CN116480529A - 一种漂浮式风力发电平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种漂浮式风力发电平台，包括风机机组模块、浮体基础模块、转向调节模块和系泊模块，风机机组模块的下端倾斜延伸出多个上斜撑，多个上斜撑的自由端均与下方的浮体基础模块连接，且风机机组模块上的风机叶片与水平面垂直并位于多个上斜撑围构出的空间内，转向调节模块设置在浮体基础模块的底部，系泊模块的一端与浮体基础模块的底部连接，系泊模块的另一端与海底固定连接，风机机组模块、浮体基础模块和转向调节模块均与控制器信号连接。该漂浮式风力发电平台的风机叶片与水平面呈直角，有利于提高发电效率；同时，由于消除了塔筒等原平台的大部分结构，节省了大量材料成本，使造价成本较低。

Description

一种漂浮式风力发电平台

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种漂浮式风力发电平台。

背景技术

漂浮式风力发电平台是一种在深远海工作的将风能转化为电能的新能源发电装置，适用于50米以上深度的水域。目前，海上的商业化漂浮式风力发电平台是基于陆地风力发电平台的设计经验改造而来，在结构上均为上风向风机和竖直塔筒的竖向连接结构，并通过风电机组的主动转动来实现对迎风方向的控制。这类商业化漂浮式风力发电平台的基础形式主要有单立柱式、三立柱式和四立柱式，其中，单立柱式仅适用于深水环境，适用性较差，三立柱式和四立柱式虽然技术成熟、适用性较好，但由于结构重量大、且主要为多点系泊，导致造价成本高昂。

且现有的漂浮式风力发电平台还存在以下问题：以三立柱半潜式风力发电平台为例，其设计为塔筒与三立柱平台基础中的一个立柱固定，针对风机和塔筒的增加而造成的不均匀载荷，通过配置调载装置保证系统稳性，使得塔筒保持垂直，并对结构进行加强，保证结构的强度和疲劳性能。

但随着风机功率增加，叶片长度也随之增大，为避免与竖直的塔筒发生碰撞，需要调整风机机头和水平面的夹角，使得叶片向上偏转一定角度，这种非水平的设计额外增加了弯矩，会产生一定的设备磨损，影响设备使用寿命，同时降低设备的发电效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种造价成本低、发电效率高的漂浮式风力发电平台。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种漂浮式风力发电平台，包括风机机组模块、浮体基础模块、转向调节模块和系泊模块，风机机组模块的下端倾斜延伸出多个上斜撑，多个上斜撑的自由端均与下方的浮体基础模块连接，且风机机组模块上的风机叶片与水平面垂直并位于多个上斜撑围构出的空间内，转向调节模块设置在浮体基础模块的底部，系泊模块的一端与浮体基础模块的底部连接，系泊模块的另一端与海底固定连接，风机机组模块、浮体基础模块和转向调节模块均与控制器信号连接。

优选地，风机机组模块还包括发电机机舱、转子、变压器和变流器，多个上斜撑与发电机机舱连接，转子设置在发电机机舱内，风机叶片与转子轴向连接，发电机机舱与变压器、变流器依次连接后接入风电场的电网中。

优选地，浮体基础模块包括多个内部中空的浮筒，多个浮筒呈环形排布，且每个浮筒的顶端均与一个上斜撑的自由端连接固定。

优选地，浮体基础模块还包括多个横撑，相邻两个浮筒均通过横撑连接固定。

优选地，浮筒内部间隔出多个相互独立的空腔。

优选地，转向调节模块包括推进装置和轴向回转装置，轴向回转装置垂直设置在浮筒的底部，轴向回转装置的下方连接推进装置，轴向回转装置和推进装置均与控制器信号连接。

优选地，推进装置包括螺旋桨和无级变速机，无级变速机水平设置在轴向回转装置的下方，螺旋桨轴向穿设在无级变速机的驱动轴上。

优选地，每个横撑的两侧分别倾斜设置有一个下斜撑，多个下斜撑的自由端同时与系泊模块连接。

优选地，系泊模块包括系泊链和锚，系泊链的一端同时与多个下斜撑的自由端连接，系泊链的另一端与固定在海底的锚连接。

优选地，系泊链远离锚的一端为球铰，多个下斜撑的自由端共同组成球槽，球铰可转动地设置在球槽内。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的漂浮式风力发电平台由多个上斜撑代替以往的单个直塔筒结构，倾斜设置的上斜撑的设计使得风机叶片有足够的空间以供弯曲，适用于各种尺度的风机叶片，不需要倾斜角度的风机叶片或使用预弯曲风机叶片来避免与塔筒的撞击，而风机叶片与水平面呈直角，有利于提高漂浮式风力发电平台的发电效率；同时，由于消除了塔筒等原平台的大部分结构，节省了大量材料成本，使漂浮式风力发电平台的造价成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例中的漂浮式风力发电平台的整体机构示意图。

图2是本发明实施例中的漂浮式风力发电平台上，风机机组模块的风机叶片设置位置示意图。

图3是本发明实施例中的漂浮式风力发电平台上，浮体基础模块的结构示意图。

图4是本发明实施例中的漂浮式风力发电平台上，转向调节模块的结构示意图。

图5是本发明实施例中的漂浮式风力发电平台上，系泊模块的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、风机机组模块 32、轴向回转装置

11、风机叶片 4、系泊模块

12、转子 41、系泊链

2、浮体基础模块 42、锚

21、浮筒 5、上斜撑

22、横撑 6、海底

3、转向调节模块 7、动态缆

31、推进装置 8、下斜撑

实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1至图5所示，为本发明的漂浮式风力发电平台的一种实施例。

参见图1，本实施例的漂浮式风力发电平台，包括风机机组模块1、浮体基础模块2、转向调节模块3和系泊模块4，风机机组模块1的下端倾斜延伸出多个上斜撑5，多个上斜撑5的自由端均与下方的浮体基础模块2连接，且风机机组模块1上的风机叶片11与水平面垂直并位于多个上斜撑5围构出的空间内，转向调节模块3设置在浮体基础模块2的底部，系泊模块4的一端与浮体基础模块2的底部连接，系泊模块4的另一端与海底6固定连接，风机机组模块1、浮体基础模块2和转向调节模块3均与控制器信号连接。

本实施例的漂浮式风力发电平台由多个上斜撑5代替以往的单个直塔筒结构，倾斜设置的上斜撑5的设计使得风机叶片11有足够的空间以供弯曲，适用于各种尺度的风机叶片11，不需要倾斜角度的风机叶片11或使用预弯曲风机叶片11来避免与塔筒的撞击，而风机叶片11与水平面呈直角，有利于提高漂浮式风力发电平台的发电效率；同时，由于消除了塔筒等原平台的大部分结构，节省了大量材料成本，使漂浮式风力发电平台的造价成本较低。

基于此，可以将本实施例的漂浮式风力发电平台上的风机扩展到兆瓦级别，并可以通过上斜撑5结构尺寸和相对角度的设计，调节漂浮式风力发电平台的自振频率，避免风机叶片11的旋转频率和自身的基础自振频率相近而发生共振现象。

优选地，参见图2，风机机组模块1还包括发电机机舱、转子12、变压器和变流器，多个上斜撑5与发电机机舱连接，转子12设置在发电机机舱内，风机叶片11与转子12轴向连接，发电机机舱与变压器、变流器依次连接后接入风电场的电网中。

风机机组模块1的发电过程为：风机叶片11在风力带动下转动，转子12随着风机叶片11同步转动，在发电机机舱内持续切割磁感线，从而产生电流，这些电流根据风电场需求经变压器和变流器的变压变流后，进入风电场的电网中储存或使用。

较佳地，参见图1和图2，在本实施例中，风机叶片11为三叶片结构，且通过轮毂轴向固定在转子12上；而风机机组模块1与风电场的电网之间则通过动态缆7进行电流的输送。

具体地，在本实施例中，上斜撑5的外部配置有连通内部的人孔，上斜撑5的内部则配置有用于人员进出和运维的电梯和通道、用于电缆铺设的管路，且电梯能够通往发电机机舱。

优选地，参见图1和图3，浮体基础模块2包括多个内部中空的浮筒21，多个浮筒21呈环形排布，且每个浮筒21的顶端均与一个上斜撑5的自由端连接固定。多个内部中空的浮筒21的设置能够提供整个漂浮式风力发电平台的浮力，实现漂浮式风力发电平台在海面上的漂浮。

较佳地，在本实施例中，浮筒21的顶部设有与内部连通的注水阀，浮筒21的底部设有与内部连通的排水阀。注水阀和排水阀的设置能够方便施工人员合理配置浮筒21内水量，以便更好地调节漂浮式风力发电平台的吃水深度，应对多种安装运输和在位运行工况。

本实施例的漂浮式风力发电平台可以避免单立柱式平台对水深的限制，可以适用不同的水深条件；与半潜式平台相比，本实施例的漂浮式风力发电平台水线面积可以调节得较小，从而具有较好的耐波性，大幅降低钢结构重量，降低制造成本。

优选地，参见图3，浮体基础模块2还包括多个横撑22，相邻两个浮筒21均通过横撑22连接固定。多个横撑22的设置能够提高浮体基础模块2的结构稳定性。

优选地，浮筒21内部间隔出多个相互独立的空腔。浮筒21的内部进行分舱设计，使得浮筒21在内部的部分空腔破损时，仍保持有一定的浮力，防止漂浮式风力发电平台下沉。

优选地，参见图1和图4，转向调节模块3包括推进装置31和轴向回转装置32，轴向回转装置32垂直设置在浮筒21的底部，轴向回转装置32的下方连接推进装置31，轴向回转装置32和推进装置31均与控制器信号连接。

控制器通过控制轴向回转装置32转动实现对推进装置31推进方向的调整，再借由推进装置31实现对漂浮式风力发电平台上风机叶片11方向的调整。

因此，本实施例的漂浮式风力发电平台加装的转向调节模块3，可以通过主动控制的方式，调节漂浮式风力发电平台在水中的位置，始终保持风机叶片11与风向保持垂直，以获得最大的发电效率；且可在风浪流等环境条件较为恶劣的情况下，通过推进方向的调整，使得推力与环境载荷方向相反，增加结构抗风浪的能力。

较佳地，在本实施例中，浮筒21的底部安装有加强板，轴向回转装置32垂直设置在加强板的底部。由于浮筒21的底部与轴向回转装置32连接，加强板的设置可以增加浮筒21底部的结构强度，防止浮筒21的底部在推进装置31的作用下破坏。

优选地，推进装置31包括螺旋桨和无级变速机，无级变速机水平设置在轴向回转装置32的下方，螺旋桨轴向穿设在无级变速机的驱动轴上。无级变速机的设置使得推进装置31能够灵活控制推力的大小，从而更好地实现对漂浮式风力发电平台上风机叶片11方向的调整。

较佳地，在本实施例中，轴向回转装置32为齿轮传动装置，通过多个齿轮将的啮合传动将螺旋桨的推力送向各个方向。

具体地，在风浪流等环境条件较为恶劣的情况下，还可以通过控制螺旋桨的推力方向和推力大小来抵抗风浪流的作用，可以使得漂浮式风力发电平台适应更为恶劣的海况，增加正常运行的时间，从而增加发电量。

优选地，参见图1和图3，每个横撑22的两侧分别倾斜设置有一个下斜撑8，多个下斜撑8的自由端同时与系泊模块4连接。

具体地，参见图1和图3，在本实施例中，上斜撑5、横撑22、浮筒21和下斜撑8均为中心对称布置。例如，上斜撑5、横撑22、浮筒21和下斜撑8均设有四个，且上斜撑5和下斜撑8均呈对称布置，横撑22与浮筒21共同组成方形结构。

本实施例中的漂浮式风力发电平台采用对称结构布置，整体结构中心位置为几何中心位置，在风浪流环境作用下，受力状态更为平衡，可减少加强设计、避免了反复不平衡受力所带来的疲劳损伤，减少冗余设计，可大幅降低设计、施工、安装、操作和运维的成本。

需要说明的是，上斜撑5和下斜撑8的倾斜角度均根据现场海域具体情况进行优选设计，在此不作限定。

优选地，参见图1和图5，系泊模块4包括系泊链41和锚42，系泊链41的一端同时与多个下斜撑8的自由端连接，系泊链41的另一端与固定在海底6的锚42连接。系泊链41起系泊作用，将漂浮式风机发电平台限制在海域的指定区域内。

需要说明的是，参见图5，作为电力输送的动态缆7从上斜撑5的管路中穿出后，附着在系泊链41上，并最终接入风电场的电网中。

较佳地，在本实施例中，系泊链41的安全工作载荷大于动态缆7的安全工作载荷，从而对动态缆7进行保护，防止动态缆7的拉伸破坏，增强动态缆7的自存能力，减少运维成本。

优选地，系泊链41远离锚42的一端为球铰，多个下斜撑8的自由端共同组成球槽，球铰可转动地设置在球槽内。由此，可以实现系泊链41相对下斜撑8的360°旋转，防止漂浮式风力发电平台发生翻覆。

本实施例的漂浮式风力发电平台采用单点系泊，且漂浮式风力发电平台能够随风浪做360°回转，由于风标效应，漂浮式风力发电平台会在极端风浪流环境下，停泊在受环境力最小的方位上，再配合上述的转向调节模块3可以有效地增强漂浮式风力发电平台在极端海况下的自存能力。

本实施例的漂浮式风力发电平台的具体使用方法为：

先将漂浮式风力发电平台运输至既定海域，并通过将系泊模块4上的锚42固定到海底6，实现漂浮式风力发电平台的固定；再通过浮体基础模块2中浮筒21上的注水阀和排水阀调整浮式风力发电平台的浮态和稳定性；然后根据风向传感器（该传感器与控制器信号连接，且可设置在风力发电平台的风机机组模块1上或是风电场的其他位置处）发至控制器的风向信号，通过转向调节模块3的调节，漂浮式风力发电平台在推进装置31和轴向回转装置32的作用下绕锚42做旋转运动，旋转至风机叶片11正对风向后，风机机组模块1工作，将风能转化为电能，并经由变压器和变流器根据风电场需求进行变压变流，最后将电流通过动态缆7输送至风电场的电网中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种漂浮式风力发电平台，其特征在于，包括风机机组模块（1）、浮体基础模块（2）、转向调节模块（3）和系泊模块（4），所述风机机组模块（1）的下端倾斜延伸出多个上斜撑（5），多个所述上斜撑（5）的自由端均与下方的所述浮体基础模块（2）连接，且所述风机机组模块（1）上的风机叶片（11）与水平面垂直并位于多个所述上斜撑（5）围构出的空间内，所述转向调节模块（3）设置在所述浮体基础模块（2）的底部，所述系泊模块（4）的一端与所述浮体基础模块（2）的底部连接，所述系泊模块（4）的另一端与海底（6）固定连接，所述风机机组模块（1）、所述浮体基础模块（2）和所述转向调节模块（3）均与控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述风机机组模块（1）还包括发电机机舱、转子（12）、变压器和变流器，多个所述上斜撑（5）与所述发电机机舱连接，所述转子（12）设置在所述发电机机舱内，所述风机叶片（11）与转子（12）轴向连接，所述发电机机舱与所述变压器、变流器依次连接后接入风电场的电网中。

3.根据权利要求1所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述浮体基础模块（2）包括多个内部中空的浮筒（21），多个所述浮筒（21）呈环形排布，且每个所述浮筒（21）的顶端均与一个所述上斜撑（5）的自由端连接固定。

4.根据权利要求3所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述浮体基础模块（2）还包括多个横撑（22），相邻两个所述浮筒（21）均通过横撑（22）连接固定。

5.根据权利要求3所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述浮筒（21）内部间隔出多个相互独立的空腔。

6.根据权利要求3所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述转向调节模块（3）包括推进装置（31）和轴向回转装置（32），所述轴向回转装置（32）垂直设置在所述浮筒（21）的底部，所述轴向回转装置（32）的下方连接所述推进装置（31），所述轴向回转装置（32）和所述推进装置（31）均与所述控制器信号连接。

7.根据权利要求6所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述推进装置（31）包括螺旋桨和无级变速机，所述无级变速机水平设置在所述轴向回转装置（32）的下方，所述螺旋桨轴向穿设在所述无级变速机的驱动轴上。

8.根据权利要求4所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，每个所述横撑（22）的两侧分别倾斜设置有一个下斜撑（8），多个所述下斜撑（8）的自由端同时与所述系泊模块（4）连接。

9.根据权利要求8所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述系泊模块（4）包括系泊链（41）和锚（42），所述系泊链（41）的一端同时与多个所述下斜撑（8）的自由端连接，所述系泊链（41）的另一端与固定在海底（6）的所述锚（42）连接。

10.根据权利要求9所述的漂浮式风力发电平台，其特征在于，所述系泊链（41）远离所述锚（42）的一端为球铰，多个所述下斜撑（8）的自由端共同组成球槽，所述球铰可转动地设置在所述球槽内。