CN201753660U - 漂浮式水上风力发电船 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种漂浮式水上风力发电船，包括有船体，位于水中的固定桩，牵引船体的系船缆，在船体内设置有水泵，船体呈扇形结构，船体底部两条直边呈弧形，其起始边的厚度小于终边厚度，船体上表面竖直设有塔架，该塔架由排列成一排、且相互连接在一起的多个楔子型导风罩构成，在楔子型导风罩的后部两侧各安装有直接驱动同一根风轮传动轴的垂直轴风轮组，所述风轮传动轴向下延伸到船体内并与水泵同轴连接；船体内部垂直均匀排列有多根钢管，相邻钢管之间用上连通管和下连通管相互连通，各个钢管的内部空间连通形成蓄能管道组，各相邻钢管之间的空隙构成蓄水池。整体结构简单，没有复杂的对风装置和变桨距控制装置以及电子变流逆变设备，技术门槛低。

Description

漂浮式水上风力发电船 

技术领域

本发明涉及到风力发电技术领域，尤其是一种漂浮式水上风力发电船。 

背景技术

随着全球经济的发展和能源需求的不断增加，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。可再生能源的开发使用变得越来越重要，在可再生能源的利用方面，国际上风力发电产业得到了快速的发展。利用海洋风能发电目前已成为全球热点之一。我国沿海拥有丰富的风能资源，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦，但是海上风电装机容量却微不足道，发展建设相对缓慢。制约海上风电产业发展的主要原因是技术进步缓慢，建造成本高昂。目前开发海洋风电所使用的风力发电机绝大部分是水平轴涡轮风力发电机。这种风力发电机结构复杂，风机设备造价高，发电机输出的电能不稳定(因为风有随机性和间歇性的特点)，在海上维修保养难度大，运行和维护成本很高。现在海上风电场使用的风力发电机最大做到了5兆瓦左右。如果要制造更大功率的风力发电机，不仅会使设计制造的难度大幅度增加，而且导致材料成本与设备制造成本大幅度提高，不利于大规模普及应用。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种整体结构简单，容易维修保养，调控性能优良，制造成本较低，发出的电能质量高，易于实现超大型化，其发电船尤其适合海上规模化大功率风力发电建设目标采用，也同样适合在陆地上的湖泊，水库或人造水池等地点相同方式采用的漂浮式水上风力发电船。 

为实现以上目的，本实用新型采取了以下的技术方案：一种漂浮式水上风力发电船，包括有船体，位于水中的固定桩，牵引船体的系船缆，在船体内设置有大功率容积式水泵，所述船体呈扇形结构，船体底部两条直边呈弧形，其起始边的厚度小于终边厚度，船体上表面竖直设有塔架，该塔架由排列成一排、且相互连接在一起的多个楔子型导风罩构成，在所述每个楔子型导风罩的后部两侧各安装有一组直接驱动同一根风轮传动轴的垂直轴风轮组，所述风轮传动 轴向下延伸到船体内并与大功率容积式水泵同轴连接，所述塔架两侧的风轮直径比塔架内侧的风轮直径至少大0.5倍以上；所述船体内部垂直均匀排列有多根大口径钢管，接近于铺满整个船底，相邻大口径钢管之间用上连通管和下连通管相互焊接连通，这就把全部大口径钢管的内部空间都连接在一起，等效成为一个大型压力容器，各个大口径钢管的内部空间连通形成蓄能管道组，各相邻钢管之间的空隙构成蓄水池。 

从船体的前端部引出一段系船缆系泊到固定桩上。送出电能的电缆线也随着系船缆被引到固定桩上，然后通过海底电缆线引到陆地上输送给用户使用或者并入电网；固定桩被牢固地安装在海底。发电船通过系船缆被系泊在固定桩上，利用现有的“单点系泊”技术就能够达到这个目的，这样一来，发电船只能围绕着固定桩作360度圆周方向上的漂浮运动；船体底部的两条直边呈弧形(见图5)，这两条弧形边在发电船的漂浮移动过程中始终与船的运动方向垂直，把这两条直边做成弧形能够减小发电船在漂浮移动过程中海水对船产生的阻力；每一组风轮都是由串接在同一根立式传动轴上的多个垂直轴风轮组单元组成，一根立式传动轴汇集了多个风轮产生的转动力矩，能产生很大的功率输出；在塔架内安装有多根受风轮驱动的立式传动轴；一组风轮直接驱动一台大功率容积式水泵，因此有多个大功率容积式水泵同时出力做功，上述大功率容积式水泵可以使用旋转活塞泵或者螺杆泵或者柔动式泵等。 

这种风轮的转速随风速的变化而变化，适合于吸收随机性和间歇性阵风能量，风速高时转速快，风速低时转速慢，被风轮驱动的容积式水泵转速也随着风速的变化时快时慢。根据容积式水泵的特性(流量与转速成正比)可以看出，风速高时泵的流量大，风速低时泵的流量小，所以，只要合理地设置风轮的尖速比(风速与风轮边缘线速度的比值)，不管是大风还是小风都能有效地把风能转化为水的压力能。 

蓄能管道组的下半部分(即上连通管以下的部分)装有高压水，蓄能管道组的上半部分充满了压缩空气；蓄能管道组是利用密闭容器内空气弹簧的原理对水施加压力，使水以静压力能的方式储存风轮所产生的能量；蓄能管道组内部高压水的容量随着风力的变化和水轮发电机耗水量的变化也在不断变化，其高压水液面高度是在上连通管底部与下连通管顶部之间变化，当风力变小或者水轮发电机耗水量增加时，高压水液面下降。当风力变大或者水轮发电机耗水 量减少时，高压水液面上升；这就对风力的变化或者水轮发电机耗水量的变化进行了充分的缓冲；所以，变化不定的风能就转化成了稳定的电力输出。 

组成蓄能管道组的大口径钢管还有另一个重要的作用，它们构成了船体内部的主要支撑骨架，大大提高了发电船的整体强度，使发电船足以抵御任何级别的大风大浪。 

所述每一组垂直轴风轮组由多个结构相同的垂直轴风轮组单元竖直连接组合而成，每个垂直轴风轮组单元包括上圆盘和下圆盘，以及连接上圆盘和下圆盘圆心的中心轴，所述上下圆盘之间按中心对称方式连接有弧形叶片。风轮内部没有活动部件，整体强度高，结构简单，启动风速低，这种风轮在楔子型导风罩的配合下能最大限度地吸收风能。制造风轮的材料既可以使用钢材，也可以使用重量比较轻的铝合金或玻璃钢等其他金属或非金属材料。 

所述大功率容积式水泵的吸水管延伸至蓄水池内，大功率容积式水泵的排水管上装有单向阀，另一端连接至蓄能管道组底部，在单向阀与大功率容积式水泵之间接出阀门和排水管。 

从所述蓄能管道组底部接出高压水管道经主控阀门连接到设置在船体内的水轮发电机上。 

所述相邻两个楔子型导风罩之间形成进风通道，进风通道的进口大，出口小，所述垂直轴风轮组的顺风侧位于进风通道的下游处，垂直轴风轮组的逆风侧位于进风通道的下游处避风区。风进入进风通道以后，由于“峡管效应”的作用，进风通道下游处的风速大于上游处风速，风轮能够获得更高的驱动风速，从而使风轮的输出功率得到大幅度提高。 

所述垂直轴风轮组在垂直方向上由一层或多层风轮组构成，上一层风轮组与下一层风轮组在水平方向上错开的距离等于一个风轮半径与传动轴直径的和，风轮组的层数为1～30层。 

所述钢管的数量为1～10000根，每个垂直轴风轮组单元上安装有2～100个中心对称的弧形叶片。 

所述楔子型导风罩是由钢结构支架外敷一层金属薄板或非金属薄板构成，相邻楔子型导风罩之间每隔一定高度通过钢管连接。采用这样的连接紧固结构，使得楔子型导风罩形成一个相互依托支撑的稳定塔架。金属薄板可以使用薄钢板、薄不锈钢板或镀锌板，非金属薄板可以使用玻璃纤维增强树脂基复合材料。 

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点： 

一、发电船整体结构简单，没有复杂的对风装置和变桨距控制装置以及电子变流逆变设备，技术门槛低。 

二、发电船在使用过程中维修和保养都比较简单，费用低廉。 

三、发电船是用水轮机驱动发电机来发电，并且还有一个很大的蓄能器对变化不定的风能进行缓冲处理，因此发电机输出电能的稳定性，调控性能和并网性能都远远高于水平轴涡轮风力发电机。而水平轴涡轮风力发电机在发电过程中随着风速的变化，输出功率也跟着变化，输出不稳定。 

四、发电船在运行过程中可利用的风速范围很大，从3米/秒到50米/秒风速的风能都可以有效地转化为电能，在大风浪中能照常发电。而水平轴涡轮风力发电机对风速的适应范围是有限的，当风速超过13米/秒以后风速再增大时发电机的输出功率就不再随着风速的增大而增大了，基本稳定在额定输出功率左右。因此风速超过13米/秒的风的能量不能得到充分利用，白白流失掉了，并且风速超过25米/秒时，为了保护风机叶片不被大风吹坏就必须停止发电。 

五、从发电船的整体结构特点来看，这种发电船更适合于向超大型化方向发展，它能够轻松实现几十兆瓦至一百兆瓦以上的巨大功率输出，单机输出功率越大，经济效益就越高。水平轴涡轮风力发电机在现阶段很难做到10兆瓦以上功率输出。 

六、这种风力发电船上使用的风轮都是低速风轮，因此噪声要远低于水平轴涡轮风力发电机，噪声污染小。 

七、从发电船的结构组成和制造所需原材料的种类来看，制造这种发电船使用的原材料96％以上都是钢材，如果这个产业能发展壮大起来，不仅可以解决能源短缺、温室气体减排和环境污染等问题，而且还可以消化国内大量过剩钢铁产能，一举多得。 

附图说明

图1是本实用新型漂浮式水上风力发电船的外观总体结构立体示意图； 

图2是图1的局部放大示意图； 

图3是图4的局部放大示意图； 

图4是本实用新型漂浮式水上风力发电船的俯视示意图； 

图5是本实用新型漂浮式水上风力发电船的底部外观立体示意图； 

图6是本实用新型中一个垂直轴风轮组单元的立体示意图； 

图7是图6的俯视剖面示意图； 

图8是船体内部蓄能管道组的结构立体示意图； 

图9是图8的局部放大示意图； 

图10是图11的局部放大示意图； 

图11是本实用新型漂浮式水上风力发电船各个功能部件相互配合及运行过程的总体结构立体示意图； 

附图标记说明：1-塔架，2-垂直轴风轮组，3-进风通道，4-船体，5-系船缆，6-固定桩，7-楔子型导风罩，8-蓄能管道组，9-上连通管，10-下连通管，11-单向阀，12--空气压缩机，13-排气管，14，15-传动轴，16，17-大功率容积式水泵，18，19-单向阀，20，21-阀门，22，23-高压排水管，24，25-吸水管，26-蓄水池，27-水轮发电机，28-主控阀门，29-高压水管道，30，31-排水管，32-垂直轴风轮组单元，33-中心轴，34-上圆盘，35-下圆盘，36-弧形叶片，37-大口径钢管，38-起始边，39-终边。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。 

实施例： 

请参阅图1到图4所示，一种新型漂浮式风力发电船，整个船体4呈一个近似扇形体结构，圆心角为80度，其底部的两条边呈弧形(见图5所示)，其起始边38的厚度小于终边39的厚度。船体4的外壳使用船用钢板焊接而成，其制造方法与大型船舶的制造技术相似；船体4上表面安装有塔架1，塔架1是由竖直均匀排列成一排的11个楔子型导风罩7构成，楔子型导风罩7是由钢结构支架外敷一层金属薄板构成。相邻楔子型导风罩之间每隔一定高度用钢管等材料连接起来，从而构成一个相互依托支撑的框架式稳定结构。每个楔子型导风罩后侧都竖直装有四组风轮，垂直轴风轮组2在垂直方向上由一层或多层风轮组构成，上一层两组风轮轴与下一层两组风轮轴在水平方向上错开的距离等于一个风轮半径与传动轴直径的和，风轮组的层数为1～30层(本实施例中使用了2层风轮组)；使上方两组风轮的传动轴能够延伸到船体4内部，每一组风轮 2是由十个结构相同并串接在同一根传动轴上的垂直轴风轮组单元32组成，每一个垂直轴风轮组单元32是由一个多叶片式风轮构成(图6)，叶片垂直安装在风轮的上圆盘34和下圆盘35之间，每个垂直轴风轮组单元32上安装2～100个中心对称的弧形叶片(图7)(本实施例中使用了15个弧形叶片)。10个风轮共同驱动同一根传动轴14或15旋转。所有风轮传动轴都向下延伸到船体4内部。相邻两个楔子型导风罩7之间形成了进风通道3，本实施例进风通道数有10个。塔架两侧的风轮直径比塔架内侧的风轮直径至少大0.5倍以上(本实施例中塔架两侧的风轮直径比塔架内侧的风轮直径大1倍)。所有风轮组2的顺风侧始终位于进风通道3的下游处，而所有风轮组2的逆风侧始终位于进风通道3的下游处避风区。 

这种发电船的对风方式是利用船体本身的外形结构特点借助风的推力实现漂浮对风。从(图4)中可以看出，当风F从固定桩6的方向吹向发电船时，如果风向与系船缆5平行，那么船体4的两个侧面，塔架1的两侧和塔架内部楔子型导风罩7的两侧所受到的风的推力相等，整个发电船处于动态平衡状态。如果风向发生变化，这个动态平衡被打破，发电船在风的作用下做漂浮运动直至建立起新的动态平衡。因此，塔架1的正面就会始终正对着风吹来的方向，以保证风轮能够最大限度地接收风能。 

从船体4的前端引出一段系船缆5，利用现有的“单点系泊”技术与安装在海里的固定桩6连接在一起。整个发电船在风的吹动下围绕着固定桩6作圆周方向漂浮移动，使塔架1的正面始终正对着风吹来的方向。 

船体4内底部平面垂直均匀排列安装有很多大口径钢管，接近于铺满整个船底(如图8和图9所示)，相邻钢管之间用上连通管9和下连通管10通过焊接方法相互连通，上连通管9与下连通管10之间的距离约为大口径钢管37长度的一半。这就把全部大口径钢管的内部空间都连接在一起，等效成为一个大型压力容器，形成蓄能管道组8。在船体4内底部各钢管之间的空隙部分构成了蓄水池26。组成蓄能管道组8的大口径钢管同时又构成了船体4内部主要的支撑骨架，大大提高了发电船的整体强度。本实施例在蓄能管道组8中各相邻钢管37之间、钢管37与船体外壳之间每隔一定高度用钢梁通过焊接方法连接起来，使蓄能管道组8和船体外壳连在一起构成一个牢固的船体4。 

从塔架1延伸到船体4内部的所有风轮传动轴都各自连接有一台大功率旋转活塞泵(见图10)。本实施例中共有44组风轮，因此船体4内部就有44台大功率旋转活塞泵出力做功将蓄水池26里的水抽出来压入到蓄能管道组8中。这44台大功率旋转活塞泵安装在蓄能管道组8中各钢管之间的空隙处。每一台大功率旋转活塞泵16分别连接有一根吸水管24，一个单向阀18，一根高压排水管22，一个卸载阀20和一根卸载阀排水管31。高压排水管22的出口连接到蓄能管道组8的底部。 

在船体4内部边缘处安装有1～N台冲击式水轮发电机27，冲击式水轮发电机27的进水管29上装有主控阀门28，进水管29的另一端连接到蓄能管道组8的底部。在船体4内部边缘处还安装了1～N台空气压缩机12，其排气管13上安装有单向阀11，排气管13的另一端连接在蓄能管道组8的顶部。 

发电船在正式投入使用前首先打开卸载阀20，让风轮组2处于随风自由转动状态。向蓄能管道组8中加入一定量的水，使水的液面高于下连通管的位置即可。然后启动空气压缩机12通过单向阀11和排气管13向蓄能管道组8的上部加入压缩空气，使蓄能管道组8内部压力增高，当压力增加到一个设定值时关闭空气压缩机12，同时关闭卸载阀20，这时大功率旋转活塞泵16被风轮驱动旋转做功，蓄水池26里的水经过吸水管24被抽到大功率旋转活塞泵16里去，排出来的高压水经过单向阀18和高压排水管22压入蓄能管道组8。当蓄能管道组8内部高压水的液面高度达到(上连通管9与下连通管10之间中间位置)蓄能管道组8总高度的1/3时，打开冲击式水轮发电机27的主控阀门28，启动冲击式水轮发电机27开始发电。输出电能的电缆线随着系船缆5从发电船引到固定桩6上，再通过海底电缆引到陆地上输送给用户使用或者并入电网。 

现在以塔架1中的一个楔子型导风罩7后侧的两个风轮组2以及所配接的大功率容积式水泵、阀门和水轮发电机等为例，详细描述风能转化为电能的过程(见图10和图11所示)。 

从塔架1延伸到船体4内部的风轮传动轴14、15分别连接到大功率容积式水泵16、17的输入轴上，驱动水泵的转子旋转；蓄水池26里的水经吸水管24、25被抽到大功率容积式水泵16、17中，排出来的高压水通过单向阀18、19和 高压排水管22、23压入蓄能管道组8中，风的能量就转化成了水的压力能；大功率容积式水泵16、17被安装在蓄能管道组8中各钢管之间的空隙处。 

阀门20、21是水泵卸载阀。正常发电过程中卸载阀20、21是处于关闭状态，当发电船遇到海上特大风浪时，打开卸载阀20、21，从水泵排出的水通过卸载阀20、21和排水管31、30直接流回到蓄水池26里，不进入蓄能管道组8中；这时水泵16、17的负荷非常小，接近于零，所以风轮组2的负荷也非常小，处于随风自由转动状态(尖速比接近于1)，因此风轮叶片不会受到大风的破坏。 

蓄能管道组8中的高压水经高压水管道29和主控阀门28进入水轮发电机27，驱动水轮发电机27发电。水的压力能就转化成了电能。从水轮发电机27出来的水又排放到蓄水池26中，循环使用。一艘发电船可以同时安装多台水轮发电机并行运行。发电船使用水轮发电机发电不仅能获得优良的调控性能、并网性能和大幅度提高输出电能的稳定性，而且还省去了复杂的电力变流逆变系统，便于使用维修和保养。 

空气压缩机12的作用是在发电船使用前通过单向阀11和排气管13向蓄能管道组8里预加压缩空气，提高蓄能管道组8内部压力；同时在运行过程中向蓄能管道组8补充压缩空气以弥补压力损失。 

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。 

Claims (8)

1.漂浮式水上风力发电船，包括有船体(4)，位于水中的固定桩(6)，牵引船体(4)的系船缆(5)，其特征在于：在船体(4)内设置有大功率容积式水泵(16，17)，所述船体(4)呈扇形结构，船体底部两条直边呈弧形，其起始边(38)的厚度小于终边(39)厚度，船体(4)上表面竖直设有塔架(1)，该塔架(1)由排列成一排、且相互连接在一起的多个楔子型导风罩(7)构成，在所述每个楔子型导风罩(7)的后部两侧及塔架内侧各安装有一组直接驱动同一根风轮传动轴的垂直轴风轮组(2)，所述风轮传动轴向下延伸到船体(4)内并与大功率容积式水泵(16，17)同轴连接，所述塔架两侧的风轮直径比塔架内侧的风轮直径至少大0.5倍以上；所述船体(4)内部垂直均匀排列有多根大口径钢管(37)，相邻钢管(37)之间用上连通管(9)和下连通管(10)相互焊接连通，各个大口径钢管(37)的内部空间连通形成蓄能管道组(8)，各相邻大口径钢管(37)之间的空隙构成蓄水池(26)。

2.如权利要求1所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：所述每一组垂直轴风轮组(2)由多个结构相同的垂直轴风轮组单元(32)竖直连接组合而成，每个垂直轴风轮组单元(32)包括上圆盘(34)和下圆盘(35)，以及连接上圆盘(34)和下圆盘(35)圆心的中心轴(33)，所述上下圆盘之间按中心对称方式连接有弧形叶片(36)。

3.如权利要求1所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：所述大功率容积式水泵(16)的吸水管(24)延伸至蓄水池(26)内，大功率容积式水泵(16)的排水管(22)上装有单向阀(18)，另一端连接至蓄能管道组(8)底部，在单向阀(18)与大功率容积式水泵(16)之间接出阀门(20)和排水管(31)。

4.如权利要求1所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：从所述蓄能管道组(8)底部接出高压水管道(29)经主控阀门(28)连接到设置在船体(4)内的水轮发电机(27)上。

5.如权利要求1所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：所述相邻两个楔子型导风罩(7)之间形成进风通道(3)，进风通道(3)的进口大，出口小，所述垂直轴风轮组(2)的顺风侧位于进风通道(3)的下游处，垂直轴风轮组(2)的逆风侧位于进风通道(3)的下游处避风区。

6.如权利要求1所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：所述垂直轴 风轮组(2)在垂直方向上由一层或多层风轮组构成，上一层风轮组与下一层风轮组在水平方向上错开的距离等于一个风轮半径与传动轴直径的和，风轮组的层数为1～30层。

7.如权利要求2所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：所述钢管(37)的数量为1～10000根，每个垂直轴风轮组单元(32)上安装有2～100个中心对称的弧形叶片(36)。

8.如权利要求1所述的漂浮式水上风力发电船，其特征在于：所述楔子型导风罩(7)是由钢结构支架外敷一层金属薄板或非金属薄板构成，相邻楔子型导风罩(7)之间每隔一定高度通过钢管连接。 

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