CN110239688B - 一种智慧型海上风电运维船结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智慧型海上风电运维船结构，包括运维船体、波浪发电组件、维稳可伸缩组件、控制系统、无线监测系统，控制系统、无线监测系统均安装在运维船体上，波浪发电组件设置在运维船体内底部，波浪发电组件包括永磁体圆周阵列轮、上感应线圈、下感应线圈、波浪发电组件机体和轨道，维稳可伸缩组件安装在运维船体左右两侧，维稳可伸缩组件包括安装座、上臂、下臂、上臂驱动电机、下臂驱动电机和发电维稳头，波浪发电组件、维稳可伸缩组件均与控制系统电连接，维稳可伸缩组件在控制系统的控制下伸出与收回，控制系统与无线监测系统连接；本发明能够灵活可控地维持风电运维船任意方向的稳定，实现自主巡航、停泊、监测等智慧型功能。

Description

一种智慧型海上风电运维船结构

[技术领域]

本发明涉及海上风电运行维护技术领域，具体地说是一种智慧型海上风电运维船结构。

[背景技术]

随着风电产业的迅速发展，越来越多的风力发电机组在远离陆地的海上部署。海洋环境更加复杂，海上风力发电机组运行维护是确保海上风电安全、高效生产的关键，而风电运维船正是海上风电运行维护的主要设备。在海洋气候环境中，海上风机大型零部件(如齿轮箱，发电机，叶片等)的可靠性远远高于风机电控系统电子元器件的可靠性，一般不需要进行频繁维修。故在海上风电的运维实践中，使用最频繁的是那些以快速运送运维人员和小尺寸零部件为主要任务的小型运维船。

近年来，国内外的海上风电运维实践表明，由于这些小型风电运维船的运动稳定性欠佳，在其进行海上运维作业时，常常会因船身不稳，造成在运维船和风机平台之间人员往返和零部件搬运困难，甚至导致零部件受损或人员伤亡的事故发生，严重影响了海上风电运维的效率和成本。而安装减摇鳍、减摇水舱、高速陀螺仪等先进的动力学稳定装置成本高昂。于是，如何在不大量增加成本以及运维船负重的前提下，最大程度地提高小型海上风电运维船作业时的动力学稳定性便成为提升海上风电运维作业安全水平和提高海上风电运维效率的迫切需要。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN107618632A，公开(公告)日2018.01.23，公开了一种用于海上风电运维船的六自由度稳定装置及风电运维船，涉及海上风电运维船技术领域。该用于海上风电运维船的六自由度稳定装置，包括安装架、六自由度稳定组件和推动组件，安装架安装于船身的外侧，六自由度稳定组件和推动组件安装于安装架上，六自由度稳定组件包括垂荡板、纵荡板和横荡板，纵荡板和横荡板固定于垂荡板上；推动组件包括推杆和驱动装置，六自由度稳定组件固定于推杆的一端，推杆的另一端与驱动装置连接，驱动装置带动推杆和六自由度稳定组件作直线往复运动。但该现有技术与本发明相比，其无法解决的技术问题包括：(1)其采用液压驱动装置，体积大、重量大、耗能大；(2)其利用固定的垂荡板、纵荡板和横荡板进行船体稳定，不能有效耗散海水流动能量，因此运维船可能整体产生漂移，不能较好地起到稳定作用。

此外，另一个需要考虑的重要问题是运维人员的舒适与安全问题。随着机器人技术的发展，未来可以实现机器人运维。即是现在，通过无人运维船巡航监测分布海洋环境的风电机组状态、运输维护维修物料可以减少运维人员出海次数。海洋气候恶劣，海洋面积辽阔，无人运维船很可能遇到电池电量耗尽的极端情况。在极端情况无人运维船如何实现自救或发出定位信号求救？无人运维船应用于实际的关键之一是可持续供能问题。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种智慧型海上风电运维船结构，解决了海上风电运维船可持续供能问题，从而实现自主巡航、停泊、监测等智慧型功能，同时解决了现有海上风电运维船稳定性差、稳定装置体积大、重量大、耗能大等缺点。

为实现上述目的设计一种智慧型海上风电运维船结构，包括运维船体1、波浪发电组件2、维稳可伸缩组件3、控制系统4、无线监测系统5，所述控制系统4、无线监测系统5均安装在运维船体1上，所述波浪发电组件2设置在运维船体1内底部，所述波浪发电组件2基于电磁感应发电用于俘获低频波浪能量，所述波浪发电组件2包括永磁体圆周阵列轮6、上感应线圈7、下感应线圈8、波浪发电组件机体9和轨道10，所述维稳可伸缩组件3安装在运维船体1左右两侧，所述维稳可伸缩组件3包括安装座11、上臂12、下臂13、上臂驱动电机14、下臂驱动电机15和发电维稳头16，所述波浪发电组件2、维稳可伸缩组件3均与控制系统4电连接，所述维稳可伸缩组件3在控制系统4的控制下伸出与收回，以维持运维船体1垂向及纵横向稳定性，所述控制系统4与无线监测系统5连接，所述无线监测系统5用于接收、存储与分析运维船体1、波浪发电组件2、维稳可伸缩组件3的状态信息。

进一步地，所述波浪发电组件机体9和轨道10均设有若干段，每段波浪发电组件机体9两侧对称布置有上感应线圈7和下感应线圈8，所述上感应线圈7与下感应线圈8上下布置，所述上感应线圈7、下感应线圈8均与控制系统4电连接，每段轨道10上安置有永磁体圆周阵列轮6，所述永磁体圆周阵列轮6在轨道10上滚动。

进一步地，每段轨道10的长度大于一倍永磁体圆周阵列轮6周长、小于两倍永磁体圆周阵列轮6周长。

进一步地，所述永磁体圆周阵列轮6包括轮体20和若干交错磁极圆周阵列的永磁体21，所述永磁体21沿轮体20圆周阵列分布。

进一步地，所述维稳可伸缩组件3左右对称布置有四组，所述维稳可伸缩组件3通过安装座11固定在运维船体1的船舷上，所述安装座11上固定有上臂驱动电机14，所述上臂驱动电机14的转子部分固定有上臂12，所述上臂12末端固定有下臂驱动电机15，所述下臂驱动电机15的转子部分固定有下臂13，所述下臂13末端固定有发电维稳头16，所述维稳可伸缩组件3伸出时上臂12水平向外，下臂13垂直向下，发电维稳头16伸入水下，所述维稳可伸缩组件3收回时上臂12水平向内，下臂13与发电维稳头16水平向外。

进一步地，所述上臂驱动电机14、下臂驱动电机15均设有机械自锁装置，并转动到设定位置即可无电锁定。

进一步地，所述发电维稳头16包括垂向荡板17、纵横向旋转荡板18和防水发电机19，所述垂向荡板17与下臂13连接，所述垂向荡板17为圆形板状结构，所述垂向荡板17上固定有防水发电机19，所述防水发电机19的转子部分固定有纵横向旋转荡板18，所述纵横向旋转荡板18具有四个沿圆周阵列的弧形叶片，所述防水发电机19与控制系统4电连接，且俘获的电能用于直接使用或存储备用。

进一步地，所述上臂驱动电机14、下臂驱动电机15分别与控制系统4电连接，所述控制系统4控制上臂驱动电机14、下臂驱动电机15以及防水发电机19提供主动力以维持风电运维船任意方向稳定性。

进一步地，所述控制系统4包括工控机、GPS定位导航系统以及控制程序，所述控制系统4还电连接电动推进器，所述电动推进器用于控制运维船体1航行方向、速度与停泊位置。

进一步地，所述无线监测系统5与地面工作站进行无线通讯，并将接收到的数据传输至地面工作站。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明通过波浪能量采集、风能采集、洋流能量采集多种方式俘获海洋环境能量，与码头和风电机组充电方式结合，解决了海上风电运维船可持续供能问题，从而实现自主巡航、停泊、监测等智慧型功能；

(2)本发明利用四组维稳可伸缩组件，灵活可控地维持风电运维船任意方向的稳定，且结构简单，体积小，重力轻，耗能小，同时通过水下旋转发电机制耗散、回收海水流动能量，避免船体整体漂移；

(3)本发明垂向与纵横向均可以进行主动控制满足更高的稳定性要求，解决了现有海上风电运维船稳定性差、稳定装置体积大、重量大、耗能大的缺点，以及海上风电机组对无人巡航监测、无人运输物料的需求，值得推广应用。

[附图说明]

图1为本发明航行状态立体结构示意图；

图2为本发明停泊状态立体结构示意图；

图3为本发明停泊状态俯视图；

图4为本发明中波浪发电组件的结构示意图；

图5为本发明中永磁体圆周阵列轮的结构示意图；

图6为本发明中维稳可伸缩组件的立体结构示意图；

图7为本发明中发电维稳头的结构示意图；

图8为本发明中升频电磁感应发电示意图；

图中：1、运维船体 2、波浪发电组件 3、维稳可伸缩组件 4、控制系统 5、无线监测系统 6、永磁体圆周阵列轮 7、上感应线圈 8、下感应线圈 9、波浪发电组件机体 10、轨道11、安装座 12、上臂 13、下臂 14、上臂驱动电机 15、下臂驱动电机 16、发电维稳头 17、垂向荡板 18、纵横向旋转荡板 19、防水发电机 20、轮体 21、永磁体。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图所示，本发明包括运维船体1、波浪发电组件2、维稳可伸缩组件3、控制系统4、无线监测系统5，控制系统4、无线监测系统5均安装在运维船体1上，波浪发电组件2设置在运维船体1内底部，波浪发电组件2基于电磁感应发电用于俘获低频波浪能量，波浪发电组件2包括永磁体圆周阵列轮6、上感应线圈7、下感应线圈8、波浪发电组件机体9和轨道10，维稳可伸缩组件3安装在运维船体1左右两侧，维稳可伸缩组件3包括安装座11、上臂12、下臂13、上臂驱动电机14、下臂驱动电机15和发电维稳头16，波浪发电组件2、维稳可伸缩组件3均与控制系统4电连接，维稳可伸缩组件3在控制系统4的控制下伸出与收回，以维持运维船体1垂向及纵横向稳定性，控制系统4与无线监测系统5连接，无线监测系统5用于接收、存储与分析运维船体1、波浪发电组件2、维稳可伸缩组件3的状态信息。

其中，波浪发电组件机体9和轨道10均设有若干段，每段波浪发电组件机体9两侧对称布置有上感应线圈7和下感应线圈8，上感应线圈7与下感应线圈8上下布置，若干组上感应线圈7、下感应线圈8均与控制系统4电连接，俘获的电能可以直接使用或存储备用，每段轨道10上安置有永磁体圆周阵列轮6，永磁体圆周阵列轮6在轨道10上滚动，每段轨道10的长度优选为大于一倍永磁体圆周阵列轮6周长、小于两倍永磁体圆周阵列轮6周长。永磁体圆周阵列轮6包括轮体20和若干交错磁极圆周阵列的永磁体21，永磁体21沿轮体20圆周阵列分布。

本发明中，维稳可伸缩组件3左右对称布置有四组，维稳可伸缩组件3通过安装座11均衡固定在运维船体1的船舷上，安装座11上固定有上臂驱动电机14，上臂驱动电机14的转子部分固定有上臂12，上臂12末端固定有下臂驱动电机15，下臂驱动电机15的转子部分固定有下臂13，下臂13末端固定有发电维稳头16；四组维稳可伸缩组件1与控制系统4电连接，控制系统4可以控制维稳可伸缩组件3伸出与收回，伸出状态时上臂12水平向外，下臂13垂直向下，发电维稳头16伸入水下，收回状态时上臂12水平向内，下臂13与发电维稳头16水平向外；上臂驱动电机14、下臂驱动电机15均设有机械自锁装置，转动到设定位置即可无电锁定。

发电维稳头16包括垂向荡板17、纵横向旋转荡板18和防水发电机19，发电维稳头16通过垂向荡板17与下臂13连接，垂向荡板17为圆形板状结构，且面积满足垂向稳定性要求，面积临界值可通过理论估算或实验得到，垂向荡板17上固定有防水发电机19，防水发电机19的转子部分固定有纵横向旋转荡板18，纵横向旋转荡板18具有四个沿圆周阵列的弧形叶片，且面积满足纵横向稳定性要求，面积临界值可通过理论估算或实验得到，防水发电机19与控制系统4电连接，俘获的电能可以直接使用或存储备用。

本发明的工作原理为：当运维船体1受到海浪颠簸，永磁体圆周阵列轮6在轨道10上滚动，交错磁极圆周阵列的永磁体21经过上感应线圈7和下感应线圈8，使上感应线圈7和下感应线圈8磁通量发生变化，如附图8所示，上感应线圈7和下感应线圈8因为电磁感应发电；多个交错磁极圆周阵列的永磁体经过上感应线圈7和下感应线圈8可以提升磁场耦合频率，有利于俘获低频波浪能量。当风电运维船航行时，维稳可伸缩组件3收回，减小风电运维船航行阻力，纵横向旋转荡板18可以被海风驱动旋转，从而驱动防水发电机19发电；当风电运维船停泊时，四组维稳可伸缩组件3伸出，四组发电维稳头16伸入水下，四个垂向荡板17维持风电运维船垂向稳定性，四个纵横向旋转荡板18维持风电运维船纵横向稳定性，纵横向旋转荡板18通过旋转运动可以耗散、回收海水流动能量，具有更好的稳定效果，维稳可伸缩组件伸出与收回状态俘获的电能可以直接使用或储存备用。

控制系统4还可以控制上臂驱动电机14、下臂驱动电机15和防水发电机19提供主动力维持风电运维船任意方向稳定性。该控制系统4包括工控机、GPS定位导航系统以及控制程序，控制系统4还电连接电动推进器，可以控制运维船体1航行方向、速度与停泊位置。控制系统4可以控制运维船体1停泊到风电机组或码头设定位置进行充电，一般情况下通过风电机组或码头设施充电，通过自发电节能延长工作时间，极端情况可以通过自发电给电池充电自救，或自发电给无线传感器供电，发出包含运维船状态、位置等信息的无线信号求救。智慧型海上风电运维船按照设定程序或人工远程控制巡航监测分布于海洋环境中的风电机组或运输物料，当智慧型海上风电运维船靠近风电机组，无线监测系统5可以接收、存储与分析风电运维机组的状态信息，无线监测系统5可以与地面工作站进行无线通讯，并将接收到的数据传输至地面工作站。

本发明针对现有海上风电运维船稳定性差、稳定装置体积大、重量大、耗能大的缺点，以及海上风电机组对无人巡航监测、无人运输物料的需求，通过波浪能量采集、风能采集、洋流能量采集多种方式俘获海洋环境能量，与码头和风电机组充电方式结合，解决了海上风电运维船可持续供能问题，从而实现了自主巡航、停泊、监测等智慧型功能。其维稳可伸缩组件伸出状态能够提高运维船在任意方向的动力学稳定性，结构简单，体积小，重力轻，耗能小，通过水下旋转发电机制耗散、回收海水流动能量，避免了船体整体漂移。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：包括运维船体(1)、波浪发电组件(2)、维稳可伸缩组件(3)、控制系统(4)、无线监测系统(5)，所述控制系统(4)、无线监测系统(5)均安装在运维船体(1)上，所述波浪发电组件(2)设置在运维船体(1)内底部，所述波浪发电组件(2)基于电磁感应发电用于俘获低频波浪能量，所述波浪发电组件(2)包括永磁体圆周阵列轮(6)、上感应线圈(7)、下感应线圈(8)、波浪发电组件机体(9)和轨道(10)，所述维稳可伸缩组件(3)安装在运维船体(1)左右两侧，所述维稳可伸缩组件(3)包括安装座(11)、上臂(12)、下臂(13)、上臂驱动电机(14)、下臂驱动电机(15)和发电维稳头(16)，所述波浪发电组件(2)、维稳可伸缩组件(3)均与控制系统(4)电连接，所述维稳可伸缩组件(3)在控制系统(4)的控制下伸出与收回，以维持运维船体(1)垂向及纵横向稳定性，所述控制系统(4)与无线监测系统(5)连接，所述无线监测系统(5)用于接收、存储与分析运维船体(1)、波浪发电组件(2)、维稳可伸缩组件(3)的状态信息；所述维稳可伸缩组件(3)左右对称布置有四组，所述维稳可伸缩组件(3)通过安装座(11)固定在运维船体(1)的船舷上，所述安装座(11)上固定有上臂驱动电机(14)，所述上臂驱动电机(14)的转子部分固定有上臂(12)，所述上臂(12)末端固定有下臂驱动电机(15)，所述下臂驱动电机(15)的转子部分固定有下臂(13)，所述下臂(13)末端固定有发电维稳头(16)，所述维稳可伸缩组件(3)伸出时上臂(12)水平向外，下臂(13)垂直向下，发电维稳头(16)伸入水下，所述维稳可伸缩组件(3)收回时上臂(12)水平向内，下臂(13)与发电维稳头(16)水平向外。

2.如权利要求1所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述波浪发电组件机体(9)和轨道(10)均设有若干段，每段波浪发电组件机体(9)两侧对称布置有上感应线圈(7)和下感应线圈(8)，所述上感应线圈(7)与下感应线圈(8)上下布置，所述上感应线圈(7)、下感应线圈(8)均与控制系统(4)电连接，每段轨道(10)上安置有永磁体圆周阵列轮(6)，所述永磁体圆周阵列轮(6)在轨道(10)上滚动。

3.如权利要求2所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：每段轨道(10)的长度大于一倍永磁体圆周阵列轮(6)周长、小于两倍永磁体圆周阵列轮(6)周长。

4.如权利要求1、2或3所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述永磁体圆周阵列轮(6)包括轮体(20)和若干交错磁极圆周阵列的永磁体(21)，所述永磁体(21)沿轮体(20)圆周阵列分布。

5.如权利要求1所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述上臂驱动电机(14)、下臂驱动电机(15)均设有机械自锁装置，并转动到设定位置即可无电锁定。

6.如权利要求1所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述发电维稳头(16)包括垂向荡板(17)、纵横向旋转荡板(18)和防水发电机(19)，所述垂向荡板(17)与下臂(13)连接，所述垂向荡板(17)为圆形板状结构，所述垂向荡板(17)上固定有防水发电机(19)，所述防水发电机(19)的转子部分固定有纵横向旋转荡板(18)，所述纵横向旋转荡板(18)具有四个沿圆周阵列的弧形叶片，所述防水发电机(19)与控制系统(4)电连接，且俘获的电能用于直接使用或存储备用。

7.如权利要求6所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述上臂驱动电机(14)、下臂驱动电机(15)分别与控制系统(4)电连接，所述控制系统(4)控制上臂驱动电机(14)、下臂驱动电机(15)以及防水发电机(19)提供主动力以维持风电运维船任意方向稳定性。

8.如权利要求1所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述控制系统(4)包括工控机、GPS定位导航系统以及控制程序，所述控制系统(4)还电连接电动推进器，所述电动推进器用于控制运维船体(1)航行方向、速度与停泊位置。

9.如权利要求1所述的智慧型海上风电运维船结构，其特征在于：所述无线监测系统(5)与地面工作站进行无线通讯，并将接收到的数据传输至地面工作站。

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