CN111637016A - 一种漂浮式海上风力发电机系统 - Google Patents

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Southwest University of Science and Technology
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Abstract

本发明提供了一种漂浮式海上风力发电机系统，包括基础浮筒和海上风力发电组件，还包括系泊系统和结构振动控制系统，系泊系统包括若干组固定于基础浮筒上的张紧式系泊链组，结构振动控制系统包括设置于风机塔筒上的第一连接平台和若干组固定于第一连接平台上的半张紧式系泊链组。本发明所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统，通过增设的结构振动控制系统，不仅是增加了多个专门针对海上风力发电组件的支撑点，而且还可以通过结构振动控制系统有效地吸收作用在海上风力发电组件上的环境负载和系统整体的振动，降低漂浮式海上风力发电机系统整体的运动响应，提高漂浮式海上风力发电机系统的稳定性，从而可以提高海上风力发电组件的发电效率和使用寿命。

Description

一种漂浮式海上风力发电机系统
技术领域
本发明涉及海洋可再生能源利用技术领域，尤其是涉及一种漂浮式海上风力发电机系统。
背景技术
海上具有丰富的风能和洋流资源，是当前新能源开发利用的主要方向。现阶段海上风电开发主要集中于浅水区域，风力发电机组多采用固定式基础。随着开发的深入，海上风电开发将向离岸深水海域发展。深水风电开发，固定式基础失去了优越性，浮式基础成为理想的风力机支撑基础。
高技术要求和昂贵的建造与安装费用限制了浮式基础的海上风机的推广应用。为了提升开发的经济性，漂浮式海上风力发电机正在朝着大型化的方向发展。随着单机容量的增大，海上风力发电系统对漂浮式支撑基础提出了更高的要求。现有的漂浮式海上风力发电机系统中的系泊系统对风机整体的约束较弱，无法满足逐渐增大的单机容量的海上风力发电机的使用，无法保证海上发电系统在海域中的稳定性，整体结构在风、浪、流共同作用下产生较大的运动响应，严重影响海上发电系统的工作效率和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于解决现有漂浮式海上风机的系泊系统无法满足逐渐增大的单机容量的海上风力发电机使用，无法保证海上发电系统在海域中的稳定性、严重影响海上发电系统的工作效率和使用寿命的缺点，提供一种漂浮式海上风力发电机系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种漂浮式海上风力发电机系统，包括三个固定连接的基础浮筒和设置于所述基础浮筒上的海上风力发电组件，所述海上风力发电组件通过风机塔筒与所述基础浮筒固定连接，还包括系泊系统和结构振动控制系统，所述系泊系统包括若干组固定于所述基础浮筒上的张紧式系泊链组，所述结构振动控制系统包括设置于所述风机塔筒上的第一连接平台和若干组固定于所述第一连接平台上的半张紧式系泊链组。
进一步地，所述系泊系统包括三组所述张紧式系泊链组，所述结构振动控制系统包括三组所述半张紧式系泊链组，三组所述半张紧式系泊链组与三组所述张紧式系泊链组相互间隔设置且均匀分布于所述风机塔筒的外围。
进一步地，所述半张紧式系泊链组包括设置于所述第一连接平台上的载荷-位移控制器、固定于海底的第一海底锚以及将所述载荷-位移控制器与所述第一海底锚连接的第一系泊链。
具体地，所述张紧式系泊链组包括设置于所述基础浮筒上的第二连接平台、固定于海底的第二海底锚以及将所述第二连接平台与所述第二海底锚连接的第二系泊链。
具体地，所述第一海底锚设置于两个相邻的所述第二海底锚之间，使得所述第一系泊链与相邻的所述第二系泊链之间所形成的夹角相同。
具体地，所述第一连接平台为固定于所述风机塔筒上的环形固定圈，于所述环形固定圈上设置有三个沿圆周方向均匀分布的安装部，所述载荷-位移控制器的一端与所述安装部固定连接，另一端与所述第一系泊链固定连接。
具体地，所述载荷-位移控制器为弹簧阻尼器、液压阻尼器或粘滞阻尼器。
进一步地，所述漂浮式的海上风机系统还包括三组设置于所述基础浮筒下方的洋流发电组件。
具体地，所述洋流发电组件包括洋流发电机组和可驱动所述洋流发电机组旋转和摆动的控制组件，通过所述控制组件将所述洋流发电机组与所述基础浮筒活动连接。
具体地，所述控制组件包括设置于所述基础浮筒内的控制系统、由所述控制系统调节的驱动部件、设置于所述基础浮筒内与所述驱动部件连接的主旋转轴、与所述驱动部件连接且垂直于所述主旋转轴设置的副旋转轴以及将所述副旋转轴与所述洋流发电机组固定连接的连接轴。
本发明所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统的有益效果在于：包括系泊系统和结构振动控制系统，通过增设的结构振动控制系统，不仅是增加了多个专门针对海上风力发电组件的支撑点，而且还可以通过结构振动控制系统有效地吸收作用在海上风力发电组件上的环境负载和系统整体的振动，降低漂浮式海上风力发电机系统整体的运动响应，提高漂浮式海上风力发电机系统的稳定性，从而可以提高海上风力发电组件的发电效率和使用寿命。
附图说明
图1是本发明第一实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统的立体结构示意图；
图2是本发明第一实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统的正视图；
图3是本发明第一实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统的俯视图；
图4是本发明第二实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统的正视图；
图5是图4中A处的局部放大图；
图6是本发明第二实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统中洋流发电机组沿着副旋转轴摆动的结构示意图。
图中：100(200)-漂浮式海上风力发电机系统、10-基础浮筒、20-海上风力发电组件、21-风机塔筒、30-结构振动控制系统、31-第一连接平台、311-环形固定圈、312-安装部、32-半张紧式系泊链组、321-载荷-位移控制器、322-第一海底锚、323-第一系泊链、33-张紧式系泊链组、331-第二连接平台、332-第二海底锚、333-第二系泊链、40-洋流发电组件、41-洋流发电机组、42-控制组件、421-主旋转轴、422-副旋转轴、423-连接轴。
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。
实施例一：
参见图1-图3，为本发明第一实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统100。该漂浮式海上风力发电机系统100包括系泊系统和结构振动控制系统30，通过位于下层的系泊系统中的张紧式系泊链组33起到限位在作用，通过位于上层的结构振动控制系统30中的半张紧式系泊链组32中的载荷-位移控制器321的主动控制起到抑制海上风力发电组件20整体振动的作用，从而可以有效地控制整个漂浮式海上风力发电机系统100在一定海域范围内的稳定性，为单机容量大的海上风力发电组件20提供更加稳定的支撑，提高海上风力发电组件20在海上发电的工作效率和使用寿命。
具体地，如图1所示，本发明所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统100包括三个固定连接的基础浮筒10和设置于基础浮筒10上的海上风力发电组件20，三个基础浮筒10围绕海上风力发电组件20设置，海上风力发电组件20通过风机塔筒21与基础浮筒10固定连接。三个基础浮筒10与海上风力发电组件20之间设置有多个横向和斜向设置的连接杆，使得风机塔筒21与每个基础浮筒10之间均可形成稳固连接的三角支撑结构。其中海上风力发电组件20的风机塔筒21设置于三个基础浮筒10所围合的三角区域的中心处。
本发明所提供的漂浮式海上风力发电机系统100还包括系泊系统和结构振动控制系统30，该系泊系统包括若干组固定于基础浮筒10上的张紧式系泊链组33；该结构振动控制系统30包括设置于风机塔筒21上的第一连接平台31和若干组固定于第一连接平台31上的半张紧式系泊链组32。在本实施例中，该系泊系统包括三组张紧式系泊链组33，张紧式系泊链组33与基础浮筒10一一对应设置且固定连接。该结构振动控制系统30包括三组半张紧式系泊链组32，每组半张紧式系泊链组32均固定于第一连接平台31上。三组半张紧式系泊链组32与三组张紧式系泊链组33相互间隔设置且均匀分布于风机塔筒21的外围。为了保证海上风力发电组件20在海面上工作的稳定性，本发明所提供结构振动控制系统30中的三组半张紧式系泊链组32为该风机塔筒21提供三点支撑，可以有效地抑制海上风力发电组件20在海面上的运动响应。而本发明所提供的漂浮式海上风力发电机系统100中还设置有运动监测系统(图中未示出)，该运动监测系统可以实时监测和采集整个漂浮式海上风力发电机系统100在海面和海底的风、浪、流的数据参数以及海上风力发电组件20在海面上的运动状态，通过运动监测系统所收集的数据反馈至结构振动控制系统30中，并通过结构振动控制系统30中的半张紧式系泊链组32起到对海上风力发电组件20的风机塔筒21的主动控制，可以根据运动监测系统所反馈的数据来主动调整半张紧式系泊链组32对风机塔筒21的拉紧力，使得风机塔筒21可以相对稳定的设置于海平面上，从而抑制海上风力发电组件20的载荷运动响应，减少海上风、浪、流对于海上风力发电组件20的影响，限制浮式平台在海面上的运动。
本发明所提供的结构振动控制系统30中具有三组半张紧式系泊链组32与风机塔筒21的第一连接平台31固定连接。在海上风力发电组件20的风机塔筒21的外围新增了三个支撑点。该半张紧式系泊链组32的三个支撑点与设置于基础浮筒10上的另外三组张紧式系泊链组33所形成的三个支撑点，共同组成了围绕整个漂浮式海上风力发电机系统100周围的六个支撑点。并且每个支撑点之间在海底相互间隔设置，在同一水平面上形成六个不同方位的支撑，提高整个系统的稳定性。该结构振动控制系统30中的三组半张紧式系泊链组32可以根据现场海上环境自动调节系泊链组的收紧或者松弛状态，起到主动控制的作用。另外系泊系统中的三组张紧式系泊链组33始终处于收紧状态，对基础浮筒10起到牵引和限制的作用。系泊系统所提供的张紧式系泊链组33起到了基础限位的作用，结构振动控制系统30所提供的半张紧式系泊链组32起到了抑制运动响应的作用，能够为海上风力发电组件20提供足够的支撑力和预紧力，减少风机的运动响应。
具体地，如图1-2所示，本发明所提供的半张紧式系泊链组32包括设置于第一连接平台31上的载荷-位移控制器321、固定于海底的第一海底锚322以及将载荷-位移控制器321与第一海底锚322连接的第一系泊链323。该第一连接平台31直接固定于海上风力发电组件20的风机塔筒21上，使得该半张紧式系泊链组32可以直接作用于风机塔筒21上。且该第一连接平台31位于风机塔筒21的中下段，即该第一连接平台31的高度H1为风机塔筒21整体高度的1/5-2/5。在本实施例中，该第一连接平台31距离风机塔筒21的底部的高度H1为30米，从而使得该结构振动控制系统30可以有效地支撑海上风力发电组件20。该第一海底锚322设置于海底，通过第一系泊链323将第一海底锚322与风机塔筒21连接。
具体地，如图1所示，该第一连接平台31为固定于风机塔筒21上的环形固定圈311，于环形固定圈311上设置有三个沿圆周方向均匀分布的安装部312，载荷-位移控制器321的一端与安装部312固定连接，另一端与第一系泊链323固定连接。该第一连接平台31上的安装部312设置于两个相邻的基础浮筒10之间，使得该半张紧式系泊链组32与张紧式系泊链组33之间可以相互间隔。该第一系泊链323采用钢缆材质制作，具有较强的支撑力，能够防止在海上风浪较大时对结构振动控制系统30的破坏。
具体地，该半张紧式系泊链组32中的载荷-位移控制器321设置在靠近风机塔筒21的一侧，可以根据运动监测系统所收集的数据对第一系泊链323提供运动补偿。在本实施例中，该载荷-位移控制器321为弹簧阻尼器、液压阻尼器或粘滞阻尼器。通过该载荷-位移控制器321增加了整个结构振动控制系统30的结构阻尼，能够直接作用于第一系泊链323上吸收外界环境对于海上风力发电组件20的环境载荷，减少风、浪、流以及海上风机工作时所造成的对于风机塔筒21的运动响应和振动幅度，保证海上风力发电组件20工作时的稳定性和安全性。
本发明所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统100中所提供的系泊系统包括三组连接于基础浮筒10上的张紧式系泊链组33。该张紧式系泊链组33包括设置于基础浮筒10上的第二连接平台331、固定于海底的第二海底锚332以及将第二连接平台331与第二海底锚332连接的第二系泊链333。该张紧式系泊链组33的第二海底锚332也是设置于海底，通过第二系泊链333与基础浮筒10连接。该第二系泊链333处于松弛状态设置于三个基础浮筒10的周围，用于限制基础浮筒10于一个固定的海域范围内，在三个基础浮筒10随着海上环境发生振动时对于基础浮筒10起到牵引的作用，限制基础浮筒10的移动。
进一步地，如图3所示，该结构振动控制系统30中的半张紧式系泊链组32和系泊系统中的张紧式系泊链组33之间相互间隔设置，其中第一海底锚322设置于两个相邻的第二海底锚332之间，使得第一系泊链323与相邻的第二系泊链333之间分别形成夹角α和夹角β，该夹角α和夹角β的角度相同且均为60°。这样设置使得半张紧式系泊链组32分别处于两个相邻的张紧式系泊链组33的对称面上。
本发明所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统100包括系泊系统和结构振动控制系统30，通过增设的结构振动控制系统30，不仅是增加了多个专门针对海上风力发电组件20的支撑点，而且还可以通过结构振动控制系统30有效地吸收作用在海上风力发电组件20上的环境负载和系统整体的振动，降低漂浮式海上风力发电机系统100整体的运动响应，提高漂浮式海上风力发电机系统100的稳定性，从而可以提高海上风力发电组件20的发电效率和使用寿命。
实施例二：
参见图4-6，为本发明第二实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统200。第二实施例与第一实施例的不同在于，该漂浮式海上风力发电机系统200不仅包括系泊系统和结构振动控制系统30，还包括三组设置于基础浮筒10下方的洋流发电组件40。位于海平面下方的洋流发电组件40与设置于海平面上方的海上风力发电组件20一同作用，两者相互协同配合，能够同时利用海上的风能和海底的洋流进行发电，具有较大的经济价值。并且可以通过增设的洋流发电组件40来抑制整个漂浮式海上风力发电机系统200的运动响应，进一步地提高系统的稳定性。
进一步地，如图5所示，该洋流发电组件40包括洋流发电机组41和可驱动洋流发电机组41旋转和摆动的控制组件42，通过控制组件42将洋流发电机组41与基础浮筒10活动连接。该洋流发电机组41为目前较为成熟的利用海底洋流的流动产生电能的发电机组，在此不再赘述。利用运动监测系统(图中未示出)所收集的数据反馈至控制组件42上，通过控制组件42调整洋流发电机组41与基础浮筒10的相对位置以及洋流发电机组41的姿态、方向和负载，实现通过洋流发电机组41工作时所产生的动能抑制整个漂浮式海上风力发电机系统200的运动响应和振动。
具体地，如图5所示，控制组件42包括设置于基础浮筒10内的控制系统(图中未示出)、由控制系统调节的驱动部件(图中未示出)、设置于基础浮筒10内与驱动部件连接的主旋转轴421、与驱动部件连接且垂直于主旋转轴421设置的副旋转轴422以及将副旋转轴422与洋流发电机组41固定连接的连接轴423。该主旋转轴421由驱动部件控制，可沿着基础浮筒10的中心轴水平旋转。该主旋转轴421的设置方向与基础浮筒10的设置方向同轴设置，使得该主旋转轴421转动可以带动设置于其上的副旋转轴422、连接轴423以及洋流发电机组41均可以随着主旋转轴421水平转动。该副旋转轴422的两端可转动地固定于主旋转轴421的底部且由驱动部件控制可沿着垂直于基础浮筒10的中心轴的方向转动。该副旋转轴422的两端均活动地固定于主旋转轴421的底部，并且该副旋转轴422垂直于主旋转轴421的轴向设置。该副旋转轴422的转动，会带动固定于其上的连接轴423相对于主旋转轴421摆动。该副旋转轴422的转动角度如图6所示，可沿着主旋转轴421的底面转动0°-180°。因此，随着驱动部件的驱动，可以带动副旋转轴422围绕其中心旋转，带动连接轴423在主旋转轴421的底部发生摆动，该连接轴423相对于主旋转轴421的摆动角度为0°-180°。
本发明第二实施例所提供的一种漂浮式海上风力发电机系统200，不仅具有本发明所提供的系泊系统和结构振动控制系统30，可以通过结构振动控制系统30增加了海上风力发电组件20的支撑点，吸收作用在海上风力发电组件20上的环境负载和系统整体的振动，降低系统的运动响应，提高系统的稳定性。还同时具有洋流发电组件40，该洋流发电组件40不仅可以利用洋流发电，与海上风力发电组件20配合提高系统整体发电量和发电效率，还可以根据风、波、浪、洋流等环境条件以及海上风力发电组件20的运动响应来调整洋流发电组件40的位置、姿态、方向和负载，通过控制洋流发电组件40在海平面下方的工作状态，实现对于洋流发电组件40载荷以及阻尼的调节，进而起到抑制海上风力发电组件20的运动响应的作用，提高整个系统的稳定性。
以上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)

1.一种漂浮式海上风力发电机系统，包括三个固定连接的基础浮筒和设置于所述基础浮筒上的海上风力发电组件，所述海上风力发电组件通过风机塔筒与所述基础浮筒固定连接，其特征在于，还包括系泊系统和结构振动控制系统，所述系泊系统包括若干组固定于所述基础浮筒上的张紧式系泊链组，所述结构振动控制系统包括设置于所述风机塔筒上的第一连接平台和若干组固定于所述第一连接平台上的半张紧式系泊链组。
2.如权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述系泊系统包括三组所述张紧式系泊链组，所述结构振动控制系统包括三组所述半张紧式系泊链组，三组所述半张紧式系泊链组与三组所述张紧式系泊链组相互间隔设置且均匀分布于所述风机塔筒的外围。
3.如权利要求2所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述半张紧式系泊链组包括设置于所述第一连接平台上的载荷-位移控制器、固定于海底的第一海底锚以及将所述载荷-位移控制器与所述第一海底锚连接的第一系泊链。
4.如权利要求3所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述张紧式系泊链组包括设置于所述基础浮筒上的第二连接平台、固定于海底的第二海底锚以及将所述第二连接平台与所述第二海底锚连接的第二系泊链。
5.如权利要求4述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述第一海底锚设置于两个相邻的所述第二海底锚之间，使得所述第一系泊链与相邻的所述第二系泊链之间所形成的夹角相同。
6.如权利要求3所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述第一连接平台为固定于所述风机塔筒上的环形固定圈，于所述环形固定圈上设置有三个沿圆周方向均匀分布的安装部，所述载荷-位移控制器的一端与所述安装部固定连接，另一端与所述第一系泊链固定连接。
7.如权利要求6所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述载荷-位移控制器为弹簧阻尼器、液压阻尼器或粘滞阻尼器。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述漂浮式的海上风机系统还包括三组设置于所述基础浮筒下方的洋流发电组件。
9.如权利要求8所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述洋流发电组件包括洋流发电机组和可驱动所述洋流发电机组旋转和摆动的控制组件，通过所述控制组件将所述洋流发电机组与所述基础浮筒活动连接。
10.如权利要求9所述的一种漂浮式海上风力发电机系统，其特征在于，所述控制组件包括设置于所述基础浮筒内的控制系统、由所述控制系统调节的驱动部件、设置于所述基础浮筒内与所述驱动部件连接的主旋转轴、与所述驱动部件连接且垂直于所述主旋转轴设置的副旋转轴以及将所述副旋转轴与所述洋流发电机组固定连接的连接轴。
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