一种半潜式波浪能风能综合利用装置.pdf

本发明属于新型可再生能源技术和海洋装备领域，特别涉及一种半潜式波浪能-风能综合利用装置。它包括浮筒、风力机、摆板、压水板、锚链、塔架、横撑、斜撑、转轴和发电机。其特征是：浮筒间采用横撑和斜撑相互连接固定；浮筒底部通过锚链连接抓力锚固定于海底；两个摆板分别安装于浮筒之间，并迎向波浪来波方向；摆板通过转轴连接并驱动发电机；风力机和塔架安装于四个浮筒的中间位置。本发明采用前后摆板同时工作的设计，能够根据海域波浪特征参数设计摆板间距以提高漂浮式平台的稳定性；采用压水板的设计，可以提高漂浮式平台的稳定性；采用8根悬链线将整体系统固定于海底，安全性高；形式简单，便于安装和转移。

1.  一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，包括浮筒、风力机、摆板、压水板、锚链、塔架、横撑、斜撑、转轴和发电机，其特征在于：浮筒间采用横撑和斜撑相互连接固定；浮筒底部通过锚链连接抓力锚固定于海底；两个摆板分别安装于浮筒之间，并迎向波浪来波方向；摆板通过转轴连接并驱动发电机；风力机和塔架安装于四个浮筒的中间位置。

2.  根据权利要求1所述的半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征在于：前摆板和后摆板之间的距离为装置布放海域特征波长的一半。

3.  根据权利要求1所述的半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征在于：四个浮筒的底部都安装有压水板。

4.  根据权利要求1所述的半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征在于：每一个浮筒内部都安装有发电机，并通过转轴与摆板连接。

5.  根据权利要求1所述的半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征在于：锚链为悬链线，分4组共8根，一组内2根锚链间夹角为60度。

一种半潜式波浪能-风能综合利用装置
技术领域
本发明属于新型可再生能源技术和海洋装备领域，特别是一种半潜式波浪能-风能综合利用装置。
背景技术
海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流和波浪为机械能，海水温差为热能，海水盐差为化学能。
在这众多的海洋能源种类中，波浪能与海上风能在地域分布上具有一定的相似性，二者在深海海域的能量密度均比近海海域大。由此，开展海上波浪能-风能综合利用技术研究存在可观的产业前景，对于我国能源结构总体布局也具有重要战略意义。目前，海上波浪能-风能综合利用技术还处于探索阶段，鲜见较为成熟的设计方案。结合较为常见的三种海上漂浮式平台：Spar平台、TLP平台和驳船式平台，部分学者和工程师提出了一些设计方案。其中一种是基于海上油气田平台技术的三浮体漂浮式风力机WindFloat，在其浮体基础上加入振荡水柱式发电设计或者在其中间位置加入振荡浮子式点吸收波浪能装置。一种是美国ITI Energy公司提出的一种基于驳船式漂浮式平台的波浪能-风能综合利用技术：在长方体的漂浮式平台中间位置设计了用于振荡水柱式发电装置的气室。另外，结合桅杆Spar式海上风机Hywind和振荡浮子式波浪能装置WaveBob，挪威科技大学也提出了一种波浪能-风能综合利用概念STC。然而，这些技术仍然处于概念模型设计阶段，还没有得到充分的论证和测试。同时，考虑装置的稳定性和安全性，需保证能量转换装置能适应不同的天气状况，具有在极端天气条件下的生存能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，它利用半潜式漂浮平台为波浪能装置和风能装置提供安装基础，能够在利用波浪水体水平方向上动能的同时为海上风力机提供稳定的平台，适用于深水区域，同时具有较高的可靠性，易于安装和移动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，包括浮筒、风力机、摆板、压水板、锚链、塔架、横撑、斜撑、转轴和发电机。其特征是：浮筒间采用横撑和斜撑相互连接固定；浮筒底部通过锚链连接抓力锚固定于海底；两个摆板分别安装于浮筒之间，并迎向波浪来波方向；摆板通过转轴连接并驱动发电机；风力机和塔架安装于四个浮筒的中间位置。
所述的一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征是：前摆板和后摆板之间的距离为装置布放海域特征波长的一半。
所述的一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征是：四个浮筒的底部都安装有压水板。
所述的一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征是：每一个浮筒内部都安装有发电机，并通过转轴与摆板连接。
所述的一种半潜式波浪能-风能综合利用装置，其特征是：锚链为悬链线，分4组共8根，一组内2根锚链间夹角为60度。
风力机采用NREL5MW水平轴三叶片变速变桨海上风力机，安装于塔架顶部，风力机直径126m，切入风速、额定风速和切出风速分别为3.0，11.4和25.0m/s。漂浮式平台设计水深80m，半潜式平台构件参数为：4个浮筒直径均为10.5m，中心塔架直径6.0m，横撑直径1.5m，斜撑直径1.0m，相邻浮筒圆心间距离60m，型深30m，吃水22.5m；压水板直径25.0m，厚度1.0m。浮筒内部为中空设计，其底部填充重物和安装有发电机以降低重心位置增强漂浮式平台的稳定性；同时，在每一个浮筒的下方安装有压水板，其可以提高浮筒的附加质量和粘性阻尼，从而增强漂浮式平台的稳定性。波浪能摆板高20m，长30m，宽1.5m，采用中空的浮力摆式设计，内部可填充重物改变其转动惯量。系泊系统采用悬链线系泊方式并在锚链顶部施加预张力，锚链线分4组共8根，锚链线长度450m，各组锚链分布角度90°，单组锚链内部夹角60°，锚链直径92mm，锚链单位长度质量185.4kg/m，有效弹性模量5.45x10⁷kN/m²，断裂强度为6080kN。
当波浪经过漂浮式平台，前、后摆板在波浪力的作用以转轴为轴发生单一自由度的转动，驱动与转轴连接的发电机工作，与风力机在风力作用下发出的电力实现互补。同时，由于前、后摆板的间距为半个特征波长，这使得前、后摆板所受到的波浪力正好相反，前、后摆板的运动方向和加速度方向也正好相反，这有助于最小化波浪作用下的摆板对于漂浮式平台的稳定性的影响。特别地，当极端天气来临漂浮式平台遭遇破坏性波浪时，可以将摆板沿转轴转动至水平位置，并将其固定在平台下部的横撑上，这样可以最小化摆板受到的波浪力。
本发明的有益效果是：
本发明适用于波浪能资源和海上风能资源较为丰富的深水区域，采用前后摆板同时工作的设计，能够根据海域波浪特征参数设计摆板间距以提高漂浮 式平台的稳定性；采用压水板的设计，可以提高浮筒的附加质量和粘性阻尼，从而增强漂浮式平台的稳定性；采用4组8根悬链线将整体系统固定于海底，安全性高；同时，本设计主体采用了漂浮式基础，形式简单，便于安装和转移。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的侧面示意图。
图3是本发明的正面面示意图。
图4是本发明采用的系缆分布示意图。
图中，1-塔架，2-斜撑，3-浮筒，4-转轴，5-摆板，6-压水板，7-横撑，8-风力机，9-锚链，10-海底，11-发电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，浮筒3间采用横撑7和斜撑2相互连接固定；摆板5通过转轴4安装固定于浮筒3之间，并迎向波浪来波方向，前后两个摆板间距为海域特征波长的一半；塔架1安装于四个浮筒3的中间位置；每一个浮筒3底部都安装有压水板6。
如图2所示，浮筒3通过锚链9进行固定，锚链9的另外一端固定于海底10；漂浮式平台和风力机8均迎向来波方向，风力机8安装于塔架1的顶部。
如图3所示，摆板5通过转轴4与发电机11连接；发电机11安装于浮筒3的内部。
如图4所示，锚链线9分4组共8根，各组锚链分布角度90°，单组锚链内部夹角60°。
本实施例的工作原理：
实际使用时，漂浮式平台处于漂浮状态，摆板5的顶部表面接近于水平面位置。当波浪经过漂浮式平台，前、后摆板5在波浪力的作用以转轴4为轴发生单一自由度的转动，驱动与转轴4连接的发电机11工作，与风力机8在风力作用下发出的电力实现互补。同时，由于前、后摆板5的间距为半个特征波长，这使得前、后摆板5所受到的波浪力正好相反，前、后摆板5的运动方向和加速度方向也正好相反，这有助于最小化波浪作用下的摆板5对于漂浮式平台的稳定性的影响。特别地，当极端天气来临漂浮式平台遭遇破坏性波浪时，可以将摆板5沿转轴4转动至水平位置，并将其固定在平台下部的横撑7上，这样可以最小化摆板5受到的波浪力。
风力机8安装于塔架1顶部，根据切入风速、额定风速和切出风速对其运行进行控制。漂浮式平台设的浮筒3内部为中空设计，其底部填充重物和安装有发电机11以降低重心位置增强漂浮式平台的稳定性；同时，在每一个浮筒3的下方安装有压水板6，其可以提高浮筒的附加质量和粘性阻尼，从而增强漂浮式平台的稳定性。波浪能摆板5采用中空的浮力摆式设计，内部可填充重物改变其转动惯量。在风、浪和漂浮式平台、波浪能装置及风力机作用过程中，锚链9提供了竖向和横向的拉力，对于减小漂浮式平台在垂荡、纵荡和纵摇等自由度上的运动幅度有重要意义。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。