CN116753118A - 一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应控制风机升降的抗台风‑海流发电多功能浮箱，包含浮箱及其海流发电系统和伺服升降系统。浮箱内通过设置多道隔板形成多个舱室，舱室内充满空气为上部的风力机主体结构提供浮力；海流发电系统由海流发电机、转轴、转轮叶片组成，并将浮箱作为海流发电转轮；伺服升降系统包括风雨感应器、加速度传感器、伺服电机、螺旋升降机及可动底板。当台风雨或加速度超过限制时，本发明能发出控制信号驱动伺服电机，通过螺旋升降机实时控制各舱室可动底板的升降，以调节各个舱室的排水体积，实现浮式风机整体沉降或姿态调整，在极端台风环境下运动响应时间大大减小，显著提高浮式风机的抗台风性能。

Description

一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱

技术领域

本发明属于浮式风力机基础技术领域，具体涉及一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱。

背景技术

近年来，风力机大型化发展趋势明显，在提升风电场收益率的同时也带来了结构抗风问题。海上风电相较于传统的陆上风电，具有风能资源丰富、可利用面积广阔等优势。但海上风电设备位于海上，可能面临更为恶劣的台风、巨浪等极端灾害损害的风险，这也是目前海上风力机发生失效损坏的主要原因。申请号为201120115628.8的中国专利公开了一种漂浮式风力发电平台，通过优化设计使整个风力发电平台的重心远低于浮心，当风机倾斜时将产生很大的恢复力矩，从而抵御风和海浪冲击，然而这种被动控制方式对环境变化的适应力与控制效果较差，如何在台风等极端灾害下确保结构安全是上述被动控制方法所无法解决的。

由于风力机质量主要集中于结构上部，结构整体重心高于浮心，导致浮式风机在台风等极端灾害下容易发生倾覆。因此将主动控制升降技术应用于浮式风力机基础上，使浮式风机平台在台风环境下能够进行主动控制调整排水体积，进而导致浮式风机发生整体沉降，能够有效增强浮式风机的抗台风性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱；通过在内部充满空气为上部的风力机主体结构提供浮力，通过海流冲击转轮叶片带动浮箱转动实现海流发电，并且增大了结构角动量，提高了结构整体稳定性，通过伺服升降系统控制各舱室可动底板升降，主动调节各舱室排水体积，实现浮式风机在台风环境下的整体沉降或姿态调整，能够有效增强浮式风机的抗台风性能。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱，包含浮箱、海流发电系统和伺服升降系统，浮箱通过设置多道隔板形成多个舱室，各舱室内充满空气可为上部的风力机主体结构提供浮力，海流发电系统由海流发电机、转轴、转轮叶片组成，风力机主体结构固定于海流发电机上部，以浮箱作为海流发电转轮，海流冲击转轮叶片带动转轴转动，海流发电机将转动机械能转变为电能实现海流发电，同时浮箱转动产生的角动量提高了浮式风机的整体稳定性，伺服升降系统包括风雨感应器、加速度传感器、伺服电机、螺旋升降机及可动底板，风雨感应器、加速度传感器安装于风力机机舱顶端，当台风雨或结构加速度超过限制时，发出主动控制信号驱动伺服电机，所述伺服电机与螺旋升降机安装在一起，所述螺旋升降机上部固定在各舱室顶板上，下部通过丝杆固定在可动底板上，当接收到控制信号后伺服电机驱动丝杆升降，进而带动可动底板升降，通过这种方式控制各个舱室的排水体积，实现浮式风机整体沉降或姿态调整进一步地，所述风力机为水平轴风力机或垂直轴风力机，通过焊接或法兰盘固定于海流发电机顶板上。

进一步地，所述浮箱直径、高度和材料以及转轴长度可根据上部风力机重量、建造成本以及当地实际海况等进行优化设计，所述浮箱通过系泊固定于海底。

进一步地，所述海流发电机、转轴与上部风力机塔筒三者结构外壁构成一个空腔，转轴向下延伸到浮箱底板处，在风力机塔筒中部及转轴深入浮箱部分的侧壁上开有气孔，塔筒处气孔设有防倒流装置，能够阻止液体进入结构内部，在控制底板升降时可通过气孔排出与吸入空气。

进一步地，所述转轮叶片为垂直轴变桨直叶片，以保持较高的水力效率，转轮叶片通过连接轴与浮箱连接，海流冲击转轮叶片带动浮箱及转轴转动，海流发电机内部包括定子与转子，转子固定在转轴上部，转轴与海流发电机外壳连接处设有密封圈以防止水流进入，转子通过在定子生成的磁场中旋转切割磁感线实现发电。

进一步地，所述风雨感应器、加速度传感器安装于风力机机舱顶端，所述无线风雨感应器和无线加速度传感器分别测量风力机顶部风压、雨强和加速度，并将数据传送至智能伺服控制器，智能伺服控制器产生并传递主动控制信号，以控制伺服电机启动，所述智能伺服控制器置于风力机机舱内部。

进一步地，各舱室中部均设有三个伺服电机与三个螺旋升降机，所述伺服电机与螺旋升降机安装在一起，所述螺旋升降机上部通过焊接固定在各舱室顶板上，下部通过丝杆焊接或法兰固定在可动底板上，所述可动底板上设置有橡胶密封圈以防止海水涌入，各舱室伺服电机根据接收到的主动控制信号控制丝杆升降，进而带动可动底板升降，改变各舱室排水体积，达到调整结构重心与浮心的效果。

进一步地，当风压、雨强过大时，各舱室同步将可动底板升至最高，排水体积达到最小，结构重心下移、浮心上移，浮式风机整体稳定性显著增强，当某一方向的加速度过大时，将加速度方向相反一侧可动底板升高，减少这一侧结构所受浮力，进而有效减小结构加速度响应。

采用以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的多功能浮箱不仅可作为风力机结构的浮式基础，还可作为海流发电的转轮，在风力机因环境恶劣而停机时可持续进行海流发电，充分发挥风能和海流能的良好互补性，提高风力机整体发电效率，同时浮箱旋转产生的角动量可显著增强浮式风力机的整体稳定性。

2)相较于传统的浮式风机，本发明通过伺服升降系统对结构重心高度进行主动控制，当感应器所监测的风压、雨强或加速度超过限值时，控制器发出主动控制信号，各舱室伺服电机根据信号控制可动底板升降。当风压、雨强过大时，可实现风力机整体沉降，使结构重心下移、浮心上移，显著增强结构整体稳定性，当某一方向加速度过大时，可减小加速度相反方向一侧浮力大小，进而直接减小浮式风机结构的加速度响应大小，确保浮式风力机发电效率及结构安全。

3)本发明具有良好的适用性和实用性，在不同的风机重量、风机类型、环境条件及建造成本下，通过改变多功能浮箱的材料、几何尺寸等即可满足要求，适用对象及适用范围十分广阔，同时与被动控制相比，提出的主动控制方法能够根据外界环境进行实时控制，具有更好的控制效果。

附图说明

图1是本发明的多功能浮箱正常运行状态示意图；

图2是本发明的多功能浮箱台风环境下沉降状态示意图；

图3是本发明的多功能浮箱加速度过大时调整姿态示意图；

图4是本发明的多功能浮箱海流发电系统示意图；

图5是本发明的多功能浮箱各舱室伺服升降系统示意图；

其中的附图标记为：浮箱1、隔板1-1、舱室1-2、气孔1-3、海流发电系统2、海流发电机2-1、转轴2-2、转轮叶片2-3、伺服升降系统3、风雨感应器3-1、加速度传感器3-2、伺服电机3-3、螺旋升降机3-4、可动底板3-5、丝杆3-6、风力机4。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

实施例1

如图1和图2所示的抗台风-海流发电多功能浮箱上部为NREL5MW风力机(4)，风力机(4)塔筒通过焊接或法兰盘连接固定在海流发电机(2-1)上方，海流发电机(2-1)顶板开洞以使海流发电机(2-1)、转轴(2-2)与上部风力机(4)塔筒三者结构外壁构成一个空腔，确保气体能够流通，使得后续调节浮箱(1)排水体积时可自动实现吸气与排气。

实施例中，海流发电机(2-1)、转轴(2-2)及多功能浮箱(1)均为圆柱体，材料采用结构钢，海流发电机(2-1)采用电磁式同步发电机，以提高输出电能的质量，转轮叶片(2-3)采用垂直轴变桨直叶片，叶片数量为6个，每60°布置一个，以保持较高的水力效率。在风力机(4)因环境恶劣而停机时可持续进行海流发电，充分发挥风能和海流能的良好互补性，提高风力机(4)整体发电效率，同时浮箱(1)旋转产生的角动量可显著增强浮式风力机(4)的整体稳定性。

实施例中，伺服升降系统(3)包括风雨感应器(3-1)、加速度传感器(3-2)、伺服电机(3-3)、螺旋升降机(3-4)及可动底板(3-5)；风雨感应器(3-1)、加速度传感器(3-2)安装于风力机(4)机舱顶端，分别用于测量风力机(4)顶部风压、雨强和加速度，无线风雨感应器(3-1)和无线加速度传感器(3-2)分别采用BALUK-433无线传感器和MMS-F-A01无线传感器，可检测相应信号并以无线电信号传递到智能伺服控制器，当超过设定限值时智能伺服控制器产生并传递主动控制信号，以控制伺服电机(3-3)启动，所述智能伺服控制器与感应器置于风力机(4)机舱内部。

实施例中，伺服升降系统(3)采用mattkeMSR0260/L4-030无刷伺服电机搭配SJA80螺旋升降机，各舱室(1-2)中部均设有三个伺服电机(3-3)与三个螺旋升降机(3-4)，螺旋升降机(3-4)通过焊接固定，当伺服电机(3-3)接收到智能伺服控制器发出的主动控制信号后，伺服电机(3-3)驱动螺旋升降机(3-4)蜗轮转动使丝杆(3-6)升降，丝杆(3-6)通过法兰盘与可动底板(3-5)连接带动底板同步升降，可动底板(3-5)上设有橡胶密封圈以防止海水涌入。

实施例中，浮箱(1)通过设置六道隔板(1-1)形成六个舱室(1-2)，隔板(1-1)采用结构钢板，上下缘通过焊接固定于浮箱(1)内，各舱室(1-2)内充满空气可为上部的风力机(4)主体结构提供浮力，转轴(2-2)向下延伸到浮箱(1)底板处，在风力机(4)塔筒中部及转轴(2-2)深入浮箱(1)部分的侧壁上开有气孔(1-3)，塔筒处气孔(1-3)设有防倒流装置，能够阻止液体进入结构内部，在控制底板升降时可通过气孔(1-3)排出与吸入空气。

实施例中，智能控制器采用RAEFMC-2000无线智能控制器，可根据不同环境条件发出不同主动控制信号。当感应器所监测的风压、雨强或加速度超过限值时，智能控制器发出主动控制信号，各舱室(1-2)同步将可动底板(3-5)升至最高，排水体积达到最小，实现风力机(4)整体沉降，结构重心下移、浮心上移，浮式风机整体稳定性显著增强，当监测到某一方向的加速度过大时，智能控制器发出控制信号，使加速度方向相反一侧可动底板(3-5)升高，减少这一侧结构所受浮力，进而有效减小结构加速度响应，确保浮式风力机(4)发电效率及结构安全。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱，其特征在于，包含浮箱(1)、海流发电系统(2)和伺服升降系统(3)，所述浮箱(1)通过设置多道隔板(1-1)形成多个舱室(1-2)，各舱室(1-2)内充满空气可为上部的风力机(4)主体结构提供浮力；所述海流发电系统(2)由海流发电机(2-1)、转轴(2-2)、转轮叶片(2-3)组成，风力机(4)主体结构固定于海流发电机(2-1)上部，以浮箱(1)作为海流发电转轮，海流冲击转轮叶片(2-3)带动转轴(2-2)转动，海流发电机(2-1)将转动机械能转变为电能进行海流发电；所述伺服升降系统(3)包括风雨感应器(3-1)、加速度传感器(3-2)、伺服电机(3-3)、螺旋升降机(3-4)及可动底板(3-5)。

2.根据权利要求1所述的一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱，其特征在于，所述海流发电机(2-1)、转轴(2-2)与上部风力机(4)塔筒三者结构外壁构成一个空腔，转轴(2-2)向下延伸到浮箱(1)底板处，在风力机(4)塔筒中部及转轴(2-2)深入浮箱(1)部分的侧壁上开有气孔(1-3)，塔筒处气孔(1-3)设有防倒流装置，阻止液体进入结构内部，在控制底板升降时通过气孔(1-3)排出与吸入空气。

3.根据权利要求1所述的一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱，其特征在于，所述转轮叶片(2-3)为垂直轴变桨直叶片，转轮叶片(2-3)通过连接轴与浮箱(1)连接，海流冲击转轮叶片(2-3)带动浮箱(1)及转轴(2-2)转动，海流发电机(2-1)内部包括定子与转子，转子固定在转轴(2-2)上部，转轴(2-2)与海流发电机(2-1)的外壳连接处设有密封圈，转子通过在定子生成的磁场中旋转切割磁感线进行发电。

4.根据权利要求1所述的一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱，其特征在于，所述风雨感应器(3-1)、加速度传感器(3-2)安装于风力机(4)机舱顶端，所述风雨感应器(3-1)和加速度传感器(3-2)分别测量风力机(4)顶部风压、雨强和加速度，并将数据传送至智能伺服控制器，智能伺服控制器产生并传递主动控制信号，以控制伺服电机(3-3)启动，所述智能伺服控制器置于风力机(4)机舱内部。

5.根据权利要求1所述的一种自适应控制风机升降的抗台风-海流发电多功能浮箱，其特征在于，所述伺服电机(3-3)与螺旋升降机(3-4)安装在一起，所述螺旋升降机(3-4)上部固定在各舱室(1-2)顶板上，下部通过丝杆(3-6)固定在可动底板(3-5)上，当接收到控制信号后伺服电机(3-3)驱动丝杆(3-6)升降，进而带动可动底板(3-5)升降，控制各个舱室(1-2)的排水体积，实现浮式风机整体沉降或姿态调整。