CN112761893A - 一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，包括：叶片、与所述叶片固接的发电机舱、与所述发电机舱固接的支撑柱、与所述支撑柱固接的上部浮舱及与所述上部浮舱通过筋腱连接的下部压舱；所述上部浮舱包括与所述支撑柱固接的立柱及与所述立柱固接的浮箱，所述浮箱采用空心箱结构且该浮箱底部上开设有分形的华夫格多孔。根据本发明，提高了该平台的稳定性，具有经济实用性，且具有良好的水动力稳定性。

Description

一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台
技术领域
本发明涉及风力发电的技术领域，特别涉及一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台。
背景技术
风力发电已成为全球清洁能源的重要组成部分。海上漂浮式风力机因其适用水深范围广、易于大型化、便于移动及灵活拆卸等优点，加之我国海上风电资源丰富，潜力巨大，且靠近以东部经济发达地区为主的负荷中心，就地消纳方便，成为近年该领域重点发展方向之一。
目前，为降低度电成本，海上漂浮式风力机正在经历大型化甚至是超大型化进程，并不断向远海发展。我国海底情况复杂，凹凸不平，起伏较大，随着离岸距离及水深增加，波浪作用对风力机系统干扰加剧，尤其是远海高速风载荷显著，漂浮式风力机系统安全、稳定运行及安装过程面临巨大挑战。目前的漂浮式平台主要有半潜式平台、张力腿平台、以及深水浮筒平台，现有的半潜式平台由于浮箱尺度较大，水平方向所承受波浪力较大，平台纵荡、横荡运动较难控制，且结构重量大、结点复杂制造有一定难度；张力腿平台(TLP)张力筋腱成本较高，平台安装需要特殊安装船，其安装成本也较高，张力筋腱较大的刚度导致平台垂荡运动固有周期较小，易与波浪中的高阶分量发生共振，即高阶弹振，同时对上部承重要求较高，承重变化将直接影响张力筋腱预张力，进而影响平台性能；主流深水浮筒平台使用单柱浮基(Spar)做主体，水线面面积较小，对波浪激励不敏感，具有良好的水动力性能，适用于环境恶劣的海域及深海海域，缺点是尺寸跨度过大，制造及安装较困难，且成本较高，在横摇纵摇方向上悬链线刚度不够，易造成较大受力。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，提高了该平台的稳定性，具有经济实用性，且具有良好的水动力稳定性。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，包括：
叶片、与所述叶片固接的发电机舱、与所述发电机舱固接的支撑柱、与所述支撑柱固接的上部浮舱及与所述上部浮舱通过筋腱连接的下部压舱；
所述上部浮舱包括与所述支撑柱固接的立柱及与所述立柱固接的浮箱，所述浮箱采用空心箱结构且该浮箱底部上开设有分形的华夫格多孔。
优选的，所述上部浮舱与下部压舱之间通过多个筋腱连接，所述筋腱的一端固接于上部浮舱的筋腱上连接点处，另一端固接于下部压舱的筋腱下连接点处。
优选的，所述上部浮舱与下部压舱之间通过六个筋腱连接，上部浮舱的每两个筋腱之间的角度为六十度，下部压舱上的两个筋腱之间的角度为一百二十度。
优选的，所述上部浮舱上固接有悬链线系件，所述悬链线系件用于保持该平台系泊定位。
优选的，所述悬链线系件包括三根索缆，所述索缆固接于上部浮舱且每个两个索之间的夹角为一百二十度，且索缆的直径为0.3m。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)通过与上部浮舱和下部压载舱相连的张力筋腱在上部浮舱拉力及下部压载舱重力作用下始终处于拉伸状态，以保证系统相对稳定；
(2)上部浮舱和下部压载舱通过六根筋腱链接，筋腱在上部浮舱连接点两两之间的角度为60°，筋腱在下部压载舱的三个连接点两两之间的角度为120°，研究了不同筋腱连接距对平台稳定性的影响如表2所示。在受到海浪、海风等外力作用下，当上部浮舱发生位移，下部压载舱的拉力通过与之相连的张力筋腱传递至上部浮舱，一方面减小了上部浮舱运动，另一方面加快了上部浮舱恢复至平衡位置的速度，提高了系统的稳定性。
(3)上部浮舱的底部设计了分形结构的华夫格，增加多孔的分形结构，在六个自由度中的纵荡、垂荡及纵摇自由度上，平台增加多孔的分形结构后动态响应最大值和波动幅值均减小，稳定性明显提高，验证了该设计的实用性。
附图说明
图1为根据本发明的分形结构的新型双体漂浮式风力机平台的结构示意图；
图2为根据本发明的分形结构的新型双体漂浮式风力机平台的平台不同筋腱长度与不同运动状态的柱状图；
图3为根据本发明的分形结构的新型双体漂浮式风力机平台的多自由度运动的示意图；
图4为根据本发明的分形结构的新型双体漂浮式风力机平台的上部浮舱底部的放大示意图；
图5为根据本发明的分形结构的新型双体漂浮式风力机平台的平台时域图。
附图：1.叶片；2.发电机舱；3.支撑柱；5.悬链线系件；6.上部浮舱；7.筋腱；8.下部压舱；10.筋腱上连接点；11.筋腱下连接点；12.悬链连接点；
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。
参照图1-5，一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，包括以下步骤：叶片1、与所述叶片1固接的发电机舱2、与所述发电机舱2固接的支撑柱3、与所述支撑柱3固接的上部浮舱6及与所述上部浮舱6通过筋腱7连接的下部压舱8，所述下部压舱8处于上部浮舱的正下方，通过下部压舱8实现降低平台重心的目的，并提供恢复力矩，使平台系统在风载作用下保持支撑塔架竖直，保证风力机正常运行，所述上部浮舱6与部压舱8均采用钢筋混凝土结构减少了生产费用，并提高了经济实用性，所述筋腱7由上部浮舱6的浮力及下部压舱8的重力作用一直保持拉伸状态；所述上部浮舱6包括与所述支撑柱3固接的立柱及与所述立柱固接的浮箱，所述浮箱采用空心箱结构且该浮箱底部上开设有分形的华夫格多孔，所述华夫格多孔可有效提高平台水动力特性，增强了平台的稳定性，所述浮箱提供浮力及恢复力，支撑上部大型风力机，通过大水线面积提供惯性保持平台稳定，下部压舱8主要起压作用，必要时可调节配重，采用大水线面积以适用远海条件下10MW以上的超大型风力机对稳定性的需求，通过调节筋腱长度来调整压载舱位置，以达到调整平台吃水深度的目的。平台兼具Barge平台的大水线面积和Spar平台的深重心特点，整体重心低于浮心，不需如TLP平台为筋腱添加预设张力，但可通过调节筋腱长度调整平台重心位置，以达到良好的水动力稳定性。
进一步的，所述上部浮舱6与下部压舱8之间通过多个筋腱7连接，所述筋腱7的一端固接于上部浮舱6的筋腱上连接点10处，另一端固接于下部压舱8的筋腱下连接点11处，所述上部浮舱6与下部压舱8之间通过六个筋腱7连接，上部浮舱6的每两个筋腱7之间的角度为六十度，下部压舱8上的两个筋腱7之间的角度为一百二十度，在受到海浪、海风等外力作用下，当上部浮舱发生位移，下部压载舱的拉力通过与之相连的张力筋腱传递至上部浮舱，一方面减小了上部浮舱运动，另一方面加快了上部浮舱恢复至平衡位置的速度，提高了系统的稳定性，且筋腱7的长度在实际应用时可根据水深及海况条件适当调整。筋腱在上部浮舱拉力与下部压载舱重力的作用下，始终处于拉伸状态。当上部浮舱在环境载荷作用下产生运动时，筋腱将下部压载舱的拉力传递至上部浮舱，进而减小上部浮舱运动响应，缩短其恢复至平衡位置的时间，提高了系统稳定性。在实际应用时可根据水深及海况条件适当调整。
进一步的，所述上部浮舱6上固接有悬链线系件5且上部浮舱6上设有悬链连接点12，所述悬链线系件5用于保持该平台系泊定位，所述悬链线系件5包括三根索缆，所述索缆固接于上部浮舱6且每个两个索之间的夹角为一百二十度，且索缆的直径为0.3m，漂浮式风力机运动至最大位移处，在悬链线系件5拉力作用下逐渐恢复至平衡位置，最终处于相对稳定状态，通过下表1所示:
表1双体平台悬链线系泊拉力统计值
Figure BDA0002911623340000051
通过表1所述悬链线系件5为三根索缆最佳。
在设计阶段，根据平台服役区域环境条件，上部浮舱可设计不同形状平台，以寻求最适应不同海况的平台，研究表明，分形多孔结构的平台稳定性最佳。
在安装阶段，通过绞车缩短筋腱7长度使下部压载舱紧贴上部浮舱6底部，采用船舶将新型双体漂浮式平台运输至服役海域；到达指定海域后，通过上部浮舱6与下部压载舱8，使其由水平状态变为竖直状态，后通过绞车将筋腱7逐渐放出，使下部压载舱8下沉至指定位置。较之原平台，新型双体漂浮式平台跨度较小，悬链线系件5刚度充足，不易造成较大受力，同时采用分形孔结构的上部浮舱6，降低了减少了钢筋混凝土的用量、平台生产成本及制造安装难度。
在运行阶段，由于环境条件变化，较传统的实心平台，上部浮舱6底部的分形多孔结构对纵荡、垂荡及纵摇自由度上的影响最大，不仅能起到上部浮舱的缓冲作用，还可以增强风力机的稳定性，减少风力机的晃动，为风力机稳定运行提供了坚实的保障。
研究发现，纵荡、纵摇及艏摇运动对风力机平稳运行及发电效率影响较大。相较于原平台，设计的分形多孔结构漂浮体平台纵荡、纵摇以及艏摇运动响应均明显小于原平台，原平台与增设多孔结构后平台动态响应统计表及时域图如表2和图所述5所示：
表2原平台与增设多孔结构后平台动态响应统计表
Figure BDA0002911623340000061
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，其特征在于，包括：
叶片(1)、与所述叶片(1)固接的发电机舱(2)、与所述发电机舱(2)固接的支撑柱(3)、与所述支撑柱(3)固接的上部浮舱(6)及与所述上部浮舱(6)通过筋腱(7)连接的下部压舱(8)；
所述上部浮舱(6)包括与所述支撑柱(3)固接的立柱及与所述立柱固接的浮箱，所述浮箱采用空心箱结构且该浮箱底部上开设有分形的华夫格多孔。
2.如权利要求1所述的一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，其特征在于，所述上部浮舱(6)与下部压舱(8)之间通过多个筋腱(7)连接，所述筋腱(7)的一端固接于上部浮舱(6)的筋腱上连接点(10)处，另一端固接于下部压舱(8)的筋腱下连接点(11)处。
3.如权利要求2所述的一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，其特征在于，所述上部浮舱(6)与下部压舱(8)之间通过六个筋腱(7)连接，上部浮舱(6)的每两个筋腱(7)之间的角度为六十度，下部压舱(8)上的两个筋腱(7)之间的角度为一百二十度。
4.如权利要求1所述的一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，其特征在于，所述上部浮舱(6)上固接有悬链线系件(5)，所述悬链线系件(5)用于保持该平台系泊定位。
5.如权利要求4所述的一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台，其特征在于，所述悬链线系件(5)包括三根索缆，所述索缆固接于上部浮舱(6)且每个两个索之间的夹角为一百二十度，且索缆的直径为0.3m。
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