CN107201991B - 一种新型海上风力机浮式平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型海上风力机浮式平台，包括叶片、机舱、塔架、浮式基础、稳定器框架和运动稳定器，所述叶片、所述机舱和所述塔架安装于所述浮式基础的中心位置，四个所述运动稳定器通过所述稳定器框架沿圆周方向均匀布放于浮式基础底部，通过浮式基础底部所受外载荷来调整所述运动稳定器的阻尼，以达到提高浮式结构稳定性的目的。本发明应对不同圆周方向风‑浪载荷瞬时变化的响应速度快；主体装置形式简单，具有较好的可控性和可操作性，便于安装和维护。

Description

一种新型海上风力机浮式平台
技术领域
本发明属于可再生清洁能源和海洋装备领域，发明的是一种新型海上风力机浮式平台。
背景技术
风电是在众多可再生能源中发展最具规模，并在经济效益方面最具能力，能够与传统化石能源相媲美的一种高效清洁能源。相对于陆上风能资源，海上风能资源更加丰富、稳定，且具有低风切变、低湍流、无土地利用限制、无视觉冲击和噪声干扰等诸多显著优势，因此近年来，海上风电的开发已经在全球范围内引起了高度重视。但海洋环境和海上气候高度的不确定性，也给海上风电项目的开发带来了极大的挑战。为控制风险和降低项目建设、安装、运行和维护成本，早期的风电场一般都选址在近海浅水水域。然而，随着海上风电技术的进一步发展，海上风电场规模的进一步扩大，开发离岸较远的深水区海域的风能资源便成为一种必然的趋势。尤其在当前的海上施工装备水平和经济效益的双重考虑下，开发50至100米水深中近海海域的风能资源成为世界各国未来大规模开发海上风电的最佳选择。
据目前世界上海上风电最大开发商西门子在近年来开发海上风电的经验表明，在浅水水域，单桩和桁架式固定基础是最经济、可靠的海上风力机安装方式。但随着水深的不断增加，建设和安装固定基础的成本也迅速增大。当深水达到50米以上时，固定基础的建设和安装成本会更加昂贵，从而会极大的影响到整个风电项目的经济效益。于是，为在50至100米水域部署的海上风力机设计安全可靠的浮式平台来作为其安装的基础，便成为一种必然的选择。与固定基础相比，浮式平台易于运输、安装，且在服役期满后，还易于拆装和恢复当地海域原貌，故对有效降低海上风力机建设、安装、运输和拆装成本，大力提高风电产业经济效益具有重要的意义。但要确保海上风力机的长期高效工作，其浮式基础的运动稳定性便至关重要。一旦浮式基础的运动稳定性不足，风力机的发电效率，甚至机组本身的安全都会受到极大的威胁。但要在50米左右水深水域，克服机组巨大的顶部倾覆力矩以及浅海风-波-流耦合作用力的影响，设计一个具有完美运动稳定性的海上风力机浮式基础并非易事。目前，常见的浮式平台结构包括单柱式平台、张力腿式平台和半潜式平台。单柱式平台垂向波浪激励力小，具有较好的稳定性能，但由于其细长的结构特点，为满足足够的浮力要求，其主要适用于几百米乃至上千米水深的深海海域，而如此深的水域往往离岸距离遥远，不方便接近。为运行维护方便和降低风场运营成本起见，海上风电场一般不会在如此遥远的水域建设。故此类浮式平台在近海风电场的应用因适用性不足而推广有限；张力腿式平台通过金属张紧系统连接平台和海底，运动稳定性好，但对张紧系统的力学性能和抵抗风浪载荷的能力要求极高，故其建造和维护成本高昂，要实现在海上风场的大规模部署存在困难；半潜式平台具有较强的抗风浪能力，但因受到巨大的水面截面面积和机组顶端巨大倾覆力矩的影响，实现其运动稳定性的有效控制较为困难，而且该类平台因体积庞大，需要极大的维护成本。另外，半潜式平台的作动方式笨拙，响应迟缓，很难应对随时改变的波浪载荷。鉴于这些原因，其在海上风电场的大规模应用也有待考量。
目前已有的浮式平台存在两大不足：1)建造和维护成本高，不便于在海上风电场的规模化应用；2)应对风浪载荷瞬时变化的响应迟缓，不仅运动稳定性欠佳，而且还存在在极端海况条件下生存能力不足的巨大隐患。因此，为了克服上述浮式平台的不足，急需开发经济、实用，而且具有较高运动稳定性，和对风浪载荷瞬时变化具有快捷响应速度的新型海上风力机浮式平台。同时，还需确保浮式平台能够适应不同的海上天气状况，且在极端海况下具有极强的生存和自保能力。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于，结合运动稳定器的应用，提供一种经济、可靠、并适用于在50至100米水深的中近海海域部署的海上风力机浮式平台设计技术。该技术通过控制浮式基础底部的运动稳定器，来实现海上浮式风力机对外界风-波-流耦合作用力的快速响应，从而最大程度地提高海上风力机的运动稳定性和在极端载荷条件下的自保能力和安全性。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种新型海上风力机浮式平台，其特征在于：包括叶片、机舱、塔架、浮式基础、稳定器框架和运动稳定器，所述叶片、所述机舱和所述塔架安装于所述浮式基础的中心位置，四个所述运动稳定器通过所述稳定器框架沿圆周方向均匀布放于浮式基础底部，通过浮式基础底部所受外载荷调整所述运动稳定器的阻尼，提高浮式结构的稳定性。
上述技术方案中，述的运动稳定器包括应力传感器、磁流变阻尼控制器、磁流变阻尼器、驱动齿轮、被动齿条、稳定器浮体和钢架结构，所述应力传感器、所述磁流变阻尼控制器和所述磁流变阻尼器通过所述驱动齿轮和被动齿条安装于所述稳定器框架，并通过钢架结构与稳定器浮体连接。
上述技术方案中，所述运动稳定器通过所述稳定器框架固定于所述浮式基础的外表面，通过应力传感器测取外载荷，将所测载荷输入磁流变阻尼控制器来控制磁流变阻尼器的阻尼。
上述技术方案中，所述运动稳定器浮体呈扁圆柱形。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明适用于海上风能资源较为丰富的50至100米水深的中近海海域，通过根据外载荷自主控制运动稳定器的阻尼来提高浮式结构的稳定性，并且应对不同圆周方向风-浪载荷瞬时变化的响应时间短；主体装置采用了浮式基础，型式简单，便于安装和转移。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1(a)是本发明的浮式基础整体结构示意图；
图1(b)是本发明的运动稳定器结构示意图；
图2是本发明实施例中的试验缩比模型；
图3是本发明实施例中的试验缩比模型在纯浪条件下的纵摇运动时域图；
图4是本发明实施例中的试验缩比模型在浪-流条件下的纵摇运动时域图；
图5是本发明实施例中的试验缩比模型在风-浪-流条件下的纵摇运动时域图；
图6是本发明实施例中的试验缩比模型在纯浪条件下的垂荡运动时域图；
图7是本发明实施例中的试验缩比模型在浪-流条件下的垂荡运动时域图。
图8是本发明实施例中的试验缩比模型在风-浪-流条件下的垂荡运动时域图；
附图标记，1-叶片，2-机舱，3-塔架，4-浮式基础，5-稳定器框架，6-运动稳定器，7-应力传感器，8-磁流变阻尼控制器，9-磁流变阻尼器，10-驱动齿轮，11-被动齿条，12-稳定器浮体，13-钢架结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1(a)是本发明浮式基础的整体结构示意图，图1(b)是本发明的运动稳定器结构示意图；如图1(a)所示，本发明的一种新型海上风力机浮式平台，包括叶片1、机舱2、塔架3、浮式基础4、稳定器框架5和运动稳定器6，所述叶片1、所述机舱2和所述塔架3安装于所述浮式基础4的中心位置，四个所述运动稳定器6通过所述稳定器框架5沿圆周方向均匀布放于浮式基础4底部，通过控制所述运动稳定器5的阻尼来提高浮式结构的稳定性。
图1(b)为本发明的运动稳定器结构示意图，如图1(b)所示，本发明的运动稳定器，包括应力传感器7、磁流变阻尼控制器8、磁流变阻尼器9、驱动齿轮10、被动齿条11、稳定器浮体12、和钢架结构13，所述应力传感器7、所述磁流变阻尼控制器8和所述磁流变阻尼器9通过所述驱动齿轮10和被动齿条11安装于所述稳定器框架5，并通过钢架结构13与稳定器浮体12连接。
而运动稳定器浮体12呈扁圆柱形。
本发明的工作原理为：本发明将四个运动稳定器6分别通过稳定器框架5安装于浮式基础4的底部，通过2个应力传感器7测取外部载荷，然后将所测载荷输入于磁流变阻尼控制器8来控制2个磁流变阻尼器9的阻尼，从而实现所述运动稳定器6阻尼的控制，进而达到提高浮式结构稳定性的目的。安装运动稳定器之后，浮式机组的稳定性得到了大幅提高。
整体装置基于浮式基础，适用于资源较为丰富的50至100米中近海海域。装置的主体部分可以采用在陆上预制，利用驳船拖动到指定位置，沉入水中后通过锚链固定于海床之上。装置主要通过控制运动稳定器的阻尼来提高浮式结构的稳定性，并且应对不同圆周方向风-浪载荷瞬时变化的响应时间短。当风浪条件较为恶劣时，将稳定器阻尼控制到最小，以增加其柔性，从而确保装置及风机其它结构的安全性。
如图2所示为本发明浮式平台缩比模型在实验室水池中进行测试的效果图。如图3所示为试验缩比模型在纯浪条件下的纵摇运动时域图，如图4所示为试验缩比模型在浪-流条件下的纵摇运动时域图，如图5所示为试验缩比模型在风-浪-流条件下的纵摇运动时域图，如图6所示为试验缩比模型在纯浪条件下的垂荡运动时域图，如图7所示为试验缩比模型在浪-流条件下的垂荡运动时域图，如图8所示为试验缩比模型在风-浪-流条件下的垂荡运动时域图，从上述附图中可以得出：安装运动稳定器之后的浮式机组稳定性得到了大幅提高。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。故凡是利用本发明的技术方案及其发明构思做出的各种不脱离本发明实质的其他各种结构，或直接或间接运用在相关工程领域，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种新型海上风力机浮式平台，其特征在于：包括叶片、机舱、塔架、浮式基础、稳定器框架和运动稳定器，所述叶片、所述机舱和所述塔架安装于所述浮式基础的中心位置，四个所述运动稳定器通过所述稳定器框架沿圆周方向均匀布放于浮式基础底部，通过浮式基础底部所受外载荷调整所述运动稳定器的阻尼，提高浮式结构的稳定性；其中，所述运动稳定器包括应力传感器、磁流变阻尼控制器、磁流变阻尼器、驱动齿轮、被动齿条、稳定器浮体和钢架结构，所述应力传感器、所述磁流变阻尼控制器和所述磁流变阻尼器通过所述驱动齿轮和被动齿条安装于所述稳定器框架，并通过钢架结构与稳定器浮体连接，所述稳定器浮体呈扁圆柱形；
所述运动稳定器通过所述稳定器框架固定于所述浮式基础的外表面，通过应力传感器测取外载荷，将所测载荷输入磁流变阻尼控制器来控制磁流变阻尼器的阻尼。
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