CN103291546A - 调液柱阻尼控制的近海漂浮式风电机 - Google Patents

Abstract

一种海上风力发电技术领域的调液柱阻尼控制的近海漂浮式风电机，包括：风电机、支撑风电机的张力腿平台和系泊机构，其中：系泊机构将张力腿平台固定于海底岩土层内，张力腿平台包括：甲板平台、调液柱阻尼装置和浮体，其中：调液柱阻尼装置设置于甲板平台的内部，甲板平台的底部与浮体相连，浮体的底部与系泊机构相连；张力腿平台所受的浮力大于重力，两个力的差值由系泊机构的张力平衡，其中，张力腿平台的浮力由其排水体积乘以海水比重获得，重力由其各个分项的重量加和计算得到。本发明风电机***整体运动幅值小、局部构件振动强度低并且结构部件疲劳寿命长。

Description

调液柱阻尼控制的近海漂浮式风电机

技术领域

本发明涉及的是一种海上风力发电技术领域的装置，具体是一种调液柱阻尼控制的近海漂浮式风电机。

背景技术

风电是一种清洁、绿色的可再生能源，但用于安装陆上风电机的陆地资源正变得越来越紧缺，近海区域面积辽阔、风速高且稳定，因而近年来人们日益加快了海上风电开发的步伐，而且近海风电开发正逐步由浅水区域（水深0-20米）和过渡区域（水深20-50米）向深水区域（水深50-300米）发展。虽然这些近海区域的风力能提供很高的功率密度值，但是这些区域的环境条件经常会对近海风电机施加很大的风载荷和浪载荷，进而会引起近海风电机产生很大的整体运动幅值和局部构件振动。目前世界上仅有两台已建成了的近海浮式风电机，即“Hywind”筒形平台浮式风电机和“WindFloat”半潜式平台浮式风电机。为改善这两台近海浮式风电机的整体运动性能，人们采取如下的措施：给“Hywind”筒形平台浮式风电机装备了一套3锚线的系泊***以限制整个***的六自由度运动；在筒形平台底舱加装了一定数量的固体混凝土压载，以使得整个***的重心位于浮心之下，以便改善其稳性。但即使采取了以上措施，“Hywind”浮式风电机在实际风浪中仍然会产生很大的横摇、纵摇和垂荡等运动，其局部构件也会产生很大的振动。为改善“WindFloat”半潜式平台浮式风电机的运动性能，人们也为其加装了常规式的4锚线悬链式锚泊***，同时“WindFloat”***的主体是一个大水线面的半潜式平台，目的是通过增大水线面惯性矩来提高整个漂浮***的稳性，但模型试验显示“WindFloat”***在一百年一遇风浪中的纵荡运动极值仍可达到14.77米，垂荡运动极值仍可达到5.78米，可见有必要设计开发新型的近海风电机，以便能够进一步降低近海风电机的整体运动幅值和局部振动强度。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102146890，公开日2011-08-10，记载了一种用于深海的系泊浮式风能波浪能联合发电平台，包括：风机、支撑平台和系泊***，其中：风机与支撑平台固定连接，支撑平台漂浮于水面并与系泊***的一端固定相连，系泊***的另一端固定设置于海底，所述的支撑平台包括：浮体、叶轮、传动装置、波浪能发电机与输电装置，其中：叶轮、传动装置、波浪能发电机与输电装置分别设置于浮体内，传动装置的两端分别与叶轮和发电机相连，发电机与输电装置相连，传动装置和叶轮位于水平面以下。但该技术在实际风浪中仍然会产生很大的横摇、纵摇、横荡、纵荡和垂荡等运动，其局部构件也会产生很大的振动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种调液柱阻尼控制的近海漂浮式风电机，使得风电机***整体运动幅值小、局部构件振动强度低并且结构部件疲劳寿命长。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：风电机、支撑风电机的张力腿平台和系泊机构，其中：系泊机构将张力腿平台固定于海底岩土层内。

所述的张力腿平台包括：甲板平台、调液柱阻尼装置和浮体，其中：调液柱阻尼装置设置于甲板平台的内部，甲板平台的底部与浮体相连，浮体的底部与系泊机构相连。

通过临时外加重物使得张力腿平台所受的浮力大于自身重力，且两者之差通过系泊机构的张力平衡，其中：张力腿平台的浮力由其排水体积乘以海水比重获得，重力由其各个分项的重量加和计算得到。

所述的调液柱阻尼装置为内部设晃荡液柱形成简谐振荡的阻尼装置，根据理论力学的原理，该液柱的圆频率由公式

来计算，其中L为液柱的总长度，g为重力加速度，通过调整液柱的总长度L来调整该调液柱阻尼装置的频率以便使其与预先计算的风电机的运动频率一致。当风电机向一个方向运动时，由于重力的作用和滞后效应调液柱阻尼装置的内部液柱将沿与风电机运动相反的方向晃荡。

调液柱阻尼器和风电机之间便产生了反向共振，这可降低整个***的振幅，并提高***各部件的疲劳寿命。

所述的浮体包括：相互连接的长方体浮箱和半圆形浮箱，其中：长方体浮箱与甲板平台相连，半圆形浮箱与系泊机构相连。

所述的长方体浮箱内充空气。

所述的半圆形浮箱内充空气。

所述的系泊机构包括：锚桩和连接锚桩与浮体的系缆腱。

所述的风电机包括：叶片、机舱、轮毂和塔筒，其中：塔筒的底部与甲板平台相连，顶部连接机舱，叶片设置于轮毂上；

机舱包括：依次连接的低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机，其中：低速轴由叶片驱动。

所述的风电机的发电功率与风速的三次方成正比，具体是，在时间t内通过风电机的叶片尖点运动轨际圆的假想面积A的总风能是：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\frac{1}{2}\left(\mathrm{Avt\ρ}\right)v^2=\frac{1}{2}{\mathrm{At\ρv}}^3,$ $P=\frac{E}{t}=\frac{1}{2}{\mathrm{A\ρv}}^3.,$ 其中，ρ是空气密度，v是风速，P为发电功率。

本发明与现有技术相比，具有整个***运动幅值小、稳性好、***各部件的振动幅值小、风电机***各部件的疲劳寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：风电机、支撑风电机的张力腿平台和系泊机构，其中：系泊机构将张力腿平台固定于海底岩土层内，张力腿平台包括：甲板平台8、调液柱阻尼装置7和浮体，其中：调液柱阻尼装置7设置于甲板平台8的内部，甲板平台8的底部与浮体相连，浮体的底部与系泊机构相连。

所述的张力腿平台的浮力由张力腿平台的排水体积乘以海水比重获得；张力腿平台的重力由平台的各个分项的重量加和计算得到；根据牛顿第二定律，张力腿平台在海面上平衡时重力和浮力相等，则将漂浮于某一吃水深度T上；当采用临时外加重物的方式人为将张力腿平台设为在高于吃水深度T的水线处平衡，可以使得张力腿平台的排水体积将增大，即浮力将大于除外加重物以外的重力，二者的差值将由系泊机构的张力来平衡。

张力腿平台的所受浮力大于重力使得整个***一直处于绷紧状态，这样便可消除***在风浪作用下的垂荡运动，同时也可大大降低整个***在风浪作用下的横荡、纵荡、横摇和纵摇等运动，这可有效地保护工作状态下正在旋转的风电机。

所述的调液柱阻尼装置7的内部液柱的晃荡为简谐振荡，根据理论力学的原理该液柱晃荡的圆频率由公式来计算，其中L为液柱的总长度，g为重力加速度，这样在设计时便可通过调整液柱的总长度L来调整该调液柱阻尼装置的频率以便使其与预先已计算好了的风电机的运动频率一致。当风电机向一个方向运动时，由于重力的作用和滞后效应调液柱阻尼装置的内部液柱将沿与风电机运动相反的方向晃荡。可见所述的调液柱阻尼装置7的内部液柱的晃荡频率等于风电机的运动频率，但液柱的晃荡方向与风电机的运动方向相反

调液柱阻尼器和风电机之间便产生了反向共振，这可降低整个***的振幅，并提高***各部件的疲劳寿命。

所述的浮体包括：相互连接的长方体浮箱4和半圆形浮箱3，其中：长方体浮箱4与甲板平台8相连，半圆形浮箱3与系泊机构相连。

长方体浮箱4与甲板平台8之间由相互连接的垫肩6和楔形结构体5相连。

所述的长方体浮箱4的结构参数：长×宽×高=60m×10m×22.5m；

所述的半圆形浮箱3的结构参数：长60m,半径5m；

所述的甲板平台8的结构技术参数：长×宽×高=60m×60m×10m；

所述的系泊机构包括：锚桩1和连接锚桩1与浮体的系缆腱2。

所述的风电机包括：叶片12、机舱10、轮毂11和塔筒9，其中：塔筒9的底部与甲板平台8相连，顶部连接机舱10，叶片12设置于轮毂11上；

机舱10包括：依次连接的低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机，其中：低速轴由叶片驱动。

近海海域海面上的紊流风风速高且稳定，风力强，由于风电机的发电功率与风速的三次方成正比，在时间t内通过叶片12尖点运动轨际圆的假想面积A的总风能是：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\frac{1}{2}\left(\mathrm{Avt\ρ}\right)v^2=\frac{1}{2}{\mathrm{At\ρv}}^3,$

其中ρ是空气密度，v是风速。发电功率为：

$P=\frac{E}{t}=\frac{1}{2}{\mathrm{A\ρv}}^3.$

可见发电功率与风速的三次方成正比

这就大大提高了漂浮式风电机***的产电能力。紊流风驱动叶片12低速旋转，叶片12带动发电机舱10内的一根低速轴低速旋转，该低速轴与发电机舱10内的一只齿轮箱相联接，该齿轮箱的作用是将低速轴的转动转化为驱动一根高速轴转动，该高速轴带动发电机舱10内的一台发电机发电。该漂浮式风电机***通过海底电缆与陆上电网相联，所发出的电能被输送到沿岸的用电单位。

本实施例具有三只叶片12，叶片12转动直径为130米，水平轴式。发电机功率为6MW，轮毂11距海平面的高度为92米。

Claims (7)

1.一种调液柱阻尼控制的近海漂浮式风电机，其特征在于，包括：风电机、支撑风电机的张力腿平台和系泊机构，其中：系泊机构将张力腿平台固定于海底岩土层内；

所述的张力腿平台包括：甲板平台、调液柱阻尼装置和浮体，其中：调液柱阻尼装置设置于甲板平台的内部，甲板平台的底部与浮体相连，浮体的底部与系泊机构相连；

通过临时外加重物使得张力腿平台所受的浮力大于自身重力，且两者之差通过系泊机构的张力平衡。

2.根据权利要求1所述的风电机，其特征是，所述的调液柱阻尼装置为内部设晃荡液柱形成简谐振荡的阻尼装置，该液柱的圆频率由公式

来计算，其中L为液柱的总长度，g为重力加速度，通过调整液柱的总长度L来调整该调液柱阻尼装置的频率以便使其与预先计算的风电机的运动频率一致。

3.根据权利要求1或2所述的风电机，其特征是，所述的浮体包括：相互连接的长方体浮箱和半圆形浮箱，其中：长方体浮箱与甲板平台相连，半圆形浮箱与系泊机构相连。

4.根据权利要求3所述的风电机，其特征是，所述的长方体浮箱和半圆形浮箱内均充空气。

5.根据权利要求3所述的风电机，其特征是，所述的系泊机构包括：锚桩和连接锚桩与浮体的系缆腱。

6.根据权利要求3所述的风电机，其特征是，所述的风电机包括：叶片、机舱、轮毂和塔筒，其中：塔筒的底部与甲板平台相连，顶部连接机舱，叶片设置于轮毂上；

所述的机舱包括：依次连接的低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机，其中：低速轴由叶片驱动。

7.根据权利要求6所述的风电机，其特征是，所述的风电机的发电功率与风速的三次方成正比，具体是，在时间t内通过风电机的叶片尖点运动轨际圆的假想面积A的总风能是：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\frac{1}{2}\left(\mathrm{Avt\ρ}\right)v^2=\frac{1}{2}{\mathrm{At\ρv}}^3,$ $P=\frac{E}{t}=\frac{1}{2}{\mathrm{A\ρv}}^3.,$ 其中，ρ是空气密度，v是风速，P为发电功率。

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