一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置及其控制方法

1.本发明涉及了一种漂浮式风机，具体涉及一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置及其控制方法。


背景技术：

2.近年来，海上风电迅速发展，各类漂浮式风力机概念层出不穷，有不少已完成了样机试验，甚至实现了漂浮式风电场的并网发电。海上的风能资源相较于陆上，质量更佳，储量更大，尤其是深远海区域，其对能源结构调整和可持续发展具有重要意义，且可减少对传统化石能源的依赖。现有的风电场绝大部分安装在近岸浅水海域，采用单桩式等固定式支撑结构，而随着水深增大，固定式支撑结构经济型下降，而漂浮式支撑结构是更为经济可行的方案。
3.深远海有着更丰富的风力资源的同时，也伴随着更为极端恶劣的气候环境条件，对漂浮式风力机的生存性能提出了巨大挑战，如何提高漂浮式风力机的稳定性、安全性和经济性，是漂浮式风力机发展的关键技术问题。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置及其控制方法。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一、一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置：
7.模块化波浪能装置包括风力机组、塔筒、漂浮式平台、若干系泊缆绳和若干波浪能浮体，风力机组安装在塔筒顶端，塔筒底端安装在漂浮式平台上，每个波浪能浮体均通过柔性缆铰接在漂浮式平台上，漂浮式平台漂浮在海面，漂浮式平台通过若干系泊缆绳连接至海床。
8.所述的漂浮式平台包括中心浮筒、三个主浮筒和桁架，中心浮筒安装在桁架中间，塔筒底端同心安装在中心浮筒的顶端，三个主浮筒通过桁架以中心浮筒为中心沿周向均匀分布，每个主浮筒的底部侧面通过一个系泊缆绳连接至海床；每个主浮筒底部的对称两侧面还分别安装有支架，每个波浪能浮体均通过柔性缆铰接在各自的支架上。
9.所述的波浪能浮体包括浮体壳体和发电器，发电器安装在浮体壳体内部；发电器包括发电器壳体、控制系统、刚性活塞杆、活塞结构、若干复位弹簧和液压发电系统，发电机壳体为空心筒状，发电机壳体竖直安装在浮体壳体内部，控制系统、活塞结构、各个复位弹簧和液压发电系统安装在发电机壳体内部，控制系统和液压发电系统电连接；活塞结构水平布置在发电机壳体内部，活塞结构的侧周面紧贴发电机壳体的内壁面；液压发电系统的液压缸的缸身安装在发电机壳体的内顶面，液压发电系统的液压杆竖直向下连接活塞结构的顶面中心，各个复位弹簧以液压发电系统为中心沿周向均匀分布，各个复位弹簧的顶端连接在发电机壳体的内顶面，各个复位弹簧的底端连接在活塞结构的顶面，各个复位弹簧
的弹力方向为竖直方向，在运行过程中减小液压发电系统的运行损伤；刚性活塞杆竖直布置，刚性活塞杆的顶端连接活塞结构的底面中心，刚性活塞杆的底端依次穿设出发电机壳体和浮体壳体后通过柔性缆铰接在各自的支架上；刚性活塞杆和浮体壳体的穿设口之间还设有密封结构。
10.所述的浮体壳体为空心球状，浮体壳体的内部通过同心的空心内球体自外向内划分为湿舱室和干舱室，湿舱室和干舱室不相连通，空心球体和浮体壳体不相接触，发电器安装在空心内球体内部；浮体壳体外壁上还开通若干连通湿舱室的进水口和出水口，每个进水口上均设有电控阀门，每个出水口上均设有抽水泵，各个电控阀门和抽水泵均电连接控制系统。
11.湿舱室用于容纳压载海水，实现波浪能装置的沉浮；干舱室用于容纳相关机械、电气设备及固定压载。
12.所述的风力机组上还装有波高仪，波高仪电连接各个控制系统，波高仪实时发送波高数据给控制系统。
13.二、一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置的控制方法：
14.方法包括如下步骤：
15.步骤1：波浪能装置在海上受到风浪作用，波浪能装置的风力机组在风力作用下旋转，将机械能转化为电能实时发电。
16.步骤2：风力机组上的波高仪实时监测有效波高h，并将有效波高h传输至各个波浪能浮体的控制系统中，设定波浪能装置运行波高范围h∈[0，h
max
]。
[0017]
步骤3：各个控制系统根据波高仪实时监测的有效波高h和预设最大波高h
max
实时控制波浪能装置的各个波浪能浮体，实现波浪能装置的连续控制。
[0018]
步骤3中，各个控制系统根据波高仪实时监测的有效波高h和预设最大波高h
max
实时控制波浪能装置的各个波浪能浮体，实现波浪没能装置的连续控制，具体如下：
[0019]
当控制系统判定有效波高h≤h
max
，h
max
为预设最大波高，则各个波浪能浮体浮于海面，各个波浪能浮体的湿舱室未装载海水，各个控制系统控制各个进水口的电控阀门和出水口的抽水泵关闭，各个波浪能浮体随着波浪起伏与漂浮式平台产生相对位移，各个柔性缆带动刚性活塞杆和活塞结构往复运动，与波浪能浮体的浮体壳体产生相对位移，同时活塞结构带动液压发电系统的液压缸中的活塞杆和缸体产生相对运动，驱使液压发电系统运作发电，波浪能装置处于发电模式。
[0020]
当控制系统判定h》h
max
，则控制系统控制各个波浪能浮体的进水口的电控阀门打开，各个出水口的抽水泵关闭，各个液压发电系统停止运行，各个活塞结构与各自的波浪能浮体锁定，各个波浪能浮体的湿舱室注水使得各个波浪能浮体下沉，直至各个柔性缆绷紧，拉动波浪能装置下沉，以提高风力机极端环境下的生存能力，波浪能装置处于下沉模式；当控制系统判定有效波高h≤h
max
时，各个进水口的电控阀门关闭，各个出水口的抽水泵打开，各个波浪能浮体的湿舱室抽水，各个波浪能装置上浮直至浮于海面，波浪能装置自下沉模式转变为发电模式。
[0021]
本发明的有益效果是：
[0022]
本发明将模块化波浪能浮体结合到漂浮式风力机上，可以综合利用海上风能和波浪能，通过波浪能浮体的运行耗散风力机的环境载荷，即波浪和风载荷，有效改善漂浮式风
机的运动响应并降低半潜漂浮式风机的结构载荷，同时波浪能浮体的下沉模式可有效提高风力机极端环境下的生存能力，有效改善漂浮式风力机的运动响应和结构载荷，提高风机的可靠性和经济性，有效推动其产业化应用。
附图说明
[0023]
图1是本发明的结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置结构示意图；
[0024]
图2是本发明的模块化波浪能装置布置俯视示意图；
[0025]
图3是本发明的波浪能装置结构示意图；
[0026]
图4是本发明的液压发电系统组成示意图；
[0027]
图5是本发明的模块化波浪能装置的控制方法流程图；
[0028]
图6是本发明的波浪能装置上浮(运行)状态示意图；
[0029]
图7是本发明的波浪能装置下沉(停机)状态示意图；
[0030]
图中：1、风力机组，2、塔筒，3、主浮筒，3a、中心浮筒，4、桁架，5、波浪能浮体，6、支架，7、系泊缆绳，8、湿舱室，9、干舱室，10、进水口，11、密封结构，12、刚性活塞杆，13、柔性缆，14、抽水泵，15、活塞结构，16、复位弹簧，17、液压发电系统。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032]
如图1和图2所示，本发明的模块化波浪能装置包括风力机组1、塔筒2、漂浮式平台、若干系泊缆绳7和若干波浪能浮体5，风力机组1安装在塔筒2顶端，塔筒2底端安装在漂浮式平台上，每个波浪能浮体5均通过柔性缆13铰接在漂浮式平台上，漂浮式平台漂浮在海面，漂浮式平台通过若干系泊缆绳7连接至海床。
[0033]
漂浮式平台包括中心浮筒3a、三个主浮筒3和桁架4，中心浮筒3a安装在桁架4中间，塔筒2底端同心安装在中心浮筒3a的顶端，三个主浮筒3通过桁架4以中心浮筒3a为中心沿周向均匀分布，每个主浮筒3的底部侧面通过一个系泊缆绳7连接至海床；每个主浮筒3底部的对称两侧面还分别安装有支架6，每个波浪能浮体5均通过柔性缆13铰接在各自的支架6上。
[0034]
如图3所示，波浪能浮体5包括浮体壳体和发电器，发电器安装在浮体壳体内部；发电器包括发电器壳体、控制系统、刚性活塞杆12、活塞结构15、若干复位弹簧16和液压发电系统17，液压发电系统17如图4所示，发电机壳体为空心筒状，发电机壳体竖直安装在浮体壳体内部，控制系统、活塞结构15、各个复位弹簧16和液压发电系统17安装在发电机壳体内部，控制系统和液压发电系统17电连接；活塞结构15水平布置在发电机壳体内部，活塞结构15的侧周面紧贴发电机壳体的内壁面；液压发电系统17的液压缸的缸身安装在发电机壳体的内顶面，液压发电系统17的液压杆竖直向下连接活塞结构15的顶面中心，各个复位弹簧16以液压发电系统17为中心沿周向均匀分布，各个复位弹簧16的顶端连接在发电机壳体的内顶面，各个复位弹簧16的底端连接在活塞结构15的顶面，各个复位弹簧16的弹力方向为竖直方向，在运行过程中减小液压发电系统17的运行损伤；刚性活塞杆12竖直布置，刚性活塞杆12的顶端连接活塞结构15的底面中心，刚性活塞杆12的底端依次穿设出发电机壳体和浮体壳体后通过柔性缆13铰接在各自的支架6上；刚性活塞杆12和浮体壳体的穿设口之间
还设有密封结构11。
[0035]
浮体壳体为空心球状，浮体壳体的内部通过同心的空心内球体自外向内划分为湿舱室8和干舱室9，湿舱室8和干舱室9不相连通，空心球体和浮体壳体不相接触，发电器安装在空心内球体内部；浮体壳体外壁上还开通若干连通湿舱室8的进水口10和出水口，每个进水口10上均设有电控阀门，每个出水口上均设有抽水泵14，各个电控阀门和抽水泵14均电连接控制系统。湿舱室8用于容纳压载海水，实现波浪能装置的沉浮；干舱室9用于容纳相关机械、电气设备及固定压载
[0036]
风力机组1上还装有波高仪，波高仪电连接各个控制系统，波高仪实时发送波高数据给控制系统。
[0037]
如图5所示，本发明波浪能装置的具体实施方式如下：
[0038]
步骤1：波浪能装置在海上受到风浪作用，波浪能装置的风力机组1在风力作用下旋转，将机械能转化为电能实时发电。
[0039]
步骤2：风力机组1上的波高仪实时监测有效波高h，并将有效波高h传输至各个波浪能浮体5的控制系统中，设定波浪能装置运行波高范围h∈[0，h
max
]。
[0040]
步骤3：各个控制系统根据波高仪实时监测的有效波高h和预设最大波高h
max
实时控制波浪能装置的各个波浪能浮体5，实现波浪能装置的连续控制。
[0041]
步骤3中，各个控制系统根据波高仪实时监测的有效波高h和预设最大波高h
max
实时控制波浪能装置的各个波浪能浮体5，实现波浪没能装置的连续控制，具体如下：
[0042]
当控制系统判定有效波高h≤h
max
，h
max
为预设最大波高，则各个波浪能浮体5浮于海面，各个波浪能浮体5的湿舱室8未装载海水，各个控制系统控制各个进水口10的电控阀门和出水口的抽水泵14关闭，各个波浪能浮体5随着波浪起伏与漂浮式平台产生相对位移，各个柔性缆13带动刚性活塞杆12和活塞结构15往复运动，与波浪能浮体5的浮体壳体产生相对位移，同时活塞结构15带动液压发电系统17的液压缸中的活塞杆和缸体产生相对运动，驱使液压发电系统17运作发电，波浪能装置处于发电模式，如图6所示。
[0043]
当控制系统判定h》h
max
，则控制系统控制各个波浪能浮体5的进水口10的电控阀门打开，各个出水口的抽水泵14关闭，各个液压发电系统17停止运行，各个活塞结构15与各自的波浪能浮体5锁定，各个波浪能浮体5的湿舱室8注水使得各个波浪能浮体5下沉，直至各个柔性缆13绷紧，拉动波浪能装置下沉，以提高风力机极端环境下的生存能力，波浪能装置处于下沉模式，如图7所示；当控制系统判定有效波高h≤h
max
时，各个进水口10的电控阀门关闭，各个出水口的抽水泵14打开，各个波浪能浮体5的湿舱室8抽水，各个波浪能装置5上浮直至浮于海面，波浪能装置自下沉模式转变为发电模式。
[0044]
本发明将波浪能装置结合漂浮式风机，可以综合利用海上风能和波浪能，通过波浪能装置耗散波浪和风载荷，有效改善漂浮式风机的运动响应并降低半潜漂浮式风机的结构载荷，同时波浪能装置的下沉模式，可有效提高漂浮式风力机抗台风等极端气候的能力，提高风机的可靠性与安全性，有效推动其产业化应用。

技术特征：
1.一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置，其特征在于：包括风力机组(1)、塔筒(2)、漂浮式平台、若干系泊缆绳(7)和若干波浪能浮体(5)，风力机组(1)安装在塔筒(2)顶端，塔筒(2)底端安装在漂浮式平台上，每个波浪能浮体(5)均通过柔性缆(13)铰接在漂浮式平台上，漂浮式平台漂浮在海面，漂浮式平台通过若干系泊缆绳(7)连接至海床。2.根据权利要求1所述的一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置，其特征在于：所述的漂浮式平台包括中心浮筒(3a)、三个主浮筒(3)和桁架(4)，中心浮筒(3a)安装在桁架(4)中间，塔筒(2)底端同心安装在中心浮筒(3a)的顶端，三个主浮筒(3)通过桁架(4)以中心浮筒(3a)为中心沿周向均匀分布，每个主浮筒(3)的底部侧面通过一个系泊缆绳(7)连接至海床；每个主浮筒(3)底部的对称两侧面还分别安装有支架(6)，每个波浪能浮体(5)均通过柔性缆(13)铰接在各自的支架(6)上。3.根据权利要求2所述的一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置，其特征在于：所述的波浪能浮体(5)包括浮体壳体和发电器，发电器安装在浮体壳体内部；发电器包括发电器壳体、控制系统、刚性活塞杆(12)、活塞结构(15)、若干复位弹簧(16)和液压发电系统(17)，发电机壳体为空心筒状，发电机壳体竖直安装在浮体壳体内部，控制系统、活塞结构(15)、各个复位弹簧(16)和液压发电系统(17)安装在发电机壳体内部，控制系统和液压发电系统(17)电连接；活塞结构(15)水平布置在发电机壳体内部，活塞结构(15)的侧周面紧贴发电机壳体的内壁面；液压发电系统(17)的液压缸的缸身安装在发电机壳体的内顶面，液压发电系统(17)的液压杆竖直向下连接活塞结构(15)的顶面中心，各个复位弹簧(16)以液压发电系统(17)为中心沿周向均匀分布，各个复位弹簧(16)的顶端连接在发电机壳体的内顶面，各个复位弹簧(16)的底端连接在活塞结构(15)的顶面；刚性活塞杆(12)竖直布置，刚性活塞杆(12)的顶端连接活塞结构(15)的底面中心，刚性活塞杆(12)的底端依次穿设出发电机壳体和浮体壳体后通过柔性缆(13)铰接在各自的支架(6)上。4.根据权利要求3所述的一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置，其特征在于：所述的浮体壳体为空心球状，浮体壳体的内部通过同心的空心内球体自外向内划分为湿舱室(8)和干舱室(9)，湿舱室(8)和干舱室(9)不相连通，空心球体和浮体壳体不相接触，发电器安装在空心内球体内部；浮体壳体外壁上还开通若干连通湿舱室(8)的进水口(10)和出水口，每个进水口(10)上均设有电控阀门，每个出水口上均设有抽水泵(14)，各个电控阀门和抽水泵(14)均电连接控制系统。5.根据权利要求1所述的一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置，其特征在于：所述的风力机组(1)上还装有波高仪，波高仪电连接各个控制系统。6.根据权利要求1-5任一所述的一种波浪能装置的控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤1：波浪能装置在海上受到风浪作用，波浪能装置的风力机组(1)在风力作用下旋转，将机械能转化为电能实时发电；步骤2：风力机组(1)上的波高仪实时监测有效波高h，并将有效波高h传输至各个波浪能浮体(5)的控制系统中；步骤3：各个控制系统根据波高仪实时监测的有效波高h和预设最大波高h
max
实时控制波浪能装置的各个波浪能浮体(5)，实现波浪能装置的连续控制。7.根据权利要求6所述的一种波浪能装置的控制方法，其特征在于：所述的步骤3中，各
个控制系统根据波高仪实时监测的有效波高h和预设最大波高h
max
实时控制波浪能装置的各个波浪能浮体(5)，实现波浪没能装置的连续控制，具体如下：当控制系统判定有效波高h≤h
max
，h
max
为预设最大波高，则各个波浪能浮体(5)浮于海面，各个波浪能浮体(5)的湿舱室(8)未装载海水，各个控制系统控制各个进水口(10)的电控阀门和出水口的抽水泵(14)关闭，各个波浪能浮体(5)随着波浪起伏与漂浮式平台产生相对位移，各个柔性缆(13)带动刚性活塞杆(12)和活塞结构(15)往复运动，与波浪能浮体(5)的浮体壳体产生相对位移，同时活塞结构(15)带动液压发电系统(17)的液压缸中的活塞杆和缸体产生相对运动，驱使液压发电系统(17)运作发电，波浪能装置处于发电模式；当控制系统判定h>h
max
，则控制系统控制各个波浪能浮体(5)的进水口(10)的电控阀门打开，各个出水口的抽水泵(14)关闭，各个液压发电系统(17)停止运行，各个活塞结构(15)与各自的波浪能浮体(5)锁定，各个波浪能浮体(5)的湿舱室(8)注水使得各个波浪能浮体(5)下沉，直至各个柔性缆(13)绷紧，拉动波浪能装置下沉，波浪能装置处于下沉模式；当控制系统判定有效波高h≤h
max
时，各个进水口(10)的电控阀门关闭，各个出水口的抽水泵(14)打开，各个波浪能浮体(5)的湿舱室(8)抽水，各个波浪能装置(5)上浮直至浮于海面，波浪能装置自下沉模式转变为发电模式。

技术总结
本发明公开了一种结合漂浮式风力机的模块化波浪能装置及其控制方法。装置的风力机组安装在塔筒顶端，塔筒安装在漂浮式平台上，波浪能装置通过柔性缆铰接在漂浮式平台上，漂浮式平台漂浮在海面，通过系泊缆绳连接至海床。方法包括：波浪能装置通过判定波高情况来切换工作模式，若波高低于最大波高，则波浪能浮体上浮至水面并正常运行发电；若波浪高于最大波高，则波浪能浮体下沉至水下并停止发电。本发明将模块化波浪能装置结合到漂浮式风力机上，可以通过波浪能装置的运行耗散风力机的环境载荷，同时波浪能装置的下沉模式可提高风力机极端环境下的生存能力，有效改善漂浮式风力机的运动响应和结构载荷，提高风机的可靠性和经济性。济性。济性。


技术研发人员：张大海 陈政 司玉林 钱鹏 史帅 熊圣新
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/27