用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统

1.本发明涉及漂浮式海洋平台系泊系统，尤其涉及一种用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统。


背景技术：

2.随着海洋工程技术的发展，开发新能源的步伐逐步从陆地向海洋迈进，海上浮式发电平台的数量急剧增加。
3.目前，大多数海洋浮式发电平台均为浮式风机平台，通常采用6-8条系泊缆连接风机自身的浮筒并固定在海床上。此系泊方法虽然有效地约束了浮式风机在风浪流作用下沿着六个自由度的运动，但对系泊缆的水平跨距有一定要求。
4.而漂浮式光伏阵列通常采用对角系泊的方式，每个阵列都用4根锚链与四周的重力锚体连接。上述这两种不同的系泊方式虽然满足了浮体运动以及稳定的要求，然而在浮式风机与浮式光伏同场布置的场景下，为满足发电效率以及充分利用空闲海域的要求，浮式光伏通常需要更大的布置面积，进而导致了原有的两种系泊存在相互干扰的风险。
5.不仅如此，波浪的存在会迫使浮式光伏的柔性部分随着波峰与波谷产生局部的垂荡，导致部分光伏发电板产生偏斜影响发电效率。现有的浮式风机平台与漂浮式光伏阵列同场布置方案采用传统系泊方式即自身多点系泊，漂浮式光伏阵列通过4个系泊点和12条缆索锚固于海床，平台与阵列之间亦或用系缆直接相连。当风浪作用于该方案位于系统外侧的浮式风机平台时，浮式风机平台会发生不同程度的横荡、垂荡、纵摇及其它各自由度的运动，即使浮式风机具备自身系泊，但仍然在一定范围内产生偏移。在偏移的过程中，系缆会被收紧或放松偏离原位置，在较大的水平跨距下，系缆的运动范围也较大，将对浮式光伏阵列的系缆产生干扰。与此同时，当浮式风机平台在水动力的作用下发生偏移运动时，漂浮式光伏阵列也会受到浮式风机平台的水动力干扰以及浮式平台之间连接系缆的拉力，产生运动偏移影响发电效率。因此，现有技术中，需要漂浮式光伏与浮式风机平台之间预留60米以上的安全距离，且采用柔性材料制成的浮式光伏阵列对海况要求较高。
6.由此可见，传统的系泊系统无法满足风光同场浮式平台的需求。亟需一种避免浮式风机系泊与浮式光伏系泊干扰又具有消浪和自发电功能的系泊系统。


技术实现要素：

7.发明目的：针对上述技术问题，本发明提供一种用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，该系泊系统用于海上风光同场浮式发电平台，避免了浮式风机系泊与浮式光伏系泊之间的干扰；且通过系泊缓冲装置降低了系缆的振动并抑制多浮体运动造成的干扰；系泊中枢内置消浪系统和自发电系统，提高了发电效率。
8.技术方案：本发明用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统包括系泊连接系统、系泊中枢、系泊固定装置、浮式光伏基座和浮式风机基座；系泊中枢以同心方式位于浮式光伏基座外围，系泊固定装置位于系泊中枢底部并延伸至海床；
9.系泊连接系统包括外连接单元和内连接单元，系泊中枢通过外连接单元与浮式风机基座连接，系泊中枢通过内连接单元与光伏基座连接；
10.外连接单元包括第一系缆和连接在第一系缆上的系泊缓冲装置；系泊缓冲装置包括浮箱和缓冲筒体；缓冲筒体内设有弹簧，弹簧两端连接有滑块；滑块在第一系缆拉力作用下带动弹簧变形进行缓冲；
11.内连接单元包括分布在系泊中枢内环侧的多个连接件，连接件为连接有浮筒的第二系缆；
12.系泊中枢包括自发电系统、浮筒装置以及消浪系统；自发电系统包括发电装置和动力装置；发电装置与动力装置之间设有带有开孔的隔板，开孔处带有常闭开关；
13.发电装置包括涡轮和发电组件；
14.动力装置包括电动机，偏心凸轮，活塞板，以及位于消浪系统上检测水位的水位传感器；水位传感器与电动机连接；电动机通过偏心凸轮驱动活塞板，将通过消浪系统进入系泊中枢的水从开孔处压入发电装置内并往复运动，进而推动涡轮转动发电。
15.常闭开关包括弹簧、开关挡板弹簧和固定点，弹簧带动开关挡板弹簧绕固定点转动。
16.活塞板的杆部穿过系泊中枢的顶部并与偏心凸轮的一个轴孔铰接，铰接处设有轴承。
17.消浪系统包括消浪网、消浪格栅以及吸能填充物；吸能填充物位于多组消浪格栅形成的空间内。
18.发电组件包括变速箱，发电机，稳压装置和电池；发电机、变速箱、稳压装置和电池固定在系泊浮筒装置的底部。
19.系泊固定装置包含锚链和沉锤，锚链与系泊中枢底部连接。
20.发电装置与浮筒装置的连接处设有密封圈。
21.浮筒装置端部设有与锚链连接的卸扣。
22.系泊中枢为外表面开口设有消浪网，内表面带有使水流入的开口的环形柱状结构。
23.水位传感器位于消浪格栅上，进而对水位进行控制，当水位传感器检测到水位到达预定高度后，动力装置开始工作。
24.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
25.(1)使用系泊连接系统代替浮式光伏传统系泊方式，在保证约束浮体运动以及稳定性的前提下，减少了位于深水的系缆数量，避免了浮式风机系泊与浮式光伏系泊之间的干扰。
26.(2)设置系泊缓冲装置，当系泊系缆受拉时，弹簧变形产生收缩力，起到缓冲作用。当漂浮式光伏阵列及浮式风机平台任一浮体产生运动时，单一浮体的运动由系泊连接系统传递；在传递的过程中，系泊缓冲装置内部的弹簧结构抵消部分运动，降低了环境作用下系缆的振动以及抑制多浮体运动造成的干扰。
27.(3)系泊中枢内部设置有消浪系统，通过缓冲吸能的方式减弱波浪能量，防止波浪直接冲击浮式光伏基座，降低浮式光伏基座的高频波浪运动幅度，提高了平台的稳定性与光伏板的发电效率。
28.(4)系泊中枢内置自发电系统，波浪在水压的作用下从系泊中枢内，发电装置与动力装置之间的隔板开孔处进入系泊中枢下方的发电装置的空间内，进而驱动涡轮转动，发电机进而将机械能转化为电能，得到的电能通过蓄电池收集用于照明供能亦可并入电网。
29.(5)系泊中枢内置动力装置，利用电机驱动塑料活塞板下压，增大进入结构中层的水流压力，提高发电效率。
30.(6)当海水进入动力装置的活塞板运动空间时，活塞板在自身浮力的作用下自动上浮，减少用电量。
31.(7)系泊中枢内侧连接用于固定浮式光伏基座的多条系缆，外侧连接浮式风机系缆。相比于浮式光伏基座与浮式风机基座直接连接，缩短了系泊长度，降低系泊自重。此系泊系统的优势在于节约了系泊成本，且便于维护。
附图说明
32.图1为本发明用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统结构布置示意图；
33.图2为本发明用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统的结构布置主视图；
34.图3为本发明系泊系统的结构布置俯视图；
35.图4为本发明的系泊中枢侧向截面图；
36.图5为本发明的自发电系统整体结构示意图；
37.图6为本发明的动力装置结构示意图；
38.图7为本发明的发电装置结构示意图；
39.图8为本发明的变速箱结构示意图；
40.图9为本发明的消浪系统结构示意图；
41.图10为本发明的消浪格栅的结构示意图；
42.图11为本发明的常闭开关结构示意图；
43.图12为本发明的系泊缓冲装置结构示意图。
具体实施方式
44.如图1和2所示，本发明用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，包括系泊连接系统1、系泊中枢2、系泊固定装置3、浮式光伏基座4和浮式风机基座5。
45.其中，系泊中枢2为环形，布置在浮式光伏基座4的外侧并与浮式光伏基座4形成同心圆结构，系泊中枢2通过系泊连接系统1与浮式光伏基座4连接。浮式光伏基座4为圆形。
46.系泊连接系统1包含外连接单元1-1和内连接单元1-2。系泊中枢2通过外连接单元1-1与浮式风机基座5连接，系泊中枢2通过内连接单元1-2与浮式光伏基座4连接。系泊固定装置3安装于系泊中枢2的底部并延伸固定至海床。
47.其中，外连接单元1-1设置于系泊中枢2与浮式风机基座5之间。每组外连接单元1-1包含两条第一系缆1-1-3以及一个系泊缓冲装置1-1-4。如图12所示，系泊缓冲装置1-1-4包括浮箱1-1-4-1和缓冲筒体，缓冲筒体内设有弹簧1-1-4-2，弹簧两端连接有滑块1-1-4-3，滑块在第一系缆1-1-3的拉力作用下带动弹簧变形进行缓冲。
48.具体结构为，系泊缓冲装置1-1-4位于系泊连接系统1中间，缓冲筒体置于浮箱1-1-4-1内，缓冲筒体两侧的滑块1-1-4-3一端分别与系泊连接系统1的第一系缆1-1-3连接，
两个滑块1-1-4-3的另一端与弹簧1-1-4-2相连。当第一系缆1-1-3受拉时，弹簧1-1-4-2变形产生收缩力，起到缓冲作用。系泊缓冲装置1-1-4主体位于两条第一系缆1-1-3中间的浮箱1-1-4-1内，内部设有弹簧1-1-4-2穿过筒体与两侧滑块1-1-4-3相连，两侧滑块1-1-4-3的端部设有与系缆1-1-3相连的卸扣1-1-4-4。
49.第一系缆1-1-3两侧分别通过卸扣1-1-4-4连接浮式风机基座5和系泊中枢系泊连接卸扣2-1。本实施例中，内连接单元1-2包括分布在系泊中枢2内环空间的多个连接件，该连接件为连接有浮筒1-2-1的第二系缆1-2-2；本实施例中，内连接单元1-2包含12条带浮筒1-2-1的第二系缆1-2-2均布在浮式光伏基座4四周预设的12个系泊点上，并与本实施例中系泊中枢2内环表面所设的6个系泊连接卸扣2-1连接。第二系缆1-2-2材质为尼龙。内连接单元1-2与浮式光伏基座4相连。
50.系泊连接系统1的内连接单元1-2与浮式光伏基座4以及系泊中枢2的内环表面连接，尼龙系缆中段带有浮筒，起缓冲作用。外连接单元1-1包含两条钢制系缆，分别与两侧的系泊缓冲装置1-1-4连接，并通过系泊缓冲装置1-1-4与浮式风机系泊点以及系泊中枢2的外环侧表面连接。
51.系泊固定装置3包括锚链3-1和沉锤3-2，共有四组，布置在系泊中枢的四周，通过锚链3-1与系泊中枢2的底部连接。锚链3-1一端固定于系泊中枢2浮筒装置2-3底部的系泊连接卸扣2-1处，锚链3-1的另一端与沉锤3-2相连，锚链3-2有自重。沉锤3-2没入海床，为系泊中枢2的整体结构提供抓驻力。
52.系泊中枢2为环形柱状结构，环内空余部分布置浮式光伏，与浮式光伏同心。系泊中枢2的整体结构漂浮于水面上，系泊中枢2的内外表面开设有使水流入的开口，外表面开口处设置有消浪网2-4-2；系泊中枢2底部为密闭的浮筒装置2-3，顶部空间由消浪格栅2-4-1分割为内外侧两部分。内侧空间侧壁设置消浪格栅2-4-2内有消浪填充物2-4-3，外侧空间由水平隔板分隔为上下两部分，上侧部分两侧壁处分别设有竖直隔板。
53.系泊中枢2包括系泊连接卸扣2-1、自发电系统2-2、浮筒装置2-3以及消浪系统2-4。浮筒装置2-3位于系泊中枢2的结构底部，具有气密性和防水性，为系泊中枢的整体结构提供浮力。浮筒装置2-3的内外表面以及底部设置有多个连接外连接单元1-1的系泊连接卸扣2-1。
54.系泊中枢2的上、中层之间的隔板上开设有孔并在开孔处设置有常闭开关2-2-2-6。动力装置的活塞板向下运动时，水流受到活塞板挤压，在压力作用下常闭开关打开。水流流入系泊中枢2内部隔板下侧的空间，推动自发电系统2-2中的发电装置2-2-1的涡轮2-2-1-1转动。
55.自发电系统2-2包括发电装置2-2-1和动力装置2-2-2，发电装置2-2-1位于浮筒装置2-3内，安装在底座上。在发电装置2-2-1与浮筒装置2-3的接触位置设置有密封垫圈，防止海水进入浮筒；动力装置2-2-2位于系泊中枢2的顶部，均通过电缆与浮筒内部的蓄电池连接。消浪系统2-4位于自发电系统的外部，设置于系泊中枢结构的上、中层外表面，通过消浪网、格栅及吸能填充物降低波浪动能，与浮筒装置共同形成了系泊中枢2的主体。
56.如图6所示，动力装置2-2-2包括电动机2-2-2-1，偏心凸轮2-2-2-2，活塞板2-2-2-3和水位传感器2-2-2-5。电动机2-2-2-1设置于发电装置2-2-1的顶部，通过偏心凸轮2-2-2-2与活塞板2-2-2-3连接。活塞板2-2-2-3位于系泊中枢结构内部上层，在电动机2-2-2-1
1-3采用有线连接。
63.消浪系统2-4包括消浪网2-4-2、消浪格栅2-4-1以及吸能填充物2-4-3。其中消浪网2-4-2覆盖于系泊中枢2的外环开口处，通过框架固定在系泊中枢外环内壁，起初步消浪和导流作用。
64.如图10所示，图中，左侧为消浪格栅的主视图，中间为消浪格栅的侧向剖面图，右侧为消浪格栅的俯视图。消浪网2-4-2通过框架2-4-1-3固定于系泊中枢2开口处的外环侧壁，消浪格栅2-4-1由多个消浪格栅护网2-4-1-1和格栅2-4-1-2组成。
65.消浪格栅2-4-1在本实施例结构内设置两组，一组竖直设置在系泊中枢2开口处的内环侧壁，另一组竖直设置在系泊中枢2内侧，均通过螺栓固定。格栅内部形成的空间内有吸能填充物填充。吸能填充物2-4-3放置于两组消浪格栅2-4-1形成的空间内，填充物微粒直径大于消浪格栅护网2-4-1-1的网孔孔径。填充率占格栅间体积的90％以上且密度大于海水密度。当海水通过自发电系统后，透过吸能填充物流入系泊中枢内环区域，从而实现消除浮式光伏阵列布置区域的波浪的功能。
66.本发明用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统的实施方法包括以下几个步骤：
67.(1)如图1至图3所示，将内连接单元1-2中的多条系缆1-2-2一端系在浮式光伏基座4的系泊点上，系缆1-2-2一端穿入浮筒1-2-1后，将系缆1-2-2两条分为一组系于系泊中枢2的系泊浮筒装置2-3内表面预设的多个系泊连接卸扣2-1上。
68.(2)将外连接单元1-1中的一条第一系缆1-1-3一端系于系泊中枢2系泊浮筒装置2-3外表面的系泊连接卸扣2-1上，另一端与系泊缓冲装置1-1-4一侧滑块1-1-4-3的系泊卸扣1-1-4-4相连。在系泊缓冲装置1-1-4的另一侧滑块1-1-4-3处连接第一系缆1-1-3并连接到浮式风机基座5自带的系泊点上。
69.(3)将锚链3-1固定于系泊中枢2的系泊浮筒装置2-3底部的连接点上，锚链3-1所连接的沉锤3-2抛入海中并没入海床。
70.(4)系泊中枢2的工作过程如下：
71.(4.1)动力装置2-2-2工作过程：在水位传感器2-2-2-5检测到水位达到设定高度后，启动电动机2-2-2-1，此时偏心凸轮2-2-2-2绕电机轴转动，活塞板2-2-2-3下压，隔板上的常闭开关2-2-2-6打开，水流进入推动涡轮2-2-1-1转动。当偏心凸轮2-2-2-2到达最低点时，电机2-2-2-1停止工作，等待水流进入系泊中枢2的上层及中层并达到设定高度时，活塞板2-2-2-3在自身浮力的作用抬起，进入下一次工作循环。
72.(4.2)发电装置2-2-1工作过程：涡轮2-2-1-1转动带动传动轴以及变速箱2-2-1-2输入级齿轮2-2-1-2-1转动，使得惰轮2-2-1-2-2和变速箱2-2-1-2输出级齿轮2-2-1-2-3转动，动力传导至发电机2-2-1-3进行发电。
73.(4.3)消浪系统2-4工作过程：波浪从系泊中枢2的外环侧壁经由框架2-4-1-3固定的消浪网2-4-2实现初步消浪，在通过动力装置2-2-2和发电装置2-2-1的工作空间后，穿过两组消浪格栅2-4-1的消浪格栅护网2-4-1-1和吸能填充物2-4-3进行第二级消浪。

技术特征：
1.一种用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：包括系泊连接系统(1)、系泊中枢(2)、系泊固定装置(3)、浮式光伏基座(4)和浮式风机基座(5)；所述系泊中枢(2)以同心方式位于浮式光伏基座(4)外围，所述系泊固定装置(3)位于系泊中枢(2)底部并延伸至海床；所述系泊连接系统(1)包括外连接单元(1-1)和内连接单元(1-2)，所述系泊中枢(2)通过外连接单元(1-1)与浮式风机基座(5)连接，所述系泊中枢(2)通过内连接单元(1-2)与光伏基座(4)连接；所述外连接单元(1-1)包括第一系缆(1-1-3)和连接在第一系缆上的系泊缓冲装置(1-1-4)；所述系泊缓冲装置(1-1-4)包括浮箱(1-4-1)和缓冲筒体；缓冲筒体内设有弹簧(1-1-4-2)，所述弹簧两端连接有滑块(1-1-4-3)；所述滑块在第一系缆(1-1-3)拉力作用下带动弹簧变形进行缓冲；所述内连接单元(1-2)包括分布在系泊中枢(2)的内侧的多个连接件，所述连接件为连接有浮筒(1-2-1)的第二系缆(1-2-2)；所述系泊中枢(2)包括自发电系统(2-2)、浮筒装置(2-3)以及消浪系统(2-4)；所述自发电系统(2-2)包括发电装置(2-2-1)和动力装置(2-2-2)；所述发电装置与动力装置之间设有带有开孔的隔板，所述开孔处带有常闭开关(2-2-2-6)；所述发电装置(2-2-1)包括涡轮(2-2-1-1)和发电组件；所述动力装置(2-2-2)包括电动机(2-2-2-1)，偏心凸轮(2-2-2-2)，活塞板(2-2-2-3)，以及位于消浪系统(2-4)上检测水位的水位传感器(2-2-2-5)；所述水位传感器与电动机连接；所述电动机通过偏心凸轮驱动活塞板，将通过消浪系统进入系泊中枢的水从所述开孔处压入发电装置(2-2-1)内并往复运动，进而推动涡轮(2-2-1-1)转动发电。2.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述常闭开关(2-2-2-6)包括弹簧(2-2-2-6-1)、开关挡板弹簧(2-2-2-6-2)和固定点(2-2-2-6-3)，所述弹簧(2-2-6-1)带动开关挡板弹簧(2-2-2-6-2)绕固定点(2-2-2-6-3)转动。3.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述活塞板(2-2-2-3)的杆部穿过系泊中枢的顶部并与偏心凸轮(2-2-2-2)的一个轴孔铰接，所述铰接处设有轴承。4.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述消浪系统(2-4)包括位于系泊中枢的开口处的消浪网(2-4-2)，多组消浪格栅(2-4-1)，以及吸能填充物(2-4-3)；所述吸能填充物(2-4-3)位于多组消浪格栅(2-4-1)形成的空间内。5.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述发电组件包括变速箱(2-2-1-2)，发电机(2-2-1-3)，稳压装置(2-2-1-4)和电池(2-2-1-5)。6.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述系泊固定装置(3)包含锚链(3-1)和沉锤(3-2)，所述锚链(3-1)与系泊中枢(2)底部连接。7.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述发电装置(2-2-1)与浮筒装置(2-3)的连接处设有密封圈。8.根据权利要求6所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述浮筒装置(2-3)端部设有与锚链(3-1)连接的卸扣(2-1)。
9.根据权利要求1所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述系泊中枢(2)为外表面开口设有消浪网，内表面带有使水流入的开口的环形柱状结构。10.根据权利要求4所述的用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，其特征在于：所述水位传感器(2-2-2-5)位于消浪格栅(2-4-1)上。

技术总结
本发明公开了一种用于海上风光同场浮式发电平台的系泊系统，包括系泊连接系统、系泊中枢、系泊固定装置、浮式光伏基座和浮式风机基座；系泊中枢以同心方式位于浮式光伏基座外围，系泊固定装置位于系泊中枢底部并延伸至海床；系泊连接系统包括外连接单元和内连接单元，系泊中枢通过外连接单元与浮式风机基座连接，通过内连接单元与光伏基座连接；系泊中枢包括自发电系统、浮筒装置及消浪系统；自发电系统包括发电装置和动力装置；动力装置包括电动机，偏心凸轮，活塞板，以及水位传感器；电动机通过偏心凸轮驱动活塞板将水压入发电装置内并往复运动，推动涡轮转动发电。本发明降低了系缆的振动并抑制多浮体运动造成的干扰，兼具消浪和自发电功能。具消浪和自发电功能。具消浪和自发电功能。


技术研发人员：张婧 何欣晨 施兴华
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/6/7