CN114233569A - 一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站 - Google Patents

Abstract

一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站”，是一个由子系统摩天轮链式风力发电机和子系统浮体平台海上风力发电站组成的总体系统性的海上风力发电站。子系统摩天轮链式风力发电机是把整个风力涡轮发电机的机舱、转子、定子从塔顶部下放到基部。子系统浮体平台海上风力发电站是把多个风机集中在一个海上浮体平台上面，通过纵横阵列布置，起到集聚加强风能的效应。整个发电站的全部风机、所有相关设备集成总装在一个平台上。

Description

一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站

技术领域

本发明涉及风力发电机和海上发电站技术。“一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站”，是一种创新的风力发电机和创新的海上风力发电站。

背景技术

水平轴风力发电机，是目前最普遍应用的一种风机类型，我国的大型水平轴风力发电机功率可达到30MKW。但是，风轮与发电机的水平轴成直角，扫风面是一个垂直平面，造成两台发电机之间要保持大于风轮直径的距离，由于发电机舱和巨大的风轮处于几十米至百米高度，中型风机的机头总重就达到500吨重，造成头重脚轻，不符合重心在下的力学结构，需要粗高坚实的风机塔身来支撑，为了增加高度获得更大更稳定的风能有很大的困难，并增加了建造成本，这是最大的缺点。

垂直轴风力发电机，发电机和基座都在地面上，符合重心坐实基础的力学结构，但垂直轴捕获风能的能力不如水平轴风机，目前还处在中小型风机阶段。垂直轴风机是未来的方向之一，正在朝着1MKW功率的目标发展。

陆地风力发电机和发电场，是目前最多的应用场景，也是未来逐渐被取代淘汰的场景，因为陆上地形的关系，风的运动受到阻碍，风力和运动方向弱小且紊乱，只能利用一些山地或风口地形建设风场。陆地风力发电机的好处是可以建造在坚实地面基础上，可以保证风机的高度。陆地发电风场的缺点是占地面积大，风机分散各自为战，不能联动发挥聚风效应，风机之间的要有长而广的线路连接，整个风场是一个巨大的存在，占去了土地资源，维持管理有困难，也是一项昂贵的成本。

海上风力发电机和发电场，有浅海基座和漂浮海上风机基座的区分。海上风机和风场的好处是海平面风的运动不受阻碍，风力平稳，越高风力越大。近海浅海区的风机和风场建设与陆地上的建设基本相同，风机坐落在海床上。这样做，对浅海环境有生态影响，因为基座建设是会破坏海底生态环境的，近海还是繁忙的海运交通航路所在，也是渔场和候鸟飞行的路线，大型风场会有负面影响。漂浮海上风机和风场只是减少了对海底生态环境的影响，其他的负面因素不减，漂浮风机用锚链锚定海底，也不能建在太深的海域，漂浮不定且移动，对航路的影响加大。漂浮风机浮动基座有很大的倾斜度和摇晃度，使风机的高度和功率受到限制。不过，海上风电是未来的发展趋势，因为，深海和远海的海域和高空才是风能最好最足的地方。不管是陆上还是海上广阔的风场，风机之间的线路联系、建造和管理维护都是一项大成本。

自行车、摩托车、机械动力的链式传动。这是通过传动带和齿轮咬合摩擦的作用，把主动轮轴的机械动力传输至被动轮轴的传统动力驱动技术。

舟桥，是一种浮桥样式的过河搭桥传统技术。一个舟桥或几个舟桥连接在一起，车辆人员就可以行走过河，如果有足够的承重能力，甚至几十吨的坦克大货车都能够从舟桥上驶过。舟桥其实就是一个空洞的浮筒，利用浮力提供承重力。有些舟桥本身就有动力，可以像船一样在水中或海边行使，奔赴至有需要的地方搭桥或组合成浮动码头。

海上漂浮风力发动机的基座浮筒就像海上漂浮的航标一样。基座浮筒的建造方法也是把浮筒的一半或全部置于水中，让浮筒作为上面风力发电机的漂浮承重基础。比较普遍的海上风机基座是建品字形的三足浮筒基座。

“一种水母冰山式的海中建筑结构”，专利申请号：202111617867.8，这是一种根据阿基米德原理和牛顿重力反作用力原理建造的海中建筑，可以作为海上风力发电机电站的集成总装平台。“一种水面下海中建筑的浮体平台沉放建筑方法”，专利申请号：202210003161.0，是反传统建筑方法而行之，用自上而下的方法建造海中建筑物。以上两项专利的申请人谢沛鸿，也是这次本项专利申请的发明人。本项专利申请的发明是根据上述两项发明专利申请建造的。

发明内容

“一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站”，是一个由子系统摩天轮链式风力发电机和子系统浮体平台海上风力发电站组成的总体系统性的海上风力发电站。子系统摩天轮链式风力发电机是把整个风力涡轮发电机的机舱、转子、定子从塔顶部下放到基部。子系统浮体平台海上风力发电站是把多个风机集中在一个海上浮体平台上面，通过纵横阵列布置，起到集聚加强风能的效应。整个发电站的全部风机、所有相关设备集成总装在一个浮体平台上。

子系统摩天轮链式风力发电机风轮的轮毂、自动测风控制系统、变桨系统、偏航系统留住塔顶部，风轮的转轴用轴承，不再直接连接风力涡轮发电机的水平轴。风轮的圆周做成齿轮，风轮桨叶的根部接轮毂内部的变桨齿轮，风轮的桨叶尖部灵活连接风轮圆周的内侧，外侧的圆周齿轮吻合大风轮的链条，起到机械动力主动轮的作用，安放在塔基部的风力涡轮发电机的水平主轴受力部是一个小圆周齿轮，吻合从大风轮下来的链条，起到机械传动被动轮的作用，顶部大风轮主动输力，基部发电机的主轴被动受力，由链条串联，像自行车一样，在风力带动下，涡轮发电机运转起来。圆周大风轮看起来像一个摩天轮，它的最大好处是把塔顶部重量最大的涡轮发电机解放下来，使整个风力发电机更加符合重心在下的力学结构，有利于升高风轮的高度，以获得更大更稳定的风能。大风轮还有一个好处，它把风轮桨叶连接成一个圆盘整体，风轮转动的离心力不再是散发掉的无用功，而是顺着圆周的链条，加力给下面的风力涡轮发电机做功。

塔顶的大风轮由链条串联下面发电机的水平主轴，形成一个垂直面。现在的水平轴风机技术都是风轮正对来风，风向改变的话，测风系统会发信号给轮毂内的偏航系统，自动控制修正风轮的面向。风向改变会对链式传动的风机造成麻烦，如果下面涡轮发电机主轴的圆周齿轮不做出同步修正偏航的话，会发生垂直面扭曲，上下风轮掉链子的情况。所以，下面与发电机主轴连接的圆周齿轮也要有偏航齿轮装置，与塔顶的偏航系统同步工作，始终保持上风轮圆周齿轮和下发电机主轴圆周齿轮和链条吻合的垂直面不变。海面风向比地面风向稳定，一般来说，都是南、北、偏东、偏西。所以，风轮的偏航修正应该是有限度的，应该是X水平轴上的Y轴东西各30°偏航角度之内。海上也有台风气旋，这时候需要大偏航修正或风机变桨正顺风，或风机关停，大偏航修正容后说明。

风机桨叶尖与大风轮圆周的灵活结合部。现在风机桨叶的变桨系统可以根据风向和来风的强度调整桨叶的受风阻力，从而最大效率地利用风能。做成圆周大风轮之后，桨叶尖与大风轮的结合部应该是灵活的，可以和受变桨齿轮驱动的桨叶根部做同时转动，所以，桨叶尖可以做成一个圆球尖与大风轮圆周内侧的凹窝结合，或做成一个与大风轮圆周内侧结合的螺杆，可以随着桨叶的变桨一起转动。可以带动整个风轮转动，通过链条的传输动力，把机械动力输送给地面发电机的主轴。

三根倒品字形发电机水平主轴。从大风轮下来的传动链条，如果带动一台发电机主轴的话，只利用了半个圆周齿轮的摩擦力量。如果大主轴的上面添加左右两个小圆周齿轮，再带动两台小发电机的主轴，就可以利用全圆周的摩擦力，可以带动一大两小的三台发电机。如果两个小圆周齿轮在大主轴圆周齿轮的上面，成倒品字形设置，两个小圆周齿轮和大圆周齿轮的转动方向相反顺逆时针，所以，三台发电机的主轴要成倒品字形相对设置安放，三条主轴的转动发电的方向就成一致。

子系统浮体平台海上风力发电站。“一种水母冰山式的海中建筑结构”，专利申请号： 202111617867.8.这是一种根据阿基米德原理和牛顿重力反作用力原理建造的海中建筑，排水量超过百万吨，可以作为海上风力发电机电站的集成总装平台。

现在的陆上或海上风力发电机发电场，每个机组都是单独捕获风能的。一个风场有几十上百甚至几百台机组，分散在广阔的山地或海面上，单独机组之间的距离大于风轮的直径，避免发生两台机组的桨叶碰撞。子系统的浮体平台，假设是直径150m的圆台的话，可以在上面合理安排风机阵列。以南北方向为Y轴，风轮的垂直面为X轴，可以在浮体平台上安装一纵队大型的、或多纵队中小型的、风机的间距小于桨叶直径的摩天轮链式风力发电机组，由于发电机组的重心在塔基处，风轮直径和风机塔的高度就可以根据能够获得最稳定最大风力的直径和高度来设计。由于风机的阵列是同Y轴的纵队，空气的流动就像水流体在河道中流动一样，形成聚风强风效应，Y轴阵列上每一台风机就像转动的风扇把加速度的风力吹向后面的风机，整个浮体平台电站就像一个空气流动的多级瀑布，吸引海上的流动空气朝向集中。

浮体平台风力发电站的偏航修正系统。因为浮体平台发电站上的风是加速度流动朝向一个方向的，所以，平台上的风机风轮受力面一致，偏航方向都能够保持一致，各个风机风轮的垂直面都能够保持平行距离。例如，风轮的偏航角度保持在X轴上下30°以内，偏航电机设在风机X/Y轴的0点，Y轴两旁的X轴上下30°各设一段偏航轨道，发电机机组设在一个可由偏航电机转动30°的平台上，这样的话，机塔顶上的偏航系统修正风轮的偏航，塔基上的偏航系统修正发电机主轴的偏航，上下的偏航系统在30°角内同步工作，使由链条串联的大风轮主轮和发电机主轴上的圆周齿轮一直保持垂直面不变。遇到台风或气旋情况，出现超出30°的偏航需要的时候，就要启动大偏航系统，也就是浮体平台的外圆周每90°设有的纵列电机螺旋桨，可以使浮体平台做陀螺式的周转，获得整个浮体平台的偏航修正。

浮体平台上的风机阵列安排。假设浮体平台直径150m的话，以直径为Y轴的单列纵队，就可以各机组距离30m，设6台大型机组的阵列。或者在Y轴纵队两旁各增设一平行纵队，机组横向距离等于或大于风轮直径、机组纵向距离20m的话，可设三纵队20台中型机组阵列。这样的平台阵列创造了条件把广阔分散的海上风力发电场集中成为海上风力发电站，进而又创造条件把风力发电站的整流变电、储电输电等各部分的设备在浮体平台上总装起来，成为海上风力发电厂，整个浮体平台海上风力发电站只需一条对外输电的电缆，连接海底上传电网的电缆，就可以成为大电网的一部分。如果发电有多余，可以把海上淡水制造、氢能制造业在浮体平台内总装起来。

附图说明：

图1：一种摩天轮链式风力发电机 正视图

1，，风塔顶的风轮轮毂，里面有风轮轴承、变桨系统、偏航系统，顶部有测风系统；

2、3、4，风轮桨叶；

5、6、7，风轮桨叶尖与风轮圆周的灵活结合部；

8，风塔；

9，风轮圆周齿轮；

10、11、12，发电机主轴上的圆周齿轮；

13、14、15，发电机；

16、17、18，串联大风轮圆周齿轮和发电机主轴圆周齿轮的链条；

19，发电机平台；

20、21、22，发电机主轴

图2：一种摩天轮链式风力发电机的风轮桨叶尖与大圆周灵活结合部 正视图

1、2，风轮的轮毂；

3、4，风轮的桨叶；

5、6，风轮的圆周；

7、8，风轮桨叶尖与大圆周灵活结合部。

图3：一种摩天轮链式风力发电机的机座转动平台上的偏航轨道 俯视图

1，偏航电机；

2、3，偏航轨道；

4、5，X轴上30°的偏航面；

6，发电机的机座转动平台。

图4：一种摩天轮链式风力发电机的机座转动平台上的偏航轨道 正视图

1，偏航电机；

2、3，偏航轨道；

4、5，发电机的机座转动平台；

6，偏航电机的机轴，带动机座转动平台；

7、8，发电机机座。

图5：浮体平台上的一纵队风力发电机阵列 俯视图

1，图中的平行直实线是风力发电机风轮的垂直面；

2，图中的平行直虚线是风力发电机风轮偏航30°范围内的垂直面；

3，图中的各点是以风塔基座为中心的风塔。

图6：浮体平台上的三纵队风力发电机阵列 俯视图

1，图中的平行直实线是风力发电机风轮的垂直面；

2，图中的平行直虚线是风力发电机风轮偏航30°范围内的垂直面；

3，图中的各点是以风塔基座为中心的风塔。

图7：一种浮体平台海上风力发电站的全景效果图 正视图

1、2、3，三纵队风力发电机；

4、5、6、7、8、9、10、11，可分区分隔的可抽气充气调整浮力的扁圆筒形浮体；

12、13，浮体平台建筑结构的中部圆筒形主体，是包括居住等功能性区域；

14、15、16，上下交通的电梯；

17、18，浮体平台建筑结构的潜水航行器港口；

19、20，90°的纵列可调节方向的电机螺旋桨，给浮体平台建筑结构提供移动的动力；

21、22，锚链舱；

23、24，辅助海底固定的锚链；

25，底部重心；

26、27、28，重心以上的比重密度大的区域，由此往上，比重密度由大趋小，可集成总装各种发电设备和相关工厂；

29、30，浮体平台建筑结构的空气循环通风口；

31，海底。

本发明具体实施方案：

先应用“一种水面下海中建筑的浮体平台沉放建造方法”，专利申请号：202210003161.0，在风力条件适合的海域建造“一种水母冰山式的海中建筑结构”，专利申请号：202111617867.8，应用本发明“一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站”，制造作为海上风力发电站的浮体平台。海上风力发电站的所有零部件都可以在陆地上制造，海运至浮体平台上起吊安装。在所有的深海海域都能够建设浮体平台海上风力发电站，没有海洋深度的限制，只要海域上空风力的强度和稳定度合适，都可以建发电站。海洋的深度越大，就可以建承载力更大的浮体平台，在平台之上就可以建更高的风塔、发电力更强大的风机阵列。把发电站所有的发电、整流、变压、储电、输电都能集成总装在浮体平台发电站的空间内，把与发电站运行相关的工厂如淡水制造、氢能制造、人类生活生产物质循环利用、空气循环通风等等都可以集成总装在浮体平台发电站的空间内，还可以作为人员生活区，总装集成能够综合降低整个发电站的建造和运行成本。特别适合在岛礁的外海和大陆架外延深海的特别经济管理区进行建设，开拓海洋国土，扩大人类生活居住空间，获得无穷尽的绿色可再生性能源。

Claims (7)

1.“一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上风力发电站”，是由子系统摩天轮链式风力发电机和子系统浮体平台海上风力发电站组成的海上发电系统。其技术特征是：摩天轮链式风力发电机把现在一般的风力发电机机舱从风塔顶移到风塔基部；风轮用一根链条串联风塔下的发电机主轴；风轮桨叶的叶尖端灵活连接风轮大圆周内侧并与轮毂内的变桨系统联动；风轮的偏航系统与塔基的发电机主轴偏航系统联动，使风轮和链条与下面的发电机主轴组成的垂直面保持不变；浮体平台上多台风力发电机排列成聚风强风的阵列；海上风力发电站的所有设备部件都集成总装在浮体平台上。

2.根据权利要求1所述，摩天轮链式风力发电机把现在一般的风力发电机机舱从风塔顶移到风塔基部，其技术特征是：风力发电机占大部分重量的机舱、转子、定子从风塔顶移到风塔基座，桨叶风轮、测风系统、变桨系统、偏航系统和轮毂留住风塔顶上。由于风力发电机的重心下移至地面，就不用建太过粗大的风塔，重要的是能够升高风轮以获得更稳定更强大的风力。

3.根据权利要求1所述，风轮用一根链条串联风塔下的发电机主轴，其技术特征是：大风轮做成圆周齿轮，像自行车的动力传送一样，吻合一根链条，链条与下面的发电机主轴上圆周齿轮串联吻合，带动发电机发电。由于链条只吻合发电机主轴圆周齿轮的半圆，只用了一半的摩擦力，所以，在主发电机的上面再设主轴相对的两个小发电机，使三台发电机和主轴呈倒品字形，利用了全圆周的摩擦力，三台发电机组旋转发电方向一致。

4.根据权利要求1所述，风轮桨叶的叶尖端灵活连接风轮大圆周内侧并与轮毂内的变桨系统联动，其技术特征是：风轮的桨叶仍然受轮毂内的变桨系统驱动调整受风角度，但是，桨叶尖与风轮圆周的连接不是固定的，而是灵活的，是桨叶尖成小圆球状嵌入风轮圆周上的凹坑，或者是结合部是一个能转动的螺杆，起到既能连接风轮圆周，又能使桨叶转动风轮的效果，桨叶和圆周构成整体，转动的圆周离心力通过链条传送到发电机主轴，起到加力效应。

5.根据权利要求1所述，风轮的偏航系统与塔基的发电机主轴偏航系统联动，使风轮和链条与下面的发电机主轴组成的垂直面保持不变，其技术特征是：轮毂内的偏航系统仍然接受测风信号调整风轮偏航使之一直正对风向，由链条连接的主轴圆周齿轮也要同步与风轮的偏航角度一致，才能保持风轮圆周、链条与发电机主轴圆周齿轮的垂直面不变，发电机的同步偏航系统由发电机转动平台的偏航电机、接受风塔顶测风系统同步信号的装置、偏航电机两旁30°的偏航轨道组成。浮体平台的海中部分设有每90°一纵列共四列的可变向电机螺旋桨，是为浮体平台的大偏航系统，在台风气旋的时候，浮体平台可做陀螺式周转以适应超过30°的大偏航角度调整。

6.根据权利要求1所述，浮体平台上多台风力发电机排列成集聚强风的阵列，其技术特征是：为了使同Y轴的纵列风力发电机形成顺风加速度效应，在浮体平台上安排一纵队大型风力发电机或者多纵队的中型风力发电机。纵列上的风力发电机之间距离可以少于风轮的直径，多纵队阵列的话，同一X轴的风力发电机的风轮之间要有距离。由于聚风的效应，浮体平台之上的空气流动的方向是一致的，在30°的偏航角度之内，各台风机机组的风轮垂直面是平行的。当然，发电站的控制室也监控每台发电机组的偏航动向，如果有乱风的情况，要进行干预调整。

7.根据权利要求1所述，海上风力发电站的所有设备部件都集成总装在浮体平台上，其技术特征是：在浮体平台下面的建筑空间里，可以把整流设备，变压设备。储电设备、发电输出设备总装起来，人员生活的淡水制造、生活生产物质的循环利用制造、用电制氢的储能制造等等，都可以和发电功能集成总装起来。整个海上风力发电电站，只需一根电力输出电缆，就可以把发电量通过海底电缆，与陆地大电网上传连网。

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