CN110182326A - 一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台 - Google Patents

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Abstract

本发明属于浮式海上风力发电机相关技术领域，其公开了一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，该发电机平台包括支撑结构、减振阻尼组件及球铰，所述支撑结构为上下层框架结构，其上层通过所述球铰连接于发电机组件；所述减振阻尼组件连接所述发电机组件及所述支撑结构，其用于减少所述发电机组件受到的振动；所述减振阻尼组件包括多个阻尼器及多个弹簧，多个所述阻尼器绕所述发电机组件均匀排布；所述阻尼器的一端连接于所述支撑结构，另一端通过所述弹簧连接于所述发电机组件。本发明能够显著降低海上风力发电机的运动幅度，从而增加整个发电机平台的稳定性，为大功率浮式海上风力发电设备提供了安全可靠的平台支撑基础结构。

Description

一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台
技术领域
本发明属于浮式海上风力发电机相关技术领域，更具体地，涉及一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台。
背景技术
由于传统能源在过去几十年中日益枯竭，可再生能源，尤其是风能，比以往任何时候都受到更多关注，风能因其在减少温室气体排放方面的重要作用而得到广泛认可，因此风能的开发在过去几十年中经历了快速增长。随着风力发电在全球范围内持续快速增长，由于海上风力资源比陆上风能具有许多特别的优势，近年来风力发电机作为风能收集装置已经从陆上发展到海上。然而随着水深的增加，固定底部海上风力发电机的施工难度和成本迅速增加。事实上，利用浮式基础支撑深水海上风力发电机将带来许多重要的好处，主要是：与深水中的固定底部相比成本更低，在施工和安装程序方面具有更好的灵活性，易于拆卸和退役，为浮式基础设计提供了各种技术解决方案。因此，浮式基础概念已经成为深水海上风力发电机的替代方案。
海上风力发电机可分为三类：翼梁型、半潜式和张力腿平台型。由于Statoil开发的Hywind概念基于细长的深吃水下部结构，是典型的翼梁型。由于翼梁型具有出色的稳定性，经过不断的理论研究和现场监测，Hywind概念最终在2017年世界上第一个浮式电场Hywind Scotland商业化，这是海上风力发电机历史上的一个里程碑。与其他两种类型的基础，即翼梁和张力腿平台类型相比，半潜式基础是有利的，因为基础的建造，组装和调试甚至风力发电机的安装都可以在码头上完成，安装了风力发电机的成品基础可以通过拖船拖出并展开。与半潜式基础系泊系统的安装相关的成本相对低于其他类型的浮式基础，与其他两种浮式基础相比，半潜式基础对风荷载激励的水动力特性，由于深度吃水而更好。原因很明显，当吃水变大时，自燃垂荡周期较长。特别地，在垂荡运动期间，波激励力在平衡位置几乎消失。半潜式基础的纵荡响应类似于翼梁类型的响应，优于张力腿平台型；另一方面，半潜式基础的横摇运动小于翼梁类型。
在现阶段的海上风力发电机领域，浮式海上风力发电机平台基础大多采用翼梁型基础，而这样带来的问题是为了保持整体稳定性，降低整个结构的重心和稳心，翼梁尺寸需要较大，成本也较高。对于半潜式平台的研究还处于积极探索阶段，现有的半潜式平台结构虽然采取了很多复杂的处理措施，但效果仍旧难以令人满意。相应地，本领域存在着发展一种整体稳定性较优的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其基于现有浮式基础的工作特点，研究及设计了一种稳定性较好的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台。所述发电机平台的发电机组件与支撑结构通过球铰相连接，且所述发电机组件与所述支撑结构之间设置了减振阻尼组件，由此能够显著降低海上风力发电机的运动幅度，从而增加整个发电机平台的稳定性，为大功率浮式海上风力发电设备提供了安全可靠的平台支撑基础结构。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，所述发电机平台包括支撑结构、减振阻尼组件及球铰，所述支撑结构为上下层框架结构，其上层通过所述球铰连接于发电机组件；所述减振阻尼组件连接所述发电机组件及所述支撑结构，其用于减少所述发电机组件受到的振动；
所述减振阻尼组件包括多个阻尼器及多个弹簧，多个所述阻尼器绕所述发电机组件均匀排布；所述阻尼器的一端连接于所述支撑结构，另一端通过所述弹簧连接于所述发电机组件。
进一步地，多个所述阻尼器的数量为三个，且所述阻尼器为电涡流阻尼器。
进一步地，所述支撑结构包括多个偏移柱、立柱、多个第一连接件及多个第二连接件，多个所述偏移柱绕所述立柱均匀排布，多个所述偏移柱之间通过所述第一连接件相连接，所述偏移柱与所述立柱之间通过所述第一连接件及所述第二连接件相连接。
进一步地，所述偏移柱包括第一支撑柱及基柱，所述第一支撑柱设置在所述基柱上，且所述第一支撑柱与所述基柱均为圆柱状，所述第一支撑柱的直径小于所述基柱的直径。
进一步地，多个所述第一支撑柱之间通过所述第一连接件相连接，多个所述基柱之间通过所述第一连接件相连接，所述第一连接件的数量是所述第二连接件的数量的四倍。
进一步地，所述第一连接件为圆柱形等截面浮筒，所述第二连接件为斜撑。
进一步地，多个所述偏移柱的数量为三个或者六个。
进一步地，所述发电机平台还包括多个系泊线，所述偏移柱开设有导缆孔，多个所述导缆孔绕所述立柱均匀排布；多个所述系泊线分别连接于所述导缆孔，所述系泊线用于将所述发电机平台固定于预定海域范围内。
进一步地，所述发电机组件包括圆柱状的塔架及连接于所述塔架远离所述支撑结构的一端的风力发电机，所述塔架通过所述球铰连接于所述立柱，且其中心轴与所述立柱的中心轴重合。
进一步地，工作时，所述偏移柱作为压载舱为所述发电机平台提供压载。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台主要具有以下有益效果：
1.所述支撑结构为上下层框架结构，且其通过所述球铰连接于发电机组件，所述减振阻尼组件连接所述发电机组件及所述支撑结构，所述减振阻尼组件包括多个阻尼器及多个弹簧，多个所述阻尼器绕所述发电机组件均匀排布；所述阻尼器的一端连接于所述支撑结构，另一端通过所述弹簧连接于所述发电机组件，如此能够有效降低风力发电机平台的运动幅度，有利于风力发电机的运行与维护，提高了稳定性。同时，电涡流阻尼器是一种利用电涡流原理制成的耗能减振装置，具有结构简单、耐久性好、耐腐蚀性优良、维护要求低和使用寿命长等优点，尤其适用于海上环境。
2.工作时，所述偏移柱作为压载舱以为所述发电机平台提供压载，且兼起增加垂荡阻尼的作用，减小基础垂荡幅值，降低了海上风力发电机平台的重心，提高了整个结构的稳性。
3.该海上风力发电机平台可在船坞内建造，并可在岸边码头通过陆上吊机完成整个浮式海上风力发电机的拼装，通过调整压载减小基础吃水，整体拖航至安装地点，通过系泊定位，省去了常规海上吊装需要的大型浮吊船，节约了施工建造成本。
4.所述塔架通过所述球铰连接于所述立柱，且其中心轴与所述立柱的中心轴重合，如此使得整个海上风力发电平台能稳定于所述支撑结构的中心轴上，从而使得海上风力发电平台可以更好地适应海上复杂多变的环境，进一步提高了稳定性。
5.六个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个正六边形的顶点，偏移柱的数量是经过相应模型测试及数值模拟分析等一系列研究及分析而得到的，如此使得结构形式规则且相对简单，刚度较强，发电机平台整体的重心降低，抗波能力有所提升；此外，当偏移柱的数量为6时，浪涌运动的减少最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近80％，此时浪涌幅度的减小最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近70％。
6.所述第一支撑柱的直径小于所述基柱的直径，有利于抑制所述海上风力发电机平台的运动，特别是在升沉方向，也可限制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。
7.所述支撑结构为上下层框架结构，且多个所述偏移柱绕所述立柱均匀排布，且所述偏移柱连接于所述立柱，使得整体结构质量较小，且结构稳定，受载分布均衡，稳定性较好，成本较低。
附图说明
图1是本发明提供的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台的结构示意图；
图2是图1中的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台的局部示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-发电机平台，2-塔架，3-风力发电机，4-叶片，5-第一支撑柱，6-基柱，7-立柱，8-第一连接件，9-第二连接件，10-球铰，11-阻尼器，12-弹簧，13-系泊线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台1，所述发电机平台1包括支撑结构、球铰及减隔振阻尼组件，所述支撑结构通过所述球铰连接于所述发电机组件，所述减隔振阻尼组件连接所述发电机组件及所述支撑结构，其用于减少所述发电机组件受到的振动，进而提高所述发电机平台1的稳定性。
所述支撑结构包括多个偏移柱、立柱7、多个第一连接件8及多个第二连接件9，多个所述偏移柱绕所述立柱7均匀排布，所述立柱7通过球铰10连接于所述发电机组件。多个所述偏移柱之间采用所述第一连接件8相连接，所述偏移柱与所述立柱7之间采用所述第二连接件9相连接。
所述偏移柱包括基柱6及设置在所述基柱6上的第一支撑柱5，所述基柱6及所述第一支撑柱5均为圆柱状，且所述第一支撑柱5的直径小于所述基柱6的直径，如此可以有利于抑制所述发电机平台1运动，特别是在升沉方向，也有抑制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。本实施方式中，所述偏移柱在使用时，其从底部填充有水，即用水压载。
本实施方式中，所述偏移柱的数量为三个，所述第一连接件8的数量为十二个，所述第二连接件9的数量为三个，三个所述第一支撑柱5远离所述基柱6的一端分别通过所述第二连接件9连接于所述立柱7临近所述基柱6的一端，三个所述第一支撑柱5远离所述基柱6的一端通过三个所述第一连接件8相连接，且分别通过所述第一连接件8连接于所述立柱7朝向所述发电机组件的一端；所述基柱6远离所述发电机组件的一端通过三个所述第一连接件8相连接，且分别通过所述第一连接件8连接于所述立柱7远离所述发电机组件的一端；可以理解，在其他实施方式中，所述偏移柱的数量可以根据实际需要增加或者减少，优先为六个，该数量是通过相应模型测试和数值模拟分析等一系列研究及分析而得到的，具体为：
自由衰减测试表明，增加偏移柱的数量可以减少浪涌模式中的自然周期，而升沉和俯仰模式的自然周期不会发生显着变化。
常规波浪载荷试验表明，当偏移柱数增加时，浪涌运动减少，而列数的影响对于升沉和俯仰运动可忽略不计。当偏移柱的数量为6时，浪涌运动的减少最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近80％。
对于不规则波浪载荷，随着偏移柱数量的增加，浪涌、起伏和俯仰的响应减小，与常规波浪载荷相同，增加偏移柱数量的最明显影响是在喘振方向上。当偏移柱的数量为6时，浪涌幅度的减小最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近70％。
本实施方式中，所述支撑结构为上下层框架结构，连接于所述第一支撑柱5的第一连接件8组成上层，连接于所述基柱6的第一连接件8组成下层，且连接于所述第一支撑柱5的第一连接件8组成等边三角形，连接于所述基柱6的第一连接件8组成等边三角形；所述发电机组件连接于该支撑结构的上层；所述第一连接件8为圆柱形等截面浮筒，所述第二连接件9为斜撑，且所述第一连接件8、所述第二连接件9及所述立柱7内没有水压载。
所述立柱7及所述偏移柱可提供整体浮力，结构吃水深度较小，有效地增加了该发电机平台1的转动惯量，使得浪涌、升沉和俯仰幅值控制在海上风力发电设备运行的安全范围内；所述第一连接件8及所述第二连接件9提供了该发电机平台1底部合力的传递路径；所述第一支撑柱5及所述基柱6作为压载舱提供该发电机平台1的整体压载，使该发电机平台1整体重心降低，GM值增加，提高了整体的稳定性，继而能在外部极限环境条件下不产生倾覆，保证了海上风力发电设备的安全性。所述第一连接件8和所述第二连接件9除提供压载外，还增加了升沉运动阻尼，使得升沉运动幅值控制在可接受范围内。
所述发电机平台1还包括三个系泊线13，所述基柱6分别开设有导缆孔，三个所述导缆孔绕所述立柱7均匀排布，且三个所述导缆孔分别位于同一个等边三角形的顶点处。三个所述系泊线13的一端分别连接于三个所述导缆孔，工作时，另一端分别连接于锚固点，所述锚固点设置在海底。所述系泊线13用于使海上风力发电机平台固定于一个海域范围，不发生较大的浪涌、升沉及俯仰运动。
所述减振阻尼组件包括三个阻尼器11及三个弹簧12，所述阻尼器11的一端连接于所述支撑结构的上层，另一端通过所述弹簧12连接于所述发电机组件。本实施方式中，三个所述阻尼器11绕所述发电机组件的中心轴均匀排布；所述阻尼器11为电涡流阻尼器。
所述发电机组件包括塔架2、风力发电机3及风叶4，所述塔架2通过所述球铰10连接于所述立柱7，且所述塔架2呈圆柱状，其中心轴与所述立柱7的中心轴重合。所述风力发电机3设置在所述塔架2远离所述支撑结构的一端，所述风叶4连接于所述风力发电机3。
本发明提供的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，该发电机平台通过减振阻尼组件连接发电机组件及支撑结构，减振阻尼组件的阻尼器的一端连接于所述支撑结构，另一端通过所述弹簧连接于所述发电机组件，如此能够有效降低风力发电机平台的运动幅度，有利于风力发电机的运行与维护，提高了稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：
所述发电机平台(1)包括支撑结构、减振阻尼组件及球铰(10)，所述支撑结构为上下层框架结构，其上层通过所述球铰(10)连接于发电机组件；所述减振阻尼组件连接所述发电机组件及所述支撑结构，其用于减少所述发电机组件受到的振动；
所述减振阻尼组件包括多个阻尼器(11)及多个弹簧(12)，多个所述阻尼器(11)绕所述发电机组件均匀排布；所述阻尼器(11)的一端连接于所述支撑结构，另一端通过所述弹簧(12)连接于所述发电机组件。
2.如权利要求1所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：多个所述阻尼器(11)的数量为三个，且所述阻尼器(11)为电涡流阻尼器。
3.如权利要求1所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：所述支撑结构包括多个偏移柱、立柱(7)、多个第一连接件(8)及多个第二连接件(9)，多个所述偏移柱绕所述立柱(7)均匀排布，多个所述偏移柱之间通过所述第一连接件(8)相连接，所述偏移柱与所述立柱(7)之间通过所述第一连接件(8)及所述第二连接件(9)相连接。
4.如权利要求3所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：所述偏移柱包括第一支撑柱(5)及基柱(6)，所述第一支撑柱(5)设置在所述基柱(6)上，且所述第一支撑柱(5)与所述基柱(6)均为圆柱状，所述第一支撑柱(5)的直径小于所述基柱(6)的直径。
5.如权利要求4所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：多个所述第一支撑柱(5)之间通过所述第一连接件(8)相连接，多个所述基柱(6)之间通过所述第一连接件(8)相连接，所述第一连接件(8)的数量是所述第二连接件(9)的数量的四倍。
6.如权利要求4所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：所述第一连接件(8)为圆柱形等截面浮筒，所述第二连接件(9)为斜撑。
7.如权利要求3所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：多个所述偏移柱的数量为三个或者六个。
8.如权利要求3所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：所述发电机平台(1)还包括多个系泊线(13)，所述偏移柱开设有导缆孔，多个所述导缆孔绕所述立柱(7)均匀排布；多个所述系泊线(13)分别连接于所述导缆孔，所述系泊线(13)用于将所述发电机平台(1)固定于预定海域范围内。
9.如权利要求3所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：所述发电机组件包括圆柱状的塔架(2)及连接于所述塔架(2)远离所述支撑结构的一端的风力发电机(3)，所述塔架(2)通过所述球铰(10)连接于所述立柱(7)，且其中心轴与所述立柱(7)的中心轴重合。
10.如权利要求3所述的具有减隔振功能的半潜式风力发电机平台，其特征在于：工作时，所述偏移柱作为压载舱为所述发电机平台(1)提供压载。
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