CN104986301A - 一种组合式漂浮风力发电平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种组合式漂浮风力发电平台，它包括一个浮台，风力发电机通过塔架安装在所述浮台的对称中心上，浮台由张力拉索连接在锚上，所述浮台的对称中心下方连接有压舱物，压舱物使得浮台的漂浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三。与现有技术的其他形式的漂浮式平台相比，本发明受波浪影响小，能够适用于深水和浅水环境，且结构简单、经济性好，通过了理论仿真验证，具有较大的使用性，能够在深海大规模应用。

Description

一种组合式漂浮风力发电平台

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种组合式漂浮风力发电平台。

背景技术

由于化石能源的逐渐消耗，能源和环境污染问题日益突出。风能由于其清洁可再生、利用方便成为目前最有开发利用前景的一种可再生能源。海上风能由于其资源丰富，视觉污染和噪音污染较陆地风能小，近年来发展迅速。世界风能协会统计，至2009年底，全球海上风力发电机装机容量已达到1956MW，占陆海总装机容量的1.2％，2009年新增454MW，增长量30％。按水深划分，海上风能的利用可分为浅水区域、过渡水域和深水区域对于不同的水深，风机基础的形式也不同。现在的固定式风力发电机技术被限制在水深30m的区域，虽然这一深度有可能增加，但是对于深水区域(大于60m)，固定式风力发电机已经无法满足经济性要求，需要一种新的海上风力发电机，漂浮式风力发电机可能是这一区域最适合的选择。

漂浮式海上风力发电机能较大程度的利用海上风能资源，因此成为深海风能利用的主要方向，相对于固定式风力发电机，漂浮式风力发电机多了浮式基础和抛锚系统，其外界载荷条件比固定式风力发电机组更加复杂，其原因是除了受到固定的风浪载荷以外，更主要的是漂浮式风力发电机本身由于基础漂浮不固定，其漂浮特性对发电机发电性能有较大影响，因此，提出一种更加稳定的深海漂浮平台的需求更加迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种组合式漂浮风力发电平台，减轻受风浪影响振动的影响，并且整体结构设计简单实用，适合于深水和浅水环境，尤其适合大规模布置在海上，开展海上风力发电。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：它包括一个浮台，风力发电机通过塔架安装在所述浮台的对称中心上，浮台由张力拉索连接在锚上，所述浮台的对称中心下方连接有压舱物，压舱物使得浮台的漂浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三。

按上述方案，所述的浮台与压舱物之间采用刚性连接。

按上述方案，所述的浮台的材料为钢材或混凝土。

按上述方案，所述的压舱物为钢材、混凝土、碎石或海水中的一种，或这几种材料之间的任意组合。

本发明的有益效果为：与现有技术的其他形式的漂浮式平台相比，本发明受波浪影响小，能够适用于深水和浅水环境，且结构简单、经济性好，通过了理论仿真验证，具有较大的使用性，能够在深海大规模应用。

附图说明

图1为浮台的动力学模型图。

图2是本发明一实施例的结构示意图。

图3是本发明实施例三种漂浮平台塔基载荷F_X对比曲线图。

图4是本发明实施例三种漂浮平台塔基载荷F_Y对比曲线图。

图5是本发明实施例三种漂浮平台塔基载荷F_Z对比曲线图。

图6是本发明实施例三种漂浮平台塔基弯矩M_X对比曲线图。

图7是本发明实施例三种漂浮平台塔基弯矩M_Y对比曲线图。

图8是本发明实施例三种漂浮平台塔基弯矩M_Z对比曲线图。

图中：1-风力发电机，2-浮台，3-压舱物，4-张力拉索。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种组合式漂浮风力发电平台，如图2所示，它包括一个浮台2，风力发电机1通过塔架安装在所述浮台2的对称中心上，浮台2由张力拉索4连接在锚上，所述浮台2的对称中心下方连接有压舱物3，压舱物3使得浮台2的漂浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三，优选四分之三。

所述的浮台与压舱物之间采用刚性连接。

浮台的材料为钢材或混凝土。

压舱物为钢材、混凝土、碎石或海水中的一种，或这几种材料之间的任意组合。

本实施例的主要参数如表1所示。

表1NREL 5MW海上风力机主要参数

为了说明本发明具有更优秀的抗风浪能力，这里给出具体数学模型来验证该设计的合理性。

漂浮平台的运动学及动力学模型

本发明所建模型基于以上三种不同漂浮平台(单柱式、驳船式和组合式)，三个漂浮平台的主要参数如表2所示。支撑平台可视为钢梯，与半张紧状态的拉索连接。以平台重心为原点建立三维坐标系，如图1所示，沿X,Y,Z方向有3个平动自由度，分别为纵荡、横荡、垂荡，绕X,Y,Z轴有3个转动自由度，分别为垂摇、纵摇、首摇。

表2三个漂浮平台的主要参数

假设漂浮平台的所有旋转角度都很小，可以不考虑旋转的顺序，这一假设将避免所有使用欧拉角度时的复杂性。漂浮平台的初始惯性坐标轴X,Y,Z在考虑正交转动θ₁，θ₂，θ₃后变为固定坐标轴x,y,z。通过对正弦、余弦采用一阶小角近似，并忽略泰勒展开式的高阶项，可得两坐标系的欧拉角转换：

$\left\{\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right\}\≈\left[\begin{array}{ccc}1& {\mathrm{\θ}}_3& -{\mathrm{\θ}}_2\\ -{\mathrm{\θ}}_3& 1& {\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2& -{\mathrm{\θ}}_1& 1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right\}---\left(1\right),$

由于用一阶小角近似转换的矩阵非正交，因此在该方程中，通过近似符号替代等号，这意味着转换后的坐标轴也为非正交阵。这种非正交坐标轴的使用将导致动态响应计算的不精确。为确保(1)正交，需对其作出修正。根据矩阵论知识，可得出给定矩阵的标准正交矩阵[U][V]^T，其中U，V分别为给定矩阵的特征向量。因此，修正后的转换坐标如式(2)。

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{{\mathrm{\θ}}_1}^2\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}& \frac{{\mathrm{\θ}}_3\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)+{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{\θ}}_2\left(\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}-1\right)}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}& \frac{-{\mathrm{\θ}}_2\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)+{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{\θ}}_3\left(\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}-1\right)}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}\\ \frac{-{\mathrm{\θ}}_3\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)+{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{\θ}}_2\left(\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}-1\right)}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}& \frac{{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}+{\mathrm{\θ}}_3^2}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}& \frac{-{\mathrm{\θ}}_1\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)+{\mathrm{\θ}}_2{\mathrm{\θ}}_3\left(\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}-1\right)}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}\\ \frac{{\mathrm{\θ}}_2\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)+{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{\θ}}_3\left(\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}-1\right)}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}& \frac{-{\mathrm{\θ}}_1\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)+{\mathrm{\θ}}_2{\mathrm{\θ}}_3\left(\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}-1\right)}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}& \frac{{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}{\left({{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2\right)\sqrt{1+{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{\mathrm{\θ}}_2^2+{\mathrm{\θ}}_3^2}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right\}\\ \left(2\right),\end{array}$

式中：x，y，z表示漂浮平台固定坐标系的3个相互正交坐标轴；θ₁，θ₂，θ₃表示漂浮平台关于惯性坐标X，Y，Z的横摇、纵摇和首摇运动。

通过Kane方程建立风力发电机与漂浮平台耦合的非线性运动学方程为

$M_{ij}(q,u,t){\stackrel{\·\·}{q}}_j=f_i(q,\stackrel{\·}{q},u,t)---\left(3\right),$

式中：M_ij为惯性质量矩阵的i,j分量，与系统的自由度q、控制输入u以及时间t为非线性关系；为自由度j关于时间的二阶微分；f_i为与自由度i相关的力学分量，与自由度q、自由度的微分控制输入u及时间t为非线性关系。式中的下标依次对应漂浮平台自由度的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇。

浮式基础波浪载荷计算

漂浮式风力发电机浮式基础所受波浪载荷主要作用在浮体上，其波浪载荷可以分成3个部分来分析计算，分别为辐射作用、水静力作用及绕射作用。

采用Jonswap谱计算绕射作用引起的波浪载荷，Jonswap谱的单边波浪谱课表示为

$S_{one-sided,\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{5}{16}{H}_s^2{T}_p{\left(\frac{{\mathrm{\ωT}}_p}{2\mathrm{\π}}\right)}^{-5}\×\exp \[-\frac{5}{4}{\left(\frac{{\mathrm{\ωT}}_p}{2\mathrm{\π}}\right)}^{-4}\]\×\[1-0.287ln\mathrm{\γ}\]{\mathrm{\γ}}^{\exp \[-0.5{\left(\frac{\frac{{\mathrm{\ωT}}_p}{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\σ}\mathrm{\ω}}\right)}^2\]}---\left(4\right)$

其方差为

${\mathrm{\σ}}^2=\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{S_{one-sided}}_{,\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}---\left(5\right)$

式中，ζ为入射波的瞬时波高；H_s为有效波高；ω为频率；T_p为波周期；γ为谱峰升高因子。

$F_{Waves,i}\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{\text{-}\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}W\left(\mathrm{\ω}\right)\sqrt{2{\mathrm{\πS}}_{two-side,\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)}\×X_i\left(\mathrm{\ω},\mathrm{\β}\right)e^{j\mathrm{\ω}t}d\mathrm{\ω}---\left(6\right)$

将式(4)带入式(6)得到波浪绕射作用力F_Waves,i(t)，式X_i(ω,β)为作用在浮式平台上的单位波浪力，β为入射波的方向角；水深h与随频率ω变化的波数k相关，由式(6)表达其数学关系

$k\left(\mathrm{\ω}\right)\tanh \[k\left(\mathrm{\ω}\right)h\]=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{g}---\left(7\right)$

水静力作用即为平台不受到任何波浪力作用情况下，所受浮力

F_Hydrostatic＝-ρgV₀δ_i,3+C_{Hydrostatic,i,j}q_j          (8)

式中：-ρgV₀δ_i,3代表阿基米德浮力，即该力是竖直向上，大小与平台的重力相等；V₀表示平台静止时的排水体积；C_{Hydrostatic,i,j}q_j代表受水平面和浮心影响的水静力和力矩部分。其中C_{Hydrostatic,i,j}为水平面与平台的浮力中心之间的刚度矩阵

$C_{Hydrostatic,i,j}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ρgA}}_0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ρ}g\underset{A_0}{\∫\∫}{y}^2{\mathrm{dA}+\mathrm{\ρgV}}_0{Z}_{COB}& 0& 0\\ 0& 0& -\mathrm{\ρ}g\underset{A_0}{\∫\∫}xdA& 0& \mathrm{\ρ}g\underset{A_0}{\∫\∫}{y}^2{\mathrm{dA}+\mathrm{\ρgV}}_0{Z}_{COB}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(9\right)$

辐射载荷是浮式平台以不同运动模式振荡，并且不考虑入射波的影响时，产生的从平台四周辐射出去的波浪，该辐射波浪反过来对浮式平台产生作用力，其计算式为

$F_{rad}=-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{K}_{i,j}(t-\mathrm{\τ}){\stackrel{\·}{q}}_j\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}---\left(10\right)$

式中：K_i,j为波浪辐射延迟矩阵。

由式(10)可看出，辐射载荷与平台的振荡速度成正比，当振荡结束，辐射的影响也随之结束。

将式(6)、式(8)与式(10)相加，由此可得浮式平台的水动力

F_Hydro,i＝F_Waves,i+F_{Hydrostatic,i}+F_rad     (11)

仿真结果分析

本专利选用的模型来源于NREL 5MW漂浮式风力发电机，表1为该风力发电机的主要参数。载荷的波动特性：

为分析漂浮特性对风力发电机载荷性能的影响，将三种漂浮平台在相同条件下的仿真结果进行对比。选择工况为12m/s稳态风，波浪高度为5m，波浪周期12.4s的仿真结果对塔基载荷的波动特性进行分析。图3-8分别为塔基在机舱前后方向、机舱左右方向、垂直于塔架方向的受力时域响应以及在机舱前后方向、机舱左右方向、垂直于塔架方向所受力矩的时域响应。可以看出，在漂浮特性作用下，塔基载荷F_X,F_Y,F_Z以及塔基弯矩M_X,M_Y,M_Z，组合式风力发电机较其余两种有着显著的优势，因此说明本发明的潜在开发价值较大。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：它包括一个浮台，风力发电机通过塔架安装在所述浮台的对称中心上，浮台由张力拉索连接在锚上，所述浮台的对称中心下方连接有压舱物，压舱物使得浮台的漂浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三。

2.根据权利要求1所述的组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：所述的浮台与压舱物之间采用刚性连接。

3.根据权利要求1所述的组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：所述的浮台的材料为钢材或混凝土。

4.根据权利要求1所述的组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：所述的压舱物为钢材、混凝土、碎石或海水中的一种，或这几种材料之间的任意组合。