一种单桩基础波浪能发电装置及集群发电系统

本发明涉及波浪能发电，特别涉及一种适用于中浅水海域的单桩基础波浪能发电装置及集群发电系统。

背景技术：

1、海洋覆盖了地球70％的表面。波浪冲击蕴藏着巨大的能量，这是一种洁净、可再生的能量来源，在波浪能的利用过程中不会产生任何环境污染。在1平方公里海面上产生的能量可达20万kw左右，由此计算全球波浪能储量约为25亿kw，能源储量十分巨大。

2、波浪能能量密度高、分布广、易于直接利用、清洁无污染、取之不尽用之不竭，但是目前的波浪能发电装置仍存在一些问题，最重要的便是波浪能的转化效率问题，从波浪能转化为电能通常要经过三级转换：第一级为受波体，其将海域中的波浪能吸收进来转化为自身的能量；第二级为中间转换装置，其对第一级转换进行优化，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，与其它发电装置类似。通常情况下波浪能第一级转换的效率比较低，因此提高受波体吸收波浪能的效率是利用波浪能时不可避免的问题。其次便是波浪能发电装置的基础形式，海洋工程领域的基础形式分为固定式与漂浮式，固定式基础主要包括单桩基础、重力式基础、导管架基础、吸力筒基础等，浮式基础主要包括单立柱式、半潜式以及张力腿式。中浅水海域一般使用固定式基础，使用较多的是单桩基础与导管架基础，单桩基础结构简单，但是其承载力有限，导管架基础稳定性较好，但是结构复杂，造价较高，施工繁琐。在利用波浪能的过程中，设计一种结构简单，力学性能好，安全性高的基础形式显得尤为重要。

3、因此，业界亟待开发出一种结构简单，受波浪力小，安全性高，适用性广，自适应能力强，成本低廉，发电效率高，经济性好的波浪能发电装置，以有效利用近海丰富的波浪能资源，推动世界能源领域的可持续发展。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种单桩基础波浪能发电装置及集群发电系统，其结构简单，适用性广，发电效率高，受波浪力小，安全性高，可靠性高，维修简便且成本低，非常适合中浅水海域的波浪能发电。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供一种单桩基础波浪能发电装置，包括支撑系统、发电系统、质量调节系统和分析控制系统；所述支撑系统为单桩基础，与海底固定连接以用于支撑所述发电系统和所述质量调节系统；所述发电系统用于依靠重力势波浪能驱动其发电，包括发电浮子，所述发电浮子用于依靠重力势波浪能在所述支撑系统中做升沉运动；所述分析控制系统用于根据海域的波浪卓越周期变化而控制所述质量调节系统来调整所述发电浮子的固有周期以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值。

4、优选地，所述支撑系统包括单桩、底座、多根立柱和甲板；所述单桩与海底固定连接，所述底座的中心固定连接在所述单桩的上端；所述立柱的下端固定连接于所述底座，上端固定连接于所述甲板，在每根所述立柱的柱面上设置有沿立柱长度方向的滑轨，所述发电浮子与所述滑轨滚动连接。

5、优选地，所述底座和甲板均为等边三角形，所述立柱为三根，其下端固定连接于等边三角形的底座的三个顶点位置，上端固定连接于所述甲板；优选地，每根立柱的柱面上设有两条滑轨，该两条滑轨在立柱的柱面上相邻180°。

6、优选地，所述支撑系统还包括围栏和上层建筑，所述围栏和所述上层建筑围设在所述甲板的周围以保护所述甲板上的设施以及相关人员。

7、优选地，所述发电系统包括一个所述发电浮子和两组发电机；所述发电浮子的内腔用于容纳可变水体，所述分析控制系统用于根据海域的波浪卓越周期变化而控制所述质量调节系统来调整所述发电浮子的内腔的水体质量，从而调整所述发电浮子的固有周期以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值；所述发电浮子上带有齿条和滚轮，所述发电浮子通过所述滚轮与所述立柱上的滑轨滚动连接，以在所述多根立柱上做升沉运动；所述两组发电机位于所述甲板上，每台发电机上带有单向轴承和齿轮，所述发电浮子的齿条与所述齿轮啮合，所述单向轴承的一端连接所述齿轮，另一端连接所述发电机。

8、优选地，所述质量调节系统还包括水箱、水泵、阀门、排水管和进水管；所述水箱位于所述甲板上，所述排水管和所述进水管均分别连通所述水箱和所述发电浮子的内腔，所述水泵位于所述水箱内并与所述排水管连接，所述阀门连接在所述进水管上，所述水泵和所述阀门均与所述分析控制系统通信连接。

9、优选地，所述分析控制系统包括波浪浮标和分析控制单元，所述波浪浮标位于所述单桩基础波浪能发电装置附近的海域上，用于采集波浪数据并发送至所述分析控制单元；所述分析控制单元分别与所述水泵、所述阀门和所述波浪浮标通信连接，用于根据波浪数据分析海域的波浪卓越周期变化而计算并调整所述发电浮子的质量，从而调整所述发电浮子的固有周期以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值。

10、优选地，所述分析控制系统被配置为用于执行如下过程：当波浪卓越周期增大预定值时，计算得到所述发电浮子需要增加的质量，控制所述阀门打开以从所述水箱通过所述进水管向所述发电浮子的内腔注水，增加所述发电浮子的质量，从而所述发电浮子升沉运动的固有频率降低，固有周期增加以使所述发电浮子的固有周期等于当前的波浪卓越周期，进而形成共振以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值；当波浪卓越周期减小预定值时，计算得到所述发电浮子需要减少的质量，控制所述水泵打开以从所述发电浮子的内腔通过所述排水管向所述水箱抽水，减小所述发电浮子的质量，从而所述发电浮子升沉运动的固有频率增加，固有周期减小以使所述发电浮子的固有周期等于当前的波浪卓越周期，进而形成共振以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值。

11、优选地，所述发电浮子包括浮子主体和桁架，所述浮子主体的内腔用于容纳可变水体，所述浮子主体上设有与所述立柱数量对应的多个空心柱形竖井，所述滚轮设置在所述空心柱形竖井的内壁上，所述立柱穿过所述空心柱形竖井，所述桁架连接于所述浮子主体的顶部，所述齿条设置在所述桁架上。

12、优选地，在每个空心竖井内壁的两个高程上各设有两个所述滚轮。

13、优选地，所述浮子主体为倒立圆台形；优选地，所述空心柱形竖井的底部与所述立柱的下端之间通过可伸缩连接件密封连接。

14、优选地，所述浮子主体的内腔可容纳水的质量为所述发电浮子自重的多倍。

15、优选地，所述两组发电机均被配置为在齿轮顺时针或逆时针转动驱动时发电，且在所述发电浮子上升或下降时，所述两组发电机连接的相应齿轮的转向相反，使得当所述发电浮子上升或下降时，一组发电机发电，另一组发电机不发电。

16、优选地，所述发电机有两台，一台发电机为一组，对应地，所述桁架有两个，一个桁架上的齿条对应啮合一台发电机上的齿轮。

17、第二方面，本发明还提供一种集群发电系统，包括至少两个发电装置，所述发电装置为第一方面所述的单桩基础波浪能发电装置，所述发电装置在中浅水海域集群式布置。

18、优选地，所述至少两个发电装置共同一个分析控制系统；优选地，所述集群发电系统还包括海底电缆，所述海底电缆与所述发电系统连接以用于向外集群式输出电能，汇聚到附近升压站或直接传输到陆上。

19、优选地，所述发电装置有8个，在海域中集群式布置形式为“田”字型，所述分析控制系统位于所述“田”字型中央，8个所述发电装置布置在所述“田”字型的四条边上。

20、本发明的有益效果包括：

21、(1)本发明的单桩基础波浪能发电装置发电效率高，自适应能力强，应用范围广，整体结构简单，刚度大，不易变形，稳定性和可靠性高，建造安装成本低廉，易于维护和检修，具有较好的经济性，可适应较大的水深范围。

22、(2)在本发明集群发电系统中，发电单体在海域中集群式布置，大幅提高了波浪能的利用效率，同时也具有较好的经济性。

23、(3)本发明具有感知调频功能，通过分析控制系统对波浪数据进行实时频谱分析，得到波浪卓越周期变化而调整发电浮子的质量，从而调整发电浮子升沉运动的固有周期以最大化发电浮子的升沉位移幅值，达到提高发电效率的目的。

24、(4)在优选的方案中，本发明采用单桩基础，底座上面设置三根立柱，与传统的大直径单桩相比，很大程度上减小了基础结构受到的波浪力；同时三根立柱布置较为紧凑，减小了波浪力的力臂，结构安全性更高。

25、(5)在优选的方案中，本发明在甲板上对称布置两组发电机，通过齿轮传动以及单向轴承的限制，保证了波峰和波谷来临时装置均能正常高效率发电，大幅提高了波浪能的利用效率。

26、(6)在优选的方案中，本发明发电浮子与立柱之间通过滚轮与滑轨配合，既限制了发电浮子的运动范围，又减少了发电浮子与立柱之间的摩擦，减少了发电过程中的能量损失，提高了能量转换效率。

27、(7)在优选的方案中，本发明充分考虑了腐蚀对整个发电装置的影响，对甲板上的设施、滚轮以及滑轨都进行了较好的保护，很大程度上降低了海水腐蚀对发电装置的影响。