CN104265569A - 用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机 - Google Patents

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Abstract

一种海上漂浮式风力发电技术领域的用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，包括：浮式双叶风电机、连接于其底部的用于减小整体系统运动幅度、提高系统稳定性的筒形平台和锚泊机构，其中：筒形平台包括：自上而下依次连接设置的谐和吸收装置、海水压载舱和固体压载舱，其中：谐和吸收装置的振动频率与浮式双叶风电机的二阶低频运动频率一致，振动方向与浮式双叶风电机的二阶低频运动方向相反；海水压载舱为空心结构，其外部与锚泊机构相连，用于调整浮式双叶风电机在海面上的浮态和稳性；固体压载舱为实心结构，用于降低系统的重心，使得整个系统达到无条件稳定。本发明具有整个系统的运动幅值大为减小，稳性更好以及造价更低等优点。

Description

用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机
本申请为申请号：201310261660.0/发明名称：带谐和吸收装置的浮式双叶风电机/申请人：上海交通大学/申请日2013年6月27日的分案申请。
技术领域
本发明涉及的是一种海上漂浮式风力发电技术领域的装置，具体是一种用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机。
背景技术
早期的海上风电开发局限于浅水区域(水深约0-30米)，主要采用近海单桩固定式风电机和重力基底式风电机，而后发展到在过渡区域(水深约30-50米)采用三角架或导管架式近海风电机。近年来海上风力发电技术突飞猛进，已发展到在深水区域(水深约50-300米)采用漂浮式风电机，例如Principle Power公司和Windplus公司设计建造了WindFloat浮式风电机，该浮式风电机的下部主体是一个悬链式锚泊的半潜式平台，具有较大的水线面面积和惯性矩，试图用此设计来增大WindFloat浮式风电机在海面上的完整稳性，该浮式风电机系统的结构固有频率是远离一阶波浪力频率的，但该浮式风电机系统的结构固有频率往往难以避免与二阶低频波浪力频率一致，这样它在二阶低频波浪力作用下往往会产生谐和共振而引起很大的运动幅值(一阶运动幅值与二阶运动幅值相比往往是可以忽略不计的)，这对其上部正在旋转发电的风机会产生很不利的影响。其它种类的悬链式锚泊的浮式风电机也都会遇到系统的结构固有频率与二阶低频波浪力频率一致的情形，因而如何避免因浮式风电机系统的固有频率与二阶低频波浪力频率一致而导致谐和共振成了人们急待解决的问题。
经过对现有技术的检索发现，现有水上浮式风机均为三叶风机。如中国专利文献号CN202152102U公开公告日2012.02.29，公开的一种漂浮式风力发电平台，现有技术普遍使用三叶的目的在于其具有较强的稳定性，作为牺牲：三叶风机具有更大的自重以及更加复杂的安装流程，即三片叶片的维修安装较为困难，对中性的校对非常不便。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，克服了现有技术因结构固有频率与二阶低频波浪力频率一致而导致谐和共振的缺点，具有整个系统的运动幅值大为减小，稳性更好以及造价更低等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：浮式双叶风电机、连接于其底部的用于减小整体系统运动幅度、提高系统稳定性的筒形平台和锚泊机构，其中：
筒形平台包括：自上而下依次连接设置的谐和吸收装置、海水压载舱和固体压载舱，其中：谐和吸收装置的振动频率与浮式双叶风电机的二阶低频运动频率一致，振动方向与浮式双叶风电机的二阶低频运动方向相反；
用于调整浮式双叶风电机在海面上的浮态和稳性的海水压载舱为空心结构，其外部与锚泊机构相连；
用于降低系统的重心的固体压载舱为实心结构，以实现所述浮式双叶风电机的重心位于浮心之下。使得整个系统达到无条件稳定，即具有足够的完整稳性。
所述的二阶低频运动频率是指：由二阶低频波浪力激励而产生的运动的频率，而二阶低频波浪力是由于在频域里的两个波浪频率之差而引起的。
所述的谐和吸收装置包括：舱体、悬挂于舱体内的钢球和一组液压缸，其中：舱体与浮式双叶风电机的底部相连，钢球由钢丝绳悬挂，形成一个单摆，该单摆的周期由公式来计算，其中l为钢丝绳长度，g为重力加速度，通过调整钢丝绳长度l来调整该谐和吸收装置的频率以便使其与预先计算的二阶低频波浪力频率一致，当浮式双叶风电机系统本体向一个方向运动时，钢球会由于重力和运动的滞后效应而产生向相反方向的振动；钢球的底部与一组液压缸相连，液压缸的另一端均与基板相连，液压缸的动力由设于其上的一个液压动力源提供，液压缸的作用是将系统振动的动能转化为液压油磨擦而产生的热能。
谐和吸收装置与浮式双叶风电机之间产生了一种谐和共振，但共振双方的方向正相反，这便可降低浮式双叶风电机在二阶波浪力作用下的运动幅值。
所述的浮式双叶风电机为水平轴式双叶风机，包括：叶片、机舱、轮毂和塔筒，其中：塔筒的底部与筒形平台相连，顶部连接机舱，叶片设置于轮毂上；
机舱包括：依次连接的低速轴、圆锥齿轮箱、高速轴和发电机，其中：低速轴由叶片驱动。
所述的舱体与浮式双叶风电机的底部之间由楔形结构体相连。
所述的海水压载舱的数量为2个，结构由外部的一个钢圆筒和焊接于其上的型钢扶强材组成。
所述的锚泊机构包括：3对均匀布置于海水压载舱外部的重量块、锚以及用于连接的锚线。
技术效果
本发明采用一个悬链式锚泊的筒形平台，其中的谐和吸收装置与浮式双叶风电机之间产生了一种谐和共振，但共振双方的方向正相反，这便可降低浮式双叶风电机在二阶波浪力作用下的运动幅值。
水平轴式双叶风机与等同的三叶风机相比产电效率仅会降低2-3％，但叶片的稳定性更高。而且由于零部件减少和运输轻便，因而大大降低了制造和运输成本，同时也会降低安装成本。另外采用双叶风机也可显著降低上部重量，这可有效地降低整个浮式风电机系统的重心，大大提高该浮式风电机在海面上的完整稳性。
附图说明
图1为本发明结构图；
图2为谐和吸收装置的结构图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例包括：浮式双叶风电机、连接于其底部的用于减小系统运动幅度、提高系统稳定性的筒形平台和锚泊机构，其中：
筒形平台包括：自上而下依次连接设置的谐和吸收装置8、基板9、海水压载舱10、14和固体压载舱16，其中：谐和吸收装置8的振动频率与浮式双叶风电机的二阶低频运动频率一致，振动方向与浮式双叶风电机的二阶低频运动方向相反；
海水压载舱10、14为空心结构，其外部与锚泊机构相连，用于调整浮式双叶风电机系统在海面上的浮态和稳性；
固体压载舱16为实心结构，内装一定数量的石块，以便降低重心，确保整个系统的重心位于浮式双叶风电机系统的浮心之下，以使得整个浮式风电机系统达到无条件稳定，即具有足够的完整稳性。
该固体压载舱16的底部设置一个底封板17。
所述的二阶低频运动频率是指：由二阶低频波浪力激励而产生的运动的频率，而二阶低频波浪力是由于在频域里的两个波浪频率之差而引起的。
如图2所示，所述的谐和吸收装置8包括：舱体、悬挂于舱体内的钢球18、一组液压缸19。其中：舱体与浮式双叶风电机的底部相连，钢球由4根钢丝绳悬挂，形成一个单摆，该单摆的周期由公式来计算，其中l为钢丝绳长度，g为重力加速度，因为频率是周期的倒数，这样在设计时便可通过调整钢丝绳长度l来调整该谐和吸收装置的频率以便使其与(预先已计算好了的)二阶低频波浪力频率一致。当浮式双叶风电机系统本体向一个方向运动时，钢球会由于重力和运动的滞后效应而产生向相反方向的振动。钢球的底部与液压缸相连，液压缸的另一端与一块基板9相连，这组液压缸的动力由设于其上的一个液压动力源6提供，这组液压缸的作用是将系统振动的动能转化为液压油磨擦而产生的热能。
谐和吸收装置8与浮式双叶风电机系统之间产生了一种谐和共振，但共振双方的方向正相反，这便可降低浮式双叶风电机在二阶波浪力作用下的运动幅值。
所述的舱体与浮式双叶风电机的底部之间由楔形结构体5相连。
所述的浮式双叶风电机为水平轴式双叶风机，包括：叶片1、机舱2、轮毂3和塔筒4，其中：塔筒4的底部与筒形平台相连，顶部连接机舱2，叶片1设置于轮毂3上；
机舱2包括：依次连接的低速轴、圆锥齿轮箱、高速轴和发电机，其中：低速轴由叶片1驱动。
深海海面上的紊流风的质量很好，风速高、风力强且风速稳定，驱动叶片1转动并带动发电机舱2内的一根低速轴旋转，机舱2中装有一个圆锥齿轮箱与该低速轴相联，将低速轴转动转化为高速轴转动，并驱动一个发电机，发电机内的线圈切割磁力线产生感生电流发出电能。
所述的海水压载舱10、14的数量为2个，结构由外部的一个钢圆筒和焊接于其上的型钢扶强材组成。
所述的锚泊机构包括：3对均匀布置于海水压载舱10和14外部的重量块15、锚以及用于连接的锚线11、12、13。
本实施例中，叶片1的转径为118米，发电机的功率为4.5MW，轮毂3距海平面为88米，整个筒型平台的吃水为118米。

Claims (6)

1.一种用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，其特征在于，包括：浮式双叶风电机、连接于其底部的用于减小整体系统运动幅度、提高系统稳定性的筒形平台和锚泊机构，其中：
筒形平台包括：自上而下依次连接设置的谐和吸收装置、海水压载舱和固体压载舱，其中：谐和吸收装置的振动频率与浮式双叶风电机的二阶低频运动频率一致，振动方向与浮式双叶风电机的二阶低频运动方向相反；
用于调整浮式双叶风电机在海面上的浮态和稳性的海水压载舱为空心结构，其外部与锚泊机构相连；
用于降低系统的重心的固体压载舱为实心结构，以实现所述浮式双叶风电机的重心位于浮心之下；
所述的二阶低频波浪力激励是指在频域里的两个波浪频率之差而引起的激励。
2.根据权利要求1所述的用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，其特征是，所述的谐和吸收装置包括：舱体、悬挂于舱体内的钢球、一组液压缸和基板，其中：舱体与浮式双叶风电机的底部相连，钢球由钢丝绳悬挂，形成一个单摆，该单摆的周期由公式来计算，其中l为钢丝绳长度，g为重力加速度，通过调整钢丝绳长度l来调整该谐和吸收装置的频率以便使其与预先计算的二阶低频波浪力频率一致；钢球的底部与一组液压缸相连，液压缸的另一端均与基板相连。
3.根据权利要求1或2所述的用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，其特征是，所述的浮式双叶风电机为水平轴式双叶风机，包括：叶片、机舱、轮毂和塔筒，其中：塔筒的底部与筒形平台相连，顶部连接机舱，叶片设置于轮毂上；
所述的机舱包括：依次连接的低速轴、圆锥齿轮箱、高速轴和发电机，其中：低速轴由叶片驱动。
4.根据权利要求3所述的用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，其特征是，所述的舱体与浮式双叶风电机的底部之间由楔形结构体相连。
5.根据权利要求3所述的用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，其特征是，所述的锚泊机构包括：三对均匀布置于海水压载舱外部的重量块、锚以及用于连接的锚线。
6.根据权利要求1所述的用于二阶低频波浪力激励的水上浮式双叶风电机，其特征是，所述的二阶低频运动频率是指：由二阶低频波浪力激励而产生的运动的频率，而二阶低频波浪力是由于在频域里的两个波浪频率之差而引起。
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