CN108860495A - 应用于浅水和深水之间的漂浮式风机 - Google Patents

应用于浅水和深水之间的漂浮式风机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，包括上部机组、漂浮基础、张力腿系泊系统以及锚固系统，由所述漂浮基础向所述上部机组提供浮力，使所述上部机组能够始终位于水面上方；而所述张力腿系泊系统连接在所述漂浮基础与所述锚固系统之间，使所述漂浮基础与所述锚固系统之间保持张紧连接；本发明中，所述漂浮基础仅局部长度没入水中，所述张力腿系泊系统与所述漂浮基础之间的连接位置也位于水面以上。如此设置，名义上增加了张力腿系泊系统的长度，实际效果是增加了漂浮式风机在平面内的顺应性，即增加了风机的纵横荡固有周期(可以达到25s)，良好的避开了波浪固有周期范围和风轮的1P、3P频率范围。

Description

应用于浅水和深水之间的漂浮式风机
技术领域
本发明涉及一种海上漂浮式风机，特别涉及一种应用于浅水和深水之间的漂浮式风机。
背景技术
海上风电场根据海域位置可划分为浅海风电场和深海风电场，浅海风电场采用单桩和多桩固定式基础，多为30m以内水深；深海风电场指水深在60m以上海域，存在更多更优质的风资源，要建设开发这些海域风电场，采用固定式风机成本将会直线上升，因此漂浮式风机成为开发深远海风电场方案之一。
目前根据深海风电场的需要，相继开发了以Hywind为代表的单立柱式风机(Spar型)，以Windfloat为代表的半潜式风机(Semi型)和以BlueH为代表的张力腿式风机(TLP型)，三种漂浮式风机型式不同，适用海域不同，运动响应不同。
而对于水深介于浅海和深海之间的海域，若采用漂浮式风机开发建设，由于水深不大，设计上具有难度。在传统漂浮式风机方案中，其漂浮基础是全部没入水中，而本发明应用于浅水和深水之间(即[30m，60m]范围内)的特殊海域，若采用传统漂浮式风机方案，很容易发生共振现象。
发明内容
本发明的发明目的就在于，提供一种应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，使其具有经济实用、结构紧凑、性能优良的特点，并且不容易与海浪、风浪产生共振。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其包括：上部机组、漂浮基础、张力腿系泊系统以及锚固系统，其中：
所述上部机组用于收集风力；
所述漂浮基础与所述上部机组相连，向所述上部机组提供浮力，使所述上部机组能够始终位于水面上方；
所述张力腿系泊系统连接在所述漂浮基础与所述锚固系统之间，使所述漂浮基础与所述锚固系统之间保持张紧连接；
所述锚固系统固定在水底，将所述漂浮基础牵引在限定深度位置；
其特征在于：所述漂浮基础仅局部长度没入水中，所述张力腿系泊系统与所述漂浮基础之间的连接位置也位于水面以上。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述浅水和深水之间是指水深处于[30m，60m]范围内的水域。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述漂浮基础包括一根竖直的中央立柱以及围绕在中央立柱周围并由下至上向外倾斜的至少三根斜立柱，所述中央立柱与斜立柱均为空心结构并相互固定连接，所述中央立柱的顶端与所述上部机组的底端固定连接；所述张力腿系泊系统的上端与斜立柱的顶部的相接，相接处位于水面以上。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述斜立柱的底端与所述中央立柱的底端相接近并通过下连接结构连接在一起，所述斜立柱的顶端则远离所述中央立柱的顶端，所述斜立柱的顶端通过上连接结构与所述中央立柱的顶端连接在一起。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述上连接结构是圆管形或箱型结构，所述下连接结构是钢管。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述斜立柱采用由下至上渐渐变粗的渐变式截面型式。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述漂浮基础是一根竖直的中央立柱，所述中央立柱为空心结构，所述中央立柱的顶端与所述上部机组的底端固定连接；在中央立柱的顶端固定有至少三个水平延伸的上部支架，所述中央立柱的顶端以及至少三个上部支架均露出水面，所述至少三个上部支架的外伸端与所述张力腿系泊系统的上端固定连接。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述张力腿系泊系统是钢管、钢缆、聚酯缆或锚链。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述张力腿系泊系统的下端垂向向下地连接所述锚固系统。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：所述至少三个上部支架是渐变式箱型结构，或者是桁架式结构。
所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其中：还包括控制系统，其采用独立变桨技术，能够实时采集风速、风向和振动信号，并根据漂浮式风机运动响应和塔筒振动特性进行变桨和偏航。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：
如此设置，名义上增加了张力腿系泊系统的长度，实际效果是增加了漂浮式风机在平面内的顺应性，即增加了风机的纵横荡固有周期(可以达到25s)，良好的避开了波浪固有周期范围和风轮的1P、3P频率范围。
而且，漂浮式风机基础吃水在30m左右，而且漂浮式风机总浮力大于自身重力，从而在张力腿系泊系统中产生很大的预张力，这样使得漂浮式风机在垂向和转动方向具有很大的刚度，因此张力腿式漂浮式风机纵/横摇和垂荡的运动响应很小，频率也高于塔筒的一阶频率。
此外，由于斜立柱的原因，相当于增加了漂浮式风机基础水线面积，从而增加了风机的静稳性。
附图说明
图1是本发明提供的四斜立柱张力腿式漂浮式风机的立体结构图；
图2是本发明提供的四斜立柱张力腿式漂浮式风机的漂浮基础的立体结构图；
图3是本发明提供的三斜立柱张力腿式漂浮式风机的立体结构图；
图4是本发明提供的三斜立柱张力腿式漂浮式风机的漂浮基础的立体结构图；
图5是本发明提供的单立柱张力腿式漂浮式风机的立体结构图；
图6是本发明提供的单立柱张力腿式漂浮式风机的漂浮基础的立体结构图。
附图标记说明：上部机组1；叶片11；轮毂12；机舱13；塔筒14；漂浮基础2；中央立柱21；斜立柱22；下连接结构23；上连接结构24；上部支架25；张力腿系泊系统3；锚固系统4；水面H。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供一种四斜立柱张力腿式漂浮式风机，包括：上部机组1、漂浮基础2、张力腿系泊系统3以及锚固系统4，其中：
所述上部机组1由叶片11、轮毂12、机舱13和塔筒14组成，用于收集风力；
所述漂浮基础2与所述上部机组1相连，向所述上部机组1提供浮力，使所述上部机组能够始终位于水面H上方；
所述张力腿系泊系统3连接在所述漂浮基础2与所述锚固系统4之间，使所述漂浮基础2与所述锚固系统4之间保持张紧连接；
所述锚固系统4固定在水底，将所述漂浮基础2牵引在限定深度位置。
如图1、图2所示，本实施例中的漂浮基础2包括一根竖直的中央立柱21以及围绕在中央立柱21周围并由下至上向外倾斜的四根斜立柱22，所述中央立柱21与斜立柱22均为空心结构并相互固定连接，所述中央立柱21的顶端能够通过法兰盘与所述上部机组1的塔筒14底端固定连接；更具体的来说，所述斜立柱22的底端与所述中央立柱21的底端相接近并通过下连接结构23连接在一起，所述斜立柱22的顶端则远离所述中央立柱21的顶端，所述斜立柱22的顶端通过上连接结构24与所述中央立柱21的顶端连接在一起；所述上连接结构24与下连接结构23在本实施例中是钢管，也可以提供浮力；
如图1、图2所示，本实施例中的张力腿系泊系统3可以是钢管、钢缆、聚酯缆或锚链，其上端与斜立柱22的顶部的导缆孔或连接器相接，下端垂向向下地连接所述锚固系统4；所述锚固系统4可以采用桩基型式或者吸力筒型基础。
如图1、图2所示，本实施例使用的时候，为了避免产生共振现象，所述漂浮基础2仅局部长度没入水中，即所述中央立柱21与斜立柱22的顶端均露出水面H，而且张力腿系泊系统3与斜立柱22的顶部的连接位置也位于水面H以上。
如此设置，名义上增加了张力腿系泊系统3的长度，实际效果是增加了漂浮式风机在平面内的顺应性，即增加了风机的纵横荡固有周期(可以达到25s)，良好的避开了波浪固有周期范围和风轮的1P、3P频率范围。
而且，漂浮式风机基础吃水在30m左右，而且漂浮式风机总浮力大于自身重力，从而在张力腿系泊系统3中产生很大的预张力，这样使得漂浮式风机在垂向和转动方向具有很大的刚度，因此张力腿式漂浮式风机纵/横摇和垂荡的运动响应很小，频率也高于塔筒14的一阶频率。同时为了调节风机重心，在漂浮式风机基础底部还可配有压载系统，以调节风机的吃水和重心，方便运输和安装。
此外，由于斜立柱22的原因，相当于增加了漂浮式风机基础水线面积，从而增加了风机的静稳性。
如图3、图4所示，本发明还提供一种三斜立柱张力腿式漂浮式风机，其与图1、图2所示的实施例相比，仅仅改变了斜立柱22的数量，而且斜立柱22采用了由下至上渐渐变粗的渐变式截面型式，其余具体结构就不再重复介绍了。
上述两个实施例中，所述上连接结构24可以是圆管形或箱型结构，既作为加强连接结构，又可以作为风机的登船走道。
如图5、图6所示，本发明还提供一种单立柱张力腿式漂浮式风机，其与图1、图2所示的实施例相比，去除了四个斜立柱，仅留下中央立柱21’，并在中央立柱21’的顶端固定有至少三个水平延伸的上部支架25，所述中央立柱21’的顶端以及至少三个上部支架25均露出水面H，所述至少三个上部支架25的外伸端与所述张力腿系泊系统3的上端固定连接。其中，所述至少三个上部支架25可以是渐变式箱型结构，或者是桁架式结构。
本发明可以选择在陆地施工建造，在港口码头进行基础、机舱、叶片和塔筒等组装，然后整体湿拖至目标风场，调整压载系统再与张力腿系泊系统3进行连接，以保证风机运行所需要求，整个运输安装过程难度不大。
所述上部机组1可采用双馈或者直驱发电机，并设有控制系统，该控制系统实时采集漂浮式风机风速、风向和振动信号，并根据漂浮式风机运动响应和塔筒振动特性进行变桨和偏航，如采用独立变桨技术，完成变桨、偏航和停机动作，从而降低风机振动和载荷。
以上所述实施例仅表达了本发明具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其包括：上部机组、漂浮基础、张力腿系泊系统以及锚固系统，其中：
所述上部机组用于收集风力；
所述漂浮基础与所述上部机组相连，向所述上部机组提供浮力，使所述上部机组能够始终位于水面上方；
所述张力腿系泊系统连接在所述漂浮基础与所述锚固系统之间，使所述漂浮基础与所述锚固系统之间保持张紧连接；
所述锚固系统固定在水底，将所述漂浮基础牵引在限定深度位置；
其特征在于：所述漂浮基础仅局部长度没入水中，所述张力腿系泊系统与所述漂浮基础之间的连接位置也位于水面以上。
2.根据权利要求1所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述浅水和深水之间是指水深处于[30m，60m]范围内的水域。
3.根据权利要求1所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述漂浮基础包括一根竖直的中央立柱以及围绕在中央立柱周围并由下至上向外倾斜的至少三根斜立柱，所述中央立柱与斜立柱均为空心结构并相互固定连接，所述中央立柱的顶端与所述上部机组的底端固定连接；所述张力腿系泊系统的上端与斜立柱的顶部的相接，相接处位于水面以上。
4.根据权利要求3所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述斜立柱的底端与所述中央立柱的底端相接近并通过下连接结构连接在一起，所述斜立柱的顶端则远离所述中央立柱的顶端，所述斜立柱的顶端通过上连接结构与所述中央立柱的顶端连接在一起。
5.根据权利要求4所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述上连接结构是圆管形或箱型结构，所述下连接结构是钢管。
6.根据权利要求3所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述斜立柱采用由下至上渐渐变粗的渐变式截面型式，截面形式是圆形、矩形或方形。
7.根据权利要求1所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述漂浮基础是一根竖直的中央立柱，所述中央立柱为空心结构，所述中央立柱的顶端与所述上部机组的底端固定连接；在中央立柱的顶端固定有至少三个水平延伸的上部支架，所述中央立柱的顶端以及至少三个上部支架均露出水面，所述至少三个上部支架的外伸端与所述张力腿系泊系统的上端固定连接。
8.根据权利要求3或7所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述张力腿系泊系统是钢管、钢缆、聚酯缆或锚链，其预张力大小受漂浮式风机重力与漂浮基础的浮力的控制。
9.根据权利要求3或7所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述张力腿系泊系统的下端垂向向下地连接所述锚固系统，锚固系统采用桩基基础或负压筒型基础。
10.根据权利要求7所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：所述至少三个上部支架是渐变式箱型结构，或者是桁架式结构。
11.根据权利要求1所述的应用于浅水和深水之间的漂浮式风机，其特征在于：还包括控制系统，其采用独立变桨技术，能够实时采集风速、风向和振动信号，并根据漂浮式风机运动响应和塔筒振动特性进行变桨和偏航。
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