一种风能波浪能综合发电装置及其发电方法与流程

本发明属于海上风能与波浪能综合利用领域，特别涉及该领域中的一种风能波浪能综合发电装置及其发电方法。

背景技术：

21世纪被称为海洋的世纪，面对世界人口急剧膨胀、陆上资源日渐枯竭、环境条件不断恶化等问题，向海洋索取清洁可再生能源逐渐成为共识。海洋能是蕴藏于海水中的可再生能源，广义的海洋能包括海上风能、海上太阳能、波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等多种类型，其储量巨大，分布广泛。目前海上风力发电技术较为成熟，与陆上风能相比，海上风能具有风速高、风力强、少有静风期、湍流小等特点。现有的海上风电场大多选址于小于30m水深的浅水区域，主要采用3-5mw的大功率风机，下部支撑结构多为固定式支撑，单桩柱结构。但海上风力发电机的基础结构投资成本比较高，占总成本的1/3以上，限制了其发展。

在其他几种海洋能资源当中，波浪能是分布最为广泛的海洋能能种，几乎不受地点限制，其能流密度高，具有不存在间歇、受昼夜和季节影响小等特点，是实用化与商业化程度较高的海洋可再生能源之一。波浪能的实用化开发与应用以转换成电能为主流，在波浪能向电能转化的过程中包括三级能量转换：一级能量转换是把波浪能转化为波浪能发电装置上直接与海浪接触的捕能部件的机械能，二级能量转换是把波浪能发电装置中捕能部件的机械能转化为发电机的机械能，三级能量转换是把波浪能发电装置中发电机的机械能转化为电能。根据波浪能发电装置在能量一次转换过程中产生的机械能形式，将其大致分为振荡水柱型、机械液压型及越浪型三种形式。越浪型波浪能发电装置具有结构简单，稳定性高，发电出力平稳，抗风浪能力强等优点，但由于有效工作时间短，整体工作效率与时均发电出力水平较低，限制了其大规模的商业化发展。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种风能波浪能综合发电装置及其发电方法。

本发明采用如下技术方案：

一种风能波浪能综合发电装置，包括底部插入海底、顶部伸出海面的中空桩柱，塔架的底部通过法兰安装至中空桩柱的顶部，在塔架的顶部安装风力发电机叶片，风力发电机发出的电送入塔架内的控制器，控制器为风力发电机内的各部件供电，此外控制器还通过电缆与外部电网电连接，其改进之处在于：在中空桩柱外套装一个蓄水池，该蓄水池的顶部位于海面以上，在海面与蓄水池的顶部之间设置上升的斜坡，蓄水池的底部位于海面以下，在海面与蓄水池的底部之间设置下降的斜坡，上升的斜坡和下降的斜坡对接在一起组成抗冰锥，蓄水池的上部为敞口，蓄水池的底部则开设两个以上的排水孔，在各排水孔内均安装水轮机，各水轮机的动力输出端分别通过一根插入中空桩柱内的连杆与中空桩柱内的一个变速箱的动力输入端相连接，各变速箱的动力输出端则分别通过一根连杆与中空桩柱内的一部发电机的动力输入端相连接，各发电机发出的电送入塔架内的控制器。

进一步的，风力发电机叶片固定安装在转轴上，转轴与变速箱的动力输入端相连接，变速箱的动力输出端与发电机的动力输入端传动连接。

进一步的，控制器通过铺设在海底的电缆与外部电网电连接。

进一步的，在塔架内还布置与控制器电连接的蓄电池。

进一步的，在中空桩柱外沿着中空桩柱的周向套装一个圆筒形的蓄水池，该蓄水池沿着中空桩柱的外壁延伸，其顶部位于海面以上、底部位于海面以下。

进一步的，蓄水池通过支撑架与中空桩柱固定连接。

进一步的，所述上升的斜坡和下降的斜坡均为圆台形，上升斜坡的下底面和下降斜坡的上底面对接在一起且直径相等。

进一步的，中空桩柱内各发电机发出的电通过布置在中空桩柱及塔架内的电缆送入塔架内的控制器。

一种发电方法，使用上述的发电装置，其改进之处在于：发电装置安装就位并启用后，风力发电机叶片在海风的作用下转动，风力发电机发出的电送入塔架内的控制器，再由控制器输入外部电网；波浪沿着上升的斜坡爬高，通过蓄水池上部敞口进入蓄水池内部，将波浪动能转化为蓄水池内部水的势能，当蓄水池内部水体与外部海面之间存在水头差时，蓄水池内的水可经蓄水池底部的各排水孔流回大海，在经排水孔流回大海的过程中可以带动各排水孔内的水轮机转动，把水的势能再转化为水轮机转动的机械能，各水轮机转动可以通过中空桩柱内与其对应的变速箱驱动相应发电机发电，各发电机发出的电送入塔架内的控制器。

进一步的，中空桩柱内各发电机发出的电在送入控制器后，一部分为风力发电机内的控制系统、变桨偏航系统和电梯供电，一部分存入蓄电池中，当风力发电机发电不足时，启动蓄电池向外部电网输电，一部分与风力发电机发出的电整合后输入外部电网。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的发电装置，将比较成熟的海上风电技术与发展潜力巨大的波浪能发电技术进行了结合，形成互补的发电系统，解决了单一能种发电装置电力输出不稳定的问题，提高了发电质量，易于实现并网发电。同时对海上风能基础桩柱进行了有效利用，并且波浪能和风能发电装置还共用一套电力传输系统，降低了波浪能发电装置的发电成本。

本发明所公开的发电装置，将越浪式波浪能发电装置的蓄水池安装在风力发电机的桩柱上，实现两者的有效结合，降低成本，同时还可抵消部分海浪对桩柱的冲击，有利于结构的整体稳定。越浪式波浪能发电装置对上部风力发电机的影响较小，且适应波向性强，波浪从任意方向均可进入蓄水池进行能量转换，可适用于多种海况条件，有效的增加了发电时长和发电量。

本发明所公开的发电装置，塔架的底部通过法兰安装至中空桩柱的顶部，当上部风力发电机发生故障时，可通过法兰将其拆卸，返厂维修，而不会影响下部越浪式波浪能发电装置的正常工作。上升的斜坡和下降的斜坡对接在一起可以兼做抗冰锥，保证发电装置在冰期依然能正常工作，在结构简单可靠的同时还能降低建造成本。变速箱和发电机均位于风力发电机的塔架和中空桩柱内，与海水隔离，不易损坏，检修维护也较为方便。

本发明所公开的发电方法，将海上风电和越浪式波浪能发电有效结合，形成综合互补的发电体系，可以有效降低成本，提高发电质量，有很好的发展前景，从而推动对波浪能资源的开发利用，促进越浪式波浪能发电装置的商业化推广。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开发电装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种风能波浪能综合发电装置，包括底部插入海底、顶部伸出海面的中空桩柱4，塔架2的底部通过法兰3安装至中空桩柱的顶部，在塔架的顶部安装风力发电机叶片1，风力发电机发出的电送入塔架内的控制器12，控制器为风力发电机内的各部件供电，此外控制器还通过电缆与外部电网电连接，在中空桩柱外套装一个蓄水池7，该蓄水池的顶部位于海面以上，在海面与蓄水池的顶部之间设置上升的斜坡6，蓄水池的底部位于海面以下，在海面与蓄水池的底部之间设置下降的斜坡，上升的斜坡和下降的斜坡对接在一起组成抗冰锥8，蓄水池的上部为敞口，蓄水池的底部则开设两个以上的排水孔（在本实施例中排水孔的数量为两个），在各排水孔内均安装水轮机9，各水轮机的动力输出端分别通过一根插入中空桩柱内的连杆与中空桩柱内的一个变速箱10的动力输入端相连接，各变速箱的动力输出端则分别通过一根连杆与中空桩柱内的一部发电机11的动力输入端相连接，各发电机发出的电送入塔架内的控制器12。

具体的说，由塔架及叶片组成风力发电机，由蓄水池及上升的斜坡组成越浪式波浪能发电装置，风力发电机位于越浪式波浪能发电装置的上部。由一架水轮机、一个变速箱及一部发电机组成越浪式波浪能发电装置的一个发电单元，在本实施例中所称“与水轮机对应的变速箱”，“相应发电机”即指同一个发电单元内的水轮机、变速箱和发电机。

在本实施例中，风力发电机叶片固定安装在转轴上，转轴与变速箱的动力输入端相连接，变速箱的动力输出端与发电机的动力输入端传动连接。风力发电机叶片在海风的作用下转动，通过变速箱提高转速，并带动发电机发电，经过海上风能、叶片旋转机械能、电能三级能量转换，最终实现对海上风能的利用。

控制器通过铺设在海底的电缆与外部电网电连接，可把发电装置发出的电输送到岸上并网发电。在塔架内还布置与控制器电连接的蓄电池。

关于蓄水池还需要详细说明的是：在中空桩柱外沿着中空桩柱的周向套装一个圆筒形的蓄水池，该蓄水池沿着中空桩柱的外壁延伸，其顶部位于海面以上、底部位于海面以下。蓄水池通过支撑架5与中空桩柱固定连接。所述上升的斜坡和下降的斜坡均为圆台形，上升斜坡的下底面和下降斜坡的上底面对接在一起且直径相等。中空桩柱内各发电机发出的电通过布置在中空桩柱及塔架内的电缆送入塔架内的控制器。

本实施例还公开了一种发电方法，使用上述的发电装置，发电装置安装就位并启用后，风力发电机叶片在海风的作用下转动，风力发电机发出的电送入塔架内的控制器，再由控制器输入外部电网；波浪沿着上升的斜坡爬高，通过蓄水池上部敞口进入蓄水池内部，将波浪动能转化为蓄水池内部水的势能，当蓄水池内部水体与外部海面之间存在水头差时（与传统越浪式波能发电装置启动方式相同，在各排水孔内设置控制盖板，当水头差达到一定高度时，冲击盖板，完成后续能量转换过程），蓄水池内的水可经蓄水池底部的各排水孔流回大海，在经排水孔流回大海的过程中可以带动各排水孔内的水轮机转动，把水的势能再转化为水轮机转动的机械能，各水轮机转动可以通过中空桩柱内与其对应的变速箱驱动相应发电机发电，各发电机发出的电送入塔架内的控制器。

中空桩柱内各发电机发出的电在送入控制器后，一部分为风力发电机内的控制系统、变桨偏航系统和电梯供电，一部分存入蓄电池中，当风力发电机发电不足时，启动蓄电池向外部电网输电，迅速补偿输出功率，实现电力输出稳定。一部分与风力发电机发出的电整合后以稳定的功率输入外部电网。