CN110749713A - 适用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

适用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统及监测方法，属于风电场和海洋环境监测领域，为了解决使用更少的构件对于海上风电场的风机结构和环境以及海洋环境信息更有效采集的问题，包括安装在风机单桩的升降架及伴随着波浪运动在升降架上进行上下浮动的浮筒，浮筒在竖向的浮动范围由升降架限制，浮筒的上底面安装用于监测风机的监测装置，浮筒的下底面安装用于监测海洋环境的监测装置，且监测数据通过信号发射器传输至上位机，通过浮筒的随浪运动，实现了能够在最少成本和工程构件下的风电场和海洋环境的一并监测。

Description

适用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于海洋可再生能源结构健康监测领域和海洋环境领域，涉及一种安装于海上风机上可同时进行风机结构监测和风电场海洋环境监测的浮式系统。
背景技术
我国大陆海岸线长达1.8万公里，可开发海域面积近300万平方公里，海上风电资源丰富，近海及沿海陆上风能资源总量高达15亿kW，海上可利用风能资源高达5亿kW。随着我国能源战略的不断调整，海上风电开发得到高度重视，沿海地区海上风电发展十分迅猛。但我国海上风电开发起步较晚，海上风电运营体系尚未健全，相关的运维与结构安全监测等方面与欧洲国家相比有较大差距。
由于海上风机受到近海岸过于多变和复杂自然环境条件带来的影响，如海浪载荷、海冰荷载、台风破坏、地震等制约因素以及海洋环境中侵蚀性离子的作用与高强度腐蚀，其结构耐久性和稳定性成为了结构安全的重要问题。其次，由于海上风电输电系统布于海底，占用了原本海洋空间，造成海底地貌发生变化，进而有可能造成海底固定栖息的植物受损破坏，影响鱼类迁徙和繁殖，使贝类失去原有栖息地，造成海洋生物多样性的减少和异质性的单一。但海上风机远离陆地，人类无法长期进行观测和监测，导致风机在安装后长期的结构变化和风电场周围的环境变化带来的影响无法知晓和预报。
发明内容
为了解决使用更少的构件对于海上风电场的风机结构和环境以及海洋环境信息更有效采集的问题，本发明提出如下技术方案：一种用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，包括安装在风机单桩的升降架及伴随着波浪运动在升降架上进行上下浮动的浮筒，浮筒在竖向的浮动范围由升降架限制，浮筒的上底面安装用于监测风机的监测装置，浮筒的下底面安装用于监测海洋环境的监测装置，且监测数据通过信号发射器传输至上位机。
进一步的，所述的升降架包括顶板、底板及位于顶板和底板之间并对二者支撑连接的支柱，风机单桩贯穿顶板和底板的中央开口，并将顶板和底板紧固在风机单桩，顶板和底板在风机单桩竖向相对设置，支柱以风机单桩为中心围绕在其周围，支柱的上、下端面分别固定在顶板、底板，浮筒自底面被风机单桩及支柱贯穿，能够使得浮筒以风机单桩及支柱为竖向轴而在顶板和底板间竖向运动，且浮筒上表面与海平面距离始终高于最大潮位。
进一步的，浮筒为圆柱筒，浮筒的上底面安装空气环境离子监测器及风机结构监测相机作为监测风机的监测装置，浮筒的下底面安装海洋生物活动监测相机及海洋环境离子监测器作为监测海洋环境的监测装置，监测海洋环境的监测装置还包括位于浮筒的内部安装声呐；空气环境离子监测器、风机结构监测相机、海洋生物活动监测相机和声呐与位于浮筒内部的CPU主板连接，且所述的CPU主板连接位于浮筒内部的信号发射器。
进一步的，所述的海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：还包括安装在浮筒上底面的外表面的太阳能发电装置，其用于系统供电。
进一步的，所述的风机单桩是风机的塔筒，塔筒的顶部是风机，塔筒的底部固定在海平面下的海床里。
进一步的，所述的风机作为供电装置用于系统供电。
进一步的，所述浮筒，由两部分对称的半空心圆筒组成，两个半空心圆筒的外围由两个铰接连接，在两个半圆筒的边界上粘贴防水橡皮圈，在表面以及交界处涂抹防水材料。
本发明还涉及所述海上风机的结构监测和海洋环境监测系统的监测方法，包括如下步骤：
水平轴风机通过塔筒与海床相连，通过升降架浮筒随着波浪上下浮动，移动上限为升降架的顶板，移动下限为升降架的顶板，发电装置为太阳能发电装置以及在风机发电中的一部分为系统提供能源供应；
进行结构监测和海洋环境监测：结构监测用于监测风机所处的空气环境中的腐蚀性离子数量及腐蚀等级以及海洋环境中腐蚀性离子数量及腐蚀等级，并可同时监测到风机周围鸟类活动的情况；海洋环境监测对风机桩体周围海洋环境中的腐蚀性离子和海洋水质进行监测，进行实时风机周围海洋环境监测，其包括监测海洋生物活动情况；
监测数据通过CPU主板对数据处理后，通过数据信号发射器传输至内地监测中心。
有益效果：对于风机结构及风电场的环境监测，通常是在风机或其周围安装监测装置，而该监测装置的监测作用单一，仅对海上部分监测。而对于海洋环境，也一般使用单独监测装置对海下部分监测，并由特定的固定装置将其固定。风电场具有强烈的外部环境和风机结构的监测需求，本发明通过浮筒在风机单桩伴随着波浪运动，一个浮筒既有水面接触部分，又与空气接触部分，而风机的监测需求已经提供了对于监测装置的固定部分，因而，通过浮筒的随浪运动，实现了能够在最少成本和工程构件下的风电场和海洋环境的一并监测，而使得浮筒在海面漂浮，是因为海水的水面受到潮汐等影响会发生变化，固定高度，会使得部分时间浮筒无法与水面接触而对海洋环境无法监测，部分时间海水(如涨潮)淹没了浮筒上表面，若此时海水浑浊，采集装置位于浑浊的海水中，则无法得到准确的风电场的监测结果，为此，浮筒被风机单桩限位在竖向滑动，能够尽量避免上述情况。虽然本发明将风机单桩作为限位(固定)监测装置的部分，然而，对于风机结构，若额外的载荷对其作用，可能会对风电产生影响，为了能够降低影响，使用支柱分散浮筒对单桩的作用，将载荷作用在较小面积的支柱，且载荷小，也能部分增强滑动的流畅性。而海平面与浮筒筒身的接触面，其与浮筒上表面的距离大于潮差的距离，极尽可能降低了海水涨潮的时候淹没位于浮筒上表面的风机监测的相关部件的可能。
本发明还可进行长期的海上风机的结构监测和海洋环境监测并向内地监测中心实时发送数据。其系统配备有太阳能发电以及储电系统，能为监测工作提供充足的能源供应，同时风机发电也可为装置供应一部分电能。该结构监测和海洋环境监测系统安装简单、可操作性强、成本较低、可循环利用，并且可实现能源自给，不管是对近海固定式风机还是深远海浮式风机都具有很好的适用性。为风机的安全稳定运行提供大量实测数据；也为在建设风电场的同时保证该海域的生态环境建设提供了大量的数据支撑，对可持续发展的理念具有重要的推动作用。
附图说明
图1是该海上风机的结构监测和海洋环境监测系统的整体结构示意图。
图2是该海上风机的结构监测和海洋环境监测系统的正视图。
图中：1.风机；2.塔筒；3.顶板；4.风机结构监测相机；5.信号发射器；6.电线；7.CPU主板；8.声呐；9.浮筒；10.海洋环境离子监测器；11.太阳能发电装置；12.支柱；13.底板；14.海洋生物活动监测相机；15.海平面；16.泥面；17.空气环境离子监测器。
具体实施方式
本发明提供了一种适用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，能够解决风机在安装后无法进行长期的结构变化和风电场周围的环境变化监测的问题，主要包含以下几部分：
能源供给系统：太阳能发电以及储电系统11。
监测系统：风机结构监测相机4、声呐8、海洋环境离子监测器10、海洋生物活动监测相机14、空气环境离子监测器17。
数据处理系统：数据信号发射器5、电线6、CPU主板7。
监测结构支撑系统：升降架的顶板3、浮筒9、升降架12、升降架的顶板13。
风机发电系统：主要包括风机1、塔筒2。
工作原理如下：该系统通过空气环境离子监测器17对风机1周围的空气环境中的负离子进行监测；海洋环境离子监测器10对风机桩体周围海洋环境中的负离子和海洋水质进行监测；风机结构监测相机4进行实时的风机表面结构监测，并可同时监测到风机周围鸟类活动的情况；海洋生物活动监测相机14以及声纳8可进行风机周围海洋环境监测包括监测鱼类活动，贝类、藻类的生长等情况，并可同时进行风机桩底的冲刷情况监测。通过CPU主板7对数据整理后由数据信号发射器5传输至内地监测中心。该系统主板可同时多核运行处理所监测到的数据并通过数据信号发射器进行实时传输。
浮筒可在陆地上完成组装，由两部分对称的半空心圆筒组成，两个半空心圆筒的外围由两个铰接连接。在内部安装信号发射器5，然后用电线6先后连接CPU主板7以及声呐8。再由电线连接风机结构监测相机4，空气环境离子监测器17，以及浮筒9底部海洋环境离子监测器10和海洋生物活动监测相机14。装配完成之后，在两个半圆筒的边界上粘贴防水橡皮圈，将该装置放置到风机支撑结构上。随后在表面以及交界处涂抹防水材料，确保装置的防水性能。至此，监测装置安装完成。当然的，器件间接触部分也可以粘贴防水橡皮圈和涂抹防水材料(或仅粘贴防水橡皮圈)，比如支柱与浮筒连接的部分，从而能进一步防止筒内进水。
将该装置固定在海上风机单桩基础上，其可伴随着波浪运动在升降架上进行上下浮动。该风机上设置有太阳能发电装置11，可为系统提供充足的能源供应。通过使用该结构监测和海洋环境监测系统，可实时监测风机所处空气环境中的腐蚀性离子数量及腐蚀等级以及海洋环境中腐蚀性离子数量及腐蚀等级，还可通过结构监测相机随时监测风机表面发生的变化，在一定程度上可为该海域风机提高运行寿命提供了数据支撑和安全保障。同时，海洋环境离子监测器10可提供该海域的环境数据，声呐8可提供该海域鱼群的数量运动等数据，海洋生物活动监测相机14可随时监测该海域海洋生物的活动情况，特别是在风机建成后长时间内该海域生物活动情况，包括贝类、藻类、鱼类等各种海洋生物，该相机还可以提供风机桩底的冲刷情况数据。
本发明具有以下优点：
1.该结构监测和海洋环境监测系统可同时对空气环境和海洋环境进行同时监测并实时发回数据，为风机结构的安全稳定提供了很好的实时数据并可提前进行结构失效预报，也同时为风电场建设后对海洋环境造成的变化进行一个长期的监测和提供大量的数据。
2.该结构监测和海洋环境监测系统可伴随涨潮和落潮进行升降运动，可使该系统一直进行空气和海洋的同时监测，也减小了海水进入该系统中对内部零件造成影响的风险。
3.该结构监测和海洋环境监测系统结构设计合理，生产安装方案技术成熟。
4.该结构监测和海洋环境监测系统不仅适用于近海的固定式风机，也适用于安装在深远海的浮式风机。
为了进一步加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步说明。本发明包含以下技术方案，分别为：
如图1所示，水平轴风机1通过塔筒2与海床相连。该装置由浮筒9以及各个系统组成，可通过升降架12随着波浪上下浮动，移动上限为升降架的顶板3，移动下限为升降架的顶板13。该系统的发电装置为太阳能发电装置11以及在风机发电中的一部分为系统提供充足的能源供应。该系统由结构监测和海洋环境监测系统组成，结构监测系统主要由空气环境离子监测器17和风机结构监测相机4组成，可监测风机所处的空气环境中的腐蚀性离子数量及腐蚀等级以及海洋环境中腐蚀性离子数量及腐蚀等级，并可同时监测到风机周围鸟类活动的情况，在一定程度上可为该海域风机提高运行寿命提供了数据支撑和安全保障。海洋环境监测系统由海洋环境离子监测器10、海洋生物活动监测相机14、信号发射器5、电线6、CPU主板7、声呐8构成，通过海洋环境离子监测器10对风机桩体周围海洋环境中的腐蚀性离子和海洋水质进行监测并通过主板对数据处理后通过数据信号发射器5传输至内地监测中心。通过海洋生物活动监测相机14与声呐8可进行实时风机周围海洋环境监测包括监测鱼类活动，贝类、藻类的生长等情况，随后通过CPU主板7对数据处理后通过数据信号发射器5传输至内地监测中心。该系统主板7可同时多核运行处理所监测到的数据并通过数据信号发射器5进行及时传输。
为了能够进一步提高本发明取得的效果，在安装浮筒前，须确保内部所有监测装置安装正确，各监测装置可有效正确进行监测，数据信号发射器可及时发回数据。确保浮筒安装时与风机垂直，可在升降支架上随波浪运动正常升降。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：包括安装在风机单桩的升降架及伴随着波浪运动在升降架上进行上下浮动的浮筒(9)，浮筒(9)在竖向的浮动范围由升降架限制，浮筒(9)的上底面安装用于监测风机的监测装置，浮筒(9)的下底面安装用于监测海洋环境的监测装置，且监测数据通过信号发射器(5)传输至上位机。
2.如权利要求1所述的用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：所述的升降架包括顶板(3)、底板(13)及位于顶板(3)和底板(13)之间并对二者支撑连接的支柱(12)，风机单桩贯穿顶板(3)和底板(13)的中央开口，并将顶板(3)和底板(13)紧固在风机单桩，顶板(3)和底板(13)在风机单桩竖向相对设置，支柱(12)以风机单桩为中心围绕在其周围，支柱(12)的上、下端面分别固定在顶板(3)、底板(13)，浮筒(9)自底面被风机单桩及支柱(12)贯穿，能够使得浮筒(9)以风机单桩及支柱(12)为竖向轴而在顶板(3)和底板(13)间竖向运动，且浮筒(9)上表面与海平面(15)距离始终高于最大潮位。
3.如权利要求1所述的用于海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：浮筒(9)为圆柱筒，浮筒(9)的上底面安装空气环境离子监测器(17)及风机结构监测相机(4)作为监测风机的监测装置，浮筒(9)的下底面安装海洋生物活动监测相机(14)及海洋环境离子监测器(10)作为监测海洋环境的监测装置，监测海洋环境的监测装置还包括位于浮筒(9)的内部安装声呐(8)；空气环境离子监测器(17)、风机结构监测相机(4)、海洋生物活动监测相机(14)和声呐(8)与位于浮筒(9)内部的CPU主板(7)连接，且所述的CPU主板(7)连接位于浮筒(9)内部的信号发射器(5)。
4.如权利要求1所述的海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：还包括安装在浮筒(9)上底面的外表面的太阳能发电装置(11)，其用于系统供电。
5.如权利要求1所述的海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：所述的风机单桩是风机的塔筒，塔筒的顶部是风机，塔筒的底部固定在海平面(15)下的海床。
6.如权利要求1或4所述的海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：风机作为供电装置用于系统供电。
7.如权利要求所述的1所述的海上风机的结构监测和海洋环境监测系统，其特征在于：所述浮筒(9)，由两部分对称的半空心圆筒组成，两个半空心圆筒的外围由两个铰接连接，在两个半圆筒的边界上粘贴防水橡皮圈，在表面以及交界处涂抹防水材料。
8.如权利要求1-7任一项所述的海上风机的结构监测和海洋环境监测系统的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
水平轴风机通过塔筒与海床相连，通过升降架浮筒(9)随着波浪上下浮动，移动上限为升降架的顶板(3)，移动下限为升降架的顶板(3)，发电装置为太阳能发电装置(11)以及在风机发电中的一部分为系统提供能源供应；
进行结构监测和海洋环境监测：结构监测用于监测风机所处的空气环境中的腐蚀性离子数量及腐蚀等级以及海洋环境中腐蚀性离子数量及腐蚀等级，并可同时监测到风机周围鸟类活动的情况；海洋环境监测对风机桩体周围海洋环境中的腐蚀性离子和海洋水质进行监测，进行实时风机周围海洋环境监测，其包括监测海洋生物活动情况；
监测数据通过CPU主板(7)对数据处理后，通过数据信号发射器(5)传输至内地监测中心。
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