CN113915070A - 一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统,该发电系统包括梁型支撑结构以及安装在所述梁型支撑结构上的至少两个风机塔架,每个所述风机塔架上分别安装有风机转子。本申请中的发电系统在有限的浮式基础上布置了尽可能多的浮式风力发电机,发电系统的受风面积更大,发电效率更高,发电系统采用多风机的设计,将超大功率风机的高昂成本进行分摊和缩减,降低了单个浮式风力发电机的浮式基础的成本。

Description

一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域,具体涉及一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统。
背景技术
风能作为一种绿色可再生能源得到越来越多的开发利用,风力发电行业发展重点慢慢从陆上向海上转移,广阔的深海有着巨大的风能开发潜能。深远海浮式风电是目前国际上海上风电场开发建设的热点,欧洲已率先开发了商业化运营漂浮式风场,我国几大能源巨头正在大力开发漂浮式风力发电示范样机项目。
目前技术较为成熟的漂浮式风力发电机基础根据结构形式大致可分为:张力腿式、半潜式、单立柱式和驳船式等。
单立柱式风机基础在欧洲已有商业化风场,即全球首座漂浮式风电场Hywind建设在苏格兰东海岸,该风电场由挪威国家石油公司和Masdar公司联合投资建设,离岸距离25公里,总装机30MW。这种浮式基础形式适合大水深、风浪环境较温和的海域,其结构尺寸大,整个风机基础的长度长达近百米,基础底部使用重压载,从而获得非常低的系统重心位置,并低于其浮心位置,具有非常富裕的恢复力稳性,浮标式犹如定海神针一样稳稳的矗立在海中。但每一个这样的风机基础用钢量巨大,并且只能用于支撑一台风力发电机,材料成本高,且需先扶正安装单立柱基础,再在位安装风机及塔筒,安装环境条件要求苛刻,不太适合我国海域。
典型的半潜式浮式风电基础为Windfloat三立柱浮筒形式,包括三立柱浮力筒、连接桁架、垂荡板、主动压载系统等。三个浮力筒由桁架结构两两互联,高度为30米,浮筒之间距离为50米,用系泊系统将其锚定在100米深的海床上。其应用的欧洲浮式海上风电场,风场总容量25MW,距离葡萄牙维亚纳堡(Viana do Castelo)海岸20公里。这种浮式基础设计方案,海上运输只需拖船,安装方便,适应水深范围广,但其为全钢结构,钢材成本不低,且桁架与浮筒间的焊接工艺要求高。
典型的驳船式风机基础为法国Ideol开发的阻尼池半潜式漂浮基础,在日本的Hibiki Nada Sea海域安装了一台试验原型风机,容量为3.2MW。其水线面大稳性好,结合阻尼池有良好的水动力性能,驳船式方型基础结构内使用了大量钢筋结构浇筑混凝土,材料用量也非常大。
我国目前从事漂浮式风机的研究还在初步阶段,现有已下水的三峡漂浮式基础也还是基于三浮筒半潜形式的漂浮式基础,基础材料为钢制,且基础仅能用于一台风机,单位兆瓦材料成本过高,因而需要开发出材料成本更低,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。
由于海上风浪等环境条件特殊,单个海上漂浮式风机系统基础结构尺寸大、用钢量多、系泊缆长、远距离输电电缆用量大等各因素导致海上风机成本居高不下,再加上电价去补贴政策,海上风电行业面临着巨大的降本压力。
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,需要另辟蹊径拓宽降本思路,比如借鉴现在的共享经济,例如共享单车、共享住房等,各浮式风机系统的基础共用也是一种降本增效的思路。
此外,海上风浪较大,离岸距离远,由于浮式风机系统会频繁纵摇、横摇、垂荡等,会明显增大风机机组的电子控制系统,特别是变桨偏航系统的故障概率,需要结合更具操作性的机械调桨方法。
申请内容
本申请的目的在于提供一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统,该发电系统由梁型支撑结构及2至3个张拉式风机塔架组成,可标准化生产的梁型支撑结构可选用非钢材料,降低材料成本。张拉索能配合倾斜塔架,尽可能在有限尺度的支撑结构上布置多个风机,降低每台风机的基础成本,并且斜拉索分解了风机塔架的部分受力,能降低塔架的结构加强材料用量,此支撑结构可以安装多个风力涡轮机,并且整个系统使用单点系泊系统,大大降低了单个风机转子的浮式基础、系泊设备等成本。
为了达到上述目的,本申请通过以下技术方案实现:
一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统,该发电系统包括梁型支撑结构以及安装在所述梁型支撑结构上的至少两个风机塔架,每个所述风机塔架上分别安装有风机转子。
可选地,所述梁型支撑结构包括交叉设置的两个支撑主梁。
可选地,每个所述支撑主梁上分别安装有至少两个主梁撑柱,所述主梁撑柱的第一端安装在所述支撑主梁上。
可选地,所述主梁撑柱的第二端安装有一个主梁垂荡箱。
可选地,一个所述主梁垂荡箱上安装有单点系泊系统。
可选地,所述梁型支撑结构还包括支撑辅梁;所述至少两个风机塔架安装在其中一个所述支撑主梁上,所述支撑辅梁安装在其中另一所述支撑主梁上。
可选地,每个所述支撑辅梁上分别安装有至少两个辅梁撑柱。
可选地,所述两个支撑主梁之间、所述支撑主梁与所述支撑辅梁之间、所述支撑主梁与所述主梁撑柱之间和/或所述支撑辅梁与所述辅梁撑柱之间通过拼接结构固定;所述拼接结构包括卡口和与所述卡口相匹配的卡块;在所述卡块放至所述卡口内后,沿所述卡口与所述卡块之间的缝隙浇筑入混凝土,待混凝土干燥后,所述卡块固定卡接于所述卡口内。
可选地,所述至少两个风机塔架倾斜设置。
可选地,所述梁型支撑结构和所述风机塔架之间栓接有塔架拉索。
本申请与现有技术相比具有以下优点:
本漂浮式风机支撑基础为梁型结构,受力均匀稳定性强,不会像现有半潜式浮式基础由于连接构件多为桁架,柔性较大,各浮体柱之间会产生相对运动,从而使系统各连接点疲劳强度过大容易受损。
本漂浮式风机支撑基础具有特别的辅助支撑梁设计,在不花费过多结构材料的前提下,为整体浮式风机系统提供了各向转轴方向的稳性回复力,极大增强了系统的储备浮力,即在不增加排水量和增加过多重量的情况下,使得系统在风浪较大的倾斜状态,在水平面各个方向由水线面惯性矩的作用下而具有较强的稳性回复力。且与主梁结构类似,辅梁及支撑柱可进行拼接安装,梁结构本身可标准化生产,经济性可操作性俱佳。
本漂浮式风机梁型支撑结构甲板区域大,结合多台斜拉索型风力发电机,能在有限支撑结构尺度基础上加载多台风机,扩大发电受风面,提高发电效率。与同容量单台风机相比,整体风机重心更低,风机塔架所需结构加强材料更少,从稳性和成本两方面都具有明显优势。且便于运维船靠船,方便运维人员通行,间接降低了运维成本。
本系统支撑主梁可使用非钢材料,譬如混凝土等,保证结构强度的同时,在材料成本上具有较大优势,且支撑结构均为梁型,可标准化生产、安装,相比现有浮式风机钢制基础所需的多点焊接,生产安装工艺更简便容易操作,成本优势明显。
本系统还配备单点系泊系统,结合多风机的较宽受风面,自然偏航性能较佳,省去电子变桨偏航系统的高昂费用,经济性良好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请专利实施例的技术方案,下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请专利的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中梁型海上浮式风力涡轮发电系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请作进一步地描述,所描述的实施例不应视为对本申请的限制,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,都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中,涉及到“一些实施例”、“一个或多个实施例”,其描述了所有可能实施例的子集,但是可以理解,“一些实施例”、“一个或多个实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集,并且可以在不冲突的情况下相互组合。
在以下的描述中,所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅用于分别类似的对象,不代表针对对象的特定排序,可以理解地,“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序,以使这里描述的本申请实施例能够以除了在图示或描述的以外的顺序实施。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的,不是旨在限制本申请。
请参阅图1,本实施例提供了一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统,该发电系统包括梁型支撑结构(梁型支撑结构作为该发电系统的浮式基础)以及安装在所述梁型支撑结构上的至少两个风机塔架102,每个所述风机塔架102上分别安装有风机转子101,由风机转子101和风机塔架102组成风力机。本实施例中的发电系统在有限的浮式基础上布置了尽可能多的风力机,发电系统的受风面积更大,发电效率更高。另外,本实施例中的发电系统采用多风力机的设计,将超大功率的风力机的高昂成本进行分摊和缩减,降低了单个风机转子101的浮式基础的成本。
本实施例中,发电系统中的风力机的功率为7.5MW。现阶段的风力机正朝着大型化、大功率化的方向发展,但是风力机功率在大于15MW以后,由于风力机的各部件都需要增大加强,因此用于安装风力机的风机塔架102的高度也越来越高,同时风力机转子越来越重,单个功率为15MW的风力机的成本比两个功率为7.5MW的风力机的成本还要高。本实施例将大功率单个风力机替换为2到3个小功率风力机,不仅降低了发电系统的重心,还能降低风力机本身的成本,间接减少了支撑结构尺寸及成本,具有多方面的成本优势。
在本实施例中,所述梁型支撑结构作为该发电系统的浮式基础,该浮式基础为半潜式的,适用水深范围广,适合50m至深水水域。
在本实施例中,所述梁型支撑结构包括十字交叉设置的两个支撑主梁104,分别为纵向支撑主梁和横向支撑主梁。所述梁型支撑结构还包括支撑辅梁107,所述支撑辅梁107远离所述支撑主梁的一端安装有一个辅梁撑柱108。所述至少两个风机塔架102安装在其中一个所述支撑主梁104上,多个所述支撑辅梁107均安装在另一所述支撑主梁104上,且多个所述支撑辅梁107关于与其所连接的支撑主梁104对称设置。支撑辅梁107与风机塔架102所在平面平行,并与其所连接的支撑主梁104垂直。独特的支撑辅梁107和辅梁撑柱108吃水较小,其主要作用不是主动为发电系统提供浮力,而是为发电系统提供储备浮力。海上风浪流环境复杂,各方面都可能发生浮动倾斜,支撑辅梁107和辅梁撑柱108正是用于增强发电系统在0~360度风向浪向的作用下发生倾斜时各方向的稳性回复力,在发电系统因遇到大风浪而发生倾斜时,支撑辅梁107和辅梁撑柱108浸入水中,其水线面远离发电系统漂心,且具有一定水线面面积,因而能在各转轴方向提供更多水线面惯性矩,以保证风力机系统的良好稳定性。
需要指出的是,本实施例仅以图1所示的具体结构进行举例说明,而不对支撑辅梁107、辅梁撑柱108及二者之间的位置关系等进行具体限定。
在其他实施例中,单个支撑辅梁107上安装的辅梁撑柱108的数量可以设置为多个,多个辅梁撑柱108均匀布置在所述支撑辅梁107的下端;技术人员可以根据发电系统的实际运行环境确定辅梁撑柱的数量,进而确定其所能提供的储备浮力。
在本实施例中,所述梁型支撑结构还包括分为位于所述支撑主梁104两端的两个主梁撑柱105,所述主梁撑柱105的第一端安装在所述支撑主梁104上,为发电系统提供主要的浮力和恢复力稳性。另外,主梁撑柱105内可以实际使用需求添加一定压载,以降低发电系统的重心。
在其他实施例中,单个支撑主梁104上安装的主梁撑柱105的数量可以设置为多个,多个主梁撑柱105均匀布置在所述支撑主梁104的下端;技术人员可以根据发电系统的实际运行环境确定主梁撑柱105的数量,进而确定其所能提供的浮力。
在本实施例中,所述梁型支撑结构还包括主梁垂荡箱106,所述主梁垂荡箱106分别安装在各个所述主梁撑柱105的第二端上,便于克服半潜型浮式结构垂荡运动过大的问题,能有效改善整体系统的垂荡性能。
本实施例中,在任意一个所述主梁垂荡箱106上安装有单点系泊系统109,单点系泊系统包括3根系泊缆,系泊揽的一端固定于同一个主梁垂荡箱106,另一端锚固于海床。单点系泊系统109可以实现风力机自然对风的功能,起到机械调桨的作用,发电系统无需安装电子变桨偏航系统。另外,该发电系统使用单点系泊系统109,大大降低了单个风力机的系泊设备的成本。
本实施例中,所述两个支撑主梁104之间、所述支撑主梁104与所述支撑辅梁107之间、所述支撑主梁104与所述主梁撑柱105之间和/或所述支撑辅梁107与所述辅梁撑柱108之间通过拼接结构固定;所述拼接结构包括卡口和与所述卡口相匹配的卡块;在所述卡块放至所述卡口内后,沿所述卡口与所述卡块之间的缝隙浇筑入混凝土,待混凝土干燥后,所述卡块固定卡接于所述卡口内。通过多个拼接结构拼接形成梁型支撑结构,生产及安装操作的成本低。
本实施例中,所述至少两个风机塔架102倾斜设置,可以降低风机塔架102的重心,进而降低发电系统整体的重心。
本实施例中,所述梁型支撑结构和所述风机塔架102之间栓接有塔架拉索103,塔架拉索103能够固定倾斜设置的风机塔架102,并分解了风机塔架102的部分受力,能够降低塔架的结构加强材料的用量。
以上所述,仅为本申请的实施例而已,并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等,均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,该发电系统包括梁型支撑结构以及安装在所述梁型支撑结构上的至少两个风机塔架。
2.如权利要求1所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,所述梁型支撑结构包括交叉设置的两个支撑主梁。
3.如权利要求2所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,每个所述支撑主梁上分别安装有至少两个主梁撑柱,所述主梁撑柱的第一端安装在所述支撑主梁上。
4.如权利要求3所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,所述主梁撑柱的第二端安装有一个主梁垂荡箱。
5.如权利要求4所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,任意一个所述主梁垂荡箱上安装有单点系泊系统。
6.如权利要求2所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,所述梁型支撑结构还包括支撑辅梁;所述至少两个风机塔架安装在其中一个所述支撑主梁上,所述支撑辅梁安装在其中另一所述支撑主梁上。
7.如权利要求6所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,每个所述支撑辅梁上分别安装有至少两个辅梁撑柱。
8.如权利要求7所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,所述两个支撑主梁之间、所述支撑主梁与所述支撑辅梁之间、所述支撑主梁与所述主梁撑柱之间和/或所述支撑辅梁与所述辅梁撑柱之间通过拼接结构固定;所述拼接结构包括卡口和与所述卡口相匹配的卡块;在所述卡块放至所述卡口内后,沿所述卡口与所述卡块之间的缝隙浇筑入混凝土,待混凝土干燥后,所述卡块固定卡接于所述卡口内。
9.如权利要求1所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,所述至少两个风机塔架倾斜设置。
10.如权利要求1或9所述的梁型海上浮式风力涡轮发电系统,其特征在于,所述梁型支撑结构和所述风机塔架之间栓接有塔架拉索。
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