一种基于多能互补的多产业融合浮式装备

技术领域

本发明涉及海洋可再生能源发电技术和海洋产业开发技术，特别是涉及一种基于多能互补的多产业融合浮式装备。

背景技术

随着全球能源、资源和环境问题的突出，特别是全球气候变化日趋明显，亟需加快能源绿色低碳转型，海洋能源利用迎来了发展契机。海洋能源包括海风、波浪、太阳辐射等。其中应用最为成熟的当属风能，海上风能资源丰富，发展前景广阔。波浪运动蕴藏着巨大的能量，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。此外，相比陆地光伏，海上光伏土地占用少，发电量却高出5％-10％，原因是水面开阔无遮挡，日照时间长且有水面反射光。

虽然海洋可再生能源拥有无限的前景，但传统的单一能源形式的海洋可再生能源装备的建造和运维成本高，并且海洋可再生能源输送和消纳难度大。而深远海养殖、海上制氢、甲烷甲醇合成等新兴海洋产业的开发还面临能源供应不充足和使用的海洋平台不可靠的问题。因此，业界亟待开发出一种结构简单、耐波性好、安全性高、适用水域广、经济性好的基于多能互补的多产业融合浮式装备，既可以有效地利用海上可再生能源，又可以解决海洋产业的能源供应、空间利用问题，对我国海洋资源更高效、更合理的开发利用有着重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的在于解决上述问题，提供一种基于多能互补的多产业融合浮式装备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于多能互补的多产业融合浮式装备，其包括浮式基础、大兆瓦水平轴风力发电机组、塔筒、太阳能光伏板、振荡浮子式波浪能装置、养殖网箱、生产生活设施和系泊系统；所述浮式基础用于支撑上部结构，所述浮式基础包括长方形的浮筒、舭龙骨、主立柱、次立柱、主梁、次梁、下甲板、层间柱、层间梁和上甲板；所述舭龙骨设置在所述浮筒的长边的外侧且远离所述浮式基础的横摇中心；所述主立柱和所述次立柱均设置在所述浮筒和所述主梁之间，用于支撑所述主梁，所述次梁布置在所述主梁上部，所述主梁和所述次梁共同组成一个稳固的空间框架，所述下甲板设置于所述空间框架上部；所述层间柱设置在所述下甲板上方，用于支撑所述层间梁，所述上甲板布置在所述层间梁上；所述大兆瓦水平轴风力发电机组通过所述塔筒偏置于所述浮式基础船首对应的短边中点，用于风力发电；所述太阳能光伏板布置于所述上甲板上，用于光伏发电；所述振荡浮子式波浪能装置布设在所述浮筒和所述主梁之间并位于养殖网箱外围，用于波浪能发电；所述养殖网箱布设在所述下甲板下方，在所述浮式基础的镂空区域形成至少一个养殖空间以进行渔业养殖；所述生产生活设施位于所述下甲板上；所述系泊系统连接在所述浮式基础上，用于将所述浮式基础与海床连接，以约束其水平运动。

本发明的基于多能互补的多产业融合浮式装备(以下也简称为“浮式装备”)至少具有如下有益效果：

(1)本发明的浮式基础属于半潜基础，耐波性好，安全性高，适用性广，经济性好，适应水深范围大，有效荷载大，由于浮筒类似双体船，拥有较长的舭部，因此在浮筒上设置的舭龙骨可以降低浮式装备的横摇响应，本发明提供了一种可靠的海洋平台。

(2)本发明的浮式基础内部拥有巨大的空间，通过设置养殖网箱可进行深远海渔业养殖。

(3)本发明的浮式基础的浮筒和主梁之间的超长空间用以布设振荡浮子式波浪能装置。振荡浮子式波浪能装置在利用波浪能进行发电的同时，可以降低入射波浪的能量，减小波浪对养殖网箱内部鱼类生活的影响。另外，振荡浮子式波浪能装置安装在养殖网箱的外侧也方便后期维护。

(4)本发明的浮式基础具有上下甲板。上甲板用来支撑数量多、质量轻的太阳能光伏板，进行太阳能发电，同时，在优选的技术方案中，在上甲板上还设有若干卫星天线用于构建海上通讯基站。下甲板作为生产生活平台，搭配生产生活设施，在优选的技术方案中，例如可在其上进行喂鱼、收鱼、海水淡化、制氢、储氢、甲烷甲醇合成、海上通讯、环境监测以及生活娱乐等活动。另外，在优选的技术方案中，下甲板上还配备了起重机和直升机停机坪用于人员和物资的转运。

(5)在本发明的浮式基础的一侧设有大兆瓦水平轴风力发电机组，方便安装与维护。另外，风力发电可与太阳能、波浪能发电形成多能互补，为生产生活设施提供能源供给。

(6)在优选的方案中，本发明的喂收鱼模块在收鱼的同时也会吸收大量的海水至下甲板上，可将分离鱼后的海水直接用于电解水制氢，减小额外抽水的功耗。

(7)在优选的方案中，本发明的化学储能模块中的电解制氢系统产生的氧气可用于在养殖网箱中氧气不足时(如阴雨闷热天气时)进行增氧，减小养殖损失。

(8)在优选的方案中，由于本发明中的太阳能光伏板和振荡浮子式波浪能装置比大兆瓦水平轴风力发电机组的发电功率小，可将其产生的电能用于浮式基础和系泊系统的外加电流阴极防腐。

(9)在优选的方案中，可通过增大系泊锚链的配重块重量、躺地段长度等措施来增大系泊的回复刚度，以增强系泊系统对浮式装备运动的约束。

附图说明

图1是本发明优选实施例的浮式装备的立体图；

图2是本发明优选实施例的浮式装备的正视图；

图3是本发明优选实施例的浮式装备的侧视图；

图4是本发明优选实施例的浮式装备的俯视图；

图5是本发明优选实施例的浮式装备的下甲板上的设施示意图；

图6是本发明优选实施例的浮式装备去掉上甲板及其上部结构后的立体结构示意图；

图7是本发明优选实施例的浮式装备去掉下甲板及其上部结构后的立体结构示意图；

图8是本发明优选实施例的浮式装备去掉浮筒上部结构后的立体结构示意图；

附图标记说明如下：

1-浮筒、2-舭龙骨、3-主立柱、4-次立柱、5-主梁、6-次梁、7-下甲板、8-层间柱、9-层间梁、10-上甲板、11-塔筒、12-太阳能光伏板、13-水平轴风力发电机组、14-振荡浮子式波浪能装置、15-养殖网箱、16-中控储电模块、17-环境监测模块、18-海上通讯模块、19-生活娱乐模块、20-仓储模块、21-喂收鱼模块、22-化学储能模块、23-转运模块、24-卫星天线、25-系泊系统；

2101-喂收操作间、2102-辅助鱼池、2103-成鱼装箱系统；

2201-抽水管道、2202-海水过滤系统、2203-海水淡化系统、2204-淡水蓄水池、2205-电解制氢系统、2206-甲烷甲醇合成车间、2207-大型临时储罐、2208-后处理系统；

2301-起重机、2302-直升机停机坪；

2501-锚链、2502-配重。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

由于目前的传统的单一能源形式的海洋可再生能源装备的建造和运维成本高，并且海洋可再生能源输送和消纳难度大，而深远海养殖、海上制氢、甲烷甲醇合成等新兴海洋产业的开发需要充足的能源供应和可靠的海洋平台，因此可将海洋可再生能源与养殖、制氢、甲烷甲醇合成这些产业相结合，产生更多的经济价值的同时极大降低了投入成本。

为此，如图1-8所示，本发明具体实施方式提供一种基于多能互补的多产业融合浮式装备，浮式基础、大兆瓦水平轴风力发电机组13、塔筒11、太阳能光伏板12、振荡浮子式波浪能装置14、养殖网箱15、生产生活设施和系泊系统25；所述浮式基础用于支撑上部结构，所述浮式基础包括长方形的浮筒1、舭龙骨2、主立柱3、次立柱4、主梁5、次梁6、下甲板7、层间柱8、层间梁9和上甲板10；舭龙骨2设置在浮筒1的长边的外侧且远离浮式基础的横摇中心；主立柱3和次立柱4均设置在浮筒1和主梁5之间，用于支撑主梁5，次梁6布置在主梁5上部，主梁5和次梁6共同组成一个稳固的空间框架，下甲板7设置于空间框架上部；层间柱8设置在下甲板7上方，用于支撑层间梁9，上甲板10布置在层间梁9上；大兆瓦水平轴风力发电机组13通过塔筒11偏置于浮式基础船首对应的短边中点，用于风力发电；太阳能光伏板12布置于浮式基础的上甲板10之上，用于光伏发电；振荡浮子式波浪能装置14布设在浮式基础四周的浮筒1和主梁5之间并位于养殖网箱15外围，用于波浪能发电；所述养殖网箱15布设在所述下甲板7下方，在所述浮式基础的镂空区域形成至少一个养殖空间以进行渔业养殖；生产生活设施位于下甲板7上；系泊系统25连接在浮式基础上，用于将浮式基础与海床连接，以约束其水平运动。

其中，大兆瓦水平轴风力发电机组通常是指的20兆瓦以上的水平轴风力发电机组。

本发明实施例提供了一种可靠的海洋平台，其既可以有效地利用海上可再生能源，又可以解决海洋产业的能源供应、空间利用问题，对我国海洋资源更高效、更合理地开发利用有着重要的意义。

在优选的实施例中，参考图8，浮筒1为“日”字型，优选地，“日”字型浮筒的两条长边对应的截面宽度大于三条短边对应的截面宽度，从而增大横摇惯量和回复刚度；舭龙骨2设置在浮筒1长边的外侧且远离浮式基础的横摇中心，用于减小浮式装备的横摇运动；优选地，舭龙骨2的长度为浮筒长边的1/24-3/4，宽度为0.5米至2米。

在优选的实施例中，如图1-8所示，主立柱3直径大于次立柱4直径，主立柱3共有9根，包括四根角主立柱、四根边主立柱和一根中心主立柱，四根角主立柱分别位于“日”字型浮筒1的四个顶点，四根边主立柱分别位于“日”字型浮筒1的四条边的中点，中心主立柱位于“日”字型浮筒1的几何中心(即中心主立柱位于“日”字型浮筒1的中心的短边的中点上)；优选地，“日”字型浮筒1的长边上的相邻两根主立柱3之间布置两根次立柱4，“日”字型浮筒1短边上的相邻两根主立柱3之间布置一根次立柱4，由此，本优选实施例中，共布置有12根次立柱4，为均匀间隔布置。

在优选的实施例中，参考图7，主梁5为“田”字型，包括组成“口”字型的边主梁和组成“十”字型的中主梁，它们均落在主立柱3之上；次梁6在水平面上垂直于浮筒1的长边，并均匀布置在主梁5上部(即次梁6之间相互平行，且与浮筒1的短边平行)，主梁5和次梁6共同组成一个稳固的空间框架；下甲板7设置于该空间框架上部(下甲板7固接于次梁6上)，用于布置生产生活设施；下甲板7上方均匀布置有层间柱8，用于支撑层间梁9；层间柱8的直径小于次立柱4。除了靠近塔筒11的两个相邻的横向的层间柱外，在每两根纵向和横向相邻的所述层间柱上均布置有所述层间梁9(即，如图6所示，靠近塔筒11的两个相邻的横向的层间柱之间未连接层间梁，也即靠近塔筒11的横向的层间梁9因塔筒11阻隔而不贯通)，形成一个平面框架，所述上甲板10布置在该平面框架上。

如图6所示，在优选的实施例中，层间柱8与船尾保持预定距离，以为生产生活设施提供充足的操作空间；所述上甲板10与船尾也保持预定距离，以为生产生活设施提供充足的操作空间。

在优选的实施例中，塔筒11的底部位于船首的边主立柱上，贯穿上甲板10和下甲板7，并与该处的主梁5、次梁6固接，用于支撑大兆瓦水平轴风力发电机组13，方便前期吊装与后期运维。

在优选的实施例中，太阳能光伏板12包括支架和光伏板两个部分，均匀布置在上甲板10上。

在优选的实施例中，在每个次立柱4上均安装有一台振荡浮子式波浪能装置14，该振荡浮子式波浪能装置14位于水线面附近，依靠重力势波浪能沿着次立柱4的柱身做升沉运动；由于次立柱4位于浮式基础四周外侧，方便振荡浮子式波浪能装置14的后期运维；优选地，振荡浮子式波浪能装置14可根据海域波浪的卓越周期变化来调整其固有运动周期，实现和波浪共振以最大化运动并发电。

在优选的实施例中，养殖网箱15包括侧面网衣和底面网衣，侧面网衣的底部固定在浮筒1的内侧，侧面网衣的顶部固定在边主梁的内侧，侧面网衣沿高度固定在四根角主立柱和四根边主立柱的柱身上，底面网衣设置在浮筒1的底面，由此在浮式基础的镂空区域形成至少一个围栏养殖空间以进行渔业养殖。

基于上述多种清洁能源，可在浮式基础的下甲板7上进行喂鱼、收鱼、海水淡化、制氢、储氢、甲烷甲醇合成、海上通讯、环境监测以及生活娱乐等活动。结合图5所示，在优选的实施例中，生产生活设施包括八个模块，分别为：中控储电模块16、环境监测模块17、海上通讯模块18、生活娱乐模块19、仓储模块20、喂收鱼模块21、化学储能模块22和转运模块23，优选地，太阳能光伏板12和塔筒11之间的上甲板10上预留有一定的空间，用来布置卫星天线24，卫星天线24与海上通讯模块18通信连接。

在优选的实施例中，下甲板上的中控储电模块16用于整个浮式装备的电力的调配和存储，中控储电模块16的输入端通过电缆分别与大兆瓦水平轴风力发电机组13、振荡浮子式波浪能装置14和太阳能光伏板12的输出端连接，接收发电装置产生的电能，调整电压后，中控储电模块16的输出端通过电缆分别与其余七个模块的输入端连接，进行电力的输送，优选地，中控储电模块16中还包括储能器件(如蓄电池组)，中控储电模块16的输出端还与储能器件进行连接以用于将电能储存在所述储能器件中。例如，在用电高峰时，中控储电模块16可将全部电能直接分配给其他七个模块进行生产生活；在用电低峰时，则可将多余电能储存在中控储电模块16的蓄电池组等储能器件中。

在优选的实施例中，下甲板7上的环境监测模块17用于对海洋环境要素和/或海洋化学要素进行实时的长期的监测，并及时将监测数据保存下来进行处理和分析或通过所述海上通讯模块上传至陆地，例如，环境监测模块17可以通过配备相应的海洋监测仪器和传感器，对海洋环境要素(如水温、盐度、海流、波浪、海风等)和/或海洋化学要素(如溶解氧、总碱度、总磷、总氮、总碳等)进行实时的长期的监测，并及时将监测数据保存下来进行处理和分析或通过海上通讯模块18上传至陆地。

在优选的实施例中，下甲板上7的海上通讯模块18主要包括通信设备、独立电源系统、空调设备和其他配套设备，独立电源系统与上甲板上的卫星天线24共同构成海上通讯基站，独立电源系统确保在突发断电事件下，为海上通讯模块18长时间供电。

在优选的实施例中，下甲板7上的生活娱乐模块19可为工作人员提供生活娱乐所需的场地和设施，例如为工作人员提供食宿、运动、休闲、就医的场地和设施。

在优选的实施例中，下甲板7上的仓储模块20用于储存生产生活所需的物资，例如可以用于储存淡水、粮食、蔬菜、水果等生活所需的物资，还有各种用于应急抢修的备品、备件等。

在优选的实施例中，下甲板7上的喂收鱼模块21用于投喂和收鱼，优选地，喂收鱼模块21包括喂收操作间2101、辅助鱼池2102和成鱼装箱系统2103，喂收操作间2101设有多台自动投喂机和吸鱼泵，可实现快速投喂和收鱼，可将收集的鱼临时安置在一旁的辅助鱼池2102，最后通过成鱼装箱系统2103进行装箱备运。

在优选的实施例中，下甲板7上的化学储能模块22包括海水制氢和甲烷甲醇合成设施，用于利用海上可再生能源制造氢气、甲烷和甲醇等清洁能源。优选地，化学储能模块包括抽水管道2201、海水过滤系统2202、海水淡化系统2203、淡水蓄水池2204、电解制氢系统2205、甲烷甲醇合成车间2206、大型临时储罐2207和后处理系统2208。抽水管道2201与海水过滤系统2202连接，用于抽取海水并将其送至海水过滤系统2202过滤；海水过滤系统2202与海水淡化系统2203连接，用于过滤海水并将其送入海水淡化系统2203进行淡化；海水淡化系统2203与淡水蓄水池2204连接，用于淡化海水并将其送入淡水蓄水池2204；淡水蓄水池2204与电解制氢系统2205连接，用于存储淡化后的海水并将其送入电解制氢系统2205内对过滤后的淡水进行电解制氢，产生氢气和氧气；电解制氢系统2205分别与甲烷甲醇合成车间2206和大型临时储罐2207连接，用于将电解水产生的部分氢气输送到甲烷甲醇合成车间2206内合成甲烷和甲醇，氧气和另一部分氢气输送到大型临时储罐2207分别存储；甲烷甲醇合成车间2206与大型临时储罐2207连接，用于将产生的甲烷和甲醇输送到大型临时储罐2207分别存储；后处理系统2208与大型临时储罐2207连接，用于对各化工气体(在一个应用例中，目标物为上述气体)进行分离、纯化、加压或液化，进行封装外运。

在优选的实施例中，下甲板7上的转运模块23上设有起重机2301和直升机停机坪2302，用于人员和物资的转运。

在优选的实施例中，参考图8，系泊系统25为悬链式，将浮式基础与海床连接以约束其水平运动；优选地，采用八根系泊锚链2501连接浮式基础，四根系泊锚链2501位于浮式基础的顶点，另四根系泊锚链2501分别位于船首、船尾、左舷、右舷的中点；每根系泊锚链2501的导缆孔可布设在“日”字型浮筒1的底部或主立柱3的柱身上；每根锚链2501起始躺地段附近设有若干配重2502，以增大系泊系统的回复刚度。

综上所述，本发明具体实施方式提供了一种基于多能互补的多产业融合浮式装备，该浮式装备属于半潜结构(其中，浮筒全部位于海面以下，主立柱和次立柱的一部分位于海面以下，另一部分位于海面以上)，耐波性好，安全性高，适应水深范围大，经济性好，有效荷载大，可利用多能互补发电进行深海养殖、分解反应和化学储能等，是一种可靠的海洋平台。本发明实施例对海上风场、波浪场及太阳能空间利用率高，发电量大且互为补充，降低了度电成本，各发电设施方便安装与维护；同时解决了海上渔业养殖用电难题，巧妙地利用海上清洁能源制备绿色氢气、甲烷和甲醇等，为海洋可再生清洁能源的消纳问题提供一条思路，达到充分利用海洋资源的目的并推动海洋资源的可持续发展。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。