一种越浪式储能发电与扰流防护系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及海洋风电装备技术领域，具体涉及一种越浪式储能发电与扰流防护系统及其使用方法。

背景技术

风力发电在我国已经广泛采用，除了陆地之外海洋中也安装了风力发电设备，与陆地相比较，风电塔筒的底座安装在海洋底部，风电塔筒处于海水中。风电塔筒临近海面以上的部分会受到海浪的连续冲击，形成一段浪溅区，海浪冲击力大并沿风电塔筒的侧壁向上延伸，增加对风电塔筒的腐蚀面积，降低其使用寿命。

另外，现有技术对于波浪能的利用效率低，在海上风力较小的情况下，风力发电供给不足、电能输出不稳定，需要开发对波浪能的利用，与风力发电相结合，实现电力的稳定输出成为亟待解决的课题。

风电塔筒下方的桩基埋于海床上的泥沙中，海水对流会对桩基周围产生漩涡，由上往下流动的海水会对风电塔筒周边的泥沙冲刷迁移，形成环状的冲刷坑，导致风电塔筒埋深变浅，存在较大隐患。因此，现有技术需要进一步改进和提高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种越浪式储能发电与扰流防护系统，解决海浪对风电塔筒冲击高度较高，海水对风电塔筒腐蚀降低其寿命，以及海洋波浪能利用效率低的问题，以及海水对风电塔筒周边的泥沙冲刷迁移，形成环状的冲刷坑，导致风电塔筒埋深变浅，存在较大隐患的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种越浪式储能发电与扰流防护系统，包括环形收集槽、储水装置、水轮发电机、电控单元及套设于风电塔筒外侧的越浪反射体，越浪反射体由斜坡段和位于斜坡段上方的反弧段相连成的一体结构。

所述斜坡段为上细下粗的锥台结构，反弧段的侧壁具有环形凹槽，越浪反射体与风电塔筒的侧壁竖向滑动配合。

所述环形收集槽设置在越浪反射体的上部外侧，具有与反弧段相匹配且顶部敞口的环形腔，所述环形收集槽是由耐腐蚀材料制成的。

所述储水装置位于环形收集槽的上方，储水装置固定于风电塔筒上，所述储水装置通过抽水装置与环形收集槽相连，所述储水装置是由耐腐蚀材料制成的。

另外，储水装置和环形收集槽均与水轮发电机的入水口管路连接，水轮发电机的电力输出端可与输电网相连。

所述风电塔筒位于越浪反射体下方的部分设有扰流防护装置，扰流防护装置的上表面设有水流传感器，扰流防护装置具有进水口，进水口与储水装置的内部管路连接，所述扰流防护装置的上表面具有与进水口相通的多个射流口。

进一步地，所述越浪反射体由轻质材料制成的，具有沿其轴向开设的中心通孔，越浪反射体的内侧通过直线轴承与风电塔筒活动相连。

直线轴承的内圈与风电塔筒的外壁固定相连，其外圈与越浪反射体的中心通孔侧壁固定相连。

进一步地，所述环形凹槽的横截面为半圆形，环形收集槽与越浪反射体同轴相对布置，环形收集槽的内侧壁通过呈环形布置的至少两个L形杆与越浪反射体的顶部固定相连。

进一步地，储水装置包括环形结构的储水箱以及设置在储水箱下方的托架，储水箱套设在风电塔筒的外侧，其内侧壁与风电塔筒的外侧壁固定相连。

托架包括法兰座及若干根二力杆，法兰座抱紧在风电塔筒的外侧壁上，所有二力杆呈环形均匀布置在法兰座与储水箱之间，各二力杆的一端与法兰座铰接，另一端与储水箱的底部铰接。

进一步地，抽水装置包括抽水泵及柔性抽水管，所述抽水泵的安装在储水装置内，抽水泵的信号端与电控单元通讯相连。

柔性抽水管的一端与抽水泵的入口相连，另一端伸至环形收集槽内侧并通过管夹固定在环形收集槽上。

进一步地，水轮发电机设置在环形收集槽的下方，通过第一输水管与水轮发电机的入水口相连相通，所述储水箱通过第二输水管与水轮发电机的入水口相连相通。

所述第一输水管上设有第一电磁阀，第二输水管上设有第二电磁阀，第一、第二电磁阀的信号端与电控单元通讯相连。

进一步地，扰流防护装置包括固定套设在风电塔筒外部的环形扰流板，进水口开设在环形扰流板的上表面，环形扰流板的内部具有环形空腔，射流口位于环形扰流板的上表面，通过环形空腔与进水口相通。

进一步地，扰流防护装置有多个，且呈环形均匀设置在风电塔筒的外部，包括躯干和翅形叶片，躯干沿风电塔筒截面的法线方向布置，并与风电塔筒的外壁固定相连。

所述翅形叶片有两个，对称布置在躯干的两侧，并与躯干转动密封配合，躯干与翅形叶片的连接处设有扭力弹簧，无外力作用下，翅形叶片保持水平状态。

翅形叶片的上表面具有至少一个所述射流口，躯干的内部具有空腔，进水口位于躯干的顶部，通过其内部的空腔与射流口相通。

本发明的另一个目的在于提出上述一种越浪式储能发电与扰流防护系统的使用方法。

一种越浪式储能发电与扰流防护系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，进行设备安装、调试，将越浪反射体安装在风电塔筒的外部，调节环形收集槽相对于反弧段的高度，并将其与越浪反射体固定相连。

在环形收集槽的上方安装储水装置，储水装置通过抽水装置与环形收集槽相连，安装水轮发电机并将其入水口分别与储水装置和环形收集槽管路连接，将水轮发电机的电力输出端与输电网相连。

步骤二，海浪冲击越浪反射体下部的斜坡段，并沿斜坡段的侧壁上升到达反弧段，进入反弧段的环形凹槽后，水头向外侧反冲进入环形收集槽，海水经过反弧段后进入环形收集槽的内部，环形收集槽持续收集海水。

步骤三，用电低谷时，启动抽水装置，抽水装置将环形收集槽的海水泵送至储水装置内，储水装置及环形收集槽内的海水进入水轮发电机，并驱动水轮发电机的叶片转动，水轮发电机将电能送至输电网。

进一步地，越浪反射体随海水面的变化升降，越浪反射体的下端始终保持在海水面的下方。

用电低谷的情况下，水轮发电机不工作，抽水装置将环形收集槽持续抽入储水装置进行储能。

用电高峰时，储水装置及环形收集槽内的海水进入水轮发电机并驱动其供电，水轮发电机向输电网供电，以补偿风力发电不足的情况，保持对输电网持续供电。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明加装在风电塔筒的外部，越浪反射体的反弧段降低了海浪的冲击高度，并反冲进入环形收集槽内收集储能，反弧段的设置避免浪溅区金属腐蚀，提高了波浪能的利用率。波浪能与风电融合进行抽水储能，通过对海浪连续储能并转化成电能，与风电相结合实现电能的稳定输出。本发明通过喷射反弧式越浪装置收集的海水对桩基周围产生的漩涡进行消耗，降低漩涡引起的泥沙迁移而限制冲刷坑的发展。

附图说明

图1是本发明第一种实现方式的结构示意图。

图2是本发明第一种实现方式的剖视结构示意图。

图3是图1中本发明A-A视向的剖面结构图。

图4是本发明第二种实现方式的结构示意图。

图5是本发明第二种实现方式的剖视结构示意图。

图6是图4中本发明B-B视向的剖面结构图。

图7是图4中本发明C部分的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例1，结合图1至图3，一种越浪式储能发电与扰流防护系统，包括环形收集槽1、储水装置2、水轮发电机3、电控单元及套设于风电塔筒10外侧的越浪反射体4，越浪反射体4由斜坡段41和位于斜坡段41上方的反弧段42相连成的一体结构。所述越浪反射体4由轻质材料制成的，具有沿其轴向开设的中心通孔，越浪反射体4的内侧通过直线轴承与风电塔筒10活动相连。为了便于安装本发明的越浪反射体4优选采用分体式结构，即由沿其轴线剖开的两部分组成，安装过程中，分体的两部分相邻处通过螺栓固定相连。

所述斜坡段41为上细下粗的锥台结构，反弧段42的侧壁具有环形凹槽421，越浪反射体4与风电塔筒10的侧壁竖向滑动配合。具体地，所述环形凹槽421的横截面为半圆形，环形收集槽1与越浪反射体4同轴相对布置直线轴承101的内圈与风电塔筒10的外壁固定相连，其外圈与越浪反射体4的中心通孔侧壁固定相连。由于越浪反射体4自身具有一定的浮力，会随着海水涨潮或退潮沿风电塔筒10上下浮动，以保持其下端始终处于海平面以下。

所述环形收集槽1设置在越浪反射体4的上部外侧，具有与反弧段42相匹配的顶部敞口的环形腔12，环形腔12靠近风电塔筒10一侧的内侧壁为倾斜状，环形腔12远离风电塔筒10一侧的内侧壁竖直结构，更有利于收集经越浪反射体4进入海水。环形收集槽1的内侧壁通过呈环形布置的多个L形杆与越浪反射体4的顶部固定相连，多个L形杆组成一个环形结构的托架，用于越浪反射体4与环形收集槽1之间刚性连接，环形收集槽1随越浪反射体4同步运动。

由于越浪反射体4的下端处于海平面以下，海浪冲击越浪反射体4的侧面并沿越浪反射体4向上冲击，进入反弧段42侧面的环形凹槽421时，海浪进入环形凹槽421的上半部分后向外侧反冲，能够阻止海浪继续向上冲击风电塔筒10，减小海浪的冲击高度，有效减小风电塔筒10受到海水的腐蚀，保护风电塔筒10并延长其使用寿命。环形收集槽1始终保持与越浪反射体4相同高度，使经过环形凹槽421反冲后的海水进入环形收集槽1内，并在环形收集槽1连续收集海水。

所述储水装置2位于环形收集槽1的上方，储水装置2固定于风电塔筒10上，所述储水装置2通过抽水装置与环形收集槽1相连。具体地，储水装置2包括环形结构的储水箱21以及设置在储水箱21下方的托架22，储水箱21套设在风电塔筒10的外侧，其内侧壁与风电塔筒10的外侧壁固定相连。

托架22包括法兰座及若干根二力杆，法兰座抱紧在风电塔筒10的外侧壁上，所有二力杆呈环形均匀布置在法兰座与储水箱21之间，各二力杆的一端与法兰座铰接，另一端与储水箱21的底部铰接。

抽水装置包括抽水泵51及柔性抽水管52，所述抽水泵51的安装在储水装置2内，抽水泵51的信号端与电控单元通讯相连。柔性抽水管52的一端与抽水泵51的入口相连，另一端伸至环形收集槽1内侧并通过管夹固定在环形收集槽1上，柔性抽水管52的竖直部分采用柔性结构，以适应环形收集槽1与储水装置2之间的距离变化，使柔性抽水管52的下端始终保持在环形收集槽1的环形腔12内，将环形腔12的海水抽入储水装置2内进行储存。海水经过反弧段42连续不断进入环形收集槽1，由于环形收集槽1内侧的环形腔12空间有限，需要增加储水装置2储存更多的海水。

另外，储水装置2和环形收集槽1均与水轮发电机3的入水口管路连接，水轮发电机3的电力输出端可与输电网相连。水轮发电机3设置在环形收集槽1的下方，通过第一输水管61与水轮发电机3的入水口相连相通，所述储水箱21通过第二输水管62与水轮发电机3的入水口相连相通，所述第一输水管61和第二输水管62的竖直部分采用软管以适用于环形收集槽1的上下运动，始终保持第一输水管61和第二输水管62与水轮发电机3之间不脱开。

尤其需要说明的一点，水轮发电机3的外部设置有浮体外壳，浮体外壳将水轮发电机3密封在其内部，防止海水腐蚀，水轮发电机3可通过安装在海床上的支架固定在海面以上，也可以选择通过钢索与海床连接在一起，水轮发电机3外部的浮体外壳漂浮在海面上，有由于水轮发电机3通过钢索与海床连接，带有浮体外壳的水轮发电机3仅可在一定区域内漂浮，是适应潮汐变化。

所述第一输水管61上设有第一电磁阀，第二输水管62上设有第二电磁阀，第一、第二电磁阀的信号端与电控单元通讯相连。电控单元采用现有技术已有的电控单元，其控制抽水泵51及第一输水管61、第二输水管62的开启与关闭，根据实际情况控制水轮发电机3的工况，实现发电和供电以补充在无风状态下风电供给不足的状况。

所述风电塔筒10位于越浪反射体4下方的部分设有扰流防护装置，扰流防护装置的上表面设有水流传感器，扰流防护装置具有进水口103，进水口103与储水装置的内部管路连接，所述扰流防护装置的上表面具有与进水口103相通的多个射流口102。

具体地，扰流防护装置包括固定套设在风电塔筒10外部的环形扰流板81，环形扰流板81的底部通过连接体82与风电塔筒10的外侧壁固定相连，水流传感器安装在环形扰流板81上表面靠近边缘的位置，其信号端与电控单元通讯连接。进水口103位于环形扰流板81的上表面，环形扰流板81的内部具有环形空腔811，射流口102位于环形扰流板81的上表面，通过环形空腔811与进水口相通，进水口103通第一管路83与储水箱21的内部相连相通。

水流传感器监控到风电塔筒10周边海水向下的流速达到设定值时，向电控单元发出信号，电控单元控制第一管路83上的阀门开启，由储水箱21通过第一管路83向环形扰流板81内的环形空腔811供水，由于环形空腔811内部与储水箱21存在较大的压差，环形空腔811内的水通过射流口102向上喷射，与外部向下流动的海水对流，形成对外部海水的扰流，与环形扰流板81的阻挡作用一起极大削弱海水对桩基周围泥沙的冲击力，避免冲走泥沙形成冲刷坑。

实施例2，结合图3至图7，实施例2公开的一种越浪式储能发电与扰流防护系统的结构及工作原理与实施例1的结构及工作原理大致相同，区别在于实施例2的储水箱21的一侧设置有另一套抽水装置，另一套抽水装置包括潜水泵及送水管7，所述潜水泵安装在储水箱21上，送水管7采用柔性管体，其上端口与潜水泵相连，下端始终处于海面一下，保证随时都可以将海水抽入储水箱21内储能。所述潜水泵由风电为其供电，在用电低谷的情况下，将海水通过送水管7抽入储水箱21，将电能转化为势能进行储能，用电高峰时，再将储存的势能通过水轮发电机3转化为电能供给，以补偿风电不稳定的状况，实现电能稳定输出。

另外，实施例2中的扰流防护装置与实施例1中扰流防护装置的结构也有所不同，实施例2中的扰流防护装置有多个，且呈环形均匀设置在风电塔筒的外部。本实施例的扰流防护装置包括躯干91和翅形叶片92，各扰流防护装置的躯干91均沿风电塔筒10截面的法线方向布置，躯干91的底部与风电塔筒10的外侧壁固定相连成一体。

所述翅形叶片92有两个，对称布置在躯干91的两侧，翅形叶片92靠近躯干91的一侧具有两个套环921，两个套环921一前一后布置，躯干91的前后两端分别具有两个环形槽，翅形叶片92前后两侧的套环921分别卡入躯干91的环形槽内，与躯干91转动密封配合。

翅形叶片92的上表面具有三个所述射流口102，躯干91的内部具有空腔，进水口103位于躯干91的顶部，通过其内部的空腔与射流口102相通，进水口103通第二管路95与储水箱21的内部相连相通。翅形叶片92的其中一个套环921内侧具有与其上表面三个射流口102均相通的进水孔922，躯干91环形槽的底部开设有一段与进水孔922对应相通的长圆孔911，环形槽内部位于长圆孔的两侧分别具有密封圈93，翅形叶片92绕躯干91转动时，保证进水孔922始终通过长圆孔与躯干91内部的空腔相通，密封圈93对套环921和环形槽之间转动密封。

翅形叶片92的另一个套环921内侧与其对应的环形槽之间具有扭力弹簧94，扭力弹簧94的一端与翅形叶片92固定相连，另一端与躯干91固定相连。无外力作用下，翅形叶片在扭力弹簧94的作用下保持水平状态。水流传感器97安装在躯干91的前端，其信号输出端与电控单元通讯连接。躯干91的后端靠近风电塔筒10，并安装有尾喷管96，所述尾喷管96的内部与躯干91的空腔相通，躯干91内的高压水可通过尾喷管96喷射。

水流传感器监控到风电塔筒10周边海水向下的流速达到设定值时，向电控单元发出信号，电控单元控制第二管路95上的阀门开启，由储水箱21通过第二管路95向躯干91的空腔内供水，由于躯干91的空腔内部与储水箱21存在较大的压差，躯干91空腔内的高压水通过射流口102向上喷射，同时还经过尾喷管喷射出来对风电塔筒10周边海水起到扰流作用，风电塔筒10周边海水向下冲击下翅形叶片92与扭力弹簧94对翅形叶片92的作用力相结合，实现躯干91两侧的翅形叶片92往复摆动对海水也形成扰流作用，与扰流防护装置喷射出的海水一起削弱海水对桩基周围泥沙的冲击力，避免冲走泥沙形成冲刷坑。

实施例3，结合图1至图7，一种越浪式储能发电与扰流防护系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，进行设备安装、调试，将越浪反射体4安装在风电塔筒10的外部，调节环形收集槽1相对于反弧段42的高度，并将其与越浪反射体4固定相连。

在环形收集槽1的上方安装储水装置2，储水装置2通过抽水装置与环形收集槽1相连，安装水轮发电机3并将其入水口分别与储水装置2和环形收集槽1管路连接，将水轮发电机3的电力输出端与输电网相连。

步骤二，海浪冲击越浪反射体4下部的斜坡段41，并沿斜坡段41的侧壁上升到达反弧段42，进入反弧段42的环形凹槽421后，水头向外侧反冲进入环形收集槽1，海水经过反弧段42后进入环形收集槽1的内部，环形收集槽1持续收集海水。越浪反射体4随海水面的变化升降，越浪反射体4的下端始终保持在海水面的下方。所述环形收集槽1与越浪反射体4同步升降，以保证海水经环形凹槽421连续反冲进入环形收集槽1内。

步骤三，用电低谷时，启动抽水装置，抽水装置将环形收集槽1的海水泵51送至储水装置2内，储水装置2及环形收集槽1内的海水进入水轮发电机3，并驱动水轮发电机3的叶片转动，水轮发电机3将电能送至输电网。用电低谷的情况下，水轮发电机3不工作，抽水装置将环形收集槽1持续抽入储水装置2进行储能。

用电高峰时，储水装置2及环形收集槽1内的海水进入水轮发电机3并驱动其供电，水轮发电机3向输电网供电，以补偿风力发电不足的情况，保持对输电网持续供电。

另外，扰流防护装置上的水流传感器检测到风电塔筒10周边的海水向下的流速达到设置值时，储水装置2内的海水通过进水口103进入扰流防护装置内部，并通过射流口102向上喷射，对外部的海水进行扰流，降低海水向下的流速。

具体地，当扰流防护装置采用实施例1中的结构时，其工作过程如下：水流传感器监控到风电塔筒10周边海水向下的流速达到设定值时，向电控单元发出信号，电控单元控制第一管路83上的阀门开启，由储水箱21通过第一管路83向环形扰流板81内的环形空腔811供水，由于环形空腔811内部与储水箱21存在较大的压差，环形空腔811内的水通过射流口102向上喷射，与外部向下流动的海水对流，形成对外部海水的扰流，与环形扰流板81的阻挡作用一起极大削弱海水对桩基周围泥沙的冲击力，避免冲走泥沙形成冲刷坑。

具体地，当扰流防护装置采用实施例2中的结构时，其工作过程如下：水流传感器监控到风电塔筒10周边海水向下的流速达到设定值时，向电控单元发出信号，电控单元控制第二管路95上的阀门开启，由储水箱21通过第二管路95向躯干91的空腔内供水，由于躯干91的空腔内部与储水箱21存在较大的压差，躯干91空腔内的高压水通过射流口102向上喷射，同时还经过尾喷管喷射出来对风电塔筒10周边海水起到扰流作用，风电塔筒10周边海水向下冲击下翅形叶片92与扭力弹簧94对翅形叶片92的作用力相结合，实现躯干91两侧的翅形叶片92往复摆动对海水也形成扰流作用，与扰流防护装置喷射出的海水一起削弱海水对桩基周围泥沙的冲击力，避免冲走泥沙形成冲刷坑。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。