接电解制氢气装置；或，连接海水淡化装置；
(5)将海流发电装置、波浪能发电装置、太阳能发电装置和风力发电装置产生的电能连接汇聚后，经输变电系统输出。
上述实施例仅限于说明本发明的构思和技术方案，其目的在于让本领域的技术人员了解发明的技术特征和实施方式，并不能据此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明技术方案所作的等同替换或等效变化，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。