CN110345010A - 一种具有减摇功能的海上风机发电设备 - Google Patents

一种具有减摇功能的海上风机发电设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋可再生能源利用设备相关技术领域，其公开了一种具有减摇功能的海上风机发电设备，发电设备包括半潜式平台、耗能减摇机构及自适应弹簧储能机构，耗能减摇机构通过牵引绳索连接于自适应弹簧储能机构，自适应弹簧储能机构设置在海底；耗能减摇机构设置在半潜式平台内；半潜式平台包括相连接的主柱及多个偏移柱，多个偏移柱绕主柱均匀排布，多个耗能减摇机构分别设置在多个偏移柱内；自适应弹簧储能机构通过弹性恢复力来驱动耗能减摇机构进行抽水，以使多个偏移柱内发生变化的水位恢复，由此通过消耗海上风机发电设备受到的波浪能来减小海上风机发电设备的振荡幅度。本发明有降低了整机运动幅度，提高了稳定性。

Description

一种具有减摇功能的海上风机发电设备
技术领域
本发明属于海洋可再生能源利用设备相关技术领域，更具体地，涉及一种具有减摇功能的海上风机发电设备。
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。风力发电是目前最具可规模化发展的可再生能源利用技术。随着风力发电在全球范围内持续快速增长，陆上风能的利用逐渐饱和，由于海上风力资源比陆上风能具有许多特别的优势，海上风电已经成为国际风电发展的新方向，备受各国关注。
在现阶段的海上发电机领域，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，本领域存在着发展整体稳定性较好的具有减摇功能的海上风机发电设备的技术需求。
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摇功能的海上风机发电设备，其在半潜式平台风力发电机的基础上，通过设置多个耗能减摇机构与自适应弹簧储能机构，无需外界能量输入，即可在不影响整个设备的稳定性的同时，有效地降低了海上风机发电设备的整机运动幅度，有利于改善整个海上风机发电设备的运动稳定性，更有利于海上风机发电设备的运行与维护。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有减摇功能的海上风机发电设备，所述海上风机发电设备包括半潜式平台、耗能减摇机构及自适应弹簧储能机构，所述耗能减摇机构通过牵引绳索连接于所述自适应弹簧储能机构；工作时，所述自适应弹簧储能机构设置在海底；所述耗能减摇机构设置在所述半潜式平台内；
所述半潜式平台包括相连接的主柱及多个偏移柱，多个所述偏移柱绕所述主柱均匀排布，多个所述耗能减摇机构分别设置在多个所述偏移柱远离所述自适应弹簧储能机构的一端内；多个所述偏移柱相连通，且所述偏移柱内填充有压载水且未填充满；
所述海上风机发电设备受到波浪能作用而发生运动时，所述自适应弹簧储能机构通过发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述自适应弹簧储能机构通过弹性恢复力来驱动所述耗能减摇机构进行抽水，以使多个所述偏移柱内发生变化的水位恢复，由此通过消耗所述海上风机发电设备受到的波浪能来减小所述海上风机发电设备的振荡幅度。
进一步地，所述自适应弹簧储能机构包括盘旋状的弹簧及弹簧轴承；工作时，所述弹簧轴承设置在海底；所述弹簧的一端固定在所述弹簧轴承上，另一端连接于所述牵引绳索远离所述偏移柱的一端。
进一步地，所述耗能减摇机构包括滑轮轴承、传动轴承及抽水活塞阀，所述滑轮轴承及所述传动轴承间隔设置在所述偏移柱远离所述自适应弹簧储能机构的一端内，所述牵引绳索的一端穿过所述滑轮轴承及所述传动轴承后连接于所述抽水活塞阀；所述自适应弹簧储能机构通过所述牵引绳索驱动所述抽水活塞阀运动。
进一步地，所述半潜式平台还包括多个第一等截面浮筒、多个第二等截面浮筒及多个斜撑，多个所述偏移柱之间通过多个所述第一等截面浮筒及多个所述第二等截面浮筒相连通；多个所述偏移柱与所述主柱之间通过所述斜撑及所述第二等截面浮筒相连接。
进一步地，所述半潜式平台还包括多个系泊线，多个所述偏移柱上分别设置有导缆器，多个所述导缆器绕所述主柱均匀排布；多个所述系泊线的一端分别连接于多个所述导缆器，另一端分别设置在海底。
进一步地，所述第一等截面浮筒垂直于自身长度方向的横截面的面积大于所述第二等截面浮筒垂直于自身长度方向的横截面的面积。
进一步地，多个所述偏移柱的数量为三个，三个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个等边三角形的顶点。
进一步地，所述第二等截面浮筒的数量为九个，所述第一等截面浮筒的数量为三个，所述斜撑的数量为三个。
进一步地，所述偏移柱包括基柱及上柱，所述上柱设置在所述基柱上，所述上柱及所述基柱均为圆柱体，且所述上柱的直径小于所述基柱的直径。
进一步地，所述海上风机发电设备还包括风力发电机构，所述风力发电机构包括风轮、风力发电机及圆柱状的塔架，所述塔架设置在所述主柱上，且所述塔架的中心轴与所述主柱的中心轴重合；所述风力发电机设置在所述塔架远离所述主柱的一端上，所述风轮连接于所述风力发电机。
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摇功能的海上风机发电设备主要具有以下有益效果：
1.储能结束后，所述自适应弹簧储能机构通过弹性恢复力来驱动所述耗能减摇机构进行抽水，以使多个所述偏移柱内发生变化的水位恢复，由此通过消耗所述海上风机发电设备受到的波浪能来减小所述海上风机发电设备的振荡幅度，有利于改善整个海上风机发电设备的运动稳定性，更有利于海上发电设备的运行与维护，且提高了能源利用率。
2.所述塔架设置在所述主柱上，且所述塔架的中心轴与所述主柱的中心轴重合，如此使得整个风力发电机构能稳定于所述半潜式平台的中心轴上，从而使得海上风机发电设备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。
3.所述上柱的直径小于所述基柱的直径，有利于抑制所述海上风机发电设备的运动，特别是在升沉方向，也可限制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。
4.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。
5.所述半潜式平台为框架结构，多个所述偏移柱绕所述主柱均匀排布，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摇功能的海上风机发电设备的结构示意图；
图2是图1中的海上风机发电设备的半潜式平台的结构示意图；
图3是图2中的半潜式平台的局部示意图；
图4是图1中的具有减摇功能的海上风机发电设备的自适应弹簧储能机构的示意图。
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-叶片，2-风力发电机，3-塔架，4-主柱，5-上柱，6-基柱，7-第一等截面浮筒，8-第二等截面浮筒，9-斜撑，10-系泊线，11-牵引绳索，12-自适应弹簧储能机构，13-弹簧，14-弹簧轴承，15-滑轮轴承，16-传动轴承，17-抽水活塞阀。
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、图2、图3及图4，本发明提供的具有减摇功能的海上风机发电设备，所述海上风机发电设备包括风力发电机构、半潜式平台、耗能减摇机构及自适应弹簧储能机构，所述风力发电机构设置在所述半潜式平台上；所述耗能减摇机构设置在半潜式平台上，所述自适应弹簧储能机构连接于所述耗能减摇机构。
所述风力发电机构包括风轮、风力发电机2及塔架3，所述风轮连接于所述风力发电机2，所述风力发电机2设置在所述塔架3的一端，所述塔架3的另一端设置在所述半潜式平台上。本实施方式中，所述风轮包括叶片1、转子机舱组件，所述叶片1设置在所述转子机舱组件上，所述转子机舱组件设置在所述风力发电机2上。风力带动所述叶片1转动，使得所述风力发电机2内部产生电磁感应现象，从而将风能最终转换成电能，进行发电。
本实施方式中，所述塔架3为圆柱体，所述半潜式平台为三棱柱型，所述塔架3的中心轴与所述半潜式平台的中心轴重合；所述风轮在风力的作用下旋转，所述风轮把风的动能转变为所述风轮的风轮轴的机械能，所述风力发电机2在所述风轮轴的带动下旋转发电。
所述半潜式平台包括多个偏移柱、主柱4、多个第一等截面浮筒7、多个第二等截面浮筒8、多个斜撑9及多个系泊线10，多个所述偏移柱绕所述主柱4均匀排布，所述主柱4连接于所述塔架3，所述主柱4的中心轴与所述塔架3的中心轴重合。多个所述偏移柱的一端通过所述第二等截面浮筒8相连接，另一端通过所述第一等截面浮筒7相连接。所述主柱4的一端通过所述第二等截面浮筒8连接于所述偏移柱，另一端通过所述第一等截面浮筒7连接于所述偏移柱。所述系泊线10的一端连接于所述偏移柱，另一端连接于锚固点，所述锚固点设置在海底。所述斜撑9用于连接所述主柱及所述偏移柱。所述自适应弹簧储能机构12设置在海底，所述耗能减摇机构设置在所述偏移柱内，所述自适应弹簧储能机构12通过牵引绳索11连接于所述耗能减摇机构。
所述偏移柱包括基柱6及上柱5，所述上柱5设置在所述基柱6上。本实施方式中，所述上柱5呈圆柱状，所述基柱6呈圆柱状，所述上柱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半潜式平台运动，特别是在升沉方向，也有抑制浪涌、摇摆、滚动及俯仰；所述基柱6及所述上柱5中均分别填充有压载水，但是未填充满，以起到压载舱的作用。
本实施方式中，多个所述偏移柱的数量为三个，三个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个等边三角形的顶点；所述第二等截面浮筒8的数量为九个，所述第一等截面浮筒7的数量为三个，所述斜撑9的数量为三个，所述第一等截面浮筒7的横截面的面积大于所述第二等截面浮筒8的横截面的面积；所述基柱6远离所述上柱5的一端分别通过三个所述第一等截面浮筒7相连通，所述上柱5远离所述基柱6的一端分别通过三个所述第二等截面浮筒8相连通，且所述上柱5远离所述基柱6的一端分别通过另外三个所述第二等截面浮筒8连接于所述主柱4；所述上柱5远离所述基柱6的一端分别通过三个所述斜撑9连接于所述主柱4远离所述风力发电机构的一端。
三个所述基柱6分别设置有导缆器，三个所述导缆器分别位于同一个等边三角形的顶点；三个所述系泊线10的一端分别连接于三个所述导缆器，另一端分别连接于海底，如此使得所述半潜式平台固定于一个海域范围内，不发生较大的纵荡、垂荡和横摇运动。
请参阅图3，所述耗能减摇机构设置在所述上柱5远离所述基柱6的一端内，其包括滑轮轴承15、传动轴承16及抽水活塞阀17，所述滑轮轴承15及所述传动轴承16间隔设置在所述上柱5内，所述牵引绳索11的一端穿过所述滑轮轴承15及所述传动轴承16后连接于所述抽水活塞阀17，所述抽水活塞阀17位于所述传动轴承16下方。
当所述半潜式平台受到波浪作用而发生运动时，三个所述牵引绳索11中的一个会被张紧，对应的所述自适应弹簧储能机构12受拉而储存能量，放松另外两根所述牵引绳索11，其中一根所述偏移柱中的压载水通过所述第一等截面浮筒7传动到另外两根所述偏移柱中，导致所述偏移柱内的压载水水位下降，另外两根所述偏移柱内的水位上升。此时，由于所述自适应弹簧储能机构12通过弹性恢复力而拉动所述牵引绳索11，所述牵引绳索11通过所述滑轮轴承15及所述传动轴承16牵引所述抽水活塞阀17进行抽水，从而使因外力作用而发生变化的水位恢复，此过程消耗了所述半潜式平台受到的波浪能，达到了减小半潜式平台摇荡幅度的效果。
请参阅图4，所述自适应弹簧储能机构12包括弹簧13及弹簧轴承14，所述弹簧轴承14固定在海底，所述弹簧的一端固定在所述弹簧轴承14上，另一端连接于所述牵引绳索11远离所述上柱5的一端。本实施方式中，所述弹簧13呈盘旋状。
本实施方式中，所述主柱4及三个偏移柱可提供所述海上风力发电设备的整体浮力，所述海上风力发电设备的吃水深度较小，有效地增加了所述海上风力发电设备的转动惯量，使得纵荡、垂荡和横摇幅值控制在所述海上风机发电设备运行的安全范围内；所述第一等截面浮筒7、所述第二等截面浮筒8及所述斜撑9用于提供所述塔架3底部合力的传递路径，以耗散所述海上风机发电设备受到的不平衡载荷；所述偏移柱作为压载舱提供所述海上风机发电设备的整体压载，使得所述海上风机发电设备的整体重心降低，GM值增加，提高了整体稳定性，在外部极限环境条件下不产生倾覆，保证了所述海上风机发电设备的安全；所述第二等截面浮筒8和所述斜撑9除提供压载作用外，还增加了垂荡运动阻尼，使得垂荡运动幅值控制在可接受范围内。
本发明提供的具有减摇功能的海上风机发电设备，所述偏移柱内设置有耗能减摇机构，所述耗能减摇机构通过牵引绳索连接于海底的自适应弹簧储能机构，所述自适应弹簧储能机构通过弹性恢复力来驱动所述耗能减摇机构进行抽水以调节所述半潜式平台的阻尼，显著降低所述海上风机发电设备整机运动幅度，有助于改善所述海上风机发电设备的运动稳定性。
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)

1.一种具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：
所述海上风机发电设备包括半潜式平台、耗能减摇机构及自适应弹簧储能机构(12)，所述耗能减摇机构通过牵引绳索(11)连接于所述自适应弹簧储能机构(12)；工作时，所述自适应弹簧储能机构(12)设置在海底；所述耗能减摇机构设置在所述半潜式平台内；
所述半潜式平台包括相连接的主柱(4)及多个偏移柱，多个所述偏移柱绕所述主柱(4)均匀排布，多个所述耗能减摇机构分别设置在多个所述偏移柱远离所述自适应弹簧储能机构(12)的一端内；多个所述偏移柱相连通，且所述偏移柱内填充有压载水且未填充满；
所述海上风机发电设备受到波浪能作用而发生运动时，所述自适应弹簧储能机构(12)通过发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述自适应弹簧储能机构(12)通过弹性恢复力来驱动所述耗能减摇机构进行抽水，以使多个所述偏移柱内发生变化的水位恢复，由此通过消耗所述海上风机发电设备受到的波浪能来减小所述海上风机发电设备的振荡幅度。
2.如权利要求1所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述自适应弹簧储能机构(12)包括盘旋状的弹簧(13)及弹簧轴承(14)；工作时，所述弹簧轴承(14)设置在海底；所述弹簧(13)的一端固定在所述弹簧轴承(14)上，另一端连接于所述牵引绳索(11)远离所述偏移柱的一端。
3.如权利要求1所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述耗能减摇机构包括滑轮轴承(15)、传动轴承(16)及抽水活塞阀(17)，所述滑轮轴承(15)及所述传动轴承(16)间隔设置在所述偏移柱远离所述自适应弹簧储能机构(12)的一端内，所述牵引绳索(11)的一端穿过所述滑轮轴承(15)及所述传动轴承(16)后连接于所述抽水活塞阀(17)；所述自适应弹簧储能机构(12)通过所述牵引绳索(11)驱动所述抽水活塞阀(17)运动。
4.如权利要求1-3任一项所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述半潜式平台还包括多个第一等截面浮筒(7)、多个第二等截面浮筒(8)及多个斜撑(9)，多个所述偏移柱之间通过多个所述第一等截面浮筒(7)及多个所述第二等截面浮筒(8)相连通；多个所述偏移柱与所述主柱(4)之间通过所述斜撑(9)及所述第二等截面浮筒(8)相连接。
5.如权利要求4所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述半潜式平台还包括多个系泊线(10)，多个所述偏移柱上分别设置有导缆器，多个所述导缆器绕所述主柱(4)均匀排布；多个所述系泊线(10)的一端分别连接于多个所述导缆器，工作时，另一端分别设置在海底。
6.如权利要求4所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述第一等截面浮筒(7)垂直于自身长度方向的横截面的面积大于所述第二等截面浮筒(8)垂直于自身长度方向的横截面的面积。
7.如权利要求4所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：多个所述偏移柱的数量为三个，三个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个等边三角形的顶点。
8.如权利要求4所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述第二等截面浮筒(8)的数量为九个，所述第一等截面浮筒(7)的数量为三个，所述斜撑(9)的数量为三个。
9.如权利要求1-3任一项所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述偏移柱包括基柱(6)及上柱(5)，所述上柱(5)设置在所述基柱(6)上，所述上柱(5)及所述基柱(6)均为圆柱体，且所述上柱(5)的直径小于所述基柱(6)的直径。
10.如权利要求1-3任一项所述的具有减摇功能的海上风机发电设备，其特征在于：所述海上风机发电设备还包括风力发电机(2)构，所述风力发电机(2)构包括风轮、风力发电机(2)及圆柱状的塔架(3)，所述塔架(3)设置在所述主柱(4)上，且所述塔架(3)的中心轴与所述主柱(4)的中心轴重合；所述风力发电机(2)设置在所述塔架(3)远离所述主柱(4)的一端上，所述风轮连接于所述风力发电机(2)。
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