一种多能互补自供电海洋牧场

1.本发明涉及海洋能发电技术领域，具体涉及一种多能互补自供电海洋牧场。


背景技术：

2.海洋是人类获取优质蛋白的“蓝色粮仓”，为实现人类可持续发展提供了丰富的自然资源与广阔的空间资源。海洋牧场是指在特定海域科学培育和管理渔业资源而形成的人工渔场，具有充分利用自然生产力以增加渔业资源量的优点。能源是海洋牧场运营的基本需求，解决能源问题是海洋牧场迈向深海的关键。
3.海洋牧场选址离岸距离较远，如依靠陆地供能，供能线较长。常规供能方式如海底电缆供电、柴油机发电等，存在能源供应不便、建设成本高昂、污染环境等弊端。因此，充分利用海洋牧场所处海域的海洋能，建立绿色清洁的海洋牧场，利用多能互补的独立发电系统为海洋牧场的日常运营供能，能够为海洋牧场装置作业范围的拓展提供装备和技术方面的保障，对海洋牧场走向深海具有重要意义。
4.在公开号为cn113057130a，名称为“一种漂浮式多能互补可移动海洋牧场养殖平台”的专利文献中，公开了一种漂浮式多能互补可移动海洋牧场养殖平台，包括底座、养殖网箱、水上观光平台、左右移动浮体、φ型垂直轴风机、太阳能发电模块和水平轴水轮机。该养殖平台采用漂浮式和系泊固定相结合的方式，利用浮体实现太阳能、风机和波浪能多模块发电。但是，该养殖平台采用的波浪能发电装置为水平轴水轮机，发电时入流口、出流口处的大流速水流会冲击移动平台，影响平台系泊稳定性，且能量利用率不高。同时所选取的φ型垂直轴风机也存在启动性能差、启动条件为高风速、受风剪效应影响较大等不足。
5.在公开号为cn113090439 a，名称为“一种基于多浮子阵列的波浪能发电装置”的专利文献中，公开了一种基于多浮子阵列的波浪能发电装置，采用多浮子环形阵列，包括主体结构、能量转换装置、驱动调节模块和电能储存舱，可实现多点吸能。但是，该装置的每个浮子均对应一个发电机，安装各个浮子对应的发电机数量较多会导致成本高昂且载重增加，同时机械传动设计存在结构复杂、维修困难等缺点。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种多能互补自供电海洋牧场，通过h型垂直轴风机、太阳能发电装置、可升降阵列振荡浮子波浪能发电装置的互补配合运行，解决平台系泊稳定性问题以及能源利用不连贯性的问题，确保各工况下全天稳定供电。
7.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
8.一种多能互补自供电海洋牧场，包括半潜式海洋牧场平台、风力发电装置、太阳能发电装置、波浪能发电装置、储能模块，所述半潜式海洋牧场平台包括中央立柱、环绕所述中央立柱分布的若干支撑立柱、连接各支撑立柱的周向支撑桁架、连接中央立柱与支撑立柱的径向支撑桁架，中央立柱与支撑立柱之间的空间形成养殖网箱；所述风力发电装置安
装于所述支撑立柱的顶部，风力发电装置为h型垂直轴风机，包括叶片、发电机、塔架，所述塔架下端固定在支撑立柱的顶部，塔架上端安装所述发电机，所述叶片沿发电机周向分布并与发电机连接；所述太阳能发电装置搭载于所述风力发电装置的塔架上，位于叶片下方；所述波浪能发电装置安装于相邻两个支撑立柱之间，每组波浪能发电装置包括液压管道、沿液压管道阵列排布的若干组波能吸收装置和能量传动装置、安装于液压管道上的能量输出装置；所述能量输出装置包括分别设置于液压管道两端的液压油箱和液压马达；若干组波能吸收装置和能量传动装置并联设置于液压油箱与液压马达之间，其中，所述波能吸收装置包括阵列浮子，所述能量传动装置包括活塞、液压缸，所述活塞下端连接阵列浮子、上端连接液压缸；液压油箱为各液压缸提供液压油，活塞在浮子作用下挤压液压缸中的液压油，将浮子的机械能转化为液压油的液压能，加压后的液压油经液压管道进入液压马达，驱动液压马达发电；所述风力发电装置、太阳能发电装置、波浪能发电装置均通过导线与所述储能模块连接。
9.上述方案中，所述波浪能发电装置还包括升降装置，所述升降装置安装于相邻两个支撑立柱之间，与波浪能发电装置一一对应设置并相连，用于调节波浪能发电装置的高度位置使其接触水线面。
10.上述方案中，所述升降装置包括支撑平台、齿条、齿轮和卷扬机，所述支撑平台固定安装于两个支撑立柱之间的周向支撑桁架外侧，所述支撑平台两端的下方分别安装至少一组所述齿条，每组齿条与一个所述齿轮啮合；所述液压管道两端的连通管道穿过所述齿轮的中心孔，并通过轴承与齿轮相连；所述支撑平台两端的上部分别安装至少一个所述卷扬机，所述卷扬机拉绳的下端与所述液压管道中间的支撑杆相连。
11.上述方案中，所述能量输出装置还包括设置于所述液压马达之前的蓄能器，用于减缓液压冲击，平稳液压能。
12.上述方案中，所述能量传动装置还包括管道压力调节装置，所述压力调节装置包括安装于液压油箱出油口的截止阀、安装于液压缸进油管道上的进油单向阀、安装于液压缸出油管道上的出油单向阀、安装于液压缸出油口的双向齿轮泵。
13.上述方案中，每相邻两个支撑立柱之间顶部均安装一组波浪能发电装置；每组波浪能发电装置中的阵列浮子沿两个支撑立柱的连线方向均匀分布。
14.上述方案中，所述半潜式海洋牧场平台的支撑立柱与周向支撑桁架形成的框架结构为正多边形。
15.上述方案中，所述中央立柱顶端设有控制室，所述储能模块设置于所述控制室内。
16.上述方案中，所述中央立柱和支撑立柱均为中空立柱，中空立柱底端为压载水舱。
17.上述方案中，每个支撑立柱顶部均安装一组风力发电装置和太阳能发电装置。
18.本发明的有益效果在于：
19.1、本发明波浪能发电装置设置于半潜式海洋牧场平台外侧一周，每相邻两根支撑立柱外侧顶部各设置一套波浪能发电装置，每套波浪能发电装置搭载阵列排布的多个捕能浮子，最大程度提高波浪能的利用效率。同时，因为半潜式海洋牧场平台为大尺寸海洋结构物，搭载阵列振荡浮子波浪能发电装置可以多点吸能，缓冲了波浪对平台的直接作用，提高了平台的稳定性。
20.2、本发明的能量传动装置采用液压传动的方式，能量输出装置采用液压马达，液
压循环管道采用蓄能器稳压及双向齿轮泵调速，保证了系统功率的波动平抑、稳定输出得以实现。每套波浪能发电装置的多个阵列浮子共用一套能量输出装置，阵列浮子并联，形成循环液压回路，有利于减少发电成本，减轻载重。
21.3、本发明的波浪能发电装置还包括升降装置，通过升降装置调节波浪能发电装置的高度位置使其接触水线面，最大程度利用波浪能发电，实现波浪能发电效率的优化。
22.4、本发明的风力发电装置采用h型垂直轴风机，具有启动风速低，低速性能好，噪声低等优点。
23.5、本发明提供的一种多能互补自供电海洋牧场，采用互补发电方式，将风能、太阳能和波浪能互补与配合运行，克服能源存在间歇性与不稳定性等的问题，确保各工况下全天稳定供电。
附图说明
24.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
25.图1是本发明多能互补自供电海洋牧场的整体结构图；
26.图2是图1所示多能互补自供电海洋牧场的a处局部结构图；
27.图3是图1所示多能互补自供电海洋牧场的俯视图；
28.图4是半潜式海洋牧场平台的结构图；
29.图5是风力发电装置和风力发电装置的结构图；
30.图6是波浪能发电装置的结构图；
31.图7是图6所示波浪能发电装置的波能吸收装置、能量传动装置、能量输出装置的结构图；
32.图8是图6所示波浪能发电装置的升降装置的结构图。
33.图中：1、半潜式海洋牧场平台；11、中央立柱；12、支撑立柱；13、周向支撑桁架；14、径向支撑桁架；15、控制室；
34.2、风力发电装置；21、叶片；22、发电机；23、塔架；24、基座；
35.3、太阳能发电装置；
36.4、波浪能发电装置；41、波能吸收装置；411、阵列浮子；412、导轨；413、浮子限位块；42、能量传动装置；421、活塞；422、液压缸；423、管道压力调节装置；4231、截止阀；4232、进油单向阀；4233、出油单向阀；4234、双向齿轮泵；43、能量输出装置；431、液压油箱；432、蓄能器；433、液压马达；44、升降装置；441、支撑平台；442、齿条；443、齿轮；444、升降限位块；445、卷扬机；446、限位杆；45、液压管道；451、高压管道；452、低压管道；453、连通管道；454、支撑杆；
37.5、储能模块。
具体实施方式
38.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
39.如图1-3所示，为本发明实施例提供的一种多能互补自供电海洋牧场，包括半潜式海洋牧场平台1、风力发电装置2、太阳能发电装置3、波浪能发电装置4、储能模块5。
40.如图4所示，半潜式海洋牧场平台1为钢质规则正八边形系泊半潜平台，可根据养殖海域水层温度的季节性变化进行平台升降调节，从而提高养殖水体利用效率并为养殖鱼类提供最佳的环境条件。半潜式海洋牧场平台1包括中央立柱11、环绕中央立柱11均匀分布的八根支撑立柱12、连接各支撑立柱12的周向支撑桁架13、连接中央立柱11与支撑立柱12的径向支撑桁架14。径向支撑桁架14在中央立柱11与支撑立柱12顶部之间均匀设置四根，为四条钢质倾斜过道，可供工作人员通行；径向支撑桁架14在中央立柱11与支撑立柱12底部之间均匀设置八根，为八根钢结构。中央立柱11与支撑立柱12之间的空间形成养殖网箱，半潜式海洋牧场平台1的各个外侧面均设有渔网(图未示)。中央立柱11顶端设有控制室15，负责平台整体的电力管理和供应，储能模块5设置于控制室15内。
41.如图5所示，风力发电装置2安装于支撑立柱12的顶部，可将平台所在海域风能转化为电能，为海洋牧场供能。风力发电装置2为h型垂直轴风机，包括叶片21、发电机22、塔架23、基座24，塔架23下端通过基座24固定在支撑立柱12的顶部，塔架23上端安装发电机22，叶片21沿发电机22周向分布并与发电机22连接。h型垂直轴风机能捕获任意方向低风速下的风能，具有功率系数较高、塔架23占地面积小、不影响海域牧场的日常工作等优点。
42.太阳能发电装置3搭载于风力发电装置2的塔架23上，位于叶片21下方。
43.如图6-8所示，波浪能发电装置4安装于相邻两个支撑立柱12之间的顶部，设置于半潜式海洋牧场平台1外侧一周，本实施例中，平台共计搭载八套波浪能发电装置4。每组波浪能发电装置4包括液压管道45、沿液压管道45长度方向阵列排布的若干组(本实施例中为五组)波能吸收装置41和能量传动装置42、安装于液压管道45上的能量输出装置43。其中，能量输出装置43包括分别设置于液压管道45两端的液压油箱431和液压马达433，以及设置于液压马达433之前的蓄能器432，蓄能器432可减缓液压冲击，平稳液压能，液压马达433将液压能转化为机械能，带动发电机22发电。五组波能吸收装置41和能量传动装置42并联设置于液压油箱431与液压马达433之间。其中，波能吸收装置41包括阵列浮子411、导轨412和浮子限位块413，导轨412竖直布置，导轨412上端与液压管道45连接、下端设置浮子限位块413，阵列浮子411安装于导轨412上，在波浪作用下沿导轨412做垂荡运动，浮子限位块413位于导轨412底部，为软性材质，减弱浮子垂荡运动时对导轨412产生的撞击作用，延长浮子的使用寿命。能量传动装置42包括液压活塞421、液压缸422和管道压力调节装置423，活塞421下端连接阵列浮子411、上端连接液压缸422，将浮子的机械能转化为液压能。管道压力调节装置423包括安装于液压油箱431出油口的截止阀4231、安装于液压缸422进油管道上的进油单向阀4232、安装于液压缸422出油管道上的出油单向阀4233、安装于液压缸422出油口的双向齿轮泵4234。液压油箱431所储存的液压油在截止阀4231打开后进入液压管道45，通过进油单向阀4232进入液压缸422获得液压能后，再通过出油单向阀4233流出液压缸422进入高压管道451。此时，液压油流速较大，进入双向齿轮泵4234调节流速，平稳液压油压力后汇入蓄能器432，带动液压马达433发电。液压油从液压马达433流出后，流速变小，经低压管道452回到液压油箱431。液压管道45为整体循环回路，包括平行设置的高压管道451(自液压油箱431流经阵列浮子411到液压马达433的液压管道)、低压管道452(自液压马达433流出到液压油箱431的液压管道)以及连接高压管道451与低压管道452的连通管道453，由液压油箱431开始，经并联的各个阵列浮子411，经过蓄能器432，进入液压马达433发电后流出，经过液压管道45汇总于液压油箱431，进行下一阶段的循环。液压管道45采用蓄能器
432稳压及双向齿轮泵4234调速，保证了系统功率的波动平抑、稳定输出得以实现。
44.储能模块5为蓄电池组，设置于中央立柱11顶部控制室15内。风力发电装置2、太阳能发电装置3、波浪能发电装置4均通过导线与储能模块5连接。装置所发电量优先供应海洋牧场日常运营使用，额外的功率用于给储能模块5充电。当海洋牧场处于恶劣工况时，储能模块5为系统供能满足系统正常用电需求，实现各工况下全天稳定供电。
45.进一步优化，本实施例中，波浪能发电装置4还包括升降装置44，升降装置44安装于相邻两个支撑立柱12之间，与波浪能发电装置4一一对应设置并相连。升降装置44可根据半潜式海洋牧场平台1养殖水位变化，调节波浪能发电装置4的高度位置使其接触水线面，最大程度利用波浪能发电。如图8所示，升降装置44包括支撑平台441、齿条442、齿轮443和卷扬机445，支撑平台441为“回”字型钢结构平台，固定安装于两个支撑立柱12之间的周向支撑桁架13外侧。支撑平台441两端的下方安装齿条442，齿条442竖直布置，每个齿条442与一个齿轮443对应啮合，齿条442长度适用于阵列浮子411垂向位置的可调节范围，可根据平台水线位置对波浪能发电装置4进行调节，限制波浪能发电装置4的水平位置，避免整体装置在波浪作用下水平摇晃。液压管道45两端的连通管道453穿过齿轮443的中心孔，并通过轴承与齿轮443相连。同时，平台两侧的连通管道453的左右两侧分别设置竖直的限位杆446，限制波浪能发电装置4的左右晃动。支撑平台441两端的上部分别安装两个卷扬机445，卷扬机445拉绳的下端与液压管道45相连，用于控制波浪能发电装置4整体的升降。卷扬机445带动液压管道45垂向运动时，液压管道45带动所述齿轮443啮合两侧的齿条442，所述齿条442限制齿轮443的水平位置进而确保可升降阵列振荡浮子波浪能发电装置4在波浪作用下整体结构稳定性。
46.进一步优化，本实施例中，液压管道45的高压管道451与低压管道452之间还设置多根平行的支撑杆454，卷扬机445拉绳的下端与液压管道45中间的支撑杆454相连。
47.进一步优化，本实施例中，齿条442底端设有升降限位块444，限制齿轮443在齿条442上的运动。
48.进一步优化，本实施例中，中央立柱11和支撑立柱12均为中空立柱，中空立柱底端为压载水舱。可利用抽水泵抽水控制压载水舱水位进而控制半潜平台的整体升降。
49.进一步优化，本实施例中，每个支撑立柱12顶部均安装一组风力发电装置2和太阳能发电装置3。
50.进一步优化，本实施例中，中央立柱11顶部也设有太阳能发电装置3(图未示)。
51.进一步优化，本实施例中，太阳能发电装置3为单晶硅太阳能电池，包括太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池，多个太阳能电池组成太阳能电池阵列。
52.进一步优化，本实施例中，半潜式海洋牧场平台1还包括系泊结构，系泊结构包括系泊链和系泊锚(图未示)，系泊链一端系于支撑立柱12的底端、另一端与系泊锚连接，平台整体由系泊链和系泊锚进行定位。
53.本发明的多能互补自供电海洋牧场采用海洋能多能互补发电技术，将海上风能、太阳能和波浪能发电装置4和海洋牧场结合，三种方式互补发电为海洋牧场的日常运营功能，若存在富余电量则储存于储能系统以减小海上天气变化对海洋牧场平台稳定供电的影响，实现各工况下海洋牧场日常运营供电的稳定性和可靠性。本发明能够实现海洋牧场的能源自给，具有绿色清洁、低碳环保等优点，能够提高海洋牧场的经济性。
54.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
55.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。