CN112065650A - 一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组 - Google Patents

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李刚
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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组，包括导风板、浮板、角度调节机构、浮式基础和翼型塔架；所述浮式基础包括三根浮臂，三根浮臂的一端相连接以形成Y字形，其中一根浮臂的长度长于另外两根浮臂，三根浮臂的连接处设置有安装位，所述翼型塔架倾斜安装于此安装位，所述浮板沿水平方向安装于浮式基础中较长的一根浮臂，两块所述导风板沿此浮臂对称设置，且均与浮板铰接，所述角度调节机构用于调节两块导风板与浮板之间的夹角。其有益效果在于：通过设置导风结构，可以将海面上一定高度范围内的风进行引导和扰动，使得更多的风流吹向风轮扫风面积内，从而提高风能捕获效率，进而提高发电量。

Description

一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组。
背景技术
常规风力发电机组结构是单风轮主动偏航系统，无任何结构的导风装置，风能捕获效率低。而且传统固定式基础的风力发电机组，其固定式基础占地面积小，无法支撑大型导风结构的安装。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组，包括导风板、浮板、角度调节机构、浮式基础和翼型塔架；所述浮式基础包括三根浮臂，三根浮臂的一端相连接以形成Y字形，其中一根浮臂的长度长于另外两根浮臂，三根浮臂的连接处设置有安装位，所述翼型塔架倾斜安装于此安装位，所述浮板沿水平方向安装于浮式基础中较长的一根浮臂，且此浮臂位于浮板的中心线上，两块所述导风板沿此浮臂对称设置，且均与浮板铰接，导风板与浮板之间的开口朝向翼型塔架，所述角度调节机构分别安装于浮板与两块导风板之间或翼型塔架与两块导风板之间，以分别调节两块导风板与浮板之间的夹角。
进一步地，还包括第一浮筒，所述第一浮筒均匀安装于浮板的下方。
进一步地，所述导风板与浮板之间的夹角为10-50°。
进一步地，所述角度调节机构包括液压缸、基座、连接块和支撑杆；两块导风板与浮板之间的铰接轴上均固定有基座，所述液压缸安装于基座，所述液压缸的伸缩杆朝向翼型塔架，所述连接块安装于液压缸的伸缩杆，两根所述支撑杆分别位于连接块的两侧，其中一根支撑杆的一端与浮板铰接，其另一端与连接块铰接，另外一根支撑杆的一端与导风板铰接，其另外一端与连接块铰接。
进一步地，所述液压缸、连接块和支撑杆的数量均为若干个；若干个液压缸依次连接，若干个液压缸的伸缩杆均固定有连接块，所述支撑杆分别位于连接块的两侧，以将连接块与对应的浮板和导风板铰接。
进一步地，所述导风板包括多张均匀共面排列的平面板或曲面板，所述浮板包括多张均匀共面排列的平面板。
进一步地，所述角度调节机构包括框架、钢索和卷扬机；所述框架安装于导风板的两侧，所述框架与浮板铰接，所述框架远离浮板的一端具有钢索连接点，所述翼型塔架上开有与钢索连接点相对应的钢索穿孔，卷扬机对应安装在翼型塔架中，所述钢索的一端固定于钢索连接点，其另一端穿过对应的钢索穿孔与卷扬机连接。
进一步地，所述导风板采用帆布材料制作而成。
进一步地，所述翼型塔架包括两根翼型支臂和一根支撑臂，两根翼型支臂的长度长于支撑臂，所述支撑臂的一端倾斜安装于浮式基础的安装位，两根翼型支臂的一端与支撑臂的另一端连接，两根翼型支臂的另外一端分别向两侧倾斜延伸，所述钢索开孔开设于所述翼型支臂对应开有钢索开孔，所述卷扬机安装于翼型支臂中，并与钢索开孔一一对应。
进一步地，还包括机舱和风轮，机舱分别安装于两根翼型支臂的顶端，风轮安装于机舱远离导风结构的一端，所述支撑杆的倾斜方向与较长的一根浮臂相背。
进一步地，还包括钢绞线和第二浮筒；所述第二浮筒分别安装于三根浮臂的另一端，所述第二浮筒与机舱之间通过钢绞线连接。
进一步地，所述浮臂的内部具有空腔。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
1、本发明通过设置导风结构，可以将海面上一定高度范围内的风进行引导和扰动，使得更多的风流吹向风轮扫风面积内，从而提高风能捕获效率，进而提高发电量，浮板与海水相互作用，增加基础在海浪作用下运动的阻尼，有效抑制基础的摇摆运动，增加基础的稳定性。
2、本发明中通过设置角度调节机构，可单独调节两块导风板的摆动角度，当风速较小时，导风板张开到最大角度，最大限度吸收风能。当风速持续稳定超过风力发电机组额定风速时，尤其是台风等极限风况出现时，导风板合拢到最小角度，使得挡风面积显著缩小，大大降低风力发电机组基础和导风板结构所承受的风载荷，保证结构安全。其他风速状态，可根据导风板上的风载荷大小进行角度控制，依据设计要求确定，可通过减小导风板角度降低载荷，保证基础和锚泊系统安全。当风力发电机组偏离风向时，可依据偏离风向的方向，将另一侧的导风板上板收起，单侧导风板受到的风阻载荷产生偏心力矩，辅助风力发电机组绕上风向浮筒下方的锚点(带有转塔轴承)旋转实现对偏航对风的辅助。
3、导风板采用拆分的平板或曲面板结构和框架结构支撑，可以选择满足环境和强度要求的多种金属或非金属材料，方便工程实施。导风板结构可适用于双风轮或单风轮浮动式风力发电机组，导风板结构与Y字形的浮式基础结合，使得结构紧凑，载荷传递路径缩短，利于轻量化设计。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例1中的导风结构的侧视图；
图2示出了图1调整角度后的结构示意图；
图3示出了根据本发明的实施例1的漂浮式风力发电机组的结构示意图；
图4示出了图3的侧视图；
图5示出了图3中其中一块导风板调整角度的示意图；
图6示出了根据本发明中的实施例2中的导风结构的侧视图；
图7示出了根据本发明中的实施例2中的导风结构的主视图；
图8示出了根据本发明的实施例2的漂浮式风力发电机组的结构示意图；
图9示出了图8的侧视图；
图中，1为导风板；2为浮板；3为浮臂；4为第一浮筒；5为液压缸；6为基座；7为连接块；8为支撑杆；9为平面板；10为框架；11为钢索；12为帆布板面；13为钢索连接点；14为钢索穿孔；15为翼型支臂；16为支撑臂；17为机舱；18为风轮；19为钢绞线；20为第二浮筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-图5所示的一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组，包括导风板1、浮板2、角度调节机构、浮式基础和翼型塔架；所述浮式基础包括三根浮臂3，三根浮臂3的一端相连接以形成Y字形，其中一根浮臂3的长度长于另外两根浮臂3，三根浮臂3的连接处设置有安装位，所述翼型塔架倾斜安装于此安装位，所述浮板2沿水平方向安装于浮式基础中较长的一根浮臂3，且此浮臂3位于浮板2的中心线上(即浮板2沿此浮臂对称)，两块所述导风板1沿此浮臂3对称设置，且均与浮板2铰接，导风板1与浮板2之间的开口朝向翼型塔架，所述角度调节机构分别安装于浮板2与两块导风板1之间或翼型塔架与两块导风板1之间，以分别调节两块导风板1与浮板2之间的夹角。通过设置导风结构，可以将海面上一定高度范围内的风进行引导和扰动，使得更多的风流吹向风轮18扫风面积内，从而提高风能捕获效率，进而提高发电量。通过设置角度调节机构，能够单独调节两块导风板1的摆动角度，两块导风板1之间具有较小的间隙，以确保单独调节导风板1的摆动角度时，不会互相影响。
导风板1与浮板之间也可通过固定支架支撑，不调节摆动角度。
还包括第一浮筒4，所述第一浮筒4均匀安装于浮板2的下方。第一浮筒4沿较长一根浮臂3对称安装于浮板2的下表面，第一浮筒4与浮板2相配合，能够提高整体导风结构的漂浮性能。
所述导风板与浮板之间的夹角为10-50°。通过设置角度调节机构能够调节导风板1的摆动角度，控制其摆动范围为10-50°。
所述导风板1包括多张均匀共面排列的平面板9或曲面板，导风板1分片制作，可以根据需要分成多个小块板，组合拼接而成，板面材料可以采用钢板或玻璃钢板或其他金属或非金属材料，满足环境条件和强度要求即可。板面可以做成直线型，也可以做成曲线型，增强导风效果，曲线形状依据设计需求确定。
所述浮板2包括多张均匀排列的平面板9。浮板2漂浮在海面上，用支撑导风板和支撑架的重量。浮板2可由多张平面板9围成的封闭平面板，也可以是具有孔位的平面板，空缺的孔位用于设置第一浮筒4。第一浮筒4与浮板2相配合，能够提高导风板1的漂浮性能，提高其使用寿命。
如图1和图2所示，所述角度调节机构包括液压缸5、基座6、连接块7和支撑杆8；两块导风板1与浮板2之间的铰接轴上均固定有基座6，所述液压缸5安装于基座6，所述液压缸5的伸缩杆朝向翼型塔架，所述连接块7安装于液压缸5的伸缩杆，两根所述支撑杆8分别位于连接块7的两侧，其中一根支撑杆8的一端与浮板2铰接，其另一端与连接块7铰接，另外一根支撑杆8的一端与导风板1铰接，其另外一端与连接块7铰接。如图3和图5所示，液压缸5伸缩使得支撑杆绕端部铰接点旋转合拢，从而改变导风板1与浮板2之间的夹角，两块导风板1与浮板2之间均设置有角度调节机构，能够单独调节每块导风板1的摆动角度。
通过设置角度调节机构，利用液压驱动实现导风板1的角度可调，当风速过大时，通过减小导风板1的张开角度，降低挡风面积，进而减小导风板1上的风载荷，尤其是在台风等极限风速工况下，显著降低导风板支撑结构及风力发电机组基础锚泊系统的设计难度，保证结构安全性。设置两组角度调节机构可以单独收起左侧或右侧的导风板1，使得左右两侧导风板1的风阻不一样，从而产生偏心力矩，辅助浮动式风力发电机组的偏航对风，提高对风精度从而提高发电量。
所述液压缸5、连接块7和支撑杆8的数量均为若干个；若干个液压缸5依次连接，其中第一个液压缸5安装在基座6上，其余液压缸5依次安装于前一个液压缸5的伸缩杆的端面，若干个液压缸5的伸缩杆均固定有连接块7，所述支撑杆8分别位于连接块7的两侧，以将连接块7与对应的浮板2和导风板1铰接。通过设置若干个液压缸5及与其配合的支撑杆8等组件，能够提高角度调节精度和支撑稳定性。具体使用时，可将液压动力单元布置浮式基础的第二浮筒20的内部，通过管路连接到液压缸5。
所述机舱17分别安装于两根翼型支臂15的顶端，风轮18安装于机舱17远离导风结构的一端。翼型支臂15的形状近似于飞机的机翼，通过此设置可以减少风阻。为提高塔架的稳定性，翼型支臂15也可预设钢绞线连接点与浮式基础之间通过钢绞线19预紧连接，提高稳定性。本浮式基础与翼型塔架均设置成Y字形，为导风结构预留安装位置。将导风结构安装于漂浮式风力发电机组，低处风吹过导风板时，会在导风板的引导下斜向上流动并加速，朝向两个风轮的扫风面积内流动。使得两个风轮扫风面积内的气流速度和密度增加，使得风轮对风能的捕获能力大大增加，从而显著提高风力发电机组的发电量。较长的一根浮臂3位于上风向，较短的两根浮臂3位于下风向。
所述支撑臂16的倾斜方向与较长的一根浮臂3相背。避免与较长一根浮臂3连接的钢绞线施加张力后，在支撑臂16底部产生过大弯矩，同时使得重心后移，利于风力发电机组整体围绕浮臂3处锚点转动，实现被动偏航对风。
还包括钢绞线19和第二浮筒20；所述第二浮筒20分别安装于三根浮臂3的另一端，所述第二浮筒20与机舱17之间通过钢绞线19连接。翼型支臂15倾斜布置，通过斜拉钢绞线19保证稳定性。
所述浮臂3的内部具有空腔。可向空腔中注水，提高浮式基础的浮力。
实施例2：
本实施例除以下区别特征外同实施例1：
如图6-图9所示，所述角度调节机构包括框架10、钢索11和卷扬机12；所述框架10安装于导风板1的两侧，所述框架10与浮板2铰接，所述框架10远离浮板2的一端具有钢索连接点13，所述翼型塔架的翼型支臂上开有与钢索连接点13相对应的钢索穿孔14，卷扬机对应安装在翼型塔架的翼型支臂中，所述钢索11的一端固定于钢索连接点13，其另一端穿过对应的钢索穿孔14与卷扬机连接。所述导风板1采用帆布材料制作而成。
本实施例通过卷扬钢索驱动调节导风板1的摆动角度，基于液压缸驱动导风板1，将液压缸5和支撑杆8等支撑结构取消，增加两组钢索11斜拉，钢索11通过卷扬机驱动，调节导风板1的摆动角度。
本实施例中在导风板1的左右每侧安装框架10，在框架10上设置钢索连接点13，在翼型支臂15上开设钢索穿孔14，卷扬机安装在翼型支臂15中，钢索11一端连接到导风板1的框架10的两侧，另一端沿与风向平行的竖直平面内到达风力发电机组塔架的对应位置，沿翼型支臂15的钢索穿孔14进入翼型塔架内部，通过卷扬机驱动钢索11。
导风板1可使用帆布材料，每组导风板两侧用钢制框架做支撑，框架10的一端与浮板2铰接，另一端与钢索11连接。帆布板面与框架10固连，在风载荷作用下形成曲面作为导风面。卷扬钢索驱动的导风板结构同样适用于其他板面材料的结构。帆布式导风板同样可以适用于固定式支撑和液压驱动角度可调的支撑结构。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：包括导风板、浮板、角度调节机构、浮式基础和翼型塔架；所述浮式基础包括三根浮臂，三根浮臂的一端相连接以形成Y字形，其中一根浮臂的长度长于另外两根浮臂，三根浮臂的连接处设置有安装位，所述翼型塔架倾斜安装于此安装位，所述浮板沿水平方向安装于浮式基础中较长的一根浮臂，两块所述导风板沿此浮臂对称设置，且均与浮板铰接，导风板与浮板之间的开口朝向翼型塔架，所述角度调节机构分别安装于浮板与两块导风板之间或翼型塔架与两块导风板之间，以分别调节两块导风板与浮板之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：还包括第一浮筒，所述第一浮筒均匀安装于浮板的下方。
3.根据权利要求1所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述导风板与浮板之间的夹角为10-50°。
4.根据权利要求1所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述角度调节机构包括液压缸、基座、连接块和支撑杆；两块导风板与浮板之间的铰接轴上均固定有基座，所述液压缸安装于基座，所述液压缸的伸缩杆朝向翼型塔架，所述连接块安装于液压缸的伸缩杆，两根所述支撑杆分别位于连接块的两侧，其中一根支撑杆的一端与浮板铰接，其另一端与连接块铰接，另外一根支撑杆的一端与导风板铰接，其另外一端与连接块铰接。
5.根据权利要求4所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述液压缸、连接块和支撑杆的数量均为若干个；若干个液压缸依次连接，若干个液压缸的伸缩杆均固定有连接块，所述支撑杆分别位于连接块的两侧，以将连接块与对应的浮板和导风板铰接。
6.根据权利要求1所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述导风板包括多张均匀共面排列的平面板或曲面板，所述浮板包括多张均匀共面排列的平面板。
7.根据权利要求1所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述角度调节机构包括框架、钢索和卷扬机；所述框架安装于导风板的两侧，所述框架与浮板铰接，所述框架远离浮板的一端具有钢索连接点，所述翼型塔架上开有与钢索连接点相对应的钢索穿孔，卷扬机对应安装在翼型塔架中，所述钢索的一端固定于钢索连接点，其另一端穿过对应的钢索穿孔与卷扬机连接。
8.根据权利要求7所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述导风板采用帆布材料制作而成。
9.根据权利要求7所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：所述翼型塔架包括两根翼型支臂和一根支撑臂，两根翼型支臂的长度长于支撑臂，所述支撑臂的一端倾斜安装于浮式基础的安装位，两根翼型支臂的一端与支撑臂的另一端连接，两根翼型支臂的另外一端分别向两侧倾斜延伸，所述钢索开孔开设于所述翼型支臂对应开有钢索开孔，所述卷扬机安装于翼型支臂中，并与钢索开孔一一对应。
10.根据权利要求1所述的具有导风结构的漂浮式风力发电机组，其特征在于：还包括机舱和风轮，机舱分别安装于翼型塔架的顶端，风轮安装于机舱远离导风结构的一端。
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