CN116292124A - 一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备 - Google Patents

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Abstract

一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，包括风电机组、连接支撑结构、浮动结构和单点系泊装置，连接支撑结构为三立杆结构，其包括呈三脚架布局的三根立杆，三根立杆的顶端分别连接在机舱的底部，浮动结构包括三个漂浮装置，每根立杆的底端连接一个漂浮装置，漂浮装置包括立柱和浮球，立杆的底端固定在立柱上，浮球与立柱相连，三根立杆分别为两短杆和一长杆，两短杆所在的平面靠近并平行于风轮面，单点系泊装置连接在长杆对应的漂浮装置的底部。本发明采用三立杆结构代替传统的塔筒，并与立柱、风机等结构的配合，无需设置主动偏航的机械结构也可自动进行偏航，可节省成本，提高平台稳性和发电效率。

Description

一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备
技术领域
本发明涉及浮式风电装备技术领域，尤其涉及一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备。
背景技术
随着潮间带、近海机位逐渐饱和，风电场建设走向深远海已成为必然趋势，由陆向海、由浅到深、由固定基础到漂浮式平台将成为海上风电的发展趋势。业内人士认为，漂浮式风电将成为继风机大型化之后海上风电的主要降本方式。但由于漂浮式风电还有很多关键技术不成熟，包括风机、基础+系泊、动态电缆等，导致其成本依旧维持在高位，现急需寻求可降低成本，提高经济效益的浮式风电设计。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种对风机、浮动基础和锚固系统进行一体化耦合设计的风电装备，采用三立杆结构代替传统的塔筒，无需主动偏航系统，通过减少重量与被动偏航的方式，降低成本，提高平台稳性，提高发电效率。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，包括风电机组、连接支撑结构、浮动结构和单点系泊装置，所述风电机组包括三叶式风轮和机舱，所述连接支撑结构为三立杆结构，其包括三根立杆，三根立杆呈三脚架的布局设置，三根立杆的顶端分别连接在所述机舱的底部，所述浮动结构包括三个漂浮装置，对应三根立杆，每根立杆的底端连接有一个所述的漂浮装置，所述单点系泊装置连接在其中一个漂浮装置的底部，用于将整个风电装备锚固在海床上。本发明的风电平台与常见的半潜式不同，为尽量减少平台排水量，采用三立杆结构代替塔筒，三立杆下采用三立柱式，但没有垂荡板、下浮体（浮筒或浮箱）等水下结构，易于控制偏航。
进一步地，每个所述漂浮装置包括立柱和浮球，所述立柱漂浮于海面上，所述立杆的底端固定在所述立柱上，一个立杆对应一个立柱，所述浮球与立柱相连。由于平台没有传统的浸锚在水下的下浮体结构，需要额外的结构提供浮力，立柱和浮球共同提供浮力，当发生倾覆时，浮球也可以提供更大的恢复力距。
进一步地，所述立柱内设置有压载仓和压载控制模块，所述压载控制模块用于控制压载仓的压载情况，以调节重心，维持整个装备的基本姿势；所述浮球也连接有进水排水模块，用于通过调节浮球中的水量来调节重心，浮球通过连接杆与所述立柱相连，所述连接杆的一端固定在立柱上且向三个立柱所在的三角形外延伸，所述浮球连接在连接杆的另一端上，使得浮球也向外延伸。由于在三根立柱外侧连接有浮球，扩大了浮力的作用半径，提高了整体结构的稳性。浮球可焊接在连接杆上，浮球可选用一般海洋工程的靠泊浮球即可，为了调节重心位置在后面的浮球，每个浮球均要注入压载水。
进一步地，所述风电机组为下风向结构，风轮设置在塔架的后面（相对于来风方向），即风先吹过塔架，后吹过风轮，常见的上风向风机是风先吹过叶轮，后吹到塔架。在具体结构上，只需将叶片的前缘对着结构尾部，发电机反转即可实现。由于本发明没有采用传统的塔筒，而是用细杆代替，因而采用下风向风机结构，塔影效应不明显，相对于上风向结构，可自动进行偏航对风，其下方不布置偏航系统，可根据风向自动进行偏航，吸收风能，从而节省控制成本。
进一步地，三根所述立杆分别有两短杆和一长杆，两短杆所在的平面靠近并平行于三叶式风轮的风轮面，且两短杆的长度相等，以机舱所在的竖直面相互对称，所述长杆向远离风轮面的一侧延伸。两短杆和一长杆的具体长度和角度可根据平台的耐波性、风机大小和强度进行设计。
进一步地，两短杆之间的夹角为80°-100°，长杆与两短杆之间的夹角相等，均为100°-120°，长杆与短杆的长度之比为（1.2-1.5）:1。
进一步地，每个所述漂浮装置包括立柱和浮球，所述立柱漂浮于海面上，所述立杆的底端固定在所述立柱上，一个立杆对应一个立柱，所述浮球与立柱相连，所述长杆连接的所述漂浮装置上的立柱为第一立柱，长杆连接的所述漂浮装置上的浮球为第一浮球，所述短杆连接的所述漂浮装置上的立柱为第二立柱，短杆连接的所述漂浮装置上的浮球为第二浮球，所述第一立柱的高度大于第二立柱的高度，所述第一浮球的体积大于第二浮球的体积。
进一步地，所述第一立柱和第二立柱内均设置有压载仓和压载控制模块，所述压载控制模块用于控制压载仓的压载情况，以调节重心，维持整个装备的基本姿势；所述第一浮球和第二浮球均连接有进水排水模块，用于通过调节第一浮球和第二浮球中的水量来调节重心，第一浮球和第二浮球均分别通过连接杆与所述第一立柱和第二立柱相连。同上，所述连接杆的一端固定在第一立柱或第二立柱上且向三个立柱所在的三角形外延伸，所述第一浮球或第二浮球连接在连接杆的另一端上，使得第一浮球或第二浮球均向外延伸，扩大了浮力的作用半径。
进一步地，所述第一立柱上设置有登乘平台，用于与运维船搭接，供人员登乘，所述长杆上设置有攀爬设施，用于供人员攀爬至机舱进行检修，风电机组的电缆线穿过所述长杆中间后连接至所述第一立柱上。变流器、主控等设备也可设置在第一立柱上。
本发明的前两根立柱（第二立柱）较短，后方的立柱（第一立柱）较长，后方立柱（第一立柱）作为人员登乘的平台，通过后方的斜长杆可以进入机组内部进行检修，且后方立柱与浮球重量更大，为了平衡机组的重量，可以使整体结构重心落在后方立柱的中心，便于实现被动偏航。由于结构整体连接部件均为杆件，质量较轻，而且不存在主动偏航的机械结构，重心在水平位置的调整较容易实现，可完全依靠逆风向时的气动力实现偏航。
进一步地，所述单点系泊装置连接在第一立柱的底部，用于将平台拉入水中一部分，使平台重力、浮力和系泊张力平衡。
进一步地，所述单点系泊装置包括锚固基础、复合式张力筋腱和旋转连接轴承，所述旋转连接轴承连接在所述第一立柱的底部，可使平台可以绕第一立柱中心旋转，所述锚固基础锚固于海床上，锚固基础应选择轴向承载力比较大的吸力锚等锚型，所述复合式张力筋腱一端连接在所述旋转连接轴承上，另一端连接在所述锚固基础上。使用张力腱可保证垂荡方向的性能，相对传统半潜式平台，可改善垂荡性能。
本发明采用三立杆结构代替传统的塔筒，可减少平台用钢量，节约成本；三立杆式连接支撑结构、立杆直接连接立柱和下风向风机结构等结构设置，也可自动进行偏航，可不设置主动偏航的机械结构，以及没有垂荡板和下浮体的结构，在易于控制偏航的基础上，可节省控制成本，同时也减小设备的故障率；通过设置立柱与浮球相结合的漂浮装置，提高平台的稳定性，并通过三个立柱与浮球的压载情况，调整平台的重心，适应不同的海洋环境。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例另一视角的结构示意图。
图3为本发明实施例中风电机组与连接支撑结构的部分放大示意图。
图4为本发明实施例中连接支撑结构的结构示意图。
图5为本发明实施例中长杆的结构示意图。
图6为本发明实施例中单点系泊装置的结构示意图。
附图标记：1-风电机组；2-连接支撑结构；3-浮动结构；4-单点系泊装置；11-风轮；12-机舱；21-长杆；211-踏板；22-短杆；23-连接块；31-第一立柱；32-第二立柱；33-第一浮球；34-第二浮球；35-连接杆；41-旋转连接轴承；42-张力筋腱；43-锚固基础；44-电缆线。
具体实施方式
一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，如图1、图2所示，包括风电机组1、连接支撑结构2、浮动结构3和单点系泊装置4，所述风电机组1包括三叶式风轮11和机舱12，所述连接支撑结构2为三立杆结构，其包括三根立杆，三根立杆呈三脚架的布局设置，三根立杆的顶端分别连接在所述机舱12的底部，所述浮动结构3包括三个漂浮装置，对应三根立杆，每根立杆的底端连接有一个所述的漂浮装置，所述单点系泊装置4连接在其中一个漂浮装置的底部，用于将整个风电装备锚固在海床上。本发明的风电平台与常见的半潜式不同，为尽量减少平台排水量，采用三立杆结构代替塔筒，三立杆下采用三立柱式，但没有垂荡板、下浮体（浮筒或浮箱）等水下结构，易于控制偏航。
作为其中一种实施方式，本实施例中，三根所述立杆分别为两短杆22和一长杆21，具体地，如图2、图3，两短杆22和一长杆21的顶部焊接在连接块23上，连接块23固定在机舱12的底部，两短杆22所在的平面靠近并平行于三叶式风轮11的风轮11面，且两短杆22的长度相等，以机舱12所在的竖直面相互对称，所述长杆21向远离风轮11面的一侧延伸。
两短杆22和一长杆21的具体长度和角度可根据平台的耐波性、风机大小和强度进行设计。为了提高三立杆式连接支撑结构2的抗风浪能力，保证平台的稳定性，三根立杆的立体构型需进行相关的结构测算，具体优选，如图4，两短杆22间的夹角为α，80°≤α≤100°，长杆21与两短杆22间的夹角β相等，100°≤β≤120°，长杆21的长度L1与短杆22的长度L2之比为（1.2-1.5）:1。
每个所述漂浮装置包括立柱和浮球，所述立柱漂浮于海面上，所述立杆的底端固定在所述立柱上，一个立杆对应一个立柱，所述浮球与立柱相连，所述长杆21连接的所述漂浮装置上的立柱为第一立柱31，长杆21连接的所述漂浮装置上的浮球为第一浮球33，所述短杆22连接的所述漂浮装置上的立柱为第二立柱32，短杆22连接的所述漂浮装置上的浮球为第二浮球34，所述第一立柱31的高度大于第二立柱32的高度，所述第一浮球33的体积大于第二浮球34的体积。由于平台没有传统的浸锚在水下的下浮体结构，需要额外的结构提供浮力，立柱和浮球共同提供浮力，当发生倾覆时，浮球也可以提供更大的恢复力距。
所述第一立柱31和第二立柱32内均设置有压载仓和压载控制模块，所述压载控制模块用于控制压载仓的压载情况，以调节重心，维持整个装备的基本姿势，压载控制模块包括水泵和控制器，根据平台的姿势向相应立柱的压载仓中抽水或排水。所述第一浮球33和第二浮球34均连接有进水排水模块，同样，进水排水模块也包括水泵和相应的控制器，用于通过调节第一浮球33和第二浮球34中的水量来调节重心。第一浮球33和第二浮球34均分别通过连接杆35与所述第一立柱31和第二立柱32相连。所述连接杆35的一端固定在第一立柱31或第二立柱32上且向三个立柱所在的三角形外延伸，所述第一浮球33或第二浮球34连接在连接杆35的另一端上，使得第一浮球33或第二浮球34均向外延伸，扩大了浮力的作用半径，提高了整体结构的稳性。浮球焊接在连接杆35上，连接杆35上在固定在立柱上，浮球可选用一般海洋工程的靠泊浮球即可，为了调节重心位置在后面的浮球，每个浮球均要注入压载水。
所述第一立柱31上设置有登乘平台，用于与运维船搭接，供人员登乘，所述长杆21上设置有攀爬设施，可如图5所示，沿长杆21设置若干踏板211，用于供人员攀爬至机舱12进行检修，风电机组1的电缆线穿过所述长杆21中间后连接至所述第一立柱31，再由第一立柱31连接至单点系泊装置4。变流器、主控等设备也可设置在第一立柱31上。
本发明的前两根立柱（第二立柱32）较短，后方的立柱（第一立柱31）较长，后方立柱（第一立柱31）作为人员登乘的平台，通过后方的斜长杆21可以进入机组内部进行检修，且后方立柱与浮球重量更大，为了平衡机组的重量，可以使整体结构重心落在后方立柱的中心，便于实现被动偏航。由于结构整体连接部件均为杆件，质量较轻，而且不存在主动偏航的机械结构，重心在水平位置的调整较容易实现，可完全依靠逆风向时的气动力实现偏航。
作为其中一种实施方式，所述风电机组1为下风向结构，风轮11设置在塔架的后面（相对于来风方向），即风先吹过塔架，后吹过风轮11，常见的上风向风机是风先吹过叶轮，后吹到塔架。在具体结构上，只需将叶片的前缘对着结构尾部，发电机反转即可实现。由于本发明没有采用传统的塔筒，而是用细杆代替，因而采用下风向风机结构，塔影效应不明显，相对于上风向结构，可自动进行偏航对风，其下方不布置偏航系统，可根据风向自动进行偏航，吸收风能，从而节省控制成本。
作为其中一种实施方式，如图6，所述单点系泊装置4连接在第一立柱31的底部，用于将平台拉入水中一部分，使平台重力、浮力和系泊张力平衡。所述单点系泊装置4包括锚固基础43、复合式张力筋腱42和旋转连接轴承41，所述旋转连接轴承41连接在所述第一立柱31的底部，可使平台可以绕第一立柱31中心旋转，所述锚固基础43锚固于海床上，锚固基础43应选择轴向承载力比较大的吸力锚等锚型，所述复合式张力筋腱42一端连接在所述旋转连接轴承41上，另一端连接在所述锚固基础43上，电缆线44亦由旋转连接轴承41接出，连接至变电站，最终接入终端电网系统。使用张力腱可保证垂荡方向的性能，相对传统半潜式平台，可改善垂荡性能。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，包括风电机组、连接支撑结构、浮动结构和单点系泊装置，所述风电机组包括三叶式风轮和机舱，所述连接支撑结构为三立杆结构，其包括三根立杆，三根立杆呈三脚架的布局设置，三根立杆的顶端分别连接在所述机舱的底部，所述浮动结构包括三个漂浮装置，对应三根立杆，每根立杆的底端连接有一个所述的漂浮装置，所述单点系泊装置连接在其中一个漂浮装置的底部，用于将整个风电装备锚固在海床上。
2.根据权利要求1所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，每个所述漂浮装置包括立柱和浮球，所述立柱漂浮于海面上，所述立杆的底端固定在所述立柱上，所述浮球与立柱相连，所述风电机组为下风向结构。
3.根据权利要求2所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，所述立柱内设置有压载仓和压载控制模块，所述压载控制模块用于控制压载仓的压载情况，以调节重心；所述浮球连接有进水排水模块，用于通过调节浮球中的水量来调节重心，浮球通过连接杆与所述立柱相连，所述连接杆的一端固定在立柱上且向三个立柱所在的三角形外延伸，所述浮球连接在连接杆的另一端上。
4.根据权利要求1所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，三根所述立杆分别为两短杆和一长杆，两短杆所在的平面靠近并平行于三叶式风轮的风轮面，且两短杆的长度相等，以机舱所在的竖直面相互对称，所述长杆向远离风轮面的一侧延伸。
5.根据权利要求4所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，两短杆之间的夹角为80°-100°，长杆与两短杆之间的夹角相等，均为100°-120°，长杆与短杆的长度之比为（1.2-1.5）:1。
6.根据权利要求4所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，每个所述漂浮装置包括立柱和浮球，所述立柱漂浮于海面上，所述立杆的底端固定在所述立柱上，所述浮球与立柱相连，所述长杆连接的所述漂浮装置上的立柱为第一立柱，长杆连接的所述漂浮装置上的浮球为第一浮球，所述短杆连接的所述漂浮装置上的立柱为第二立柱，短杆连接的所述漂浮装置上的浮球为第二浮球，所述第一立柱的高度大于第二立柱的高度，所述第一浮球的体积大于第二浮球的体积。
7.根据权利要求6所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，所述第一立柱和第二立柱内均设置有压载仓和压载控制模块，所述压载控制模块用于控制压载仓的压载情况，以调节重心；所述第一浮球和第二浮球均连接有进水排水模块，用于通过调节第一浮球和第二浮球中的水量来调节重心，第一浮球和第二浮球均分别通过连接杆与所述第一立柱和第二立柱相连，所述连接杆的一端固定在第一立柱或第二立柱上且向三个立柱所在的三角形外延伸，所述第一浮球或第二浮球连接在连接杆的另一端上。
8.根据权利要求6所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，所述第一立柱上设置有登乘平台，用于与运维船搭接，供人员登乘，所述长杆上设置有攀爬设施，用于供人员攀爬至机舱进行检修，风电机组的电缆线穿过所述长杆中间后连接至所述第一立柱上。
9.根据权利要求6所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，所述单点系泊装置连接在第一立柱的底部，用于使平台重力、浮力和系泊张力平衡。
10.根据权利要求9所述的一种风机、浮动平台和系泊系统一体化耦合的风电装备，其特征在于，所述单点系泊装置包括锚固基础、复合式张力筋腱和旋转连接轴承，所述旋转连接轴承连接在所述第一立柱的底部，所述锚固基础锚固于海床上，所述复合式张力筋腱一端连接在所述旋转连接轴承上，另一端连接在所述锚固基础上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117536792A (zh) * 2023-10-26 2024-02-09 中国长江三峡集团有限公司 海上漂浮式风机基础及海上风力发电机

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