CN114560045B - 一种海上激光雷达测风平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种海上激光雷达测风平台。该海上激光雷达测风平台包括浮体平台、激光雷达和锚系装置；浮体平台能够漂浮于海面，浮体平台水平面的外轮廓为正方形，正方形的边长大于所处海域最大波浪的两个波长，激光雷达设置在浮体平台的顶端中心，锚系装置的一端与浮体平台的底端中心连接，锚系装置的另一端用于与海底连接。由此，在最大波浪高的海况下，确保至少两个波峰、两个波谷同时作用于整个浮体平台，从而至少两个托举力、两个下沉力，即方向相反的至少两对力交叉作用于一个弹性的浮体平台，从而相互抵消，保持整个浮体平台的稳定性进而保证了设置于浮体平台上激光雷达工作的稳定性，使测风数据测量准确。

Description

一种海上激光雷达测风平台

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种海上激光雷达测风平台。

背景技术

随着我国海上风力发电领域的不断发展，海上风电场的选址逐渐由浅海走向深海海域。由于海上风力发电建设面临周期长、投入高、风险大的问题，在安装风力发电组前需进行风资源测量。

传统的风资源测量需要用到测风塔，但是海上安装测风塔成本太高，尤其是在深海，因此现有一般通过海上激光雷达测风漂浮技术，即采用激光雷达和海上浮标相结合的方式，利用浮标搭载激光雷达，激光雷达获得风速数据。由于激光雷达在测量风速风向的过程中，一般是要求处于静止状态的，但激光雷达跟随浮体不断做多自由度的横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡运动，搭载在浮标体上的激光雷达测风数据准确性较差，无法直接表征风速特征。因此，激光雷达安装在浮体上做多自由度的运动过程中，需要进行繁琐的数据处理，才能获得准确的风速数据。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种海上激光雷达测风平台，其解决了测风数据准确性较差的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种海上激光雷达测风平台，包括浮体平台、激光雷达和锚系装置；浮体平台能够漂浮于海面，浮体平台水平面的外轮廓为正方形，正方形的边长大于所处海域最大波浪的两个波长；激光雷达设置在浮体平台的顶端中心，锚系装置的一端与浮体平台的底端中心连接，锚系装置的另一端用于与海底连接。

优选地，还包括供电装置；供电装置设置于激光雷达的正下方且位于浮体平台上，供电装置用于给激光雷达供电。

优选地，浮体平台包括浮体结构及设置在浮体结构上的平台本体；浮体结构包括间隔均布设置的多个浮体单元，相邻两个浮体单元之间通过浮体连接桁架连接，多个浮体单元水平面的外轮廓形成正方形，且正方形的边长大于所处海域的最大波浪的两个波长；每个浮体单元均通过支撑柱与平台本体连接。

优选地，每个浮体单元与相邻的支撑柱之间通过平台连接桁架连接。

优选地，浮体单元的直径小于相邻浮体单元之间的间隙。

优选地，浮体单元的吃水线位于浮体单元高度的1/2以上。

优选地，支撑柱的高度大于所处海域的最大波浪高。

优选地，平台本体为箱体结构或框架结构。

优选地，还包括四个配重件，配重件分别设置在平台本体上的四个端点处。

优选地，激光雷达为连续波激光雷达或者脉冲式激光雷达。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种海上激光雷达测风平台，由于浮体平台水平面的外轮廓边长大于所处海域最大波浪的两个波长，即可以在最大波浪高的海况下，确保至少两个波峰、两个波谷同时作用于整个浮体平台，从而至少两个托举力、两个下沉力，即方向相反的至少两对力交叉作用于一个弹性的浮体平台，从而相互抵消，保持整个浮体平台的稳定性进而保证了设置于浮体平台上激光雷达工作的稳定性，使测风数据测量准确。

附图说明

图1为本发明的海上激光雷达测风平台的正视图；

图2为图1中浮体平台的正视图；

图3为图2中浮体结构的俯视图。

【附图标记说明】

1：浮体平台；11：浮体结构；111：浮体单元；112：浮体连接桁架；113：支撑柱；114：平台连接桁架；12：平台本体；13：配重件；

2：激光雷达；

3：锚系装置；

4：供电装置；

a：吃水线：b：波浪线；c：波浪高；d：波长；L：正方形的边长。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实施例提供一种海上激光雷达2测风平台包括浮体平台1、激光雷达2、锚系装置3和供电装置4，供电装置4设置于激光雷达2的正下方且位于浮体平台1上，供电装置4用于给激光雷达2供电。浮体平台1能够漂浮于海面，浮体平台1水平面的外轮廓为正方形，正方形的边长L大于所处海域最大波浪的两个波长d，激光雷达2设置在浮体平台1的顶端中心，锚系装置3的一端与浮体平台1的底端中心连接，锚系装置3的另一端用于与海底连接。在本实施例中激光雷达2为连续波激光雷达或者脉冲式激光雷达，激光雷达2用于测量水平、垂直风向风速、湍流度和风切数据。图1和图2中，b为波浪所在的波浪线。应当说明的是，最大海浪根据所在海域之前的测量结果确定。

本实施例提供的一种海上激光雷达2测风平台，由于浮体平台1水平面的外轮廓边长大于所处海域最大波浪的两个波长d，即可以在最大波浪高c的海况下，确保至少两个波峰、两个波谷同时作用于整个浮体平台1，从而至少两个托举力、两个下沉力，即方向相反的至少两对力交叉作用于一个弹性的浮体平台1，从而相互抵消，保持整个浮体平台1的稳定性进而保证了设置于浮体平台1上激光雷达2工作的稳定性，使测风数据测量准确。且在浮体平台1的底端中心设有锚系装置3将浮体平台1固定在海上某一区域内能够避免浮体平台1飘走。因此，激光雷达2测量过程中，不会受到海洋环境的动态影响，进而通过采用激光雷达2测风，输出秒级数据可以准确的反映风速，不需要搭载运动补偿系统或者线性回归校正系统以及相关的供电设备，降低了生产成本。

如图2-3所示，浮体平台1包括浮体结构11及设置在浮体结构11上的平台本体12，浮体结构11包括间隔均布设置的多个浮体单元111，相邻两个浮体单元111之间通过浮体连接桁架112连接，多个浮体单元111水平面的外轮廓形成正方形，且正方形的边长L大于所处海域的最大波浪的两个波长d。其中，每个浮体单元111均通过支撑柱113与平台本体12连接，每个浮体单元111与相邻的支撑柱113之间通过平台连接桁架114连接，从而将多个浮体单元111连接形成一个整体，使得本申请的浮体平台1不分上、中、下结构，而是由完整的桁架结构成一个平面呈正方形的立方弹性体，可以保证浮体平台1不因长时间变形导致材料疲劳而断裂。在实际应用的过程中，浮体单元111可以为球形、倒扣半球形或圆盘形浮体，可在同等排水量情况下实现最小的湿水面积，从而减少浮体的兴波阻力。同时，本实施例中的浮体平台1无需额外加装动力装置，由自身结构便足以形成浮体平台1的超稳性，因此可以大幅降低浮体平台1的造价和运行成本。

应当说明的是，在本实施例中正方形的边长L为同一排首端和尾端浮体单元111中心的距离。

其中，平台本体12支撑于支撑柱113和浮体结构11，来自平台本体12的载荷由浮体结构11产生的浮力抵消，在浮力传递的过程中，由于竖直方向的力主要由支撑柱113传递，因此支撑柱113的宽度要大于浮体连接桁架112和平台连接桁架114。浮体连接桁架112和平台连接桁架114的宽度可以根据所处海域的风浪等级设置，通过加粗浮体连接桁架112和平台连接桁架114的宽度、选用更稳定的材料制备浮体连接桁架112和平台连接桁架114等方式，可使得本实施例中的浮体平台1能应对更大的风浪。

由于浮体平台1的超稳性与浮体结构11的外轮廓边长L具有关联性。在浮体结构11常规作业的5-6级海况下，海况的波浪谱峰周期对应的波长d长度小于100米，此时，为了确保浮体结构11在各个方向上均具有超稳性，从而使得激光雷达2工作稳定，使测风数据测量准确，浮体结构11的外轮廓边长L在两个方向上应该均至少大于140米。

如图2所示，浮体单元111的直径小于相邻浮体单元111之间的间隙，从而使得浮体单元111对于来自任意方向上的海浪，只承接小于一半的迎浪，从而减少传递给浮体平台1的波浪能。

其中，浮体单元111的吃水线a位于浮体单元111高度的1/2以上。吃水线a位于浮体单元111高度的1/2以上的设计，可以减小水线面的面积，进而减少海浪传递给浮体的波浪能。

平台本体12为箱体结构、框架结构或是任意可以提供稳定可靠的工作环境的结构。其中，框架结构可由多个连接骨架组成，其中最下方的连接骨架连接至多个支撑柱113，根据平台本体12的总重量和载荷灵活配置浮体结构11中的浮体单元111的数量，以及浮体单元111的尺寸、选型，以保证浮体单元111的吃水线a位于浮体单元111高度的1/2以上。

应当说明的是，平台本体12也可以是由箱体结构和连接骨架配合组装而成，本申请对于平台本体12的具体布置形式不做限制，平台本体12可以是任意能给支撑柱113提供稳定可靠安装点的结构。

当平台本体12的底部安装面为平面时，每个支撑柱113的高度一致，以保证浮体单元111在未下水时处于同一水平高度。每个支撑柱113的高度大于所处海域的最大波浪高c，这个设计状态可以让所处海域的浪峰始终低于平台本体12的高度，并使浪峰的横向动能“扑空”，从而较少作用于浮体单元111上，进一步提高了浮体平台1的稳定性。

在实际应用的过程中，为了在各个方向上均具备良好的耐波稳定性，浮体平台1的在边长方向上质量应分布均匀，从而使得浮体结构11在应对不同方向上的海浪时，整体表现稳定、一致。在本实施例中还包括四个配重件13，配重件13分别设置在平台本体12上的四个端点处来平衡设置与平台本体12中心处激光雷达2的重量。

经过多次试验认证，本实施例中浮体结构11的稳性与尺寸之间的关系如下表所示。

参数	方案1	方案2	方案3
				宽(米)	60	100	150
长(米)	60	100	150
				吃水(米)	5	5	5
圆柱水线面直径(米)	5	5	5
				横向间距(米)	5	5	5
初稳心高(米)	46	153	231

由于常规的船舶的初稳心高都比较小，而现有技术的半潜平台的初稳心高值大多分布于1-10米以内，相较之下，本申请的浮体结构11即便在外轮廓边长L尺寸为60米的前提下，初稳心高便达到了46米，由此可知，本实施例中的浮体结构11相较于现有技术的半潜平台，具有着非常高的稳定性，在适用的海域内，即便遇到海域中最大的波浪，也不会出现倾覆的现象。

本申请的浮体结构11由于为矩阵式浮体阵列结构，可以保证无论任何方向的波浪都能将能量消耗一半以上在浮体空隙之中，相对于现有技术中心采用的条状浮体技术，能够避免在90度浪向时被波浪能量上下推动，进而避免了剧烈摇摆。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种海上激光雷达测风平台，其特征在于，包括浮体平台（1）、激光雷达（2）和锚系装置（3）；

所述浮体平台（1）能够漂浮于海面，所述浮体平台（1）水平面的外轮廓为正方形，所述正方形的边长（L）大于所处海域最大波浪的两个波长（d）；

所述激光雷达（2）设置在所述浮体平台（1）的顶端中心，所述锚系装置（3）的一端与所述浮体平台（1）的底端中心连接，所述锚系装置（3）的另一端用于与海底连接；

所述浮体平台（1）包括浮体结构（11）及设置在所述浮体结构（11）上的平台本体（12）；

所述浮体结构（11）包括间隔均布设置的多个浮体单元（111），相邻两个所述浮体单元（111）之间通过浮体连接桁架（112）连接，多个所述浮体单元（111）水平面的外轮廓形成所述正方形，且所述正方形的边长（L）大于所处海域的最大波浪的两个波长（d）；

所述浮体单元（111）可以为球形、倒扣半球形或圆盘形浮体；

每个所述浮体单元（111）均通过支撑柱（113）与所述平台本体（12）连接；

每个浮体单元（111）与相邻的所述支撑柱（113）之间通过平台连接桁架（114）连接；所述浮体单元（111）的直径小于相邻所述浮体单元（111）之间的间隙；

所述浮体单元（111）的吃水线（a）位于所述浮体单元（111）高度的1/2以上；

所述支撑柱（113）的高度大于所处海域的最大波浪高（c）。

2.如权利要求1所述的一种海上激光雷达测风平台，其特征在于：

还包括供电装置（4）；

所述供电装置（4）设置于所述激光雷达（2）的正下方且位于所述浮体平台（1）上，所述供电装置（4）用于给所述激光雷达（2）供电。

3.如权利要求1所述的一种海上激光雷达测风平台，其特征在于：

所述平台本体（12）为箱体结构或框架结构。

4.如权利要求1所述的一种海上激光雷达测风平台，其特征在于：

还包括四个配重件（13），所述配重件（13）分别设置在所述平台本体（12）上的四个端点处。

5.如权利要求2所述的一种海上激光雷达测风平台，其特征在于：

所述激光雷达（2）为连续波激光雷达或者脉冲式激光雷达。

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