CN211874639U - 一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，包括混凝土浮式基础、浮筒、绞线、单点系泊转塔装置、塔架、机舱和风轮，所述呈Y型的塔架设于混凝土浮式基础的中心处，塔架的两个分支各安装一组机舱和风轮，混凝土浮式基础包括三个支腿，支腿为中空结构，每个支腿的端部分别与一个浮筒连接，浮筒与支腿之间保持倾斜，浮筒的上部通过绞线连接到机舱，混凝土浮式基础的底部设有单点系泊转塔装置。

Description

一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及海上风电技术领域，特别涉及一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电机装置。

背景技术

现代随着陆上风电的不断开发，优质的风资源逐渐减少，海上风电的开发有着巨大的潜力，并且沿海地区经济发达，能源需求量大，因此发展海上风电是必然趋势。目前海上风机一般采用固定式基础，基础的打桩、建造、运输和吊装的费用高昂；相比浮式风机整体安装和运输，建造安装费用低。在机组容量越来越大、近岸资源越来越少的情况下，海上风电从近海走向远海、从浅海走向深海，是风电行业发展的必然趋势。

为保证风机在工作过程中捕获最大风速，需要使风轮方向始终对风，从而提升发电效率。为了使风轮时刻正对稳定的风向，通常采用偏航系统作为风力发电机组子系统，对风轮的方位进行调整，使风机保持正对风向以捕获最大的风能。偏航系统的使用，属于主动对风的调节方式。然而偏航系统一般安装在塔柱顶端，海上的自然环境恶劣，空气湿润，腐蚀性高，容易腐蚀风机的钢结构，损坏偏航系统，增大维护成本与维修难度。同时，顶端的偏航系统会增加风机整体重心高度，稳性变差，不利于海上浮式风机的安全作业。最后，当面临台风等恶劣外部环境条件时，风机自身电力供应系统可能遭到破坏，致使风机不能主动偏航对风；在某些偏航角下风机叶片及主机载荷会急剧增加，甚至可能发生失效。若风机具有自动偏航的能力则可以有效解决这一问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，该装置结构简单，建造成本低，建造场地不受限，可适用在浅水，也可适用于深水中。

本实用新型的技术方案为：一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，包括浮式基础、浮筒、绞线、单点系泊转塔装置、塔架、机舱和风轮，所述呈Y型的塔架设于浮式基础的中心处，塔架的两个分支各安装一组机舱和风轮，浮式基础包括三个呈Y型连接的支腿，支腿为中空结构，每个支腿的端部分别与一个浮筒连接，浮筒的上部通过绞线连接到机舱，浮式基础的底部设有单点系泊转塔装置。其中，风机正常运行时，浮式基础的中空部分灌入压载水，增加浮式基础重量，降低风机重心，提高浮体稳性；提供浮力的浮筒与塔架之间通过张紧的绞线连接能够增强塔架的结构强度，浮式基础可绕单点系泊转塔装置任意角度旋转，从而实现浮式风机的整体被动偏航。

所述浮式基础采用混凝土材质制成，三个支腿中包括两个短支腿和一个长支腿。其中，塔架安装于浮式基础的三个支腿的连接点，单点系泊转塔装置安装于长支腿的端部下方，对风时，长支腿位于逆风方向上。

所述塔架具有气动翼型截面，所述翼型的弦向与机舱的轴向平行。

所述风轮为下风向风轮。其中，正常发电时，风轮处于塔架的下风向位置。

所述单点系泊转塔装置包括转塔、多条系泊缆和拖曳锚，系泊缆的两端分别与转塔和拖曳锚连接，拖曳锚与海底连接。其中，浮式基础绕着转塔旋转，最终稳定在来源风向的方向上，使得风机随环境载荷方向调节风机方向，具有对风的性能，提高浮式风机的发电效率，省去了风机上部的偏航系统，从而降低了风机的维修难度与保养成本。

所述转塔包括外壳和连接中心件，连接中心件安装于外壳下方，连接中心件相对外壳以任意角度旋转。其中，转塔的顶部与浮式基础的长支腿连接，浮式基础可以随风向变化，实现被动偏航控制。

所述连接中心件通过滚柱轴承与外壳连接。其中，采用这种结构，可以实现浮式基础绕连接中心件无限次360°旋转。

所述系泊缆采用合成纤维、钢丝绳和铁链中的一种或多种的组合方式。

所述系泊缆的系泊方式为悬链线或张紧式。

所述浮式基础的支腿包括多个混凝土模块，混凝土模块壁内预埋钢筋且穿插多条波纹管，钢丝绳穿过波纹管内将各混凝土模块依次连接，所述混凝土模块为中空结构，混凝土模块的横截面为椭圆形、平椭形、圆形或三角形。其中，每个混凝土模块的形状和大小相同，可批量生产，缩短建造周期，简化建造工艺，多个混凝土模块组合成支腿，依据浮力大小确定混凝土模块的数量。

上述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，有三种机制可保障风机的偏航对风：其一，当风向变化时，由于两个风轮均为下风向风轮，同时有风轮锥角的存在，针对其中任一风轮，沿风向靠近来流的一侧的叶片垂直来流的受风面积大，远离来流一侧的叶片垂直来流的受风面积小，造成两侧叶片的推力不均衡，进而产生了驱动风轮对风的绕轮毂中心垂直轴线的偏航力，两个风轮所受偏航力矩叠加通过塔架最终传递到浮式基础上，驱动浮式基础绕转塔旋转实现偏航对风；其二，由于左右两个风轮对应的支撑塔架设计为空气动力学轮廓，当风向变化时，会产生沿风向方向作用在塔架上的风阻力，由于基座沿风向长支腿长度较长，该风阻力相对塔架系泊连接点具有较大力臂，因此风阻力会产生相对转塔的偏航力矩，最终作用在浮式基础上实现偏航对风；其三，当由于湍流较大导致两个风轮推力不均衡，进而引起偏航误差时，上述两种机制可能不足以达到足够的偏航对风效果，可通过施加控制作用，通过调整左右两侧风轮桨距角，产生左右两侧风轮推力差，进而驱动浮式基础偏航对风。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：

本海上风力发电装置的浮式基础利用双风轮偏航对风原理，同时配合单点系泊转塔装置，使浮式基础能绕单点自由转动，从而有效的减小风浪流的作用力，系泊缆的尺度也相应的减小，从而降低成本。

本海上风力发电装置的浮式基础利用双风轮偏航对风原理，同时配合单点系泊转塔装置，使浮式风机具有被动偏航控制能力，在风向发生改变的情况下，无需通过偏航系统辅助，自动调整风机方位，保证风轮的对风性，从而提高浮式风机的发电效率。

本海上风力发电装置在台风工况下风机失去电源供应时，机组仍能自动偏航而保持叶片、机舱和塔筒所受载荷最小。

本海上风力发电装置的单点系泊转塔装置，可以根据浮式风机作业水深的不同，可以选取不同系泊方式，包括悬链线或张紧式，使浮式风机的作业海域灵活，具有很强的适应能力；如果浮式基础采用张紧式系泊系统，能够节约材料成本，减少海域占有面积，使深海风电建设成本大大降低，经济实用。

附图说明

图1为本可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置的结构示意图。

图2为第一种被动偏航对风机制。

图3为第一种被动偏航对风机制的另一情况。

图4为第二种被动偏航对风机制。

图5为第三种偏航对风机制。

图6为浮式基础的支腿的截面示意图。

图7为单点系泊转塔装置的结构示意图。

其中，图中所示，1为浮式基础、2为浮筒、3为绞线、4为单点系泊转塔装置、5为系泊缆、6为拖曳锚、7为塔架、8为机舱、9为风轮、10为转塔。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，如图1所示，包括混凝土材质的浮式基础1、浮筒2、钢制的绞线3、单点系泊转塔装置4、塔架7、机舱8和风轮9，所述呈Y型的塔架设于浮式基础的中心处，塔架的两个分支各安装一组机舱和风轮，浮式基础包括三个呈Y型连接的支腿，支腿为中空结构，每个支腿的端部分别与一个浮筒连接，浮筒与支腿之间保持倾斜，浮筒的上部通过绞线连接到机舱，浮式基础的底部设有单点系泊转塔装置。其中，风机正常运行时，浮式基础的中空部分灌入压载水，增加浮式基础重量，降低风机重心，提高浮体稳性；提供浮力的浮筒与塔架之间通过张紧的绞线连接能够增强塔架的结构强度，浮式基础可绕单点系泊转塔装置任意角度旋转，从而实现浮式风机的整体被动偏航。浮筒与支腿之间的倾斜角度为45度，在浮筒顶端延伸出的绞线，斜拉到塔架上，以加强塔架强度。

所述浮式基础的三个支腿呈Y型连接，三个支腿中包括两个短支腿和一个长支腿。其中，塔架安装于浮式基础的三个支腿的连接点，单点系泊转塔装置安装于长支腿的端部下方，对风时，长支腿位于逆风方向上。

所述塔架具有气动翼型截面，所述翼型的弦向与机舱的轴向平行。

所述风轮为下风向风轮。其中，正常发电时，风轮处于塔架的下风向位置。

如图7所示，所述单点系泊转塔装置包括转塔10、多条系泊缆5和拖曳锚6，系泊缆的两端分别与转塔和拖曳锚连接，拖曳锚与海底连接。其中，浮式基础绕着转塔旋转，最终稳定在来源风向的方向上，使得风机随环境载荷方向调节风机方向，具有对风的性能，提高浮式风机的发电效率，省去了风机上部的偏航系统，从而降低了风机的维修难度与保养成本。浮式基础下方设有容纳转塔的凹位。

所述转塔包括外壳和连接中心件，连接中心件安装于外壳下方，连接中心件相对外壳以任意角度旋转。其中，转塔的顶部与浮式基础的长支腿连接，浮式基础可以随风向变化，实现被动偏航控制。

所述连接中心件通过滚柱轴承与外壳连接。其中，采用这种结构，可以实现浮式基础绕连接中心件无限次360°旋转。

所述系泊缆采用合成纤维、钢丝绳和铁链中的一种或多种的组合方式。

所述系泊缆的系泊方式为悬链线或张紧式，使用6根系泊缆，根据水深的不同确定系泊半径，将各系泊缆的一端呈辐射式系泊在海底。

所述浮式基础的支腿包括多个混凝土模块，混凝土模块壁内预埋钢筋且穿插多条波纹管，钢丝绳穿过波纹管内将各混凝土模块依次连接，所述混凝土模块为中空结构，如图6所示，混凝土模块的横截面为平椭形。其中，每个混凝土模块的形状和大小相同，可批量生产，缩短建造周期，简化建造工艺，多个混凝土模块组合成支腿，依据浮力大小确定混凝土模块的数量。

上述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，有三种机制可保障风机的偏航对风：其一，当风向变化时，由于两个风轮均为下风向风轮，同时有风轮锥角的存在，针对其中任一风轮，沿风向靠近来流的一侧的叶片垂直来流的受风面积大，远离来流一侧的叶片垂直来流的受风面积小，造成两侧叶片的推力不均衡，进而产生了驱动风轮对风的绕轮毂中心垂直轴线的偏航力，两个风轮所受偏航力矩叠加通过塔架最终传递到浮式基础上，驱动浮式基础绕转塔旋转实现偏航对风；其二，由于左右两个风轮对应的支撑塔架设计为空气动力学轮廓，当风向变化时，会产生沿风向方向作用在塔架上的风阻力，由于基座沿风向长支腿长度较长，该风阻力相对塔架系泊连接点具有较大力臂，因此风阻力会产生相对转塔的偏航力矩，最终作用在浮式基础上实现偏航对风；其三，当由于湍流较大导致两个风轮推力不均衡，进而引起偏航误差时，上述两种机制可能不足以达到足够的偏航对风效果，可通过施加控制作用，通过调整左右两侧风轮桨距角，产生左右两侧风轮推力差，进而驱动浮式基础偏航对风。

本实施例中，搭载两个5.0MW的发电舱，浮式基础的长支腿的长度为60米，两个短支腿的长度为50米。混凝土模块的横截面长8米，宽4米，壁厚0.3米，支腿与浮筒之间采用焊接件连接，浮筒的直径根据所需提供的浮力核算，本案例中直径采用8米。

当风机正常运行在平衡状态时，两风轮平面与风向垂直，如图2所示。当风向发生如图3所示方向变化时，由于风轮锥角的存在，风轮左半平面迎风面积增大，气动推力F₁增大；右半平面迎风面积减小，气动推力F₂减小；从而相对约束点，即图示单点系泊点产生一个逆时针的扭矩，驱动漂浮式风机逆时针转动进而实现对风。

与此同时，来流会在两个气动翼型截面的塔架上产生如图4所示气动力F_aero，同样驱使漂浮式风机逆时针转动实现对风。当由于湍流较大，上述两种偏航对风机制不足以迅速实现对风时，控制系统可启用主动偏航对风机制：如图5所示，即通过主动变桨控制，使左侧风轮推力F_thrust1大于右侧风轮推力F_thrust2，相对系泊点产生一个逆时针的扭矩，进而驱动浮式基础偏航对风。

如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，包括浮式基础、浮筒、绞线、单点系泊转塔装置、塔架、机舱和风轮，所述呈Y型的塔架设于浮式基础的中心处，塔架的两个分支各安装一组机舱和风轮，浮式基础包括三个呈Y型连接的支腿，支腿为中空结构，每个支腿的端部分别与一个浮筒连接，浮筒的上部通过绞线连接到机舱，浮式基础的底部设有单点系泊转塔装置。

2.根据权利要求1所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述浮式基础采用混凝土材质制成，三个支腿中包括两个短支腿和一个长支腿。

3.根据权利要求1所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述塔架具有气动翼型截面，所述翼型的弦向与机舱的轴向平行。

4.根据权利要求1所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述风轮为下风向风轮。

5.根据权利要求1所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述单点系泊转塔装置包括转塔、多条系泊缆和拖曳锚，系泊缆的两端分别与转塔和拖曳锚连接，拖曳锚与海底连接。

6.根据权利要求5所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述转塔包括外壳和连接中心件，连接中心件安装于外壳下方，连接中心件相对外壳以任意角度旋转。

7.根据权利要求6所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述连接中心件通过滚柱轴承与外壳连接。

8.根据权利要求5所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述系泊缆采用合成纤维、钢丝绳和铁链中的一种或多种的组合方式。

9.根据权利要求5所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述系泊缆的系泊方式为悬链线或张紧式。

10.根据权利要求1所述一种可被动偏航的双风轮漂浮式海上风力发电装置，其特征在于，所述浮式基础的支腿包括多个混凝土模块，混凝土模块壁内预埋钢筋且穿插多条波纹管，钢丝绳穿过波纹管内将各混凝土模块依次连接，所述混凝土模块为中空结构，混凝土模块的横截面为椭圆形、平椭形、圆形或三角形。

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