CN102146873A - 具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种海洋能源利用技术领域的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，包括：风力发电机组、单柱式基础、周向稳定柱、支撑结构、系泊***和固定压载***，风力发电机组固定设置于单柱式基础上，周向稳定柱固定设置于单柱式基础周围，支撑结构的两端分别与周向稳定柱和单柱式基础相连，单柱式基础的中部和底部分别与系泊***和固定压载***相连，系泊***与海底连接。本发明通过设置周向稳定柱，以较小的水线面面积获得了较大的水线面惯性矩，同时借助单柱式基础压低重心，从而既满足了稳性要求又获得了良好的水动力性能，为风力发电机组提供一个稳定、经济、灵活的浮式基础，尤其适用于外海深水区域。

Description

具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置
技术领域
本发明涉及的是一种海洋能源利用技术领域的装置，具体是一种具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置。
背景技术
随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求与日俱增。然而，常规能源由于其不可再生性，其储量正在日益减少，同时使用常规能源所产生的环境污染已经成为人类生存发展所面临的严峻挑战。目前，世界各国的相关机构都在积极开发利用可再生的清洁能源。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得海上风力发电技术成为近年来应用的热点。
我国近海风能资源预计可达7.5亿千瓦，是陆上风能资源3倍，海上风力发电场将成为未来发展的重点。然而高品质的风能资源大都集中在非浅水区域(＞30m)，如中国南海，传统的海上风力发电固定式基础已不再适用，海上浮式风力发电装置作为一种替代形式具有十分广阔的前景。
经对现有技术的文献检索发现，美国可再生能源实验室(NREL)2007年9月发布一份报告“Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbine”(NREL/CP-500-38766)中提到了三种海上浮式风机形式：1)单柱式(SPAR)，通过压载方法将重心降至浮心以下；2)张力腿式(TLP)，通过设置张力腿张力获得平台稳性；3)驳船式(BARGE)，通过设置较大的水线面面积，增大水线面惯性矩，从而获得平台稳性。以上技术均为船舶与海洋工程所采用的获得稳性的传统技术，相对比较成熟，并且都已经在海洋石油工程中得到了实际应用。但与海洋石油工程不同，风力发电以降低单位风力发电成本为目的，这就决定了其适用于风力发电的浮式基础既要满足使用要求(如浮性、稳性、抗沉性和耐波性等)，同时又具有较好的经济性能。挪威于2009年成功安装运行了一台“Hywind”单柱式风力发电装置，该风机额定功率2.3MW，采用第1)种方式获得稳性，吃水100m，排水体积5300m3，投资成本高达4亿挪威克朗。若要采用该技术实现海上大规模发电，投资成本高，经济性能差；另外该技术不适用于水深小于100m的海域，且安装技术难度高，这就需要提出一种既满足稳性要求又具有较好经济性的新型浮式基础。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，通过设置周向稳定柱，以较小的水线面面积获得了较大的水线面惯性矩，同时借助单柱式基础压低重心，从而既满足了稳性要求又获得了良好的水动力性能，为风力发电机组提供一个稳定、经济、灵活的浮式基础，尤其适用于外海深水区域。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：风力发电机组、单柱式基础、周向稳定柱、支撑结构、系泊***和固定压载***，其中：风力发电机组固定设置于单柱式基础上，周向稳定柱固定设置于单柱式基础周围，支撑结构的两端分别与周向稳定柱和单柱式基础相连，单柱式基础的中部和底部分别与系泊***和固定压载***相连，系泊***与海底连接。
所述的单柱式基础为圆柱结构，其底部与固定压载***相连以降低***重心且中部和系泊***相连接以限制所述单柱式海上风力发电装置的六自由度运动。
所述的周向稳定柱为圆柱结构，其个数大于等于3且每根周向稳定柱的中轴线与单柱式基础的中轴线的垂直距离相同。
所述的周向稳定柱内设有主动压载***。
所述的周向稳定柱底部设有垂荡板结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)单柱式基础通过在底部设置压载***，从而有效的降低了***重心，提高了***的稳性；2)周向稳定柱设置于单柱式基础为中心的圆周上，以较小的水线面面积获得了较大的水线面惯性矩，从而提高了***稳性又获得了良好的水动力性能；3)周向稳定柱内部设置有主动压载***，以实现快速***浮态调节；4)周向稳定柱底部设置有垂荡板结构，有效增大***的垂荡、纵摇和横摇运动阻尼，从而获得良好的水动力性能；5)通过设置周向稳定柱有效的提高了***的抗沉性能，从而实现了对单柱式基础和风力发电机组的保护；6)所提供的浮式基础不仅适用于水平轴式风力发电机组，同时适用于垂直轴式风力发电机组；7)通过设置周向稳定柱，提高了***的浮心位置，因此增强了水深适应性。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的侧视图。
图4是本发明的俯视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：风力发电机组1、单柱式基础2、周向稳定柱3、横撑结构4、斜撑结构5、系泊***6和固定压载***7，其中：风力发电机组1固定设置于单柱式基础2上，周向稳定柱3固定设置于单柱式基础2周围，横撑结构4和斜撑结构5分别与周向稳定柱3和单柱式基础2相连，单柱式基础2的中部和底部分别与系泊***6和固定压载***7相连，系泊***6与海底连接。
所述的风力发电机组1为水平轴或垂直轴式风力发电机组1。
所述的单柱式基础2为圆柱结构，其底部与固定压载***7相连以降低***重心且中部和系泊***6相连接以限制所述单柱式海上风力发电装置的六自由度运动。
所述的周向稳定柱3为圆柱结构，其个数等于5且每根周向稳定柱3的中轴线与单柱式基础2的中轴线的垂直距离相同。
所述的固定压载***7采用高密度填充物布置于单柱式基础2底部的压载舱内，可有效降低所述单柱式海上风力发电装置的重心高度，进而提高稳性。
所述的周向稳定柱3内设有主动压载***8，该主动压载***8通过压载泵组和管线根据所述单柱式海上风力发电装置的运动幅度实时地向所述周向稳定柱3内压载舱进行注水和抽水动作，以补偿所述单柱式海上风力发电装置的纵摇和横摇运动。
所述的周向稳定柱3底部设有垂荡板结构9，该垂荡板结构9为一平面板架结构，形状可为圆形或多边形，板架上可适当开孔以增大垂荡板阻尼。
所述的系泊***6为悬链式或斜拉张紧式，由系泊链10和锚11组成。
本实施例的工作过程如下：当风速低于5MW风力发电机组的切入风速3m/s时，5MW风力发电机组关闭；当风速高于5MW风力发电机组的切入风速3m/s时，5MW风力发电机组开始工作，开始发电；当风速达到或高于5MW风力发电机组的额定风速12m/s时，5MW风力发电机组达到额定功率；当风速高于5MW风力发电机组的切出风速25m/s时，5MW风力发电机组关闭。
本实施例的带周向稳定柱的单柱式5MW海上风力发电装置结合了单柱式和驳船式的优点，通过优化设置单柱式基础和5个周向稳定柱，以较小的排水体积(约3000m3)获得了较好的稳性(初稳性高12m)和抗沉性；通过在稳定柱底部设置垂荡板，增大了***的运动阻尼，从而有效减小了***的运动响应；通过设置张紧式系泊***，使得整套***的在波浪上的运动得到有效控制，从而为5MW风力发电机组提供一个相对稳定的浮式基础。

Claims (6)

1.一种具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征在于，包括：风力发电机组、单柱式基础、周向稳定柱、支撑结构、系泊***和固定压载***，其中：风力发电机组固定设置于单柱式基础上，周向稳定柱固定设置于单柱式基础周围，支撑结构的两端分别与周向稳定柱和单柱式基础相连，单柱式基础的中部和底部分别与系泊***和固定压载***相连，系泊***与海底连接。
2.根据权利要求1所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所述的风力发电机组为水平轴或垂直轴式风力发电机组。
3.根据权利要求1所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所述的单柱式基础为圆柱结构，其底部与固定压载***相连以降低***重心且中部和系泊***相连接以限制所述单柱式海上风力发电装置的六自由度运动。
4.根据上述任一权利要求所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所述的周向稳定柱为圆柱结构，其个数大于等于3且每根周向稳定柱的中轴线与单柱式基础的中轴线的垂直距离相同。
5.根据权利要求4所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所述的周向稳定柱内设有主动压载***。
6.根据权利要求4所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所述的周向稳定柱底部设有垂荡板结构。
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