全文摘要
基于固定式基础的风浪互补能源集成系统及其发电与输电方法,属于海洋可再生能源利用领域，解决在一个支撑结构将风浪能量联合使用的问题，包括风机、塔筒、波浪能装置和单桩基础，风机连接在塔筒，塔筒的底部是单桩基础，单桩基础与海床连接，且塔筒上处于海面附近的位置安装波浪能装置，效果是有效地提高了可再生资源的利用率和能量的转化率，在一定程度上降低了成本，具有较高的实用性。
主设计要求
1.一种基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，其特征在于，包括风机（1）、塔筒（2）、波浪能装置（3）和单桩基础（4），风机（1）连接在塔筒（2），塔筒（2）的底部是单桩基础（4），单桩基础（4）与海床连接，且塔筒（2）上处于海面附近的位置安装波浪能装置（3）；波浪能装置（3）包括套筒（5）、可动框架（9），可动框架（9）是立体矩形框架，立体矩形框架的顶架、底架及其之间的空心部分被塔筒（2）贯穿使立体矩形框架套装在塔筒（2）外周，套筒（5）以塔筒（2）为圆心并套装并固定在塔筒（2）上处于海面附近的位置，可动框架（9）的底架的两个长边为圆滑直杆（12），沿长边的方向，两个圆滑直杆（12）贯穿套筒（5）相对的周面，使得圆滑直杆（12）能与塔筒（2）连接并支撑可动框架（9）套装在塔筒（2）外周，可动框架（9）的两个相对的短侧架，在各短侧架的两个相对的竖杆间安装横架（11），两个相对的短架上的两个横架（11）间安装沿长边向的齿条（7），各齿条（7）的两端固定在两个横架（11），且齿条（7）在水平向上位于长边与塔筒（2）之间的位置，在齿条（7）的上方具有与其啮合的齿轮（8），齿轮（8）由转动轴连接于发电机（10），发电机（10）安装在电机支撑平台（13），电机支撑平台（13）固定在齿条（7）附近的塔筒（2）或套筒（5）处，在可动框架（9）的两个相对的短侧架均安装有挡浪板（6）。
设计方案
1.一种基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，其特征在于，包括风机（1）、塔筒（2）、波浪能装置（3）和单桩基础（4），风机（1）连接在塔筒（2），塔筒（2）的底部是单桩基础（4），单桩基础（4）与海床连接，且塔筒（2）上处于海面附近的位置安装波浪能装置（3）；
波浪能装置（3）包括套筒（5）、可动框架（9），可动框架（9）是立体矩形框架，立体矩形框架的顶架、底架及其之间的空心部分被塔筒（2）贯穿使立体矩形框架套装在塔筒（2）外周，套筒（5）以塔筒（2）为圆心并套装并固定在塔筒（2）上处于海面附近的位置，可动框架（9）的底架的两个长边为圆滑直杆（12），沿长边的方向，两个圆滑直杆（12）贯穿套筒（5）相对的周面，使得圆滑直杆（12）能与塔筒（2）连接并支撑可动框架（9）套装在塔筒（2）外周，可动框架（9）的两个相对的短侧架，在各短侧架的两个相对的竖杆间安装横架（11），两个相对的短架上的两个横架（11）间安装沿长边向的齿条（7），各齿条（7）的两端固定在两个横架（11），且齿条（7）在水平向上位于长边与塔筒（2）之间的位置，在齿条（7）的上方具有与其啮合的齿轮（8），齿轮（8）由转动轴连接于发电机（10），发电机（10）安装在电机支撑平台（13），电机支撑平台（13）固定在齿条（7）附近的塔筒（2）或套筒（5）处，在可动框架（9）的两个相对的短侧架均安装有挡浪板（6）。
2.如权利要求1所述的基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，其特征在于，套筒（5）为实心套筒（5），其套装在塔筒（2）外周，并具有使得圆滑直杆（12）在其内部移动的与圆滑直杆（12）形状适应的滑动槽，且与圆滑直杆（12）的接触面为滑动面。
3.如权利要求1所述的基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，其特征在于，所述的挡浪板（6）的形状是不规则曲面。
4.如权利要求1所述的基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，其特征在于，位于塔筒（2）两侧的两个发电机（10）间的轴向方向与可动框架（9）运动方向正交。
5.一种权利要求1-4任一项所述的基于固定式基础的风浪互补能源集成系统的发电与输电方法，其特在于：风机（1）在风力作用下发出电能，波浪中的能量通过推动挡浪板（6）促使可动框架（9）沿着圆滑直杆（12）的方向做往复运动，使齿条（7）也做往复运动，带动与之啮合的齿轮（8）进行旋转运动，通过转轴传输旋转运动，使得与齿轮（8）通过转轴连接的发电机（10）发电，实现波浪能向电能的转化，电能通过风机（1）的传输系统和风能装置的产生的电能一同输送至电网。
设计说明书
技术领域
本发明属于海洋可再生能源利用领域，涉及一种风能-波浪能为一体的风浪互补能源集成装置，以固定式单桩结构为基础将风能和波浪能相结合的发电系统。
背景技术
在化石性能源日益匮乏和减少环境污染、应对气候变化的巨大 压力下，国际社会加快了海洋可再生能源的开发利用。作为一种清洁的可再生能源，海上风电已成为国际风电发展的新方向，备受各国关注。发展海上风能为节能减排和应对气候变化提供技术支撑，也符合我国发展能源节约型和环境友好型社会的战略需求。我国沿海地区具有丰富的海上风能资源，海上风电开发潜力巨大。与陆上风能相比，海上风能具有更加丰富的风资源而且风品质较好，不受地形的影响，是未来中国风电发展的主要方向。此外，风浪具有天然的相关性，在风能丰富的地区通常具有丰富的波浪能。然而由于波浪能发电装置能量转化率低，发电成本较高，可靠度相对较低，在一定程度上限制了其商业化发展。目前，风能开发的技术相对较为成熟，尤其在近海浅水海域，单桩式基础因其结构简单和安装方便，经济性较好，为目前较普遍的基础形式。虽然周期性波浪产生的电能不稳定、不连续, 但在海风的作用下波浪会由随机的湍流变成有规律的脉冲流，这为实现风能-波浪能的综合利用提供了可能。
多能互补是解决海洋可再生能源综合利用的有效途径。将海上风力发电和波浪能发电相结合，共用支撑结构和输电系统，可以有效地提高资源的利用率，提高发电效率，从而提高海洋可再生能源发电系统的经济性、降低成本，推动其商业化发展。
发明内容
为了利用风浪具有天然的相关性的特点，解决在一个支撑结构将风浪能量联合使用的问题，本发明提出如下技术问题：一种基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，包括风机、塔筒、波浪能装置和单桩基础，风机连接在塔筒，塔筒的底部是单桩基础，单桩基础与海床连接，且塔筒上处于海面附近的位置安装波浪能装置。
进一步的，波浪能装置包括套筒、可动框架，可动框架是立体矩形框架，立体矩形框架的顶架、底架及其之间的空心部分被塔筒贯穿使立体矩形框架套装在塔筒外周，套筒以塔筒为圆心并套装并固定在塔筒上处于海面附近的位置，可动框架的底架的两个长边为圆滑直杆，沿长边的方向，所述两个圆滑直杆贯穿套筒相对的周面，使得圆滑直杆能与塔筒连接并支撑可动框架套装在塔筒外周，可动框架的两个相对的短侧架，在各短侧架的两个相对的竖杆间安装横架，两个相对的短架上的两个横架间安装沿长边向的齿条，各齿条的两端固定在两个横架，且齿条在水平向上位于长边与塔筒之间的位置，在齿条的上方具有与其啮合的齿轮，齿轮由转动轴连接于发电机，发电机安装在电机支撑平台，电机支撑平台固定在齿条附近的塔筒或套筒处，在可动框架的两个相对的短侧架均安装有挡浪板。
进一步的，套筒为实心套筒，其套装在塔筒外周，并具有使得圆滑直杆在其内部移动的与圆滑直杆形状适应的滑动槽，且与圆滑直杆的接触面为滑动面。
进一步的，所述的挡浪板的形状是不规则曲面。
进一步的，位于塔筒两侧的两个发电机间的轴向方向与可动框架运动方向正交。
一种所述的基于固定式基础的风浪互补能源集成系统的发电与输电方法，风机在风力作用下发出电能，波浪中的能量通过推动挡浪板促使可动框架沿着圆滑直杆的方向做往复运动，使齿条也做往复运动，带动与之啮合的齿轮进行旋转运动，通过转轴传输旋转运动，使得与齿轮通过转轴连接的发电机发电，实现波浪能向电能的转化，电能通过风机的传输系统和风能装置的产生的电能一同输送至电网。
有益效果：本发明提供了一种基于固定式基础的风浪互补能源集成发电系统，在海洋中建立风能、波浪能系统于一体的集成系统，使二者共享支撑结构和电力传输系统。该装置有效地提高了可再生资源的利用率和能量的转化率，在一定程度上降低了成本，具有较高的实用性。单桩风机结构简单、施工便利、建造成本低、适用范围广；同时收集风能和波浪能进行发电，有效的提高发电效率，降低发电成本；波浪能装置通过套筒固定在单桩基础上，没有对原有的风机基础结构进行损坏与改变，可有效保证风机的安全运行；两套波浪能装置对称分布于单桩基础的两侧，不仅可以提高波浪能系统的发电量，还可保证系统的稳定性；结构上设计合理，施工方案技术成熟。
附图说明
图1是此风浪互补能源集成发电系统的整体结构示意图；
图2是此风浪互补能源集成发电系统的局部连接侧视图；
图3是此风浪互补能源集成发电系统的局部连接主视图；
图4是此风浪互补能源集成发电系统的局部连接俯视图。
图中：1风机；2塔筒；3波浪能装置；4单桩基础；5套筒；6挡浪板；7齿条；8齿轮；9可动框架；10发电机；11横架；12圆滑直杆；13电机支撑平台。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步说明。
实施例1：一种基于固定式基础的风能-波浪能集成能源发电系统，包括风力发电系统和波浪能发电系统。
所述的风力发电系统包括风机1、塔筒2、单桩基础4和电力传输系统；所述的风机1为兆瓦级水平轴风力发电机，其通过塔筒2与单桩基础4相连，单桩基础4固定于海床；
所述的波浪能发电装置为往复式波浪能转换装置，该装置包括波浪能采集系统和发电系统。波浪能采集系统由可动框架9、齿条7、挡浪板6三个部分组成，位于海平面附近。可动框架9下部的两条圆滑直杆12分别在单桩基础的两侧以插入并穿过套筒5的方式与套筒连接，其中两根圆滑直杆与插入的套筒孔之间有足够小的摩擦系数；两根齿条7的端部均焊接在框架两侧面的中部横杆上，两根齿条7分别跨过单桩基础的两侧，与位于单桩两侧的齿轮8相啮合；两块挡浪板6分别固定在框架的两侧面。
所述的挡浪板6的形状采用不规则曲面，有利于最大限度的捕获波浪中的能量，可进一步优化。
发电系统由支撑平台13、发电机10和齿轮8构成。位于单桩两侧的两个电机间的轴向方向与波浪能采集系统的框架9运动方向（齿条的运动方向）正交。支撑平台13通过平台下部加支撑架的方式与套筒5连接，发电机10通过电机下部支撑架与平台固定。固定于可动框架9上的齿条7和齿轮8啮合，齿轮8和发电机10通过转轴连接。波浪对挡浪板6的作用推动框架9往复运动，即齿条7的往复运动，带动齿轮8转动，从而推动发电机发电。
风和浪大部分时候是同强或同弱，对于单独的波浪能和风能的取得方式，风浪过大，容易导致能量转换装置抗风浪能力差，平台非常不稳定，风量大，对波浪能量收集具有破坏性，波浪大，对风能收集也就具有破坏性，是因为不为收集的那种能量极大影响了平台稳定性，并产生了能量流失，在这种情况下，对于风能收集时候，如果对波浪能同时收集，就可以降低对波浪能由于未被收集而造成更大的对平台稳定性的影响，在这种情况下，不仅使得能量可以由同一平台同时收集、转换并传输，对能量和设施充分与合理使用，另一方面，能够降低单独收集且风浪很大时，不收集的能量对平台稳定性影响。
实施例2：如图1、2所示，水平轴风机1 通过塔筒2及单桩基础4和海床相连。波浪能发电装置为往复式波浪能转换装置，该装置包括两个系统，分别为捕能系统和发电系统。波浪能发电装置设在单桩基础海平面附近。捕能系统由可动框架9、齿条7、挡浪板6三个部分组成，发电系统由支撑平台13、发电机10和齿轮8构成。这两个系统分别通过套筒5与单桩基础6相连接，尽量减少波浪能装置对原有风机单桩基础的损坏与改变。
如图2所示，可动框架9下部的两条圆滑直杆12分别在单桩基础的两侧以穿过套筒5的方式与套筒连接，可有效支撑可动框架9，确保其水平方向的运动，两根齿条7的端部均焊接在框架前后两侧面的中部横杆上，使两根齿条7分别位于单桩基础的两侧，并与齿轮8相啮合；两块挡浪板6分别固定在框架9的前后两侧面，在波浪的作用下进行往复运动。支撑平台13通过平台下部加支撑架的方式与套筒5连接，发电机通过下部支撑架与支撑平台13固定。两个齿轮8分别通过传动轴与发电机相连。
工作方法为：风机1在风力作用下发出电能；波浪中的能量通过推动挡浪板6促使可动框架9沿着圆滑直杆12的方向做往复运动，使齿条7也做往复运动，从而带动与之啮合的齿轮8的旋转运动，从而推动通过转轴与齿轮连接的发电机10发电，实现波浪能向电能的转化，电能通过风机1的传输系统和风能装置的产生的电能一同输送至电网。
基于固定式基础的风浪互补能源集成系统的施工安装流程如下：首先，基于现有的海上风机单桩施工工艺，先将单桩基础4安装在海床上。在岸上将套筒5、捕能系统和发电系统组装好，利用专业的施工船将组装好的波浪能装置运送到装机位置，并进行安装。最后安装塔筒2和顶部风机1，完成能源集成发电系统的施工安装。
本发明采用的单桩基础支撑结构加工、安装和施工方便，成本较低；风力发电、波浪能发电在同一个支撑结构上完成，使二者共享支撑平台和电力传输配套系统，很大程度上降低了发电的成本；结构稳定合理，更进一步证明了本发明的可实施性，具有显著的技术效果。
本发明的产品设计要充分考虑以下因素：
1、捕能系统通过可动框架9下部的两条圆滑直杆12分别在单桩基础的两侧以插入并穿过套筒5的方式连接到单桩基础4上，由于可动框架9受波浪作用可往复运动，因此必须保证两根圆滑直杆与插入的套筒孔轨道之间有足够小的摩擦系数。
2、考虑到套筒体积较大，因此套筒不能采用实心结构，内部的构造须进行专门的掏空设计，使最终保证既减小套筒的质量，又能保证套筒的结构强度。
实施例3：一种基于固定式基础的风浪互补能源集成系统，包括风机1、塔筒2、波浪能装置3和单桩基础4，风机1连接在塔筒2，塔筒2的底部是单桩基础4，单桩基础4与海床连接，且塔筒2上处于海面附近的位置安装波浪能装置3。
波浪能装置3包括套筒5、可动框架9，可动框架9是立体矩形框架，立体矩形框架包括相对的顶架、底架，两个相对的短侧架、两个相对的长侧架，均为矩形，立体矩形框架的顶架、底架及其之间的空心部分被塔筒2贯穿使立体矩形框架套装在塔筒2外周，套筒5以塔筒2为圆心并套装并固定在塔筒2上处于海面附近的位置，可动框架9的底架的两个长边为圆滑直杆12，沿长边的方向，所述两个圆滑直杆12贯穿套筒5相对的周面，使得圆滑直杆12能与塔筒2连接并支撑可动框架9套装在塔筒2外周，以使两个圆滑直杆12能沿长边方向在套筒5的内部移动，且以底架的两个短边限制所述底架的两个圆滑直杆12不脱离套筒5，从而使得可动框架9能沿长边方向移动，并被短边限位。可动框架9的两个相对的短侧架，在各短侧架的两个相对的竖杆间安装横架11，横架11的高度可以根据电机的安装位置自行适应性调整，两个相对的短架上的两个横架11间安装沿长边向的齿条7，各齿条7的两端固定在两个横架11，且齿条7在水平向上位于长边与塔筒2之间的位置，在齿条7的上方具有与其啮合的齿轮8，齿轮8由转动轴连接于发电机10，发电机10安装在电机支撑平台13，电机支撑平台13固定在齿条7附近的塔筒2或套筒5处，在可动框架9的两个相对的短侧架均安装有挡浪板6。
套筒5为实心套筒5，其套装在塔筒2外周，并具有使得圆滑直杆12在其内部移动的与圆滑直杆12形状适应的滑动槽，且与圆滑直杆12的接触面为滑动面。
所述的挡浪板6的形状是不规则曲面。
位于塔筒2两侧的两个发电机10间的轴向方向与可动框架9运动方向正交。
一种所述的基于固定式基础的风浪互补能源集成系统的发电与输电方法：风机1在风力作用下发出电能，波浪中的能量通过推动挡浪板6促使可动框架9沿着圆滑直杆12的方向做往复运动，使齿条7也做往复运动，带动与之啮合的齿轮8进行旋转运动，通过转轴传输旋转运动，使得与齿轮8通过转轴连接的发电机10发电，实现波浪能向电能的转化，电能通过风机1的传输系统和风能装置的产生的电能一同输送至电网。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910014256.0
申请日:2019-01-08
公开号:CN109611275A
公开日:2019-04-12
国家:CN
国家/省市:91(大连)
授权编号:CN109611275B
授权时间:20191108
主分类号:F03D 9/00
专利分类号:F03D9/00;F03D13/25;F03D80/00;F03B13/00;F03B11/00
范畴分类:28C;37B;
申请人:大连理工大学
第一申请人:大连理工大学
申请人地址:116023 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号
发明人:施伟;张松浩;蒋致禹;叶小嵘;万岭
第一发明人:施伟
当前权利人:大连理工大学
代理人:刘斌
代理机构:21235
代理机构编号:大连智高专利事务所(特殊普通合伙)
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计