CN107120234A - 一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台，包括两台垂直轴风力发电系统、浮式平台和锚泊系统；所述浮式平台为等腰三角形平台，两台垂直轴风力发电机系统安装在两个底角的位置，且两台垂直轴风力发电机系统的风轮结构关于等腰三角形的中心线对称；左角的垂直轴风力发电机系统的叶片安装角ɑ与右角的垂直轴风力发电机系统的叶片安装角ɑ数值相等且正负号相反。本发明采用双转子布置，降低浮式基础承受的艏摇弯矩，降低了浮式风电平台对锚泊系统的要求，提高了系统安全性。对于单个浮式平台来说，由于本发明安装了两台垂直轴风力发电机系统，不仅降低了浮式平台的安全性要求，同时也使单个浮式平台的发电量倍增。

Description

一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台
技术领域
本发明涉及海上风力发电技术，特别是一种海上浮式垂直轴风力发电平台。
背景技术
随着能源需求的逐步增大，海上风电场建设需要5MW甚至更大功率的海上风力发电机，固定式基础已经无法满足设计要求，海上浮式风电系统研究成为新的热点。现有提出的海上浮式风电系统方案大多都是基于水平轴风力机的单塔结构，也有人提出基于垂直轴风力机的海上浮式风电平台系统，但所有方案的共同特点都是单塔结构设计，也就是单转子设计。单塔结构风电平台在风载荷作用下，风力机自身的单向运转会产生非常大的弯矩，对锚泊系统要求高，对风电系统安全性产生威胁。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种对锚泊系统要求不高、且安全性好的海上浮式双转子垂直轴风力发电平台。
为了实现上述目的，本发明采用以下方式实现：
一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台，包括两台垂直轴风力发电系统、浮式平台和锚泊系统；
所述垂直轴风力发电系统包括风轮和垂直轴风力发电机组，所述风轮安装在垂直轴风力发电机组的转子上；所述风轮包括多组垂直安装的叶片；所述叶片通过叶片固定杆安装在转子上，多组叶片沿环向均布在转子周围；
所述的浮式平台由上部平台甲板、中部立柱和下部浮体组成；所述的上部平台甲板为三角形平台、在三角形平台的两个角上分别固定安装两台垂直轴风力发电机系统；所述的上部平台甲板通过中部立柱与下部浮体固定连接；所述的中部立柱和下部浮体各有三个，每个中部立柱对应一个下部浮体并与其固定连接，下部浮体之间通过横撑结构固定连接，构成稳定三角形形状；横撑结构为钢结构横向联系；所述的下部浮体沉没于水下，由压载水系统控制整个平台平衡及升降；所述锚泊系统固连于浮式平台，由三根锚链与锚组成，锚链终端固连锚，锚泊系统用于整个平台水平定位，控制整个平台的水平位置；
所述三角形平台为等腰三角形平台，两台垂直轴风力发电机系统安装在两个底角的位置，且两台垂直轴风力发电机系统的风轮结构关于等腰三角形的中心线对称；左角的垂直轴风力发电机系统的叶片安装角ɑ与右角的垂直轴风力发电机系统的叶片安装角ɑ数值相等且正负号相反。
进一步地，所述风轮包括三组垂直安装的叶片。
进一步地，所述三角形平台为等边三角形平台。
本发明的工作原理如下：
风载荷作用于叶片，带动风轮转动，风轮与垂直轴风力机转子相连接，将风能一次转换为垂直轴风力机转子的机械能。风力机转子的运动会带动垂直轴风力发电机系统发电，将机械能二次转换为电能。本发明的特点是，在风载荷的作用下，由两个结构对称的风轮带动两个垂直轴风力发电机组的转子逆向旋转，产生两个逆向弯矩，这两个逆向弯矩因其方向相反，相互抵消。较单台垂直轴风力发电机系统相比，本发明的双转子的设计会降低浮式基础承受的艏摇弯矩，降低浮式风电系统对锚泊系统的要求，进一步降低造价和提高安全性。需要指出的是，加州理工大学的Dabiri(Potential order-of-magnitudeenhancement of wind farm power density via counter-rotating vertical-axiswind turbine arrays)研究发现将两个逆向旋转的垂直轴风力发电机系统安装在一起，对各自的发电效率影响很小，相反，在某些情况下，发电效能反而增加，也就是说在任意各向来风情况下产电效能不降低，最佳风向下产电效能有显著提高，达到“一加一大于二”的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用双转子布置，降低浮式基础承受的艏摇弯矩，降低了浮式风电平台对锚泊系统的要求，提高了系统安全性。
2、相比之下，基于垂直轴风机的双转子浮式风电平台，即双塔结构，结构性能优异。
3、对于单个浮式平台来说，由于本发明安装了两台垂直轴风力发电机系统，不仅降低了浮式平台的安全性要求，同时也使单个浮式平台的发电量倍增。
附图说明
图1是本发明结构的三维示意图。
图2是图1的主视图。
图3是图1的俯视图。
图4是本发明的气动载荷示意图。
图中：1、风轮，2、叶片；3、转子；4、上部平台甲板，5、中部立柱，6、下部浮体，7、横撑结构，8、锚链。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细的说明。
图1是本发明提供的海上风力发电平台示意图。图2是本发明提供的海上风力发电平台主视图，如图2所示，风力发电系统由风轮1与垂直轴风力机未画出组成，每个风轮1由三个叶片2组成。风吹动叶片2带动风轮1转动，风轮1转动进而带动风力机转子3转动，将风能转化为转子3的动能，实现机械能转化为电能，实现海上风力发电。浮式平台由上部平台甲板4、三个中部立柱5和三个下部浮体6组成，下部浮体6之间通过横撑结构7固定连接，构成稳定三角形形状。下部浮体6沉没于水下，由压载水系统控制整个平台平衡及升降，具体压载水系统结构图中没有画出。锚泊系统由三根锚链8与锚未画出组成，锚链8终端固连锚，锚泊系统用于平台水平定位，把平台限制在一定的作业海区内。
每台风机的风轮1由三个风机叶片2组成，三个叶片2均布安装，叶片2横截面为机翼形状；两台垂直轴风机发电系统固定安装在三角形浮式平台的两个顶点处位置，其中一台垂直轴风机叶片2的安装角α相对于另外一台风机叶片2的安装角要逆向对称安装，如图3所示，这样安装可以保证对于任意方向来风，双转子3均可逆向转动。
采用上述的技术方案，垂直轴风机通过转子3和风轮1相连，风吹动叶片2带动风轮1旋转，进而通过转子3带动垂直轴风机发电。垂直轴风机与浮式平台固定，浮式平台并通过深入海底的锚泊系统将浮式平台相对固定。在风载荷的作用下，由风机叶片2组成的风轮1带动两个转子3逆向旋转，产生两个逆向弯矩，这两个弯矩因其方向相反，相互抵消，如图4所示。较单垂直轴风机系统相比，这种双转子3的设计会降低浮式基础承受的艏摇弯矩，降低浮式风电系统对锚泊系统的要求，进一步降低造价和提高安全性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台，其特征在于：包括两台垂直轴风力发电系统、浮式平台和锚泊系统；
所述垂直轴风力发电系统包括风轮(1)和垂直轴风力发电机组，所述风轮(1)安装在垂直轴风力发电机组的转子(3)上；所述风轮(1)包括多组垂直安装的叶片(2)；所述叶片(2)通过叶片固定杆安装在转子(3)上，多组叶片(2)沿环向均布在转子(3)周围；
所述的浮式平台由上部平台甲板(4)、中部立柱(5)和下部浮体(6)组成；所述的上部平台甲板(4)为三角形平台、在三角形平台的两个角上分别固定安装两台垂直轴风力发电机系统；所述的上部平台甲板(4)通过中部立柱(5)与下部浮体(6)固定连接；所述的中部立柱(5)和下部浮体(6)各有三个，每个中部立柱(5)对应一个下部浮体(6)并与其固定连接，下部浮体(6)之间通过横撑结构(7)固定连接，构成稳定三角形形状；横撑结构(7)为钢结构横向联系；所述的下部浮体(6)沉没于水下，由压载水系统控制整个平台平衡及升降；所述锚泊系统固连于浮式平台，由三根锚链(8)与锚组成，锚链(8)终端固连锚，锚泊系统用于整个平台水平定位，控制整个平台的水平位置；
所述三角形平台为等腰三角形平台，两台垂直轴风力发电机系统安装在两个底角的位置，且两台垂直轴风力发电机系统的风轮(1)结构关于等腰三角形的中心线对称；左角的垂直轴风力发电机系统的叶片(2)安装角ɑ与右角的垂直轴风力发电机系统的叶片(2)安装角ɑ数值相等且正负号相反。
2.根据权利要求1所述的一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台，其特征在于：所述风轮(1)包括三组垂直安装的叶片(2)。
3.根据权利要求1所述的一种海上浮式双转子垂直轴风力发电平台，其特征在于：所述三角形平台为等边三角形平台。
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