CN107542623B - 推力型漂浮式集风发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明名称为推力型漂浮式集风发电装置，属于新能源开发技术领域。目前已建的海上风力发电场都是安装在从海底建起的高桩承台上，海水深、施工困难，所以该机型只能安装在水深小于40米的浅海。旋浆式风叶只占风轮面积的几十分之一，风轮上所受到的推力只是叶片上所受风力在风轮转动平面上的分力，所以风能利用率低、造价高；本发明采用漂浮式推力型风轮，并利用上、下、左、右导风板，遮住风轮的阻力面，将大于风轮面积数倍的风力汇集到风轮上来，并设计有稳浪装置、抗海流的对风纠偏装置、提高并网精度的调速装置及两种锚定系统，将锚桩数量降低到接近每台机组一根的最低数量，解决了电缆和锚链相互缠绞的问题，侧面和顶部导风板可收拢成流线型以抗颱风，保证本装置可以建在40米以上的深海。

Description

推力型漂浮式集风发电装置

技术领域

本发明属于新能源开发技术领域。

背景技术

火力发电，燃烧的是煤炭和石油，是把远古年代的生物储存下来的太阳能量现在又释放出来，结果与现阶段太阳投射到地球上的能量叠加，导致了近年来地球上的温室气候全年气温上升，灾难性气象频发，两极冰雪融化加速，海洋水平面上升；同时燃煤又产生了大量粉尘弥漫空中，造成雾霾天气，污染空气，损害着人类的健康，已经成为当今世界上威胁人类生存的一大难题，所以今后应该大力发展水力、风力、太阳能等清洁能源，这些能源只是将现实太阳投射到地球上的能量收集起来，换个地点再释放出来，丝毫没有增加地球上的总热能，所以新能源的开发利用是人类自我保护的当务之急。而在这些新能源中，太阳能发电成本过高，水力发电虽然成本最低但却受到地理条件的限制，只有风力到处都有，尤其是我国海岸线很长，沿海城市和海洋岛屿上廉价的风力资源垂手可得，不开发利用实在可惜，所以大力发展风力发电应该是我国乃至世界各国今后能源开发的战略性主攻方向。

海面辽阔，而且平坦，摩阻力小，是开发风力发电事业的理想去处，但是到目前为止，已经建立的海上风力发电站都是在海底打许多桩，建成一个庞大的群桩承台，上面再竖起一根高高的塔桅，塔顶上安装一种旋浆式风机，这型风机风叶很窄，其面积只有风轮面积的几十分之一，而且风轮叶片上所受的推力又只是那倩细叶片上所受到风力在垂直于风力方向的平行于叶片旋转方向上的分力，又打了一个几乎对折，所以风轮所收集到的能量更少，以至于风能利用率很低，尤其是海底是一个倾斜面，要扩大开发面积，就要向深水区发展，海水深了，水下工程量自然加大，基础施工困难度也就更大，造价会更高，所以这种旋浆式风机只能安装在潮间带或距离海岸不远海水深度小于40米的浅海上，而这一海域正是渔业、海水养殖和航运的繁忙地域，有的区域例如山东东台的规划风电场区由于和海洋部门的自然保护区重叠，要求项目从原地向深海推进10km，江苏射阳项目与当地规划的航道等用途冲突，因此这些在近海建设风力发电场的项目搁浅至今无法建设。

为了克服以上矛盾，本发明改变了设计思路，其特征是：1.采用推力式风轮，它接受风力的推力面占风轮面积的1/2，而且其转动方向与来风的方向完全一致，因此受力不需要打折扣；2.全部设备放在漂浮系统上，可以将发电场扩大到甚至百米深的更广大的海域上； 3.漂浮系统还可以在造船厂里总装完成，拖到安装地点，打个锚桩锚定即可使用，现场工程量小；4.可以利用大量退役的军用或民用船只，经过维修，改造成漂浮装置；5.本方案又增加了上、下、左、右导风板，在风轮前后形成喇叭状，不仅把下部风轮阻力面上的风力导向了上部推力面，而且又把风轮面积以外的几倍的风力导向风轮的推力面，集风作用使风轮上的动力有提高了好几倍；因此其性价比甚至会低于火电，有希望逼近水力发电。

近来我国对东海和南海的开发已提上日程，尤其是南海开发，渔民到远离大陆几千公里的远海去捕捞，所能带去的淡水和蔬菜有限，采用本发明不仅可以在远离大陆的岛礁区就地取得廉价的电力，又可以用电力就地将海水淡化，解决饮用、洗涤和蔬菜生产灌溉用水的问题，也可以利用无土栽培技术在岛礁上生产青菜；有了电力，还可以将所捕捞的海产品冷冻起来集中后运回祖国，留守人员也可以用电烧饭，长期生活在远海的岛屿上，保卫祖国的海疆；配备漂浮式推力型集风发电装置的海岛将会成为过往船只的一个万能补给站。

清洁能源大量发展之日，才是蓝天白云重返天空之时。。

发明内容

本发明由漂浮系统和海底锚定系统两大系统组成。

漂浮系统由三只浮箱、风轮及其支架、集风系统、自动对风和对风纠偏装置、调速装置、以及发电和电力转换系统组成。

三只浮箱平面上呈“品”字形排列，前部，中心线左、右的两只为主浮箱，中心线上后部一只为尾浮箱，三只浮箱之间由钢桁架互相连接，保证了整个装置的侧向和前后两个方向在最大级别的颱风中仍具有足够的抗倾覆能力。

两只主浮箱的平底之间设有稳浪板，稳浪板上厚厚的水重可以减轻大风大浪对浮箱的推举，起到一定的阻尼作用，防止整个漂浮系统在大风大浪中大起大落或摇摆不定，减轻整个系统上下颠簸的幅度。

每只主浮箱由三段组成：前后两段为密封舱，中间一段为设备舱，其中的一侧安装发电设备，另一侧为备用仓；从两只主浮箱的中部各树立一个风轮支架，上面架立一根卧式风轮轴，风轮轴两端设有两个圆盘，圆盘之间装有七片弧形叶片，叶片与圆盘共同组成一只推力型风轮；风轮轴的一端装有伞齿轮，通过一根竖向传动轴，带动安装在主浮箱里的发电机发电；风轮的底部离开海面的距离，应比最大飓风海浪更高，让海浪打不到风轮的下部，并且还要尽量更高一些。

风轮前、后设前、后部下部导风板，由于海上风力的强度是离开海面越高强度越大，所以应该把风轮的推力面放在风轮轴的上部；前部下部导风板接近风轮处处在风轮轴的同一高度上，后部下部导风板的上部较低；前部导风板完全遮挡了风轮下部的阻力面，并把吹向下部的风力导向风轮的上部推力面；上、下、左、右导风板在风轮前后共同组成一个前后都呈喇形的集风系统，把比风轮面积大数倍的风力集中吹向风轮的上半部，提高风轮前部风压，保证风轮后部负压区的稳定性，提高风轮出力。

上部导风板中段，是一段包角为52°的弧形板，包围在风轮外围的间隙很小，和七片叶片的风轮配合，就像内燃机的汽缸、活塞，使得前一叶片还未转出弧形板，后一叶片又已转入弧形板的包围范围，保证了风轮得到连续的持续加力作用，

主浮箱前面的锚桩、锚链，和尾浮箱上面的三角形尾翼，共同组成整个装置的自动对风系统，在风力的推动下会自然的把漂浮装置吹向锚桩的下风头，使风轮前部对准来风方向；

但是如果海流的方向与风力的方向不一致时，风轮的中心线还会与来风方向产生一定的角度偏差。因此尾浮箱上装了一根竖轴，竖轴上装有一个平面形状为锐三角形的可以转动的高大尾翼；竖轴顶上固结着一个绝缘园盘，园盘上贴有左右两片半环形铜片，圆盘上部装有一只可以自由随风转动的风向标，风向标下面装有一个滑动电极，靠弹簧把电极压在圆盘上的两片铜片上，通过一套电路组成电力对风调控系统的感知部件，再通过蜗轮、蜗杆等执行部件，推动尾翼顺时针或逆时针旋转，以保证整个发电装置时时刻刻能克服海流的影响，使整个漂浮装置的中心线能准确对准来风方向。

本机所安装的发电设备是一种多极对数发电机，位于总控制室里的值班人员通过附加在水下电力电缆上的高频载波装置对发电设备的各项参数进行遥测，并对发电设备进行遥控，利用微电脑根据发电机所发电流的频率、相位与系统电网的频率、相位进行比对，先调整发电机的极对数，再变更齿轮对的速比，然后再启动调速板的电机正转或反转，调整位于前导风板内的弧形调速板向上旋转，把风轮的推力面遮挡一小部分，灵活调整风轮的受风面积，借以精细调整风轮转速，使发电机发出的电流与系统电网的频率、相位完全吻合，以提高并网精度。

海底锚定系统——主浮箱的前部有锚链，把整个漂浮系统系在周围打入海底的锚桩上，海底电缆把发出的电能送到岸上的变压站，集中输送到区域电网中。为了解决海底电缆与锚链互相缠绞等问题，本发明提出两种海底锚定系统的组成方案，在每个中心桩上树立一根中心柱，在中心桩的周围再打四根或六根锚桩，从锚桩向中心柱顶上用钢丝绳拉紧，发电装置的漂浮装置用锚链系在中心柱顶上，电缆的活动段和静止段也在中心柱顶上通过滑环- 碳刷装置连接，这样既解决了电缆活动段过长易损毁、维修困难度大、费用高的问题，又解决了海底电缆与锚链互相缠绕的问题。

附图说明

图1.推力型漂浮式集风发电装置纵剖面示意图

图2.推力型漂浮式集风发电装置平面示意图

图3.推力型漂浮式集风发电装置前视图

图4.尾翼竖轴上绝缘圆盘与风向标顶视图

图5.对风纠偏装置电路原理图

图6.自动对风系统和对风纠偏装置工作原理图

图7.不同方向的海流作用下漂浮装置纠偏后平面形态图

图8.推力型漂浮式集风发电装置抗颱风各力平衡形势图

图9.抗颱风期间上下游两侧导风板变为流线型平面图

图10.单台机组正方形锚桩系统透视图

图11.单台机组六角型锚桩系统透视图

图12.图10、图11中的A-A剖面图

图13.中心桩上部结构剖面图；

图14.中心桩下部结构剖面图；

图15.图13上B-B剖面图；

图16.图14上C-C剖面图；

图17.图14上D-D方向锚桩顶视图

图18.六角型系统锚桩群平面图

图19.图18上E-E、F-F剖面图

图20.H<1.4L正四方型系统锚桩群平面图

图21.图20的剖面图

图22.H>1.4L正四方型系统锚桩群平面图

图23.图22的剖面图

具体实施方式

图1、2、3分别为：推力型漂浮式集风发电装置的纵剖面示意图、平面示意图、前视图，图4为“尾翼竖轴上绝缘圆盘与风向标顶视图”。

从四幅图中可以看出：主浮箱吃水较深，两只主浮箱的底部之间设有稳浪板；两只主浮箱之间及与后部尾浮箱之间都有钢桁架连接成整体；两只主浮箱甲板上各架立一个钢架，钢架上安装一根卧式风轮轴，风轮轴两端设有两个圆盘，圆盘之间装有七片弧形叶片，圆盘与叶片共同组成推力型风轮，风轮前、后设前、后下部导风板，两侧设有左、右侧面导风板，风轮顶部的上部导风板由不同曲度的三段板连接而成，其中中段是一块包在风轮外围间隙很小的弧形板，包角为52°；两只主浮箱前部有锚链把整个漂浮系统的三只浮箱系在打入海底的锚桩上；尾浮箱上装有一根竖轴，竖轴上装有一个可以转动的平面形状为锐三角形的尾翼；竖轴顶上固结着一个绝缘圆盘，圆盘上贴有左、右两块半圆环形的铜片，两块铜片之间的间隙正好都设置在漂浮装置的中心线上，左右两块铜片分别接在尾翼电机的正转和反转电路上；绝缘圆盘上装有一只可以自由随风旋转的风向标，风向标头部下面装有一只滑动电极，电极被弹簧紧紧压在绝缘圆盘上，只要有风，风向标就会立即转动对准来风方向，绝缘圆盘是固结在尾浮箱竖轴上的，所以绝缘圆盘的中心线始终应与整个漂浮装置中心线，也就与尾浮箱的中心线一致，当风向改变时，风向标立即转动，就会与圆盘中心线产生一个偏角，风向标下面的滑动电极就会滑动到绝缘圆盘上面左边或右边的铜片上，通过左、右两块铜片接通尾翼电机的正转或反转电路，启动电机带动尾翼反时针或顺时针转动一个角度，风力推动尾翼，尾翼推动尾浮箱转动，使整个漂浮系统中心线摆到与风力方向一致的方向上来。

风轮轴的一端装有伞齿轮，通过一根竖向传动轴，带动安装在主浮箱里的发电机发电；导向板下面设有一只弧形的调速板，调速板包在风轮外围，二者之间的间隙很小。

图5为对风纠偏装置电路原理图，绝缘圆盘上所贴的左、右铜片分别通过两个滑环和碳刷与直流系统的正、反转电路1、2接通，风向标头部下面的滑动电极也有导线与直流系统的另一极接通，直流系统的正、反转电路通过正、反转继电器3、4，可以分别启动交流电路上的正、反转电路5、6，使尾翼电机正转或反转，通过蜗轮-蜗杆机构带动尾翼反时针或顺时针转动一个角度。

图6为自动对风系统和对风纠偏装置工作原理图：整个作用的过程简述于下：

假设最初是无风的，此时整个漂浮装置只受到海流的推动，漂流在锚定点的下游与海流方向一致的H线上，而且又因为无风，所以此时风向标也还保持着原来与整个装置中心线一致的状态不动，漂浮装置中心线及其与锚桩的连线以及风向标三者都与海流的方向一致。如图6-1，尾浮箱的放大图如图6-1-0。

风从图6-1上锚链线的左边吹来，风向标会立即转动，使头部直指风吹来的方向，如图6-1-1所示。

此时风向标头部下面的滑动电极滑到绝缘圆盘的左铜片上，接通尾翼的反转电路，尾翼反时针旋转到最大角度后断电，停了下来；这时，整个漂浮装置在风力的推动下转到与海流和风力的合力HL线的方向P1线上，风向标虽然转回到两条铜片的间隙上，但还没有转到右铜片上，电路还没有接通，由于蜗轮蜗杆的锁定作用，此时尾翼还保持在反时针转到的最大角度位置上，因此风力继续推动尾翼围绕主浮箱转动；直到整个装置中心线越过合力方向线，转到P2线上，如图6-2及图6-2-1。

由于风向标始终是对着风吹来的方向不会变的，所以这时，右铜片转到了滑动电极下面，接通了尾翼的顺时针电路，蜗杆带动涡轮，使尾翼顺时针回转，风力对尾翼的推动力逐渐减少，当尾浮箱中心线也即是整个装置中心线从P2线反转回到与风力方向线一致的P3 线上时，铜片间隙又转回到风向标的下面，尾翼立即停止转动，以致尾翼还没来得及完全回到与尾浮箱中心线一致的角度上就停了下来，但此时尾翼的偏角还可能偏大，尾翼上所受到的风力大于海流的推力，以致尾浮箱又越过P3线，停留在P2与P3线之间，右铜片又滑到滑动电极下面，又接通顺时针电路，尾翼的偏角继续变小，如此尾浮箱反复摆动数次后终于停留在P3线上，尾翼仍然保持一个角度使得其上面所受到的风力正好与海流对尾浮箱的冲力相等，此时锚链线是与海流与风力合力的方向线一致的，而整个漂浮装置中心线却是与风力方向基本一致了，见6-2及图6-2-2。

图7为不同方向的海流作用下漂浮装置纠偏后平面形态图：图7-1、图7-2分别为海流hL从风力FL的右侧冲来，在图7-1上，海流方向与风力方向的夹角α小于90°，图7-2上二者之间的夹角α大于90°。整个漂浮装置受风力和海流冲力的合力Fh的作用，漂流到二者合力Fh的方向P线上来，此时尾翼与尾浮箱中心线还保持有一定的角度，尾浮箱会以锚链的系点为园心，在风力的推动下，抵消着海流对尾浮箱的冲力，使漂浮装置的中心线与风力的方向F一致，即：最终的平面形态是：锚链平行于风力、海流的合力方向线在P线上，而漂浮装置的中心线平行于风力的方向在F线上。

图7-3、图7-4分别为海流hL从风力FL的左侧冲来，在图7-3上，海流方向与风力方向的夹角α小于90°，图7-4上二者之间的夹角α大于90°。整个漂浮装置受风力和海流冲力的合力Fh的作用，漂流到二者合力Fh的方向P线上来，此时尾翼与尾浮箱中心线还保持有一定的角度，尾浮箱会以主浮箱前面的锚链的系点为园心，在风力的推动下，抵消着海流对尾浮箱的冲力，使漂浮装置的中心线与风力的方向F一致，即：最终的平面形态是：锚链平行于风力、海流的合力方向线在P线上，而漂浮装置的中心线平行于风力的方向在F线上。

图8为推力型漂浮式集风发电装置抗颱风各力平衡形势图：当颱风来袭时，整个漂浮装置上的各项外力是：迎风面积上风压的合力P；系在两只浮箱前部锚链上的相应的拉力T；整个漂浮装置的自重G；两只主浮箱的浮力FZ；尾浮箱的浮力F。锚链上的锚拉力T又可分解为在X轴和Y轴上的两个分力：TX＝T*COSα；TY＝T*Sinα(α为锚链与水平面的夹角)。

根据力的平衡原则：各个水平力与垂直力的总合应平衡，即：ΣX＝0；ΣY＝0：

则：P-TX＝0；TY+G-FZ-FW＝0。

所以：得P＝TX＝T*COSα………(1)

TY+G＝FZ+FW………(2)

由式(1)可以看出：只要锚链能提供足够的拉力T，整个漂浮系统就不会水平移动；

由式(2)可以看出：只要三只浮箱能够提供足够的浮力FZ和FW，整个装置就不会下沉，另外根据力的平衡三原则之三：ΣM＝0，故

当以主浮箱系锚链的一点为旋转中心时：P*ep-TX*eX+G*eg+TY*ey-FZ*ez-FW*ew＝0，

(式中：各个e为各个力相应的力臂)。

于是：P*ep+G*eg+T*Sinα*ey＝T*COSα*ex+FZ*efz+FW*efw………(3)

式(3)等号前面的三个力矩是倾覆力矩，等号后面的三个力矩是稳定力矩，由式(3)可以看出：整个装置会不会倾覆，决定于锚链的拉力T和三只浮箱的浮力FZ和FW，所以只要锚链的强度足够强，三只浮箱的排水量足够大，就一定能抵抗得住风力P和设备重量G(对锚链的锚系点)产生的力矩，整个装置就不会倾覆。

图9为抗颱风期间上下游两侧导风板变为流线型平面图.对于特大型漂浮式风力发电装置，为了减轻锚链和錨桩的受力，可以在设计时就对两侧导风板和顶部导风板在结构上进行一些特殊设计：在每次天气预报颱风将要到来之前，把上下游的两侧导风板向中心线折叠起来，前部变成鱼嘴形，后部变成圆弧形或三角形，并把顶部导风板上的帆布卷起来，只留下几根框架杆件，这种流线形将迎风面积减少到最小，可以大大减轻颱风的吹力，降低锚链和錨桩的负荷。

漂浮式风力发电装置所发电力要通过水下电缆送到往岸上，但是当发电场离岸边很远，例如好几公里或十几、几十公里时，分别输送电缆用量太大，因此就必须在发电场附近先建一座变电站，先把各个发电机组发的电力汇集起来，然后用一条水下电缆或一条高高的架空输电线路送到岸上，然后再送上电网。这座变电站可以利用就近的岛屿或岛礁，也可以在海里建一座高桩平台或放在浮动驳船上。

对于从发电机组到现场变电站的电缆也必须分成两段，从发电设备到锚桩一段是活动段，从锚桩到变电站一段是静止的铺设在海底上的，活动段不仅要随漂浮式发电装置漂流，而且是和锚链平行架设的，问题是在一段时间里，风的变化不可能将漂浮装置顺时针转动和逆时针转动的圈数完全相等，因此就出现一个电缆和钢丝绳互相绞缠的问题，缠绞的结果很容易损伤电缆，其结果就是增加了运转期间的事故发生率和日后的维修费用，尤其是每次事故处理和更换，都必须潜水员到深海里去更换，难度很大。解决的办法是让电缆有一个活动的接头，以避免相互缠绕，而且电缆接头不在水里，不用下水去更换。因此设计了图9、图10两套锚桩系统。

图10为单台机组正方形锚桩系统透视图；四根锚桩按正方形布置，四根锚桩对角线交点上打一根中心桩，在中心桩上树立一根中心柱，用四根钢丝绳从中心柱上部牵拉到四根锚桩上，使中心柱垂直树立在中心桩上。

图11为单台机组六角形锚桩系统透视图：六根锚桩按照正六角型布置，中心桩上的中心柱用六跟钢丝绳锚定在六根锚桩上。

图12为图10、图11中的A-A剖面图。拉住漂浮装置的锚链(也可用钢丝绳)套在中心柱顶上，电缆的活动段也在中心柱顶上在水面以上与静止段接头。

图13为中心桩上部结构剖面图；图14为中心桩下部结构剖面图；图15为图13上的B-B剖面图；图16为图14上的C-C剖面图；图17为图14上锚桩D-D方向顶视图，图中套环画的是四只，说明是正方形锚桩系统的桩顶，如果在六角型锚桩系统中，锚桩顶上安装的是六只套环。

从五幅图中可以看到：中心柱的最上段挂编号旗的一段是细钢管；下面，水面上下的第二段是较粗的厚壁圆钢管，再向下几十米长的一段，是由角钢焊接成的“茅竹管式”的组合钢柱，不同于茅竹的特征是：管壁用角钢内外双面焊，焊成筒形，因此不是光滑的圆筒，而是有楞的筒，相同的是：全长筒的内部，每隔一段都用角焊方式焊有一道道类似竹节板样的水平钢板，用以提高中心柱抗纵向弯曲的能力，竹节板中央开洞，以便电缆穿过。

柱的底部焊接了一只球墨铸铁的球形碗，扣在锚桩顶部的蘑菇头上，以便把中心桩上部的压力传送到中心桩上。

图13显示：四或六根从锚桩拉过来的钢丝绳各通过一个滑轮，从第二段中心柱圆管中心向上穿过滚柱轴承和操作平台后，其端头分别固定在四或六只滚筒上，各个滚筒都有棘轮止退装置，所以站在操作平台上就可以用撬棍分别撬动各个滚筒，拉紧并调整各根钢丝绳的松紧度，使中心桩达到垂直状态；由于钢丝绳与海水接触的总面积远远大于钢棒，而且在使用过程中，钢丝之间的摩擦会提前磨损镀层，钢丝绳更会提前锈蚀，所以实用中钢丝绳的下段，比当地水深略长的一段，可以采用镀锌钢拉杆，拉杆下端焊有一个特制的弯钩，勾住锚桩上的套环后并用“锁紧装置”防止脱钩即可；拉杆的上端也焊有一个套环，上面一段才使用镀锌钢丝绳，以便穿过滑轮，利用绞紧装置调整其松紧度，日后上段钢丝绳锈蚀需要更换时，只要把钢丝绳与钢拉杆的接头提出水面，换上新钢丝绳即可，可以避免潜水员每次都要潜到深海里去换整根钢丝绳。

操作平台的下面，中心柱上套有一个滚柱轴承，牵拉漂浮系统的钢丝绳系在轴承外壳上，以保证风力把漂浮装置吹转多少圈钢丝绳也不会上劲或回劲；平台上面在高潮位水面以上设密封罩，是电缆活动段与静止段的接头装置，其内部：中心柱上套着的三个滑环，各与电缆静止段的三相电缆连接，与之对应的三只碳刷由弹簧紧紧的压在碳刷上，三只碳刷与电缆的活动段连接；密封罩是可以随着电缆的活动端钢管转动的；密封罩由上下两部分组成，密封罩上下穿过第一段和第二段钢管处都有“盘根”封水，可以防止高潮位时的中、高浪浸湿滑环和碳刷，密封罩底部有一泄水管，泄水管里穿有一根尼龙绳，上面通过一段拉紧弹簧固定在密封罩内，下面穿出管口处系有一个橡皮球，弹簧的松紧度调整到当密封罩内日久进了渗水时，在低浪时可以自流流出密封罩，而在密封罩被中、高浪淹没时，弹簧可以把橡皮球垃紧堵在管口上，防止进水；从图14可以看到：静止段电缆通过中心柱一道道“竹节板”，下降到中心桩顶上方附近穿出中心柱，然后从海底拉到岸上的变电所里。

从中心柱到发电装置的锚链，可以使用钢丝绳作为受力材料，为了防止钢丝绳和电缆缠绕在中心柱上，二者接近中心柱的一段外部都套有一根钢管，钢管与滚柱轴承套和密封罩接头处都是如图示那样铰接的，两根钢管的另一端在接近中心柱不远处扎在一起，然后平行扯向主浮箱，中间用若干个悬挂钢丝把电缆系在钢丝绳上，以避免电缆被自重和海浪冲击拉断。这段锚链(钢丝绳)的长度R可以很短，因此电缆的活动段也短，日后运转中的材料损耗会很低。

采用锚桩体系虽然每台机组的中心柱要用4到6根锚桩锚拉，但在大的发电场上锚桩数量并不需要4到6倍的机组数，图18为六角型系统锚桩群平面图，图20为水深 H<1.4L正四方型系统锚桩群平面图，图19为图18上E-E、F-F剖面图，图21为图20的剖面图，图中各个锚桩的间距L初步决定于室内模型试验，条件是后排风机不会受到前排风机对气流的影响而降低发电效率，L值在日后实践中逐步修正。。

从图19、21中可以看到：在发电场中心部位，每一根桩既是中心桩又是锚桩，所以一个大的发电场上需要打的总桩数：X＝H*L+2(H+L)(式中：H—机组行数，L—机组列数) 基本上比“一台机组一根桩”只多了两倍的行列数，所以水下工程量很省。

图22为h>1.4L正四方型系统锚桩群平面图，图23为图22的剖面图：由于海床面是倾斜的，近岸处水浅，离岸越远水越深，而桩距L是不必变动的，因此钢丝绳的倾角α变大，钢丝绳就会变陡，此时：钢丝绳长度应为：l＝h/Sinα，钢丝绳受到的的拉力；T＝R/cos α(式中：h—水深，R—漂浮装置迎风面积上受到的颱风的推动力)，

当h＝1.4L时，α＝54.46°，Sinα＝0.8137，Cosα＝0.5813

钢丝绳受到的拉力：T1＝1.7204R，钢丝绳的长度为：l1＝1.7205L而采取图22方式把钢丝绳下端锚定在更远的一根锚桩上时，变为：α＝34.992°，钢丝绳的受力变为T2＝1.2207R，长度变为l2＝2.4413L，钢丝绳长度增加了l2/l1＝1.4倍，但钢丝绳的受力却降低了TI/T2＝1.4 倍，也就意味钢丝绳的断面面积可以降低1.4倍，使用的钢丝绳总重量没有变，所以水深 H＝1.4L是一个临界值。

假如当水深改为h＝1.6L时：α1＝57.9946°；Sinα1＝0.8480；Cosα1＝0.5300；α 2＝38.6598°；Sinα2＝0.6247；Cosα2＝0.7809；

钢丝绳下＝端锚定在距中心桩L的锚桩顶上，钢丝绳长度为l1＝1.5L/Sinα＝1.7689L；受力 T1＝R/Cosα＝1.8868R；

钢丝绳下端锚定在距中心桩2L的锚桩顶上，钢丝绳长度为l2＝2.407L；受力T1＝1.2806R。

虽然钢丝绳的长度，增加了l2/l1＝1.36倍，但断面却可以降低TI/T2＝1.4722倍，所以把钢丝绳锚定在2L远的一根锚桩上更合算，水深越深，钢丝绳的用量越合算，因此建议：当桩距L不变时：

水深h<1.4L时钢丝绳下端应锚定在距中心桩L的锚桩顶上；

水深h>1.4L时钢丝绳下端应锚定在距中心桩2L的锚桩顶上。

当然，把钢丝绳下端锚定在距中心桩2L的锚桩顶上，边桩必须增加一倍，即：总桩数：X＝H*L+4(H+L)所以水深略大于1.4L时还要进行近一步更细致的技术和经济比较，以便最后确定最经济合理的方案。

Claims (6)

1.一种推力型漂浮式集风发电装置，其特征为：由漂浮系统和海底锚定系统两大系统组成——

其漂浮系统由三只浮箱、风轮及其支架、集风系统、自动对风和对风纠偏装置、调速装置、以及发电和电力转换系统组成；三只浮箱平面上呈“品”字形排列，前部，中心线左、右的两只为主浮箱、后部一只为尾浮箱，三只浮箱之间由钢桁架互相连接成整体；两只主浮箱底部设有稳浪板，两只主浮箱的中部树立风轮支架，上面架立一根卧式风轮轴，推力型风轮由两端圆盘和圆盘之间的七片弧形叶片组成，风轮的一端装有伞齿轮，通过竖向传动轴，带动安装在主浮箱里的发电机发电；风轮前、后设前、后下部导风板，两侧设有左、右侧面导风板，风轮顶部设有上部导风板，两只主浮箱前部由锚链把整个漂浮系统系在打入海底的锚桩上，尾浮箱上装有一根竖轴，竖轴上装有一个可以转动的平面形状为锐三角形的尾翼，竖轴顶上固结有一个绝缘圆盘，圆盘上贴有左、右两块半圆环形的铜片，绝缘圆盘上装有一只可以自由随风旋转的风向标，风向标头部下面装有一只滑动电极，电极被弹簧紧紧压在绝缘圆盘上；下导风板里面装有一只弧形的调速板；

其海底锚定系统平面布置有正四方形和正六角形二种，其结构特征为:每个中心桩上树立一根中心柱，从中心柱顶上向周围的4或6根锚桩用钢丝绳拉紧，漂浮装置的锚链系在中心柱顶上，电缆的活动段和静止段通过碳刷-滑环也在中心柱顶的防水罩内接头；当水深H＜1.4L时，钢丝绳下端都锚定在距中心柱L远的一根锚桩上；水深H＞1.4L时，钢丝绳下端应锚定在距中心桩2L远的锚桩顶上，L为风力发电场上锚桩之间的标准桩距，它是后排风机不会受到前排风机的影响而降低功率的最小距离。

2.根据权利要求1所述的推力型漂浮式集风发电装置，其特征为：两只主浮箱底部之间设有稳浪板；稳浪板上有一定的水深，可以对风浪的推举起到一定的阻尼作用。

3.根据权利要求1所述的推力型漂浮式集风发电装置，其特征为：风轮前面的下部导风板，在接近风轮处均处在风轮轴的同一高度上，正好可以完全遮住风轮的下半部；风轮两侧设有前、后侧面导风板，顶部设有上部导风板，上、下、左、右导风板在风轮前后共同组成一个前、后都呈喇叭状的集风系统，把大于风轮面积数倍的风力集中吹向风轮的上半部。

4.根据权利要求1所述的推力型漂浮式集风发电装置，其特征为：上部导风板由曲度不同的三段板连接而成，其中中段是一段包在风轮外围仅有2厘米间隙的弧形板，包角为52°，与七叶片的风轮配合，起到气缸-活塞的持续加力作用。

5.根据权利要求1所述的推力型漂浮式集风发电装置，其特征为：其自动对风系统：在主浮箱的前部通过锚链系在锚定系统上，尾浮箱上面设有一根竖轴，竖轴中部装有一个三角形尾翼，竖轴顶上固结着一个绝缘圆盘，圆盘上贴有左、右两块半圆环形的铜片，绝缘圆盘上装有一只可以自由随风转动的风向标，风向标头部下面装了一只滑动电极，左、右两块铜片和滑动电极接有通向纠偏电机的电路，纠偏电机通过蜗轮、蜗杆带动尾翼旋转。

6.根据权利要求1所述的推力型漂浮式集风发电装置，其特征为：前部下部导风板里面设有一只弧形调速板，微电脑根据网上电流的频率和相位来控制藏在前部下部导风板里的调速板旋转出来遮挡风轮面积的一部分，灵活改变风轮的受风面积，对风轮转速进行精细调整，以提高并网精度。