CN208456781U - 浮式高效能抗强台风风电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浮式高效能抗强台风风电系统，其对风能的利用率高，在风力强劲时可以将受风体依次折叠，保护受风体不被损坏，其技术方案为：包括浮体结构，所述浮体结构底部固定连接多个锚链，浮体结构顶部设置竖向旋转轴，所述竖向旋转轴由上至下依次设置多个半球形受风体，所述半球形受风体包括上下间隔设定距离设置的第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋，第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋均与竖向旋转轴连接，半球形风叶罩设于第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋，并与两半圆形支撑筋固定连接。

Description

浮式高效能抗强台风风电系统

技术领域

本实用新型涉及风电技术领域，特别是涉及一种浮式高效能抗强台风风电系统。

背景技术

风力发电是把风的动能转为电能。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据估计，仅1％的地面风力就能满足全世界对能源的需求，但目前对风能的利用远远无法满足要求。

风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。海上风电是可再生能源发展的重要领域，是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。我国海上风能资源丰富，加快海上风电项目建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。

目前，风力发电的叶帆都是与风力对立硬性抗击，在遇到极其恶劣天气和强劲风速下，叶帆容易被损坏；海上风电多是采用大船式结构，体型庞大，造价高昂，且海上风电容易受到冰冻灾害、台风灾害，风电结构很容易被损坏，维修费用过高。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种浮式高效能抗强台风风电系统，其对风能的利用率高，在风力强劲时可以将受风体依次折叠，保护受风体不被损坏；

进一步的，本实用新型采用下述技术方案：

浮式高效能抗强台风风电系统，包括浮体结构，所述浮体结构底部固定连接多个锚链，浮体结构顶部设置竖向旋转轴，所述竖向旋转轴由上至下依次设置多个半球形受风体，所述半球形受风体包括上下间隔设定距离设置的第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋，第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋均与竖向旋转轴连接，半球形风叶罩设于第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋，并与两半圆形支撑筋固定连接。

进一步的，所述第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋水平设置，两半圆形支撑筋均通过连接臂与竖向旋转轴连接。

进一步的，所述竖向旋转轴设置滑道，连接臂与滑道配合设置，连接臂可沿滑道上下移动。

进一步的，所述半球形风叶为空心结构，半球形风叶的球面朝向竖向旋转轴设置且半球形风叶设置于竖向旋转轴同一侧，半球形风叶能绕竖向旋转轴转动。

进一步的，所述半球形风叶由软性材质制成。

进一步的，所述锚链由多个链环连接而成，所述链环包括相对设置的两长C形半环，两长C形半环开口相对且通过固定连接件紧固连接。

进一步的，所述浮体结构外周设置圈式防护结构，圈式防护结构将浮体结构套设在内部。

进一步的，所述浮体结构外围设置加热结构，所述加热结构包括包覆浮体结构的壳体，壳体内设置加热组件。

进一步的，所述浮体结构为空心结构，浮体结构内设置发电机，发电机通过无级变速齿轮与竖向旋转轴连接。

进一步的，所述发电机由密封结构进行密封。

进一步的，所述无级变速齿轮下方设置磁悬浮盘以磁力支撑无级变速齿轮。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的风电系统，将受风体设置成半球形，具有更好的兜风性，对风的动能接收转化率更高，能在风中获得更多的动能，并且不产生阻力，对风能的利用率更高。

本实用新型的风电系统，通过支撑筋和竖向旋转轴的配合，可使得半球形风叶上下伸缩，在超强台风下将部分半球形风叶折叠，进而避开强劲风力，可以保护风叶及发电设备；本实用新型中在竖向旋转轴上设置多个半球形风叶，在风速超过风叶承受范围时，可以逐级依次折叠降落各风叶，既能保护风叶不被损坏，也可以保证在超强台风下风电站的正常运行发电；且将风叶层层折叠在下部，在强台风下重量下沉的状态，有利于风力发电站的稳定及安全。

本实用新型风电系统在浮体结构外围设置圈式防护结构，可以抵御海冰的挤压和冲击，适应了严寒海域浮冰区的风电建设。由于浮体加装了加热结构，在极寒的天气，通过加热结构进行加热，使其不会产生冰的附着，进而造成风电下沉的状况。

本实用新型风电系统中的锚链，采用新型链环结构，能承受拉力增大，提高了锚链强度，使用寿命可以和风电站同步，达到50年以上。风电系统的发电机由密封结构进行密封，可以避免电磁污染；发电机的齿轮盘部分设置磁悬浮盘，采用悬浮技术，减轻了重量，减少了摩擦，基本消除了噪音污染。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例所示的风电系统示意图；

图2为半球形受风体的示意图；

图3为竖向旋转轴的滑道设置俯视图；

图4为锚链的链环结构示意图；

图5为浮体结构与防护结构、加热结构配合俯视图；

图中，1 浮体结构，2 锚链，3 竖向旋转轴，4 半球形受风体，5 第一半圆形支撑筋，6 第二半圆形支撑筋，7 半球形风叶，8 连接臂，9 滑道，10 链环，11 长C形半环，12 固定连接件，13 圈式防护结构，14 加热结构，15 风速传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在风电设备容易损坏，维修费用高的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种浮式高效能抗强台风风电系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种浮式高效能抗强台风风电系统，包括浮体结构1，所述浮体结构1底部固定连接多个锚链2，浮体结构1顶部设置竖向旋转轴3，所述竖向旋转轴3由上至下依次设置多个半球形受风体4，所述半球形受风体4包括上下间隔设定距离设置的第一半圆形支撑筋5和第二半圆形支撑筋6，第一半圆形支撑筋5和第二半圆形支撑筋6均与竖向旋转轴3连接，半球形风叶7罩设于第一半圆形支撑筋5和第二半圆形支撑筋6，并与第一半圆形支撑筋5和第二半圆形支撑筋6固定连接。

浮体结构1外形可设置为飞碟形。本申请浮体结构的能提供的浮力与风电系统重量相比为1:2，横浮力面积大于总体高度。

如图2所示，所述第一半圆形支撑筋5和第二半圆形支撑筋6水平设置，第一半圆形支撑筋5和第二半圆形支撑筋6均通过连接臂8与竖向旋转轴3连接。

如图3所示，所述竖向旋转轴3设置滑道9，连接臂8与滑道9配合设置，连接臂8可沿滑道9上下移动。

所述半球形风叶7为空心结构，半球形风叶7的球面朝向竖向旋转轴3设置且半球形风叶7设置于竖向旋转轴3同一侧，半球形风叶7能绕竖向旋转轴3转动。半球形风叶的开口朝向与竖向旋转轴垂直，也即半球形风叶的开口朝左或朝右，能够很好的兜风，并进行转动发电。所述半球形风叶7由软性材质制成，可以采用帆布等材质制成半球形风叶。半球形风叶设置成软性空心结构，其所受风阻降低1/3，风压面积形成的力提高30％。

半球形风叶可与软绳连接，拉动软绳进而带动半球形风叶折叠。

竖向旋转轴3顶部可设置风速传感器15监测风速，以在风速变化时可以及时调整半球形风叶的折叠情况。

连接臂带动两半圆形支撑筋沿竖向旋转轴上下移动，当两半圆形支撑筋移动至同一位置，可以带动半球形风叶折叠，而当两半圆形支撑筋分开设定距离则可将半球形风叶张开，进而在风力带动下可进行风力发电。在风力强劲，风速超出半球形风叶的承受范围时，可使半圆形支撑筋向下移动进而折叠半球形风叶，进而避开强劲风力，更好的保护风叶及发电站设备。本申请中在竖向旋转轴上设置多个半球形受风体，可以在风速达到一定值时，先折叠降落较高位置的风叶，较低位置的风叶继续工作进行发电，在风速达到更高值时，折叠降落下部较低位置的风叶，可以根据风速逐级折叠降落风叶，半球形风叶在下部层层折叠，在强台风下重量下沉的状态，有利于风力发电站的稳定及安全。通过上下伸缩半球形风叶的受风面积，可以在超强台风下保证风电站正常运行发电。本风电系统受风比重是所有风电站中最高的，风能利用率提高了30％以上。

本申请半球形受风体的上升、下降可以通过人力控制，如将半球形受风体上部、下部均与绳体连接，通过拉动绳体带动半球形受风体上升或下降，通过半球形受风体上部绳体、下部绳体分别调整半球形风叶的上部和下部的停留位置，也就调整了半球形风叶上部、下部之间的距离，进而实现对半球形风叶折叠或是张开的控制；半球形受风体的上升、下降、折叠、张开也可以采用电控方式，在竖向旋转轴和半圆形支撑筋之间设置液压杆，液压杆与液压油箱连接，通过调整液压杆的支撑力，调整半球形受风体的折叠或张开、上升或下降；风帆升降停止至设定位置时，都有锁扣限定其位置，锁闭风帆应停的位置，锁扣的机械开合也是由电控系统控制。半球形受风体的折叠、升降也可采用其他机构实现，以上仅示出可供选择的实施方式。

如图4所示，所述锚链2由多个链环10连接而成，所述链环10包括相对设置的两长C形半环11，两长C形半环11开口相对且通过固定连接件12紧固连接。两长C形半环可同时吃力，其所能提供的拉力为单环的两倍，采用这种锚链结构，其使用寿命可以和风电站同步，达到50年以上。这种锚链减轻了材料成本，提高了锚链强度，锚链在水下十几米到几百米均可适应。

本申请中，浮体结构上部装备、浮体结构、锚链的重量比为1:5:30。

所述浮体结构1外周设置圈式防护结构13，圈式防护结构13将浮体结构1套设在内部，圈式防护结构与浮体结构同高设置，整体套设于浮体结构外侧，起到全面的防护作用。在浮体结构外沿加装了防护结构，可以抵御海冰的挤压和冲击，适应了严寒海域浮冰区的风电建设。

所述浮体结构1外围设置加热结构14，所述加热结构14包括包覆浮体结构1的壳体，壳体内设置加热组件。浮体结构(机仓)加装了防冰冻加热结构，在极寒的天气，可以通过加热组件进行加热，浮体结构不会产生冰的附着，进而造成风电下沉的状况。

目前用于防腐的费用高昂，其中绝大部分用在了海洋产业上。本申请浮体结构及风力发电站的外结构部分，使用了新型的耐腐蚀环保材料(本申请的耐腐蚀环保材料采用玄武岩纤维材料，本实施例是采用玄武岩长丝纤维制作的筋、布和板，以构成风电系统的各结构组成部分，玄武岩纤维材料的强度达到3000——4000Mpa，与钢材相比，重量是普通钢材的1/4，强度是普通钢材的4倍。)，具有永久的防腐性能，免除了防腐的人力和物力的投入，大大节约了管理运营成本，对海洋不会产生污染。

所述浮体结构1为空心结构，浮体结构1内设置发电机，发电机通过无级变速齿轮与竖向旋转轴连接，发电机可设置多个，风小的时候用一个发电机，风大的时候用多个发电机，从微风到强台风均可利用发电，充分利用所有风能。所述发电机由密封结构进行密封，可以实现电磁防护，不会产生电磁污染，风电所在的水域仍然可以进行渔业生产。发电机固定于最下方不动，发电机连接的无级变速齿轮下方设置磁悬浮盘以磁力支撑变速齿轮，采用悬浮技术，以减轻机头由于太重旋转时摩擦造成的阻力，基本消除了噪音污染，减轻了重量和摩擦，风电系统的其他重量比较大的结构均可通过磁悬浮盘支撑。

本申请的风电系统也可将浮体结构设置成台架，应用于陆地发电。

以下结合具体的实施设置方案说明本申请的技术方案。

1.名词解释：

风头是指：套在支撑柱(即竖向旋转轴)外面的受风系统，高约几十米不等。

其中包括：1、围绕着支撑柱的旋转柱，内部和底部有轴承围绕着旋转柱滑动，外部安装多层三个一组的风帆支撑臂。2、底部安装动力齿盘及三台卷扬机，上下风帆臂之间安装球形风帆。以上系为电站外部在风力作用下一起转动的总承为风头。

主传动轴：是指外与风头下部齿盘连接，内与变速齿盘连接的传动轴。

机械动力轴：为一端受电子控制，可以在变速齿盘上伸缩的，另一端可以搭载四台发电机组的动力轴。

动力负荷增减定速轴(箱)：解决在不同风速情况下调节风力能量使用最大化问题。解决恒定转速；控制发电机的增减；控制风帆的升降。

2风站的外部主体结构，共分为四个部分：

支撑柱与浮力舱形成半个哑铃状结构，浮力舱浮在水面，支撑柱穿过浮力舱竖直向上，成为风帆的中轴。

浮力舱外部与水下8个重量几十吨的锚石，通过锚链稳固连接。

浮力舱外部有四条长度大于支撑柱的浮力腿，等距在水面延伸与锚链连接，以在海中稳固整个风电站。

旋转柱与风帆一起套在支撑柱外侧(风头)，受风时一起旋转。

风头底部的旋转柱上安装三台提升重量为5吨的卷扬机以及输送动力的齿盘。

3机型传动原理：

风头受风以后，连同齿轮一起围绕支撑柱旋转。底部的齿轮通过深入机箱的主动力轴，把动能传递给机舱内的变速齿盘。

变速齿盘连接一根可根据转速伸缩的变速动力轴，横向连接。

变速动力轴和可根据速度自动进退的发电机传动轴连接。形成了整个动力传动系统。

4动力负荷增减定速轴(箱)的工作原理：

这个轴为套筒式轴，主要功能为一次性搭载一台到多台发电机，这个轴上的一个或多个传动齿轮，经过一个和多个可增减齿轮与一个和多个发电机连接，输送动力。

这个轴的另一端，前端安装伸缩齿轮与变速盘结合，后端可以在传动轴内伸缩，改变尺寸，伸缩总长度约5米。外套轴通过轴承固定在底板上，外套轴有一个和多个与发电机连接的齿轮。

内轴前端安装齿轮与变速盘连接，内轴的长度约为3米左右。伸缩长度2米。

传动轴外部壳体上，安装一个到多个接力齿轮，接力齿轮下降时同时与传动轴的齿轮与发电机的齿轮结合，实现动力传动。接力齿轮上升时，与传动轴齿轮和发电机齿轮分离，发电机停止工作。

一个和多个接力齿轮的上部，有一根伺服电机控制的螺旋轴，螺旋轴的前端安装一个拨铲。螺旋轴顺时针转动时，拨铲依次前进，把接力齿轮依次压下，使电机依次工作。螺旋轴逆时针旋转时拨铲后退，依次把接力齿轮提起，电机停止转动减少负荷。

动力轴的伸缩轴是根据自身的每分钟转速，通过传感器控制另一台电机，在变速盘上伸缩变化。往前伸转速降低，往后缩转速提高。以这种无级变速的方法，在不同的载荷下保证传动轴每分钟1500转的转速。这个变速载荷系统，出来机械部分有一个电子控制系统，通过传感器感知传动轴轴的自身变化，调节两台电机的运作，或增减电机，或伸缩变速杆。

这个电器控制器，还连接风头下部的三台卷扬机，根据恒定转速的需要，控制风帆的升降，解决风力大小与发电机功率的适应调节问题。

7风力电子自动控制系统：

安装在风站顶部的测风仪，与动力系统的电子控制系统连为一体。再与卷扬机连接，当动力满负荷以后，风速过大时和过小时，风帆的升降调节风能的利用。

如风帆全部升起满帆时，风速约在3级时，动力不足时，控制一台电动机工作，随着风力不断增大，控制发电机依次搭载。风力再大时，控制变速轴向内不断延伸，不断降低转速。以保障满负荷的电机在额定转速内做功。风力过小时，电子控制系统让变速轴不断的退缩，以保障电动机在额定的转速下工作。

8自备电池：

(1)启动升降风帆；

(2)启动时支持电子控制系统运作。

9组成与用途：

组成：支撑柱，用于支撑三面风帆的旋转柱，围绕其旋转，与下部的固定物连接(贯穿浮力舱，在底部连接，形成了一个牢固的整体)，是整个风帆的支柱。

风帆臂，自上而下与旋转柱连接环绕支撑柱，旋转柱连接可活动的风帆臂，上下两个风帆臂支撑风帆。三个风帆成三角形安装在旋转柱上，依次形成多层螺旋状排列。

液压杆连接在旋转柱与风帆臂之间，液压油箱置于旋转柱顶端，与风速传感器连接，当风力达到八级以上时，传感器启动液压系统，自上而下的开始收起风帆，风力越大风帆的回收数量越多，直至全部回收，停止转动。当风力强风变弱时，传感器启动液压系统，依次层层开启风帆，直至全部开启。旋转柱底部有齿盘，与通向浮力舱内部的三根传动轴的齿轮相咬合，把动力传向底仓的增速齿轮盘与变速齿轮盘，旋转柱下部的齿轮盘，底部安装磁悬浮功能设备，托举整个旋转轴与风帆的全部重量，降低摩擦系数，提高风能利用率。三根传动轴在支撑柱内部的三个齿轮，与垂直传动轴咬合。

垂直传动轴的下部，与发动机的变速齿轮咬合，变速齿轮底部同样安装磁悬浮装置，托举起变速齿轮盘的全部重量，以提高风能动力的利用率。

在陆地，发电机则安在地下舱室，在海上发电机组则安装在浮台以下的舱室内。

以上各个部分形成一个传动整体，以适应不同风速下发电及闭合停止的使用状态。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.浮式高效能抗强台风风电系统，其特征是，包括浮体结构，所述浮体结构底部固定连接多个锚链，浮体结构顶部设置竖向旋转轴，所述竖向旋转轴由上至下依次设置多个半球形受风体，所述半球形受风体包括上下间隔设定距离设置的第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋，第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋均与竖向旋转轴连接，半球形风叶罩设于第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋，并与两半圆形支撑筋固定连接。

2.如权利要求1所述的风电系统，其特征是，所述第一半圆形支撑筋和第二半圆形支撑筋水平设置，两半圆形支撑筋均通过连接臂与竖向旋转轴连接。

3.如权利要求2所述的风电系统，其特征是，所述竖向旋转轴设置滑道，连接臂与滑道配合设置，连接臂可沿滑道上下移动。

4.如权利要求1所述的风电系统，其特征是，所述半球形风叶为空心结构，半球形风叶的球面朝向竖向旋转轴设置且半球形风叶设置于竖向旋转轴同一侧，半球形风叶能绕竖向旋转轴转动。

5.如权利要求4所述的风电系统，其特征是，所述半球形风叶由软性材质制成。

6.如权利要求1所述的风电系统，其特征是，所述锚链由多个链环连接而成，所述链环包括相对设置的两长C形半环，两长C形半环开口相对且通过固定连接件紧固连接。

7.如权利要求1所述的风电系统，其特征是，所述浮体结构外周设置圈式防护结构，圈式防护结构将浮体结构套设在内部。

8.如权利要求1所述的风电系统，其特征是，所述浮体结构外围设置加热结构，所述加热结构包括包覆浮体结构的壳体，壳体内设置加热组件。

9.如权利要求1所述的风电系统，其特征是，所述浮体结构为空心结构，浮体结构内设置发电机，发电机通过无级变速齿轮与竖向旋转轴连接。

10.如权利要求9所述的风电系统，其特征是，所述发电机由密封结构进行密封；所述无级变速齿轮下方设置磁悬浮盘以磁力支撑无级变速齿轮。