CN111550372B - 一种自主浮沉对风的小型海上风电机组 - Google Patents

一种自主浮沉对风的小型海上风电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，包括主干、机头和浮沉台，主干上端安装机头用于风力发电，浮沉台连接在主干下方，浮沉台悬浮于海平面下方的海水中，浮沉台沿竖直方向托举住主干。浮沉台水平方向外围设置若干个浮体组件，浮体组件具有自适应的随深度波动而变化的浮力。浮体组件包括气囊、抽气泵、进气管、出气管、调压阀和浮子通断块，气囊固定在浮沉台外围，气囊内设置抽气泵，抽气泵经由进气管从海平面上方抽取空气并注入气囊内，出气管连接气囊内部空间和海平面上方大气空间，出气管上设置流阻可调的调压阀，进气管和出气管在出入海平面处均设置浮子通断块，进气管由海平面直至气囊之间具有结余长度。

Description

一种自主浮沉对风的小型海上风电机组
技术领域
本发明涉及风力发电机组领域，具体是一种自主浮沉对风的小型海上风电机组。
背景技术
海上具有大量的海风，使用海风进行风力发电是一种新兴的清洁能源。
现有技术中，海上风力发电大多通过固定式的机组发电，在需要进行发电的位置打桩作基础，然后在其上修建风电机组，施工量很大，在海深较大的水域也不适用。
海风常常带有季节性质，所以，固定的海上风电机组常常会有使用时间上的浪费，在固定的季节几乎不能发电。
还有一些浮台形式的风电机组，但是，为了机组稳定，浮台常常做得很大，也通过绳索等与海底牵拉固定，绳索与海底也需要较为稳固的连接，否则，整个浮台容易被洋流冲击而大幅晃动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，包括主干、机头和浮沉台，主干上端安装机头用于风力发电，浮沉台连接在主干下方，浮沉台悬浮于海平面下方的海水中，浮沉台沿竖直方向托举住主干。
主干支撑起机头部分，让其朝向海面上的风进行风力发电，本发明不采用海底修建基础的方式进行机组支撑，而是使用浮沉台及其辅件提供浮力来托举起整个机组，浮沉台沉入海中，并在适当位置悬停，这个适当位置是指位于海面下方较深的深度上，因为使用浮力来平衡机组的重力，所以，浮力部件的结构尺寸较大，让浮沉台及其辅件直接在海平面上漂浮的话，会显著受到洋流的影响，在海平面附近处，海风吹动表层水体流动，流动性受到风力影响而速度不一，能够进行风力发电的位置是常常具有大风的位置，表层水体流动性很强，本发明将浮沉台沉入深水位置，只让一根相对较细的主干穿过表层水体，从而，表层水体流过主干时，对于机组整体的冲击力较小，深水位置处水体流速低，不考虑大洋整体受到潮汐力作用和地球大范围温差导致的深水暗流(这类暗流一般也是绝大多数发生在远离大陆架的位置，而风电机组不会设置得离大陆架太远)外，海风不会在水深较多的位置处造成影响，浮沉台在此位置悬停，不易受到海流冲击，从而提供稳定的浮力。通过浮力支撑的机组，可以通过拖船而方便地转移设置位置，根据季节不同，而选择合适的工作地点。
进一步的，浮沉台水平方向外围设置若干个浮体组件，浮体组件具有自适应的随深度波动而变化的浮力。
浮沉台如果只有一个浮力提供部件的话，受到洋流冲击而可能出现机组倾覆的危险，所以，通过水平往外延伸而设置多个浮体组件，当机组整体往一侧倾斜时，有下沉趋势的浮体组件通过自身或连接管等部件增大自身排水体积，提供更多的浮力，从而使得机组重新恢复竖直状态。
进一步的，浮体组件包括气囊、抽气泵、进气管、出气管、调压阀和浮子通断块，气囊固定在浮沉台外围，气囊内设置抽气泵，抽气泵经由进气管从海平面上方抽取空气并注入气囊内，出气管连接气囊内部空间和海平面上方大气空间，出气管上设置流阻可调的调压阀，进气管和出气管在出入海平面处均设置浮子通断块，进气管由海平面直至气囊之间具有结余长度。
气囊是排水部件，排水越多，浮力越大，抽气泵抽去大气灌入气囊内，使其保持一定的体积，进出气管分别作为气路进行气囊的补气与出气，调压阀调配的气囊内相对于出气管出口处的压力差值，出气管出口直连海平面大气，调压阀的流阻即是气囊内的表压，气囊内压力越大，则在海水中同一深度处体积越大，提供更大的浮力。浮子通断块可以在其完全浸入水中后，切断出气管与海表面上的大气的连接，进气管具有较多的结余长度，所以，就算其下连接的气囊下沉一些，抽气泵的进气也不会受到影响，出气管没有长度结余，其长度正好等于气囊至海平面的距离，所以，一旦所连接的气囊因为扰动而下沉一点后，该气囊往外界的排气是受到截断的，抽气泵继续运行，气囊内存入更多的气体，体积轻微膨胀，具有相比于其他的气囊更大的浮力，抵抗扰动，使得机组回复到主干竖直状态，完全归位后，这一气囊上引出的出气管端部重新浮出海面，气囊经由调压阀后排气通顺，排出相比于其他气囊所多出来部分的气体，气囊重新变回相同的大小，平等地为浮沉台提供浮力。达到自主地调整偏移姿态的作用。调压阀压力对应气囊内部压力，该压力也对应浮沉台的深度，机组初始设置时，还需要调整进气管与出气管的管长，具体地可以是制造较大的管长，在确定好气囊深度后，通过捆扎的方式，消减掉出气管的富余长度。
进一步的，出气管靠近海平面的一端带有气管浮子和过流球体，过流球体内部设置与出气管主气流通孔连接的气孔，浮子通断块为莲花形，浮子通断块上表中央朝向设置锥口槽，锥口槽尖端在下并通过通孔连接至浮子通断块下表面，出气管上端贯穿浮子通断块，气管浮子位于浮子通断块下方，过流球体位于锥口槽内，气孔朝向锥口槽斜面，气管浮子抵触浮子通断块下表面时，气孔与锥口槽斜面之间存留间隙。
浮子通断块位于海平面上时，出气管端部由气管浮子直接提供的浮力而上浮，过流球体高于锥口槽斜面，即，过流球体内往外排气的气孔可以自由排气，此时，气管浮子外部上表面抵触在浮子通断块下表面上，当出气管受到下部气囊的拖拽而进入水中后，浮子通断块受到浮力而向上运动，此时，过流球体与锥口槽接触，气孔被锥口槽斜面所封闭，为了更好的封闭，还可以在锥口槽斜面上设置与过流球体球形面相适应的球形凹槽，气管浮子外部上表面与浮子通断块下表面脱离一段距离，气囊内气体经过调压阀后几乎降至大气压，所以，气孔对于浮子通断块的顶开力很小，不会超过浮子通断块受到的向上浮力，所以，气孔可以被锥口槽所完善密封，气囊在后续注气过程中，压力会保持外部水体的压力，注入的气体用于体积增大。
进一步的，进气管上设置由大气至气囊流向的单向阀，抽气泵与调压阀进行联锁控制，抽气泵停机时、调压阀关闭。本结构防止抽气泵失电停机后气囊快速排气而失去浮力致使机组沉入水中，抽气泵停机时、调压阀关闭防止气囊内气体从出气管排出，而进气管上的单向阀也防止了气体从抽气泵、进气管逆向排出。
进一步的，海上风电机组还包括对向块，对向块套装在主干上，对向块浮在海平面位置处，对向块受水流冲击而使海上风电机组整体在水中进行绕竖直轴线的旋转。对向块包括浮块、连接筒、舵叶、弹簧和键，键为长条形，键通过螺钉竖直钉装在主干上，连接筒上端安装带中心孔的浮块，连接筒内表设置竖直的键槽，连接筒和浮块一同套设在主干上，键槽与键对齐，键槽槽宽大于键键宽，键槽两侧壁与键两侧壁之间设置两个以键作对称线的弹簧，连接筒外表沿水平方向设置舵叶。
舵叶受到水流冲击而给到主干旋转力矩，两个弹簧、键、键槽的槽宽大于键键宽并在其内安装弹簧，是为了适应水流波动，只有舵叶旋转使得键槽从一个方向持续压紧键时，才驱使主干旋转，水流波动被弹簧消除。
浮块让对向块浮停在海平面处，此处水流最受到海风影响而具有方向性，舵叶面积足够时，水流的冲击以及力矩完全能够使得整个机组原地自转进行对风。
进一步的，弹簧靠近键的一端通过滚球与键进行接触。浮块可能上下浮动，所以，主干深度几乎不变，弹簧与键具有竖直方向上的滑动，通过滚球消除摩擦力。
进一步的，浮沉台还连接有一个锚索。锚索锁住机组的整体水平位置，防止机组随水流水平漂移。
进一步的，气囊外包裹有一层钢丝罩。钢丝罩保护气囊，防止大型鱼类到达气囊外表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过可控制大小的气囊作为浮力部件提供可控浮力平衡机组重力，浮力部件沉入较深水中，受到海面附近洋流冲击的只有较细的主干；整个机组倾斜时，气囊出气管自主封闭使得该气囊憋压变大，提供更多浮力，恢复机组竖直状态，机组浮在水面上并由拖船拖行至设计位置，之后，气囊排出部分气体，机组整体下沉，浮沉台下沉至预期位置时，通过调压阀保持气囊内具有与外部水体相适应的压力，提供的浮力正好平衡机组重力，然后，机头对准海风进行发电，机组可以方便地由拖船拽行更换发电位置。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明浮沉台、浮体组件的结构示意图；
图3为本发明浮子通断块浮于海面上时在出气管端部结构示意图；
图4为本发明浮子通断块进入海里后在出气管端部结构示意图；
图5为本发明浮沉台、浮体组件进行倾斜平衡的运行原理示意图；
图6为本发明对向块在主干上的正视安装示意图；
图7为图6中的视图A-A。
图中：1-主干、2-机头、3-对向块、31-浮块、32-连接筒、321-键槽、33-舵叶、34-弹簧、35-键、36-滚球、4-浮沉台、5-浮体组件、51-气囊、52-抽气泵、53-进气管、531-结余长度、54-出气管、541-气管浮子、542-过流球体、543-气孔、55-调压阀、56-浮子通断块、561-锥口槽、6-锚索、91-浅层海流、92-深层海流、93-海底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，包括主干1、机头2和浮沉台4，主干1上端安装机头2用于风力发电，浮沉台4连接在主干1下方，浮沉台4悬浮于海平面下方的海水中，浮沉台4沿竖直方向托举住主干1。
主干1支撑起机头2部分，让其朝向海面上的风进行风力发电，本发明不采用海底修建基础的方式进行机组支撑，而是使用浮沉台4及其辅件提供浮力来托举起整个机组，浮沉台4沉入海中，并在适当位置悬停，这个适当位置是指位于海面下方较深的深度上，因为使用浮力来平衡机组的重力，所以，浮力部件的结构尺寸较大，让浮沉台4及其辅件直接在海平面上漂浮的话，会显著受到洋流的影响，在海平面附近处，海风吹动表层水体(浅层海流91)流动，流动性受到风力影响而速度不一，能够进行风力发电的位置是常常具有大风的位置，表层水体流动性很强，本发明将浮沉台4沉入深水位置，只让一根相对较细的主干1穿过表层水体，从而，表层水体流过主干1时，对于机组整体的冲击力较小，深水位置处水体流速低，不考虑大洋整体受到潮汐力作用和地球大范围温差导致的深水暗流(这类暗流一般也是绝大多数发生在远离大陆架的位置，而风电机组不会设置得离大陆架太远)外，海风不会在水深较多的位置处(深层海流92)造成影响，浮沉台4在此位置悬停，不易受到海流冲击，从而提供稳定的浮力。通过浮力支撑的机组，可以通过拖船而方便地转移设置位置，根据季节不同，而选择合适的工作地点。
如图1所示，浮沉台4水平方向外围设置若干个浮体组件5，浮体组件5具有自适应的随深度波动而变化的浮力。
浮沉台4如果只有一个浮力提供部件的话，受到洋流冲击而可能出现机组倾覆的危险，所以，通过水平往外延伸而设置多个浮体组件5，当机组整体往一侧倾斜时，有下沉趋势的浮体组件5通过自身或连接管等部件增大自身排水体积，提供更多的浮力，从而使得机组重新恢复竖直状态。
如图2～5所示，浮体组件5包括气囊51、抽气泵52、进气管53、出气管54、调压阀55和浮子通断块56，气囊51固定在浮沉台4外围，气囊51内设置抽气泵52，抽气泵52经由进气管53从海平面上方抽取空气并注入气囊51内，出气管54连接气囊51内部空间和海平面上方大气空间，出气管54上设置流阻可调的调压阀55，进气管53和出气管54在出入海平面处均设置浮子通断块56，进气管53由海平面直至气囊51之间具有结余长度531。
气囊51是排水部件，排水越多，浮力越大，抽气泵52抽去大气灌入气囊51内，使其保持一定的体积，进出气管分别作为气路进行气囊的补气与出气，调压阀55调配的气囊51内相对于出气管54出口处的压力差值，出气管54出口直连海平面大气，调压阀55的流阻即是气囊51内的表压，气囊51内压力越大，则在海水中同一深度处体积越大，提供更大的浮力。浮子通断块56可以在其完全浸入水中后，切断出气管54与海表面上的大气的连接，如图5所示，进气管53具有较多的结余长度531，所以，就算其下连接的气囊51下沉一些，抽气泵52的进气也不会受到影响，出气管54没有长度结余，其长度正好等于气囊51至海平面的距离，所以，一旦所连接的气囊51因为扰动而下沉一点后，该气囊51往外界的排气是受到截断的，抽气泵52继续运行，气囊51内存入更多的气体，体积轻微膨胀，具有相比于其他的气囊51更大的浮力，抵抗扰动，使得机组回复到主干1竖直状态，完全归位后，这一气囊51上引出的出气管54端部重新浮出海面，气囊51经由调压阀55后排气通顺，排出相比于其他气囊所多出来部分的气体，气囊51重新变回相同的大小，平等地为浮沉台4提供浮力。达到自主地调整偏移姿态的作用。调压阀55压力对应气囊51内部压力，该压力也对应浮沉台4的深度，机组初始设置时，还需要调整进气管53与出气管54的管长，具体地可以是制造较大的管长，在确定好气囊51深度后，通过捆扎的方式，消减掉出气管54的富余长度。
出气管54靠近海平面的一端带有气管浮子541和过流球体542，过流球体542内部设置与出气管54主气流通孔连接的气孔543，浮子通断块56为莲花形，浮子通断块56上表中央朝向设置锥口槽561，锥口槽561尖端在下并通过通孔连接至浮子通断块56下表面，出气管54上端贯穿浮子通断块56，气管浮子541位于浮子通断块56下方，过流球体542位于锥口槽561内，气孔543朝向锥口槽561斜面，气管浮子541抵触浮子通断块56下表面时，气孔543与锥口槽561斜面之间存留间隙。
浮子通断块56位于海平面上时，出气管54端部由气管浮子541直接提供的浮力而上浮，过流球体542高于锥口槽561斜面，即，过流球体542内往外排气的气孔543可以自由排气，此时，气管浮子541外部上表面抵触在浮子通断块56下表面上，当出气管54受到下部气囊51的拖拽而进入水中后，浮子通断块56受到浮力而向上运动，此时，过流球体542与锥口槽561接触，气孔543被锥口槽561斜面所封闭，为了更好的封闭，还可以在锥口槽561斜面上设置与过流球体542球形面相适应的球形凹槽，气管浮子541外部上表面与浮子通断块56下表面脱离一段距离，气囊51内气体经过调压阀55后几乎降至大气压，所以，气孔543对于浮子通断块56的顶开力很小，不会超过浮子通断块56受到的向上浮力，所以，气孔543可以被锥口槽561所完善密封，气囊51在后续注气过程中，压力会保持外部水体的压力，注入的气体用于体积增大。
进气管53上设置由大气至气囊51流向的单向阀，抽气泵52与调压阀55进行联锁控制，抽气泵52停机时、调压阀55关闭。本结构防止抽气泵52失电停机后气囊51快速排气而失去浮力致使机组沉入水中，抽气泵52停机时、调压阀55关闭防止气囊51内气体从出气管54排出，而进气管53上的单向阀也防止了气体从抽气泵52、进气管53逆向排出。
如图6、7所示，海上风电机组还包括对向块3，对向块3套装在主干1上，对向块3浮在海平面位置处，对向块3受水流冲击而使海上风电机组整体在水中进行绕竖直轴线的旋转。对向块3包括浮块31、连接筒32、舵叶33、弹簧34和键35，键35为长条形，键35通过螺钉竖直钉装在主干1上，连接筒32上端安装带中心孔的浮块31，连接筒32内表设置竖直的键槽321，连接筒32和浮块31一同套设在主干1上，键槽321与键35对齐，键槽321槽宽大于键35键宽，键槽321两侧壁与键35两侧壁之间设置两个以键35作对称线的弹簧34，连接筒32外表沿水平方向设置舵叶33。
舵叶33受到水流冲击而给到主干1旋转力矩，两个弹簧34、键35、键槽321的槽宽大于键35键宽并在其内安装弹簧，是为了适应水流波动，只有舵叶33旋转使得键槽321从一个方向持续压紧键35时，才驱使主干1旋转，水流波动被弹簧34消除。
浮块31让对向块3浮停在海平面处，此处水流最受到海风影响而具有方向性，舵叶33面积足够时，水流的冲击以及力矩完全能够使得整个机组原地自转进行对风。
弹簧34靠近键35的一端通过滚球36与键35进行接触。浮块31可能上下浮动，所以，主干1深度几乎不变，弹簧34与键35具有竖直方向上的滑动，通过滚球36消除摩擦力。
浮沉台4还连接有一个锚索6。锚索6锁住机组的整体水平位置，防止机组随水流水平漂移。锚索6勾拉住海底93的石块等等即可。
气囊51外包裹有一层钢丝罩。钢丝罩保护气囊51，防止大型鱼类到达气囊51外表面。
本装置的主要运行过程是：气囊51先行注入较多气体，机组浮在水面上并由拖船拖行至设计位置，之后，气囊51排出部分气体，机组整体下沉，浮沉台4下沉至预期位置时，通过调压阀55保持气囊51内具有与外部水体相适应的压力，提供的浮力正好平衡机组重力，然后，机头2对准海风进行发电，电能可以储存起来，也可以是通过线缆进行远距离输送。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述海上风电机组包括主干(1)、机头(2)和浮沉台(4)，所述主干(1)上端安装机头(2)用于风力发电，所述浮沉台(4)连接在主干(1)下方，浮沉台(4)悬浮于海平面下方的海水中，浮沉台(4)沿竖直方向托举住主干(1)；
所述浮沉台(4)水平方向外围设置若干个浮体组件(5)，所述浮体组件(5)具有自适应的随深度波动而变化的浮力；
所述浮体组件(5)包括气囊(51)、抽气泵(52)、进气管(53)、出气管(54)、调压阀(55)和浮子通断块(56)，所述气囊(51)固定在浮沉台(4)外围，气囊(51)内设置抽气泵(52)，抽气泵(52)经由进气管(53)从海平面上方抽取空气并注入气囊(51)内，所述出气管(54)连接气囊(51)内部空间和海平面上方大气空间，出气管(54)上设置流阻可调的调压阀(55)，所述进气管(53)和出气管(54)在出入海平面处均设置浮子通断块(56)，所述进气管(53)由海平面直至气囊(51)之间具有结余长度(531)。
2.根据权利要求1所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述出气管(54)靠近海平面的一端带有气管浮子(541)和过流球体(542)，所述过流球体(542)内部设置与出气管(54)主气流通孔连接的气孔(543)，所述浮子通断块(56)为莲花形，浮子通断块(56)上表中央朝向设置锥口槽(561)，所述锥口槽(561)尖端在下并通过通孔连接至浮子通断块(56)下表面，所述出气管(54)上端贯穿浮子通断块(56)，所述气管浮子(541)位于浮子通断块(56)下方，所述过流球体(542)位于锥口槽(561)内，所述气孔(543)朝向锥口槽(561)斜面，所述气管浮子(541)抵触浮子通断块(56)下表面时，气孔(543)与锥口槽(561)斜面之间存留间隙。
3.根据权利要求1所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述进气管(53)上设置由大气至气囊(51)流向的单向阀，所述抽气泵(52)与调压阀(55)进行联锁控制，抽气泵(52)停机时、调压阀(55)关闭。
4.根据权利要求1所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述海上风电机组还包括对向块(3)，所述对向块(3)套装在主干(1)上，对向块(3)浮在海平面位置处，对向块(3)受水流冲击而使海上风电机组整体在水中进行绕竖直轴线的旋转。
5.根据权利要求4所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述对向块(3)包括浮块(31)、连接筒(32)、舵叶(33)、弹簧(34)和键(35)，所述键(35)为长条形，键(35)通过螺钉竖直钉装在主干(1)上，所述连接筒(32)上端安装带中心孔的浮块(31)，所述连接筒(32)内表设置竖直的键槽(321)，所述连接筒(32)和浮块(31)一同套设在主干(1)上，所述键槽(321)与键(35)对齐，所述键槽(321)槽宽大于键(35)键宽，键槽(321)两侧壁与键(35)两侧壁之间设置两个以键(35)作对称线的弹簧(34)，所述连接筒(32)外表沿水平方向设置舵叶(33)。
6.根据权利要求5所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述弹簧(34)靠近键(35)的一端通过滚球(36)与键(35)进行接触。
7.根据权利要求1所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述浮沉台(4)还连接有一个锚索(6)。
8.根据权利要求1所述的一种自主浮沉对风的小型海上风电机组，其特征在于：所述气囊(51)外包裹有一层钢丝罩。
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