氣囊式海上發電平臺的製作方法
2023-06-02 19:06:16 2
氣囊式海上發電平臺的製作方法
【專利摘要】一種氣囊式海上發電平臺，以錨泊方式固定於小島附近的海域，由氣囊提供浮力支持以螺栓連接起來的各個鋁合金箱體組成的平臺，每一個箱體上安裝不同功能的組件，組成整個發電系統。發電系統由太陽能發電機、風力發電機、海流發電機、儲能裝置和配電裝置組成。在平臺工作時，發電機組產生的電能通過配電系統控制，多餘的電能通過制氫電解池製取氫氣，將氫氣供給燃料電池。電力不足時便可使用燃料電池輔助供電。平臺發出的電力通過海底電纜作為輸電系統供給小島上的用電設備。本發明全部採用清潔可再生能源供電，設置於小島外的近海海域，系統的各個部件通過安裝在不同的箱體上來實現模塊化，有無汙染，方便搭建，節省小島空間的優點。
【專利說明】氣囊式海上發電平臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及發電裝置，特別是一種氣囊式海上發電平臺。
【背景技術】
[0002]目前隨著海洋的進一步開發，遠海島嶼的供電問題亟需解決，一些較大的島嶼通常是在島上建立電站，但這些島上電站普遍存在以下不足之處:佔用島嶼寶貴的土地資源；化石燃料為主的發電方式破壞生態壞境；在遠海島嶼建電站這種大型工程工期很長，但遠海島嶼天氣多變不利於長期施工，原材料缺乏，所需的人力、物力依賴遠洋運輸成本較大。特別是還有一些島礁會季節性的被海水淹沒，根本不適合建立電站。但在一年的某些月份，這些島嶼需要駐人，因而這些島嶼一年中幾個特定的月份需要供電。目前尚沒有能夠很好地滿足這一特殊用電需求的解決方案，而我們設計的海上發電平臺便於安裝拆卸，能夠在需要用電的島嶼附近快速搭建，用戶島嶼不駐人之後可以託運到其他島嶼附近重複利用。而且對不同海域的適應性能力較強，可根據不同的海域的風能，太陽能，海流能地豐富度，較為方便的調整各種能源的發電比例，從而最大限度的提高能源的綜合利用率。
[0003]經過文獻資料的檢索發現，申請號為201110041079.9的中國發明專利公開了一種深海漂浮式同步收集海風海浪海流能的海上發電平臺，這種海上發電平臺由四方體巨型框架連接多個浮箱，浮箱中設有相互用錐齒輪連接的縱軸和橫軸，橫軸上安設若干個浮體式波浪能收集裝置。海風海流收集裝置為發電短橫軸以錐齒輪與橫軸和縱軸連接，發電橫軸伸入浮箱內部，驅動發電機發電。但浮體式和浮擺式的波浪能收集裝置的效率是非常低的，如果只利用海流能和波浪能作為能源很難達到高發電功率，且發電電壓不平穩。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種氣囊式海上發電平臺，該氣囊式海上發電平臺針對目前遠海島嶼用電的特點，綜合利用風能、太陽能、波浪能，為小島提供每日所需的電力，該發電平臺由可拆卸的不同功能模塊組成，運輸、安裝和使用方便，既具有降低環境汙染，節約小島空間，又提高了發電平臺的利用率。
[0005]本發明的技術解決方案如下:
[0006]—種氣囊式海上發電平臺，其特點在於，包括:氣囊、錨泊系統、發電系統、輸配電系統和儲能系統，以錨泊方式固定於小島附近的海域，多個箱體用螺栓連成一體構成一個平臺，箱體通過合金鉸鏈與所述的氣囊的圍裙布連接在一起，所述的氣囊為所述的平臺提供浮力，所有箱體分為多個風力發電箱體、多個太陽能發電箱體、多個海流發電箱體和儲能箱體:
[0007]每個風力發電箱體有一颱風力發電機，頂部和側壁分別開有通孔，風力發電機葉片通過風力發電機塔架固定在箱體頂上，箱體內設置有控制器和逆變器，風力發電機的輸電線從箱體側壁的開孔連接到所述的儲能箱體；
[0008]每個太陽能發電箱體設有太陽能發電機，太陽能電池板塔架通過螺栓將太陽能電池板固定在太陽能發電箱體的頂部，逆變器和控制器安裝在箱體內部，箱體側壁有開孔，太陽能發電機自帶的輸電線經側壁開孔連接到所述的儲能箱體；
[0009]每個海流發電箱體有一臺水輪發電機，箱體內設置有控制器和逆變器，箱體的底部開有工藝孔，海流發電機的葉輪軸的首部固定在箱體的頂部，通過箱體下部的工藝孔，將發電的葉輪放入水下，渦輪機帶有自動對水裝置，葉輪根據海流的方向轉動，水平軸採用液壓式伸縮軸；
[0010]所述的儲能系統由電解池、氫儲存罐和燃料電池組成，安裝在所述的儲能箱體中；所述的輸配電系統包括升壓變壓器、輸電線路、降壓變壓器。
[0011]所述的箱體為金屬箱體，特別是鋁合金箱體。
[0012]所述的塔架具有高度調整機構。
[0013]所述的氣囊與箱體通過鉸鏈連接，能夠快速充氣。
[0014]所述的儲能系統由電解池、氫儲存罐和燃料電池組成，電解池中產生氫氣為燃料電池充電，在電力不足時，燃料電池即可作為輔助電源為負荷供電。
[0015]本發明相對於其他的小島發電系統具有以下優點:
[0016]第一，由於本海上發電平臺利用氣囊式平臺作為發電機的承載平臺，不佔用島嶼的陸地空間；
[0017]第二，本發電平臺的各種發電機、控制器與儲能系統均分別安裝在金屬箱體之中，在安裝及拆卸的時候只需要將箱體整個裝拆即可。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明氣囊式發電平臺三維總體視圖。
[0019]圖2為本發明鋁合金箱體內部結構圖。
[0020]圖3為氣囊式發電平臺電路示意圖。
圖4為儲能系統不意圖。
[0021]圖中
[0022]1:風力發電機葉片；2:太陽能電池板；3:太陽能電池板塔架；4:風力發電機塔架；5:鋁合金箱體；6:氣囊；7:海流發電機塔架；8:海流發電機渦輪。9:工藝孔；5:鋁合金箱體；10:輸電線路；11:控制器；12:逆變器。22:風力發電系統；23:太陽能發電系統；24:海流發電系統；25:直流總線；5:直流變流器；27:直流/交流逆變器；28:交流總線；29:負荷；26:電解池；30:氫儲存罐；31:燃料電池；32:電解池；33:輸氣管；34:氫儲存罐；35:輸電線；36:海底電纜；37:降壓變壓器。
【具體實施方式】
[0023]以下結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
[0024]先請參閱圖1，圖1為本發明氣囊式發電平臺三維總體視圖。由圖可見，本發明氣囊式海上發電平臺，包括:氣囊6、錨泊系統、發電系統、輸配電系統和儲能系統，以錨泊方式固定於小島附近的海域，多個箱體5用螺栓連成一體構成一個平臺，箱體5通過合金鉸鏈與所述的氣囊6的圍裙布連接在一起，所述的氣囊6為所述的平臺提供浮力，所有箱體5分為多個風力發電箱體、多個太陽能發電箱體、多個海流發電箱體和儲能箱體:
[0025]每個風力發電箱體有一颱風力發電機，頂部和側壁分別開有通孔，風力發電機葉片I通過風力發電機塔架4固定在箱體頂上，箱體內設置有控制器11和逆變器12，風力發電機的輸電線從箱體側壁的開孔連接到所述的儲能箱體；
[0026]每個太陽能發電箱體設有太陽能發電機，太陽能電池板塔架3通過螺栓將太陽能電池板2固定在太陽能發電箱體的頂部，逆變器和控制器安裝在箱體內部，箱體側壁有開?L，太陽能發電機自帶的輸電線經側壁開孔連接到所述的儲能箱體；
[0027]每個海流發電箱體有一臺水輪發電機，箱體內設置有控制器11和逆變器12，箱體的底部開有工藝孔，海流發電機的葉輪軸的首部固定在箱體的頂部，通過箱體下部的工藝孔，將發電用的葉輪放入水下，渦輪機帶有自動對水裝置，葉輪根據海流的方向轉動，水平軸採用液壓式伸縮軸；[0028]所述的儲能系統由電解池32、氫儲存罐34和燃料電池31組成，安裝在所述的儲能箱體中；
[0029]所述的輸配電系統包括升壓變壓器、海底輸電線路36、降壓變壓器37。
[0030]氣囊式海上發電平臺以錨泊方式固定於小島附近的海域，以氣囊提供浮力，由螺栓連接起來的不同功能的鋁合金箱體組成，每種箱體上方及內部安裝不同功能的組件，相互配合組成整個發電系統。
[0031]箱體按照功能可以分為太能能發電箱體，風能發電箱體，海流能發電箱體，儲能箱體。本發明氣囊式海上發電平臺一個實施例的年發電量20萬千瓦時，主要由氣囊、72塊太陽能電池板、18颱風力發電機、8臺海流發電機、17塊燃料電池和配電裝置組成。在平臺工作時，三種發電機組(風力發電、太陽能發電、海流發電，以下有時簡稱為風、光、流發電系統)產生的電能通過配電系統控制為負載供電，多餘的電能通過制氫電解池製取氫氣儲能，氫氣供給燃料電池。電力不足時便可使用燃料電池輔助供電。平臺發出的電力通過海底電纜供給小島上的用電設備。
[0032]氣囊環繞在鋁合金箱體外層，鋁合金箱體通過鋁合金鉸鏈與氣囊的圍裙布連接。鋁合金箱體之間通過螺栓連接組合起來，形成一個大平臺。鋁合金箱內部側壁上設有扶強材以增加系統強度，增強抗風浪能力。
[0033]每個風力發電箱體有一颱風力發電機，風力發電機的塔架通過螺栓固定在風力發電箱體的頂部，塔架可調整高度，逆變器跟控制器固定在箱體內部，箱體側壁有開孔，輸電線通過開孔最終連接到儲能箱體。
[0034]每個太陽能發電箱體有6快太陽能電池板，太陽能發電板安裝在塔架上，塔架通過螺栓固定在太陽能發電箱體的頂部，逆變器跟控制器安裝在箱體內部，箱體側壁有開孔，輸電線通過開孔最終連接到儲能箱體。
[0035]海流發電機採用水平軸式渦輪發電機，軸的首部固定在箱體的頂部，工作的時候，通過箱體下部的工藝孔，將發電用的葉輪放入水下。渦輪機帶有自動對水裝置，葉輪可根據海流的方向轉動。水平軸採用液壓式伸縮軸，可以伸縮，搬運的過程中可以壓縮起來收在鋁合金箱體中。
[0036]儲能系統由電解池、氫儲存罐和燃料電池組成。發電量較高時，多餘的電力支持電解池中電解水製取氫氣的過程。製取的氫氣儲存在氫儲存罐中，可以為燃料電池充電。在風光流發電系統發電量不足時，便可使用燃料電池作為輔助電源為負載供電。
[0037]海流發電機的具體設計如下:渦輪的主軸連接後邊的變速箱，變速箱由齒輪組組成，變速箱與發電機相連。變速箱和發電機都裝在一個密閉的箱體中，箱體焊接在中空的水平軸上，發電機電線通過中空的水平軸連接到上方的逆變器中。由於海流的方向按時間變化，因此為了保證渦輪隨時正對水流保證最大發電效率，還需要一個專門的對水裝置。對水裝置的詳細原理為:首先利用流向儀測得水流的流向，然後與實際渦輪角度相比較，決定葉輪的偏航角，之後驅動葉輪的變槳距機構使葉輪轉向。
[0038]對於獨立運行的海上平臺發電系統，因為所供電的小島離發電平臺較遠，因此就需要在系統中增加輸電系統的部分，以增加電能傳輸的能力和距離，減小傳輸的損耗。類似於一般電力系統的輸電系統，獨立運行發電系統的輸電系統主要由以下幾部分構成:升壓變壓器、輸電線路、降壓變壓器。三種發電系統的輸出電壓經過逆變器升壓，通過海底電纜傳輸至小島，經過小島上的降壓變壓器調整為居民可用電壓，為小島居民提供電力。
[0039]在上述混合發電系統中，風、光、流互補發電為主用電源，當風能、太陽能、潮流能資源較充足時，風光流系統承擔全部負荷的供電；當風能、太陽能、海流能資源不足，發電量較小不能滿足全部負荷時，則由備用電源分擔負荷，當無風、無光或機組故障時，備用電源單獨供電。燃料電池為備用電源，配合風光流發電系統向負荷不間斷供電。為保證用戶24h的用電要求，該系統的主要運行方式為:
[0040]I)白天供電方式
[0041]①負荷較小時，主要由風力發電向用戶供電，光伏陣列及潮流發電機產生的電能用於製取氫氣儲存起來，以備再生能源不足時使用，過剩的風電也可用於電解水製取氫氣；
[0042]②負荷較大時，而風能較小時，由風、光、流聯合向負荷供電。
[0043]③負荷較大而風能、太陽能、海流能資源不足時，由風能、太陽能、海流發電和備用電源聯合向負荷供電。
[0044]2)夜晚供電方式
[0045]①在風能充足的情況下，主要由風力發電向負荷供電，過剩的電能可以用於電解水製取氫氣；
[0046]②風能不足，負荷較大，風力發電無法滿足電能需求時，燃料電池起動向負荷提供所需要的電能。
[0047]3)特殊情況供電方式
[0048]當連續出現陰雨無風天氣時，則由燃料電池及海流發電裝置向重要負荷供電。
[0049]為了保護獨立發電系統的供電，實現對混合發電系統的功率管理控制，在各子系統終端分別使用了相應的功率控制環節，將整個系統有機結合在一起。在上述系統中，功率控制基於兩條定直流電壓總線，分別位於風力電機、潮流電機、光伏陣列側和燃料電池發電系統側。採用固定的直流電壓總路線，也是為了穩定向電解池側的輸出功率，因為電解池端電壓的波動會增加電能損耗，並使產生的氫純度降低。
[0050]本發明中各個部分的主要材料為:氣囊採用國產57703型圍裙布為材料，風力發電機採用5Kw風機，太陽能電池板採用200W單晶矽太陽能電池板，蓄電池採用燃料電池。本專利中的各個部件均可方便地從市場中購買得到。
[0051]圖1為氣囊式海上發電平臺的結構示意圖。氣囊6通過金屬鉸鏈與鋁合金箱體5相連，作用是為整個平臺提供浮力；鋁合金箱體5彼此之間用螺栓連接，形成整個大平臺。鋁合金箱體5上安裝有18颱風力發電機、12組太陽能電池板和8臺海流發電機。太陽能電池板2以六塊為一組。整個系統由錨鏈系泊於海底。風力發電機的塔架4和太陽能電池板的塔架3通過鋁合金箱體上的工藝孔9通入箱體內部，通過螺栓固定在箱體的底部。塔架底部固定4塊三角板以增加系統的強度。海流發電機主軸7的首部固定在箱體的頂部，工作的時候，通過箱體下部的工藝孔，將發電用的葉輪8放入水下。渦輪機帶有自動對水裝置，葉輪可根據海流的方向轉動。水平軸採用液壓式伸縮軸，可以伸縮，搬運的過程中可以壓縮起來收在鋁合金箱體5中。發電系統產生的電力通過逆變器12升壓後，通過海底輸電線路36輸送至小島上。經過安置在小島上的降壓變壓器37降壓之後即可為小島正常供電。
[0052]圖2為鋁合金箱體內部結構示意圖。鋁合金箱體5在上部和側面上開有工藝孔9，方便風力發電機、太陽能電池板和海流發電機的塔架通過箱體並固定在箱體上。輸電線路10將風力發電機、太陽能電池板與海流發電機與安設於鋁合金箱體中的控制器11和逆變器12相連，然後通過側壁上的工藝孔9連接至蓄電池處。
[0053]圖3為本發電平臺的電路示意圖。風力發電系統由18颱風力發電機I和與之相配的逆變器12、控制器11組成；太陽能發電系統14由12組太陽能電池板2和配套的逆變器12、控制器11組成；海流發電系統由8臺海流發電機風力發電系統13、太陽能發電系統14和海流發電系統15組成了整個的發電系統，上述發電系統按照圖1中的排列方式設置於鋁合金箱體構成的平臺上。該系統產生的電力一部分用於給負載29供電，多餘的電能通過儲能系統儲存起來。儲能系統由電解池26，氫儲存罐30和燃料電池31組成。該儲能系統固定於平臺上的儲能系統箱體裡。電解池26中產生氫氣為燃料電池31充電。在電力不足時，燃料電池24即可作為輔助電源為負荷29供電。在上述系統中，功率控制基於兩條定直流電壓總線25，分別位於風力電機、潮流電機、光伏陣列側和燃料電池發電系統側。交流總線28為向島上輸送電力的輸電系統。輸出電壓經過逆變器升壓，通過海底電纜傳輸至小島，經過小島上的降壓變壓器調整為居民可用電壓，為小島居民提供電力。
[0054]圖4為儲能系統示意圖。儲能系統由電解池32、輸氣管33、氫儲存罐34與燃料電池31組成。整個儲能系統設於儲能系統箱體內部。輸氣管33分為氫氣管與氧氣管，輸電線35分為輸入電路和輸出電路。在發電系統產生的電力多於用戶的消耗時，輸電線35將發電系統產生的多餘電力輸送至電解池32，使電解池32中電解水產生氫氣，產生的氫氣通過輸氣管33輸送並儲存在氫儲存罐34中。在燃料電池31需要為用戶供電時，氫儲存罐34通過輸氣管33將氫氣輸送至燃料電池31中，為燃料電池充電。燃料電池通過輸電線路35對外供電。
[0055]該系統的主要運行方式為:
[0056]I)白天供電方式:
[0057]①負荷較小時，主要由風力發電系統22向負荷29供電，光伏陣列23及潮流發電系統24產生的電能在電解池26中電解水來產生氫氣儲存在氫儲存罐30中，以備再生能源不足時使用，過剩的風電也可用於電解水製取氫氣；
[0058]②負荷較大時，而風能較小時，由風22、光23、流24聯合向負荷供電。
[0059]③負荷較大而風能、太陽能、海流能資源不足時，由風22、光23、流24、燃料電池31聯合向負荷供電。
[0060]2)夜晚供電方式
[0061]①在風能充足的情況下，主要由風力發電22向負荷供電，過剩的電能可以用於電解水製取氫氣；
[0062]②風能不足，負荷較大，風力發電22無法滿足電能需求時，燃料電池31起動向負荷提供所需要的電能。
[0063]3)特殊情況供電方式
[0064]當連續出現陰雨無風天氣時，則由燃料電池31及潮流發電裝置24向重要負荷供電。
【權利要求】
1.一種氣囊式海上發電平臺，其特徵在於，包括:氣囊、錨泊系統、發電系統、輸配電系統和儲能系統，以錨泊方式固定於小島附近的海域，多個箱體(5)用螺栓連成一體構成一個平臺，箱體通過合金鉸鏈與所述的氣囊(6)的圍裙布連接在一起，所述的氣囊為所述的平臺提供浮力，所有箱體(5)分為多個風力發電箱體、多個太陽能發電箱體、多個海流發電箱體和儲能箱體: 每個風力發電箱體有一颱風力發電機，頂部和側壁分別開有通孔，風力發電機葉片(I)通過風力發電機塔架(4)固定在風力發電箱體的頂部，箱體內設置有控制器(11)和逆變器(12)，風力發電機的輸電線從箱體側壁的開孔連接到所述的儲能箱體； 每個太陽能發電箱體有一臺太陽能發電機，太陽能電池板塔架(13)通過螺栓將太陽能電池板(2)固定在太陽能發電箱體的頂部，箱體內設置有逆變器(11)和控制器(12)，箱體偵_有開孔，太陽能發電機自帶的輸電線經側壁開孔連接到所述的儲能箱體； 每個海流發電箱體有一臺水輪發電機，箱體內設置有控制器(11)和逆變器(12)，箱體的底部開有孔，海流發電機軸的首部固定在海流發電箱體的頂部，通過箱體下部的孔，將發電用的葉輪放入水下，渦輪機帶有自動對水裝置，葉輪根據海流的方向轉動，水平軸採用液壓式伸縮軸； 所述的儲能系統由電解池、氫儲存罐和燃料電池組成，安裝在所述的儲能箱體中；所述的輸配電系統包括升壓變壓器、輸電線路、降壓變壓器。
2.根據權利要求1所述的氣囊式發電平臺，其特徵在於所述的箱體為鋁合金箱體。
3.根據權利要求1所述的氣囊式發電平臺，其特徵在於所述的塔架具有高度調整機構。
4.根據權利要求1所述的氣囊式發電平臺，其特徵在於所述的氣囊與箱體通過鉸鏈連接，能夠快速充氣。
【文檔編號】F03B13/00GK103573535SQ201310455175
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】王磊, 丁漢卿, 韓蒙蒙 申請人:上海交通大學