CN113738590B - 海上通用型风机发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上通用型风机发电系统，包括至少一组风机转子部件、支撑基础，还包括支撑柱，所述支撑柱设一连接部，所述连接部与支撑基础旋转连接，所述支撑柱的一端设有一组风机转子部件，所述支撑柱的另一端设有压载。本发明的积极进步效果在于：海上通用型风机发电系统具有结构稳定、支撑基础通用、水深适用范围广、系泊方式选择广、偏航性能优良、材料成本低等优点；对于固定式基础可在位安装，对于漂浮式基础可在码头组装再进行湿拖，施工方便；其过渡水深适用性和经济性良好，非常适合在我国海域进行推广。

Description

海上通用型风机发电系统
技术领域
本发明涉及风机发电技术领域，具体的说是一种海上通用型风机发电系统。
背景技术
随着绿色能源的广泛应用和推广，风场向海上发展的步伐越来越大，且大有从近海走向深远海的趋势。沿海滩涂和浅水处多使用固定式风机基础，例如单桩、导管架、高桩承台等。近海较深水深处，有着多种海上漂浮式风机基础的形式，以单立柱式、半潜式、张力腿式以及驳船式的漂浮式风机基础最为常见。
目前，现有技术中发展状况如下：Hywind单柱式漂浮技术已实现小规模预商业化之外；Windfloat半潜式漂浮基础、阻尼池半潜式漂浮基础等，即将建设小规模预商业化项目；漂浮式海上风电开发主要集中在海岸及岛屿供电场景，如由PPI(Windfloat技术开发商)、葡电新能源(EDPR)及阿克集团(Aker Solution)等组成的联合体，在去年被确认为加利福尼亚北部海岸的一漂浮式海上风电场开发商；同时在夏威夷，Alpha Wind也计划开发2个400MW的漂浮式海上风电场，并将采用8MW风机及Windfloat半潜式基础。
我国的海上风电规划大都位于水深小于50m的区域内，个别项目已经达到了固定式基础和漂浮式基础的临界点。龙源集团、中国石油集团等联合整机厂商等，已公开工程招标，准备近两年就在广东、福建等海域树立起漂浮式风机发电示范性样机。
相较于欧洲友好的海域环境条件，我国海域水深中等，风资源不稳定还常伴有台风等，因而需要开发出多种更适合我国海域条件的且由我国掌握知识产权的漂浮式风机基础。
由于深远海水深风浪等环境条件特殊，常规塔筒式风力发电机在频繁的纵摇、横摇、垂荡运动下，塔底弯矩剪力集中，结构疲劳强度要求高，因而塔筒结构尺寸通常都会加大增厚，带来材料成本的上升。
另外，市场上的漂浮式风机基础多为单立柱式、三立柱半潜式和张力腿式，这些漂浮式基础若在我国海域使用都存在一些问题：单立柱式需求水深过大，跟我国过渡水深不匹配；三立柱半潜式的连接杆尺寸大柔性高容易变形，且使用常规系泊不能有效控制漂浮式基础随波浪的运动；张力腿式漂浮式基础的系泊设备生产和安装技术目前在国内尚不成熟。
现有海上风机一直在进行优化设计，但离平价上网的度电成本还有很大差距，在精简结构构件、节省材料方面的优化空间越来越小，急切需要开发能满足低成本和高性能要求的海上风机系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的缺陷，提供一种可以自动随风偏航运转的海上通用型风机发电系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种海上通用型风机发电系统，包括至少一组风机转子部件、支撑基础，还包括支撑柱，所述支撑柱设一连接部，所述连接部与支撑基础旋转连接，所述支撑柱的一端设有一组风机转子部件，所述支撑柱的另一端设有压载。
本技术方案中，风机转子与压载利用支撑柱以及连接部组成了浮动杠杆平衡支撑，在连接部过渡段和浮力球的共同平衡支撑下，能够稳定的自动随风偏航运转，用以平衡风机转子部件相对于产生的重量及转动力矩。
较佳的，所述支撑柱的数量为二组及以上，各所述支撑柱之间相互交叉，并在交叉处形成所述连接部。
本技术方案中，海上通用型风机发电系统应用多组风机部件时，多组风机共基础，能大大降低单风机的支撑基础结构成本。
较佳的，所述连接部设有连接部过渡段，所述支撑柱通过所述连接部过渡段与支撑基础固定。
本技术方案中，连接部过渡段为支撑柱提供平衡连接部，支柱中间连接过渡段。
较佳的，所述连接部过渡段包括转动支撑轴以及转动支撑轴固定件，转动支撑轴与转动支撑轴固定件转动连接。
本技术方案中，支柱中间连接过渡段，过渡段为支撑柱提供平衡连接部，用于风机在自动偏航情况平稳的绕连接部旋转。
较佳的，所述转动支撑轴与连接部固定连接，并以铆栓形式连接到转动支撑轴固定件中间；所述转动支撑轴与转动支撑固定件连接处设有滚珠、润滑剂，所述转动支撑轴固定件内部设置有肋板加强构件。
本技术方案中，采用滚珠、润滑剂作为转动连接的优选实施例，使得转动支撑轴与转动支撑轴固定件之间转动连接得更顺滑。
较佳的，所述支撑柱为曲线型支撑柱。
本技术方案中，利用曲线型支撑柱的本身曲线构型增强支撑柱的刚度。
较佳的，所述曲线型支撑柱呈拱形。
本技术方案中，拱形支撑柱作为曲线型支撑柱的优选实施例，进一步增强支撑柱的刚度。
较佳的，所述支撑柱上设有支撑柱张力筋，所述支撑柱张力筋将支撑柱两端拉紧。
本技术方案中，利用支撑柱张力筋大大增强了支撑柱的刚度。
较佳的，所述支撑柱的另一端还设有浮力件。
本技术方案中，浮力件部分主要用于支撑柱的辅助支撑和系统的稳性加强，其吃水较小，也就是对于海上从浅水到深水水深都适用，水深适应性广。
较佳的，所述支撑基础为固定式基础或者漂浮式基础。
本技术方案中，连接部过渡段可安装于固定式基础或者漂浮式基础之上，在支撑基础适用类型上具有通用型。
较佳的，所述固定式基础为固定式单桩或张力腿式。
本技术方案中，连接部过渡段可安装于固定式单桩或张力腿式基础之上，在支撑基础适用类型上具有通用型。
本发明的积极进步效果在于：海上通用型风机发电系统具有结构稳定、支撑基础通用、水深适用范围广、系泊方式选择广、偏航性能优良、材料成本低等优点；对于固定式基础可在位安装，对于漂浮式基础可在码头组装再进行湿拖，施工方便；其过渡水深适用性和经济性良好，非常适合在我国海域进行推广。
附图说明
图1A为实施例单支撑柱通用型构件示意图；
图1B为实施例单支撑柱通用型构件正视图；
图1C为实施例单支撑柱通用型构件侧视图；
图1D为实施例单支撑柱通用型构件俯视图；
图2本发明海上通用型风机发电系统示意图；
图3A为本发明海上通用型风机发电系统正视图；
图3B为本发明海上通用型风机发电系统侧视图；
图3C为本发明海上通用型风机发电系统俯视图；
图4为本发明连接部过渡段结构示意图；
图5为本发明浮力球示意图；
图6为实施例海上通用型风机发电系统结构示意图；
图7为实施例单桩基础的海上通用型风机发电系统示意图；
图8为实施例连接部过渡段结构组成示意图；
图9为实施例转动支撑轴与固定结构示意图；
图10为实施例张力腿基础的海上通用型风机发电系统示意图；
图中标记说明：
风机转子部件1
支撑柱2
支撑柱张力筋21
连接部3
压载4
连接部过渡段5
转动支撑轴51
滚珠52
润滑剂53
转动支撑轴固定件54
转动支撑轴固定件外壳55
转动支撑轴固定件内部结构56
支撑基础6
浮力件7
水面100
海床200。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
如图1A、1B、1C、1D、2、6、8所示，本发明提供了一种海上通用型风机发电系统，包括至少一组风机转子部件1、支撑基础6，还包括支撑柱2，支撑柱2设一连接部3，连接部3与支撑基础6旋转连接，支撑柱2的一端设有一组风机转子部件1，支撑柱2的另一端设有压载4。本实施例中，风机转子部件1与压载4利用支撑柱2以及连接部3组成了浮动杠杆平衡支撑，在连接部过渡段5和浮力件7的共同平衡支撑下，能够稳定的自动随风偏航运转，用以平衡风机转子部件1相对于产生的重量及转动力矩。
如图2-6所示，在另一实施例中，在上述结构的基础上，支撑柱2的数量为二组及以上，各支撑柱2之间相互交叉，并在交叉处形成连接部3。本实施例中，海上通用型风机发电系统应用多组风机部件时，多组风机共基础，能大大降低单风机的支撑基础6结构成本。
其中，压载4可以设置在支撑柱2的末端空腔中，也可以固定于支撑柱2的末端，当有浮力件7时，压载4也可以设置在浮力件7的空腔中。
如图3A、3B、3C所示，本系统中支撑柱2是多个风机转子的主要支撑结构，支撑柱2为曲线型支撑柱2，可利用曲线型支撑柱2的本身曲线构型增强支撑柱2的刚度。在优选实施例中，曲线型支撑柱2呈拱形。拱形支撑柱2具有较强的支撑能力且不易变形。
如图3A、3B、3C所示，为了进一步增强支撑柱2的刚度，在支撑柱2上设有支撑柱张力筋21，具体的说支撑柱2的两端由一根支撑柱张力筋21连接，支撑柱张力筋21将支撑柱2两端拉紧，利用支撑柱张力筋21大大增强了支撑柱2的刚度。
如图5-6所示，支撑柱2的另一端还设有浮力件7。本实施例中，浮力件7部分通过浮在水面100的方式，实现支撑柱2的辅助支撑和系统的稳性加强的目的，其吃水深度较小，也就是对于海上从浅水到深水水深都适用，水深适应性广。在本实施例中，如图所示，浮力件7可选用浮力球，浮力球可选用各种非钢复合材料，成本优势明显。在拱形支撑柱2的稳固支撑下，结合为浮力球的浮力件7的作用，多风机的自动偏航通过连接部过渡段5的进行旋转，不依赖单点系泊系统，对于漂浮式基础来说，系泊方式选择更为多样。
本系统中的辅助支点过渡段5为支撑柱2及风机转子提供更为稳定的杠杆平衡，并具有一定的流线线型，能顺畅的配合风机整体随风向偏航。若本系统安装在浮式支撑基础6上，浮力球还能为整体浮式风机系统提供额外的水线面惯性矩，从而提高风浪中系统的稳定回复性能，且浮力球可为泡沫塑料或橡胶材料，成本低廉。
如图8所示，连接部过渡段5为支撑柱2提供平衡支点，支撑柱2的连接部3中间连接连接部过渡段5，支撑柱2通过连接部过渡段5与支撑基础6固定，用于风机在自动偏航情况平稳的绕连接部3旋转。
本系统中的连接部过渡段5也是较为主要的连接构件。连接部过渡段5为支撑柱2风机转子系统提供杠杆平衡支点，连接部过渡段5可安装在固定式基础结构或者漂浮式基础结构之上。连接部过渡段5上设置转动支撑轴51及转动支撑轴固定件54，可转动的支撑轴固定在拱形支撑柱2交叉连接处，用于风机在自动偏航情况平稳的绕支点旋转，转动部分结构示意如下。
如图8所示，连接部过渡段5包括转动支撑轴51以及转动支撑轴固定件54，转动支撑轴51与转动支撑轴固定件54转动连接，转动支撑轴51与连接部3固定连接，并以铆栓形式连接到转动支撑轴固定件54中间；当风机转子部件1为多组时，转动支撑轴51与拱形支撑柱2交叉处固定连接，并以铆栓形式连接到支撑轴固定结构中间。
如图9所示，在本实施例中为了使得转动支撑轴51与转动支撑轴固定件54之间转动连接得更顺滑，采用滚珠52、润滑剂53作为转动连接的优选实施例，具体如图9所示，实心球代表滚珠52构件，阴影部分代表润滑剂53，转动支撑轴51与转动支撑轴固定件54连接处设有滚珠52、润滑剂53，转动支撑轴固定件54内部设置有肋板加强构件；转动支撑轴固定件54上部为旋转构件，由滚珠52和润滑剂53实现支撑轴的连接部3和旋转功能；转动支撑轴固定件54中空部分用肋板等加强结构构件增强连接部3支撑结构的整体结构强度；转动支撑轴固定件54下部与单桩基础结构进行法兰固定连接。
本实施例海上通用风力发电机系统的连接部过渡段5可安装于固定式基础或者漂浮式基础之上，也就是对于任何水深，从浅水到深水都适用，因而本系统的水深适应性广，支撑基础6类型通用性强。如图7、10所示，固定式基础为固定式单桩或张力腿式，连接部过渡段5可安装于固定式单桩或张力腿式基础之上，在支撑基础6适用类型上具有通用型。
如图7所示，本实施例支撑基础6为固定式单桩，平均水深约10m，通用型风机系统的拱形支撑柱2截面直径6m，长度120m，安装两台风机，直径100m，浮力球长10m，宽6m，吃水5m。
如图10所示，本实施例支撑基础6为张力腿形式，平均水深约200m，通用型风机系统的支撑柱2直径8m，长度140m，安装两台风机，直径110m，浮力球长12m，宽8m，吃水6m。本方案的连接部过渡段5与张力腿基础的结合，使得本实施例中浮式风电系统在深水也能稳定的自偏航运转。
本发明海上通用型风机系统具有较好的结构稳定性和偏航性能，并且具有支撑基础通用性、水深适用范围广、系泊方式选择多、材料成本低。安装方便、运维友好等优点；对于固定式基础可在位安装，对于漂浮式基础可在码头组装再进行湿拖，施工方便，即浮力球在湿拖过程中能起到增强系统浮态稳定性作用，到风场后连接上张力腿基础的筋腱，再排出浮式基础的压载进行支撑柱张力筋拉紧即可，施工方便；安装和施工易于实现，操作可行性强，非常适合我国过渡水深的海域环境，或者现有海上固定式风场的升级改造。
相对现有的浮式风机系统而言，主要特征有：
1.本海上通用型风机发电系统具有海上风机通用性，不论海上支撑基础为固定式或漂浮式均适用，且可为单风机、双风机以及多风机等形式，使得单风机的支撑基础成本得到极大降低。
2.本海上通用型风机发电系统支撑风机转子的拱形支撑柱，利用拱形结构的特点，结合拱形梁和张力筋件，简化结构构件的同时，为风机转子系统提供了稳固的支撑力，且拱形结构自身不易形变。在材料成本上有较大优势。
3.本海上通用型风机发电系统的连接部过渡段可安装在固定式基础或者漂浮式基础上，利用杠杆原理为拱形支撑柱和风机系统提供平衡连接部，结合浮力球，使得多风机转子可同时顺畅的自动随风偏航。目前现有许多自动偏航的浮式基础设计均由水下单点系泊系统来实现，对系泊转子要求高，系泊缆有自缠绕的风险，本设计将系统旋转结构放在水面以上，且不依靠系泊系统，自动偏航效果更好，维护更方便。
4.本海上通用型风机发电系统的浮力球为整体支撑结构提供了更多水线面，从而增强了系统稳性，且其具备流线型外形，在水中因系统偏航运动时阻力小，使得系统自然偏航更顺畅灵活。且材料可选用泡沫、橡胶等复合材料，成本较低。
5.本海上通用型风机发电系统，不论在支撑基础形式通用性，结构稳定性，浮态稳性，偏航灵活性，还是材料成本经济性、运维方便性方面都具有较大优势。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海上通用型风机发电系统，包括至少一组风机转子部件、支撑基础，其特征在于，还包括支撑柱，所述支撑柱在其两端中间设一连接部，所述连接部与支撑基础旋转连接，所述支撑柱的一端设有一组风机转子部件，所述支撑柱的另一端设有压载，所述支撑柱呈拱形。
2.根据权利要求1所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述支撑柱的数量为二组及以上，各所述支撑柱之间相互交叉，并在交叉处形成所述连接部。
3.根据权利要求1或2所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述连接部设有连接部过渡段，所述支撑柱通过所述连接部过渡段与支撑基础固定。
4.根据权利要求3所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述连接部过渡段包括转动支撑轴以及转动支撑轴固定件，转动支撑轴与转动支撑轴固定件转动连接，转动支撑轴固定件与所述支撑基础固定连接。
5.根据权利要求4所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述转动支撑轴与连接部固定连接，并以铆栓形式连接到转动支撑轴固定件中间；所述转动支撑轴与转动支撑固定件连接处设有滚珠、润滑剂，所述转动支撑轴固定件内部设置有肋板加强构件。
6.根据权利要求1所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述支撑柱上设有支撑柱张力筋，所述支撑柱张力筋将支撑柱两端拉紧。
7.根据权利要求1所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述支撑柱的另一端还设有浮力件。
8.根据权利要求1所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述支撑基础为固定式基础或者漂浮式基础。
9.根据权利要求8所述的海上通用型风机发电系统，其特征在于，所述固定式基础为固定式单桩或张力腿式。
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