一种风浪互补的海上发电平台及发电方法与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种风浪互补的海上发电平台及发电方法。

背景技术：

随着化石能源的不断消耗以及日益严峻的环境污染等问题，可再生能源的开发与利用越来越受到人们的关注。风能和波浪能都属于可再生能源的一种，环境友好，能源储量大且源源不绝，具有特别大的开发潜力。陆上风能发电目前已经成熟并且大规模商业化，由于陆地土地面积有效以及海上丰富的风能资源，越来越多的目光转移到海上风电的发展。波浪能发电目前主要尚处于研究阶段，但也是新能源领域研究的重点之一，其中，越浪式波浪能装置具有可靠性高、不易受到极端海况破坏等优点。

风能随着时间、季节有着较大的波动，这影响着发电装置的发电功率以及资源利用率，当风况过大时，由于负载接纳能力有限等问题，会造成“弃风”浪费能源；当风况过小时，发电功率又不足以满足负载要求。

将海上风能发电与越浪式波浪能发电相结合，可以解决以上问题。当发电量高于上限时，可以降低或关闭波浪能发电，并用抽水泵将海水抽入越浪装置的蓄水池中，将多余的电量转换为海水的势能储存起来，只有当蓄水池满时才考虑使用变桨等手段来降低风电机发电功率放弃多余的风能；当发电量低于下限时，可以增加波浪能发电，并把之前储存的海水势能转换为电能，保证发电功率要求。另外，储存的海水也增加平台的稳定性，有利于风力发电机适应大风况。

另外，越浪式波浪能发电装置中的蓄水池空间大，与外部海水间有交互，是合适的海水养殖场合。以往的海水养殖多在离海岸不远处，可用于养殖的空间有限，借助漂浮的发电平台，可在近海空间不足时将海水养殖扩展到远海，并且所需电能可借由风力发电与波浪能发电保障。海上风电、波浪能发电、海水养殖，三者共用一个漂浮基础，可以大大降低设备成本，提高发电功率以及面积利用率。

技术实现要素：

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种风浪互补的海上发电平台，能够提高能源利用率，节约设备成本，并且发电效率高，能源输出平稳。

本发明还提供了一种采用上述风浪互补的海上发电平台的发电方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种风浪互补的海上发电平台，包括漂浮平台、水轮发电机、风力发电机、抽水泵和控制器；其中，

所述漂浮平台用于提供漂浮基础、蓄集海水用于水轮发电机发电；

所述水轮发电机设于漂浮平台内，用于排水以及将漂浮平台内蓄集的海水势能转换为电能并传输至控制器；

所述风力发电机设于漂浮平台上，用于将海上风能转换为电能并传输至控制器；

所述抽水泵设于漂浮平台上，用于在发电量过剩时将海水抽入漂浮平台内，使多余的电能转换为海水势能储存起来；

所述控制器设于风力发电机的塔架内，用于对水轮发电机和风力发电机转换后的电能进行存储和传输，为抽水泵、水轮发电机和风力发电机供电，接收抽水泵、水轮发电机和风力发电机的状态信号，对抽水泵、水轮发电机和风力发电机的启停信号进行控制，以及用于调节发电功率。

进一步地，所述漂浮平台内设有蓄水池，蓄水池底部设有至少1个排水孔，每个排水孔通过控制器控制开阖且每个排水孔内设有一个水轮发电机，蓄水池内壁上设有自下而上依次排布的一级液位传感器和二级液位传感器，蓄水池的中心设有一个内部空心的凸台，所述风力发电机固定于凸台上；所述控制器还用于为一级液位传感器和二级液位传感器供电，接收一级液位传感器和二级液位传感器采集的液位信号，以及控制排水孔的开阖。

进一步地，所述凸台的底部设有至少一个与蓄水池连通的开口，所述凸台与蓄水池连通后可以充分利用空间，增加蓄水水量。

进一步地，所述漂浮平台为圆环形，其外圆周为上升的斜坡，斜坡上均布环绕有若干个聚浪板。

进一步地，所述漂浮平台的底部设有平衡板，平衡板上系有系泊线，所述平衡板可以依靠海水的浮力及重力来平衡风力发电机带来的倾覆力矩。

进一步地，所述漂浮平台还用于提供海水养殖基地，漂浮平台上设有用于定时给漂浮平台内养殖的鱼类投食的自动投食器，所述控制器还用于为自动投食器供电和控制自动投食器启停信号。

进一步地，每个排水孔的上方设有隔离网，所述隔离网用于防止养殖鱼类进入排水孔而流入大海。

进一步地，所述控制器包括中央处理单元、计数单元、比较单元、定时单元和储能单元，所述计数单元的输入端与中央处理单元的输出端连接、输出端与比较单元的一个输入端连接，比较单元另外两个输入端中，其中一个输入端与储能单元的输出端连接、一个输入端与中央处理单元的输出端连接，比较单元的输出端与中央处理单元的输入端连接，定时单元的输出端与中央处理单元的输入端连接，储能单元与中央处理单元的输出端连接，且中央处理单元、计数单元、比较单元和定时单元均与储能单元的输出端连接。

本发明还提供了一种采用上述所述的风浪互补的海上发电平台的发电方法，包括：

当总发电量不断超出上限时，逐个关闭排水孔的个数以降低水轮发电机的工作数，当排水孔全部关闭后而风能依旧过高时，则开启抽水泵用多余发电量将海水抽取至蓄水池内转换为海水势能存储；当蓄水池内的水位达到一级液位传感器监测的水位上限时，关闭抽水泵并控制风力发电机降低捕能；

当总发电量不断低于下限时，逐个开启排水孔的个数以增加水轮发电机的工作数；

当蓄水池内的水位达到二级液位传感器监测的水位上限时，控制风力发电机关闭并开启全部排水孔以增加水轮发电机的工作数使其排水。

进一步地，上述发电方法具体包括如下步骤：

s1、控制器控制开启风力发电机和全部水轮发电机开始工作，设水轮发电机的总数为n个，计数器i=1；

s2、判断蓄水池内的水位：若水位高于二级液位传感器监测的水位上限，则关闭风力发电机同时开启所有水轮发电机使海水从排水孔流回大海以降低水位，i=1；若水位低于二级液位传感器监测的水位上限，则进行下一步；

s3、继续判断蓄水池内的水位：若水位高于一级液位传感器监测的水位上限，则关闭抽水泵；若水位低于一级液位传感器监测的水位上限，则进行下一步；

s4、判断风力发电机的工作状态：若风力发电机处于工作状态，则直接进行下一步；若风力发电机处于不工作状态，则开启风力发电机后进行下一步；

s5、判断发电量：若发电量处于合理区间内，则维持现状供电；若发电量高于上限，则判断水轮发电机是否全部关闭，若i≤n，则关闭第i台水轮机并使i=i+1，若i＞n，则开启抽水泵；若发电量低于下限，则先检查抽水泵的工作状态，若工作，则关闭抽水泵，若不工作，则判断水轮发电机是否全部开启，若i＞1，则i=i-1并开启第i台水轮发电机。

本发明的有益效果是：

1、本发明结合了海上风能发电与越浪式波浪能发电，实现两者之间的互补，可以适应风能与波浪能在时间、季节上变化较大的特点，有效解决单一的风力发电在大风况下发生“弃风”浪费能量、在小风况下输出不足的问题，提高能源利用率并使输出更加平稳。当风力发电功率过剩时，可以降低或者关闭波浪能发电功率，并把多余的电能转换为海水势能储存起来；当风力发电功率不足时，可以增加波浪能发电功率，并把储存的海水势能转换为电能。

2、本发明中还可将风能、波浪能与海水养殖共用一套漂浮平台与供电系统，无需在近海岸布置，降低了装备成本，提高面积利用率，结构简单，可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的海上发电平台的侧视结构示意图。

图2为本发明实施例1所述的海上发电平台的立体结构示意图。

图3为本发明实施例1所述的控制器的原理示意图。

图4为本发明实施例2所述发电的流程示意图。

图中，1-漂浮平台，1.1-聚浪板，1.2-蓄水池，1.3-排水孔，1.4-隔离网，1.5-一级液位传感器，1.6-二级液位传感器，1.7-凸台，1.8-平衡板，1.9-系泊线，1.10-开口，2-水轮发电机，3-风力发电机，4-抽水泵，5-控制器，5.1-中央处理单元，5.2-计数单元，5.3-比较单元，5.4-定时单元，5.5-储能单元，6-自动投食器；n-水轮发电机/排水孔总数。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

实施例1、

如图1所示，本实施例所述的一种风浪互补的海上发电平台，包括漂浮平台1、水轮发电机2、风力发电机3、抽水泵4和控制器5。其中，

所述漂浮平台1用于提供漂浮基础、蓄集海水用于水轮发电机2发电。

所述水轮发电机2设于漂浮平台1内，用于排水以及将漂浮平台1内蓄集的海水势能转换为电能并传输至控制器5。

所述风力发电机3设于漂浮平台1上，用于将海上风能转换为电能并传输至控制器5，所述风力发电机2也可叫做风电机、风力机、风机。

所述抽水泵4设于漂浮平台1上，用于在发电量过剩时将海水抽入漂浮平台1内，使多余的电能转换为海水势能储存起来。

所述控制器5设于风力发电机3的塔架内，将控制器5设置在风力发电机3的塔架内可以防止雨水侵入，所述控制器5用于对水轮发电机2和风力发电机3转换后的电能进行存储和传输至外部电网，为抽水泵4、水轮发电机2和风力发电机3供电，接收抽水泵4、水轮发电机2和风力发电机3的状态信号，对抽水泵4、水轮发电机2和风力发电机3的启停信号进行控制，以及用于调节发电功率。

具体地，如图2所示，本实施例中，所述漂浮平台1内设有蓄水池1.2，所述蓄水池1.2用于积聚海水势能给水轮发电机2工作；所述漂浮平台1为圆环形，漂浮平台1的外圆周为上升的斜坡，所述斜坡的角度优选为30°-40°，斜坡上均布环绕有若干个聚浪板1.1用于把圆环形斜坡分割为若干个收缩坡道，所述圆环形漂浮平台可以吸收来自各方向上波浪的入射波，将波浪充分利用，所述聚浪板1.1为类似倒梯形结构，聚浪板1.1分割出的收缩坡道可以汇集波浪使其足以越过斜坡进入蓄水池1.2内，进一步地，所述抽水泵4安装于其中一块聚浪板1.1上，其水管的一头深入海面、一头深入蓄水池1.2内；蓄水池1.2底部设有至少1个排水孔1.3，每个排水孔1.3通过控制器5控制开阖且每个排水孔1.3内设有一个水轮发电机2，水轮发电机2的开启或关闭与排水孔1.3的开启或关闭相对应，即水轮发电机2的开启或关闭是靠排水孔1.3的开启或关闭实现的；蓄水池1.2内壁上设有自下而上依次排布的一级液位传感器1.5和二级液位传感器1.6，所述一级液位传感器1.5和二级液位传感器1.6的输出端分别与控制器5的输入端连接；蓄水池1.2的中心设有一个内部空心的凸台1.7，优选所述凸台1.7为圆台状，稳固性高，所述风力发电机3固定于凸台1.7上，这样设置的目的是使风力发电机3不接触海水，降低密封防腐蚀的要求且便于工作人员维修维护；进一步地，所述凸台1.7的底部设有至少一个与蓄水池1.2连通的开口1.10，凸台1.7与蓄水池1.2连通后可以充分利用空间，增加蓄水水量。相应地，所述控制器5还用于为一级液位传感器1.5和二级液位传感器1.6供电，接收一级液位传感器1.5和二级液位传感器1.6采集的液位信号，以及控制排水孔1.3的开阖。

进一步地，所述漂浮平台1的底部设有平衡板1.8，平衡板1.8的半径大于漂浮平台底面的半径，平衡板1.8可以依靠海水的浮力及重力来平衡风力发电机带来的倾覆力矩，使整个漂浮平台1保持平稳；更进一步地，平衡板1.8上系有系泊线1.9。

本实施例所述的风浪互补的海上发电平台还可以用于海水养殖，这样就将海上风能、越浪式波浪能及海水养殖三者结合起来。即，所述漂浮平台1还用于提供海水养殖基地，具体地，是蓄水池1.2提供海水养殖基地，漂浮平台1上设有用于定时给漂浮平台1内养殖的鱼类投食的自动投食器6，更进一步地，所述自动投食器6设有若干个且均布环绕分布于凸台1.7的边缘处；相应地，所述控制器5还用于为自动投食器6供电和控制自动投食器6启停信号。另外，每个排水孔1.3的上方设有隔离网1.4用于防止养殖鱼类进入排水孔1.3从而流入大海。需要说明的是，蓄水池1.2内的最低水位应低于海平面，蓄水池1.2内的最高水面即二级液位传感器1.6的安装位置高于海平面并低于蓄水池1.2外围最高处一段距离以防止鱼类跳出。

本实施例中，如图3所示，所述控制器5包括中央处理单元5.1、计数单元5.2、比较单元5.3、定时单元5.4和储能单元5.5；其中，所述计数单元5.2的输入端与中央处理单元5.1的输出端连接、输出端与比较单元5.3的一个输入端连接，计数单元5.2用于对水轮发电机2的工作个数进行计数；所述比较单元5.3另外两个输入端中，其中一个输入端与储能单元5.5的输出端连接、一个输入端与中央处理单元5.1的输出端连接，比较单元5.3的输出端与中央处理单元5.1的输入端连接，所述比较单元5.3用于对储能单元5.5的实时电量信号进行比较、对水轮发电机2的工作个数进行比较以及对一级液位传感器1.5和二级液位传感器1.6采集的液位信号与设定的液位上限值和下限值进行比较；所述定时单元5.4的输出端与中央处理单元5.1的输入端连接，定时单元5.4用于将自动投食器6的投食信号发送给中央处理单元5.1；所述储能单元5.5与中央处理单元5.1的输出端连接，用于通过中央处理单元5.1将储能单元5.5存储的电能传输至外部电网；所述中央处理单元5.1、计数单元5.2、比较单元5.3和定时单元5.4均与储能单元5.5的输出端连接以使得储能单元5.5为中央处理单元5.1、计数单元5.2、比较单元5.3和定时单元5.4供电。

实施例2、

一种采用实施例1所述的风浪互补的海上发电平台的发电方法，包括：

当蓄水池1.2内的水位低于一级液位传感器1.5监测的水位上限时，控制器5控制水轮发电机2的工作个数以满足发电量要求；当发电量不断超出上限时，控制器5控制逐个关闭排水孔1.3的个数以降低水轮发电机2的工作数，当排水孔1.3全部关闭后而风能依旧过高时，则开启抽水泵4用多余发电量将海水抽取至蓄水池1.2内转换为海水势能存储，当蓄水池1.2内的水位达到一级液位传感器1.5监测的水位上限时，关闭抽水泵并控制风力发电机3通过变桨等手段降低捕能；当发电量不断低于下限时，控制器5控制逐个开启排水孔1.3的个数以增加水轮发电机2的工作数。该方案可以适应风能与波浪能在时间、季节上变化较大的特点，能有效解决单一的风力发电机3在大风况下发生“弃风”浪费能量、在小风况下输出不足的问题，提高能源利用并使输出更加平稳。当风力发电功率过剩时，可以降低或者关闭波浪能发电功率，并把多余的电能转换为海水势能储存起来；当风力发电功率不足时，可以增加波浪能发电功率，并把储存的海水势能转换为电能。另外，抽水泵4抽上的海水可以进一步增加漂浮平台1的稳定性，使海上发电平台在大风况下工作更可靠。

当遇到大雨或暴雨等天气使蓄水池1.2的水位达到二级液位传感器1.6监测的水位上限时，控制风力发电机3关闭并开启全部排水孔1.3以增加水轮发电机2的工作数使其排水。这种情况的优势在于，在关闭水轮发电机2之后，并通过抽水泵4蓄水的过程中，遇上大雨或暴雨等天气时，可以防止蓄水池1.2内的水位过高使养殖的鱼类跳出蓄水池进入大海。

上述发电方法更具体的包括如下步骤，如图4所示：

s1、控制器5控制开启风力发电机3和全部水轮发电机2开始工作，设水轮发电机2的总数为n个，计数器i=1；

s2、判断蓄水池1.2内的水位：若水位高于二级液位传感器1.6监测的水位上限，则关闭风力发电机3同时开启所有水轮发电机2使海水从排水孔1.3流回大海以降低水位，i=1；若水位低于二级液位传感器1.6监测的水位上限，则进行下一步；

s3、继续判断蓄水池1.2内的水位：若水位高于一级液位传感器1.5监测的水位上限，则关闭抽水泵4；若水位低于一级液位传感器1.5监测的水位上限，则进行下一步；

s4、判断风力发电机3的工作状态：若风力发电机3处于工作状态，则直接进行下一步；若风力发电机3处于不工作状态，则开启风力发电机3后进行下一步；

s5、判断发电量：若发电量处于合理区间内，则维持现状供电；若发电量高于上限，则判断水轮发电机2是否全部关闭，若i≤n，则关闭第i台水轮机并使i=i+1，若i＞n，则开启抽水泵4；若发电量低于下限，则先检查抽水泵4的工作状态，若工作，则关闭抽水泵4，若不工作，则判断水轮发电机2是否全部开启，若i＞1，则i=i-1并开启第i台水轮发电机2。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。