阅读说明：本技术 一种海洋能源综合利用浮式基座一体化发电装置 (Floating type base integrated power generation device for comprehensively utilizing ocean energy sources ) 是由 沈中祥 王杰 尹群 朱杰 姚潇 王文庆 徐福悦 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种海洋能源综合利用的浮式基座一体化发电装置,包括风能波浪能组合发电系统、海流能组合发电系统和桩基础,所述风能波浪能组合发电系统包括外支柱和中心磁体,所述中心磁体所述中心磁体为圆柱体而且垂直贯穿风能波浪能组合发电系统的外支柱,所述中心磁柱下部通过中支柱和海流能组合发电系统连接,所述中心磁体的和所述中支柱内部相通,所述柱基础位于所述海流能组合发电系统的下方,所述风能波浪能组合发电系统位于吃水线以上,海流能组合发电系统和桩基础位于吃水线以下。本发明将多种新能源相结合,可同时利用海流能、波浪能和风能进行发电,同时加入一种海流能利用方式,节能环保,具有很强的抗冲击能力。(The invention provides a floating type base integrated power generation device comprehensively utilizing kinds of ocean energy, which comprises a wind energy and wave energy combined power generation system, a ocean current energy combined power generation system and a pile foundation, wherein the wind energy and wave energy combined power generation system comprises an outer pillar and a central magnet, the central magnet is cylindrical and vertically penetrates through the outer pillar of the wind energy and wave energy combined power generation system, the lower part of the central magnet is connected with the ocean current energy combined power generation system through a middle pillar, the central magnet is communicated with the interior of the middle pillar, the pile foundation is positioned below the ocean current energy combined power generation system, the wind energy and wave energy combined power generation system is positioned above a waterline, and the ocean current energy combined power generation system and the pile foundation are positioned below the waterline.)

一种海洋能源综合利用浮式基座一体化发电装置

技术领域

本发明属于海洋可再生能源工程领域，具体涉及一种海洋能源综合利用浮式基座一体化发电装置。

背景技术

当前，对于可再生能源课题的研究世界各国尤其是发达国家相当重视，而海洋能作为一种极具发展前景的清洁可再生资源更是受到沿海国家的青睐。为解决海岛和海上装备的电力供应不足问题，海洋能发电装置的开发和应用被推上发展进程，世界各海洋国家也在共同努力发展。而海洋上的风能、波浪能、海流能不仅是无穷无尽的海洋可再生能源，而且更属于无污染的绿色能源。目前，海上风力发电的技术已经相当成熟，但是，相比于海上风力发电，波浪能发电装置和海流能发电装置的单位发电成本较高，能量转化率较低，能量转化不稳定导致二者的能量不能够被充分利用。故如何将风能、波浪能、海流能三者充分利用，是近年来一直研究与关注的课题。除了之前这三种能源，涡激振动能近年来已经成为海洋能开发领域一个新的研究热点。在海洋工程中，当水流流经物体表面时，会在物体两侧交替产生脱离结构物表面的漩涡，这种交替发放的漩涡会在物体表面生成横流向的脉冲压力，如果此时柱体是柔性允许发生弹性形变或是弹性支撑的，就能使物体产生横向的周期性振动。在这种情况下，会产生叫尾流驰振的特殊现象，其指当海流经过前排圆柱后会在其后方形成尾流脱涡区，而后排的圆柱位于尾流脱涡区中受到前排圆柱脱涡的激励，其振动幅度一般会大于普通涡激振动；当脱涡频率和圆柱固有频率相同或相近时，此时振动幅度较大。但现在却没有将风能、波浪能、海流能以及涡激振动能充分利用，并采用同一装置进行发电。

发明内容

1、 所要解决的技术问题：

现在对于海洋能没有能够充分利用，无法将风能、波浪能、海流能以及涡激振动能充分利用，并采用同一装置进行发电。

2、 技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种海洋能源综合利用的浮式基座一体化发电装置，包括风能波浪能组合发电系统、海流能组合发电系统和桩基础，所述风能波浪能组合发电系统包括外支柱和中心磁体，所述中心磁体为圆柱体而且垂直贯穿风能波浪能组合发电系统的外支柱，所述中心磁柱下部通过中支柱和海流能组合发电系统连接，所述中心磁体的和所述中支柱内部相通，所述柱基础位于所述海流能组合发电系统的下方，所述风能波浪能组合发电系统位于吃水线以上，海流能组合发电系统和桩基础位于吃水线以下，所述风能波浪能组合发电系统包括多个风能波浪能组合发电单元沿圆周方向均匀地分布在外支柱的外侧壁上，所述外立柱内设有中心线圈围绕所述中心磁体并附着在外立柱的内侧壁上，所述中心线圈相对于中心磁体能够进行垂直方向的相对运动，多个所述风能波浪能组合发电单元设置在支撑浮体上，每个风能波浪能组合发电单元包括水平设置的支撑杆和风扇，所述支撑杆的一端通过所述外立柱柱体上开的槽孔与内部的中心磁体连接，另一端与竖直布置的贯穿风扇和支撑浮体的圆杆磁体相连接，所述支撑杆与圆杆磁体的连接处装有与风扇相连的发电机，所述风扇设置上夹板和下夹板之间，所述风扇的上转轴包围所述圆杆磁体，设有第二中心线圈围绕圆杆磁体设置并附着在上转轴内侧壁，所述中心线圈相对于圆杆磁体能够进行垂直方向的相对运动，所述下夹板设置在支撑浮体上，所述上夹板上方与所述支撑杆之间设有弹簧。

所述风扇与所述上夹板和所述下夹板间设有A滚珠。

所述圆杆磁体的底部固定有于所述风扇相连的阻尼器。

所述风扇的扇叶数量为片，均匀分布在上转轴的***，共同形成灯笼结构。

所述桩基础为三爪式。

所述海流能组合发电系统包括多个沿圆周方向均匀地分布在固定在桩基础上中支柱外侧壁海流能组合发电单元，每个所述海流能组合发电单元从上到下依次为与所述中立柱固定连接的水平设置的上层连接杆、中层连接板和下层连接板，所述上层连接杆和中层连接板之间设有风扇型海流能发电单元，所述中层连接板和下层连接板之间设有涡激振动能补获装置。

每个所述风扇型海流能发电单元包括下转轴和涡叶，所述涡叶通过固定环与下转轴固定连接，所述固定环固定套设在下转轴上，所述上转轴为空心圆柱体，套设安装在设有顶端和底端分别和上层连接杆、中层固定板都固定连接的圆杆上，所述上转轴能够围绕圆杆转动。

每个涡激振动能补获装置包括下支柱、壳体、偏振片、压电片、曲板、导向片，所述壳体由上壳面、下壳面和位于外侧的后端面组成，所述壳体前后两侧为不封闭的矩形通孔，所述上壳面和下壳面设有和偏振片对应的弧形滑道，所述偏振片的上下两端分别嵌入所述滑道中，所述偏振片能够沿着滑道摆动，所述偏振片上套有多个曲板，所述曲板上设有弧形孔，所述弧形孔内开有第一槽道，同时偏振片上也开有同样宽度的第二槽道，多个C滚珠分别设置于第一槽道和第二槽道内，所述弧形曲板，还包括压电片，每个压电片一端固定连接对应的曲板，另一端固定在所述后端面的竖直面板上的定位槽，所述压电片表面包覆有密封弹性材料，在所述定位槽中，所述密封弹性材料和压电片之间夹置有导电铜片，所述导电铜片通过导线依次连接位于下支柱中的整流稳压装置和配电箱。

所述上壳面和下壳面的靠近内侧处设有与下支柱直径相同的圆形孔使下支柱能够竖直穿过，所述圆形孔外一设置同轴的空心圆柱体，所述空间圆柱体上端和上壳面连接，下端穿过下壳面与下部的导向片固定连接。

所述下支柱与圆形孔相配合的一周设有第一凹槽，所述圆形孔的内壁设有同样的第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的结合处设有B滚珠在其内部滚动，利用B滚珠将壳体和下支柱活性连接，使壳体绕下支柱圆周运动，进行摆动。

3、 有益效果：

本发明提供的海洋能源综合利用浮式基座一体化发电装置将多种新能源相结合，可同时利用海流能、波浪能和风能进行发电，同时加入一种新型海流能利用方式，节能环保，不局限于受理方向和方式，具有很强的抗冲击能力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的整体剖视图。

图3是本发明的整体俯视图。

图4是本发明风能波浪能发电单元的剖视图。

图5是本发明海流能组合发电单元的剖视图。

图6是本发明涡激振动能发电单元的剖视图。

图7是本发明涡激振动能补获装置的三维示意图。

图8是本发明涡激振动能补获装置的俯视图。

图9是本发明涡激振动能补获装置后端面的剖视图。

图10是本发明偏振片与曲板组合的三维示意图。

图11是本发明偏振片与曲板组合的剖视图。

图12是本发明偏振片与曲板组合的俯视图。

图13是本发明的风扇的整体结构示意图。

图14是本发明的涡扇的整体结构示意图。

图15是本发明的桩基础的主视图。

附图标记如下：中心磁体1、外支柱2、风能波浪能组合发电系统3、风能波浪能组合发电单元3-1、支撑浮体4、第一中心线圈5、海流能组合发电单元6、风扇型海流能发电单元6-1、吃水线7、桩基础8、支撑杆9、弹簧10、圆杆磁体11、上转轴12、上夹板12-1、下夹板12-2、第二中心线圈13、扇叶14、A滚珠15、阻尼器16、中支柱18、上层连接杆18-1、中层连接板19、下层连接板20、涡叶21、固定环22、下转轴23、圆杆24-1、下支柱24、导向片25、涡激振动能补获装置26、26-3壳体26-1、压电片26-2、曲板26-2-1、导线26-3、定位槽26-4、整流稳压装置26-5、配电箱26-6、偏振片26-7、空心圆柱体26-8、上壳面26-9-1、下壳面26-9-2、后端面26-10、竖直面板26-11、矩形通孔26-12、密封弹性材料26-13、B滚珠27、弧形滑道28、第一凹槽27-1、第二凹槽29、第二槽道30、、第一槽道32、C滚珠33。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，一种海洋能源综合利用的浮式基座一体化发电装置，包括风能波浪能组合发电系统3、海流能组合发电系统6和桩基础8，所述风能波浪能组合发电系统3包括外支柱2和中心磁体1，所述中心磁体1为圆柱体而且垂直贯穿风能波浪能组合发电系统3的外支柱2，所述中心磁柱1下部通过中支柱18和海流能组合发电系统6连接，所述中心磁体1的和所述中支柱18内部相通，

所述中心磁体1为空心圆柱体结构的永磁体，中心磁体内部装有发电机组与储电箱，中心磁体1与下部的空心中支柱18同轴焊连且内部相通，下部中支柱18的横截面积大于上部的中心磁体1，下部中支柱18中安装有发电机和存储电箱。

所述柱基础8位于所述海流能组合发电系统6的下方，所述风能波浪能组合发电系统3位于吃水线7以上，海流能组合发电系统6和桩基础8位于吃水线7以下。

本发明将风能、波浪能、海流能以及涡激振动能完美的结合在一起，充分利用海洋能进行发电。

如图3和图4所示，所述风能波浪能组合发电系统3包括多个风能波浪能组合发电单元3-1沿圆周方向均匀地分布在外支柱2的外侧壁上，图3中采用了四个风能波浪能组合发电单元3-1。每个所述风能波浪能组合发电单元3-1中，所述第一中心线圈5围绕外立柱2设置并附着在内侧壁，第一中心线圈5相对于中心磁体1可进行垂直方向的相对运动。外立柱2的柱体上开有支撑杆9宽度的矩形槽孔，支撑杆9一端通过槽孔与内部的中心磁体1相连，另一端与竖直布置的圆杆磁体11相连，支撑杆9与圆杆磁体11的连接处装有与风扇相连的发电机，弹簧10安装在支撑杆与上夹板12-1之间，用于减轻波浪的震荡冲击。

如图13所示，风扇14的扇叶数量为18片，均匀分布在上转轴12的***，共同形成灯笼结构，实验证明，这种排布方式能够更大效率地利用风能。风扇14的内部与上转轴12固定连接，可带动转轴旋转。圆杆磁体11穿过风扇14并贯穿支撑浮体4，圆杆磁体11的底部固定有与风扇相连的阻尼器16，阻尼器16可减轻装置在垂荡作用下承受的伤害，风扇14与上夹板12-1和下夹板12-2间设有A滚珠15，可减小风扇在自转时与支撑浮体4间的阻力。第二中心线圈13围绕圆杆磁体11设置并附着在上转轴12内侧壁，第二中心线圈13相对于圆杆磁体11可进行垂直方向的相对运动。风能波浪能组合发电系统工作时，波浪带动支撑浮体4进行垂荡运动，从而一方面带动外支柱2内部的第一中心线圈5相对于中心磁体1进行垂直运动，产生大量电能并储存到中心磁体1内部的储电箱中，另一方面带动受到风力影响的风扇14内部的第二中心线圈13相对于圆杆磁体11进行垂直运动，同时与风扇14的转动都将通过发电机转化成电力，实现同时将风能与波浪能转化成电能，并储存至电箱中。

固定系统采用桩基础固定，如图15所示，桩基式主要应用范围广，适用于软质地基上的重型建筑物，并且具有承载力高、沉降量小而较均匀的特点，根据其特点可用于海底固定。三爪式运用到三角形稳定结构，能够承受更大的冲击力。

如图5所示，所述海流能组合发电系统包括多个沿圆周方向均匀地分布在固定在桩基础8上中支柱18外侧壁海流能组合发电单元6，每个所述海流能组合发电单元6从上到下依次为与所述中立柱固定连接的水平设置的上层连接杆18-1、中层连接板19和下层连接板20，所述上层连接杆18-1和中层连接板19之间设有风扇型海流能发电单元6-1，所述中层连接板19和下层连接板20之间设有涡激振动能补获装置26。

每个所述风扇型海流能发电单元6-1包括下转轴23和涡叶21，如图14所示，所述海流能发电单元的涡叶21数量为多片，均匀分布在下转轴23的***，共同形成漩涡结构，所述涡叶21通过固定环22与下转轴23固定连接，所述固定环22固定套设在下转轴23上，所述上转轴23为空心圆柱体，套设安装在设有顶端和底端分别和上层连接杆18-1、中层固定板19都固定连接的圆杆24-1上，所述上转轴23能够围绕圆杆24-1转动。风扇型海流能发电单元6-1进行工作时，涡叶21在海流的冲击作用下，进行顺时针或逆时针的旋转，通过固定环22带动下转轴23的转动，并结合中支柱18内的发电机，实现水流的发电。

所述涡激振动能补获装置26包括下支柱24、壳体26-1、偏振片26-7、压电片26-2、曲板26-2-1、导向片25、空心圆柱体26-8，壳体26-1由上壳面26-9 -1、下壳面26-9-2和后端面26-10组成，安装在下支柱24的外侧。壳体26-1的上壳面26-9 -1、下壳面26-9-2设有对应的弧形滑道28。偏振片26-7的上下两端分别嵌入弧形滑道28中，偏振片26-7可沿着弧形滑道摆动，如图8所示。

压电片26-2与曲板26-2-1均由弹性模量较小的柔性压电陶瓷材料制成，在其表面包覆有密封弹性材料26-13。如图6所示，压电片26-2的两端分别连接曲板26-2-1和壳体26-1后端面26-10的竖直面板26-11，压电片的一端通过竖直面板26-11上开设的定位槽26-4进行固定，另一端与曲板连接固定，与竖直面板26-11连接的一端在密封弹性材料26-13和压电片13之间夹置有导电铜片26-2-2，导电铜片26-2-2通过导线26-3依次连接位于下支柱24中的整流稳压装置26-5和配电箱26-6，曲板26-2-1上的弧形孔31内开有第一槽道32，同时偏振片26-7上也开有同样宽度的槽第二道30，四个滚珠33分别位于曲板26-2-1与偏振片26-7组合槽道内，如图11和图12所示。

所述后端面26-10是由一个位于中间位置且竖直连接上下壳面26-9的竖直面板26-11构成，竖直面板26-11的两侧为不封闭的矩形通孔26-12，供水流穿过，保证水流速度不会降低，如图9所示。壳体26-1的上壳面26-9 -1、下壳面26-9-2的前部设有与下支柱24直径相同的圆形孔29-1可供下支柱24竖直穿过，下支柱24与圆形孔29-1配合的一周设有第一凹槽27-1，圆形孔的侧壁同样设有第二凹槽29，第一凹槽27-1和第二凹槽29结合可供B滚珠27在其内部滚动，利用B滚珠27将壳体26-1和下支柱24活性连接使壳体26-1绕桩基础圆周运动，进行摆动。

空心圆柱体26-8上端与壳体上壳面的圆形孔同轴且与壳体上壳面竖直固定连接，同时穿过下壳面与下部的导向片25固定连接，即能实现导向片在海流的带动下改变自身方向的同时改变整个涡激振动能补获装置26的方向，使得涡激振动能捕获装置始终位于水流方向正下游，提高涡激振动能捕获效率。

涡激振动能补获装置26进行工作时当水流经过下支柱24时，形成固定频率的交替泄放的漩涡，该漩涡流经空心圆柱体26-8进入壳体26-1内，引起偏振片26-7的涡激共振，由于尾流驰振效应，偏振片26-7的振动幅度会进一步得到加强。通过调节振片26-7厚度、密度和曲板26-2-1的弯曲程度及其材料的弹性模量，可以调节偏振片26-7的固有频率，当偏振片26-7的固有频率和脱涡频率相等时，此时偏振片的振动幅度最大。偏振片26-7在沿着弧形滑道28摆动时，由于曲板的弧形形状，使得弧形曲板26-2-1发生形变，同时带动后方连接的压电片26-2发生弯曲变形，由于压电效应，使机械能直接转换为电能，连接导电铜片26-2-2的导线26-3将该部分电能输送到整流稳压装置26-5，将该部分电能的电流形式转换为直流电在输送到配电箱26-6；配电箱26-6可通过拉线，将电能储存至中支柱18的储存电箱中。

在涡激振动能补获装置设计阶段，可根据具体的应用情况，考虑包括水流流速流向、支柱直径等参数，通过仿真模拟，选择合适的偏振片的受力弧度、材料、密度和曲板的材料、密度和弯曲弧度，以使得偏振片的振动幅度能保持在较大范围内，提高发电量。本发明可根据实际情况，在涡激振动能捕获装置内连接多个压电片26-2，在竖直面板26-11上开设相应数目的定位槽26-4，并将压电片26-2两端分别嵌于竖直面板26-11内定位槽26-4和与曲板26-2-1相固定。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。