CN115523099A - 一种菱形多风轮基本单元及菱形结构模块化多风轮风电机组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种菱形多风轮基本单元及菱形结构模块化多风轮风电机组,以菱形多风轮结构为基本单元构成多风轮风电机组,包括菱形多风轮基本单元、由1‑6组菱形多风轮基本单元构成多风轮风电机组的拓展布局方法、单个菱形多风轮基本单元内部的支撑连接结构、多个菱形多风轮基本单元之间的支撑连接结构、多风轮风电机组整体的支撑结构以及多风轮风电机组整体的偏航、变桨控制方法。以菱形结构作为基本单元,按照所述的规则进行拓展,实现多风轮风电机组的模块化整体布局;通过多风轮风电机组及其控制,面向超大功率风电机组应用场景,实现降低整机和部件尺寸与重量、降低重心、优化载荷、提升制造运输安装便利性等优势。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域,具体涉及一种菱形多风轮基本单元及菱形结构模块化多风轮风电机组。
背景技术
近年来风电机组单机容量持续快速增大,海上风电开发速度明显加快,从近海加快向深远海发展。常规风电机组通常采用单机、下风向、三叶片、塔架结构,目前国际上已实现运行的最大风电机组单机容量已达到12MW,叶片长度100米以上,未来随着单机容量的进一步增大,单机重量、尺寸将进一步增大,而容量增大带来的发电量提升则慢于重量的提升,且重心高,在海上稳定运行的难度增大,设计、制造、安装、维护难度大,使得大型化带来的成本优势难以为继。
文章《multi-rotors,a solution to 20MW and beyond》(《20MW及以上的多风轮风电机组方法》)(2012年)研究提出了一种20MW多风轮风电机组的排布方式,由45台444kW的风电机组构成,分布在6层支撑结构上,最下面1层包括6台机组,向上依次包括7、8、9、8、7台风电机组。文章《Different options for multi-rotor wind turbine gridconnection》(《多风轮风电机组的不同并网结构》)(2018)研究提出了一种21MW多风轮风电机组的排布方式及其并网接入拓扑结构,由7台3MW的风电机组构成,其中6台呈六边形分布,六边形中心处分布另1台风电机组。以上文章面向20MW级场景提出了多风轮风电机组的结构方式,但是布局思路相对简单,且并未体现模块化思路。
中国发明申请CN201110241037公开了一种能自动对风的多转子风力发电***,可包括风力机为2-100个,分布在框架结构的多个梁上,框架两侧的梁的长度不相等,较长的梁上设置的风力机的数量比较短的梁上风力机的数量多。这种多风轮风电***结构存在塔架两侧不对称问题,功率等级相对小情况下可能实现,且并未给出排布的方法。PCT申请CN201780025670公开了一种具有多个转子的风力涡轮机***,具有安装到支撑结构的若干个风力机模块,具体包括4个转子,2个为一组对称分布在2个横梁上。PCT申请CN201680073884公开了一种风力发电站和多转子风轮机***,在PCT申请CN201780025670的基础上,进一步以2个转子为一组结合一定的框架结构通过多组拓展至风电站。上述多风轮结构主要以2个小机组为基本单元,主要研究了4叶轮机组的结构。
发明内容
为了解决现有多风轮风电机组技术中叶轮排布方法相对简单、未能充分体现模块化布局思路等问题,本发明提出一种菱形多风轮基本单元及菱形结构模块化多风轮风电机组,以菱形多风轮结构为基本单元进行拓展构成多风轮风电机组,实现了多风轮风电机组的模块化整体布局,通过多风轮风电机组及其控制,可降低整机和部件尺寸与重量、降低重心、优化载荷、提升制造运输安装便利性。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种菱形多风轮基本单元,包括呈菱形的桁架式支撑结构、分布在呈菱形的桁架式支撑结构的四个角的4台风电机组、连接所述桁架式支撑结构与单台所述风电机组的支撑/固定模块;所述支撑/固定模块为单台所述风电机组的机舱底部设置的连接模块,用于不同的单台所述风电机组的所述桁架式支撑结构互相连接,并且对单台所述风电机组形成有效的支撑和固定;所述桁架式支撑结构包括桁架梁。
进一步地,所述菱形多风轮基本单元的各风电机组功率等级且规格一致;或者功率等级不同,根据实际的空气动力学特性、载荷特性进行优化选择。
进一步地,所述连接模块由桁架连接单元组成;所述桁架连接单元为角钢和钢板焊接而成矩形的承重单元,所述桁架连接单元之间通过铰链连接;所述连接模块在机舱底部呈十字状固定,十字的中心在机舱重心竖直线上,以更好的对所述风电机组形成整体支撑,并且通过所述铰链可向左右两个方向延展所述桁架式支撑结构。
进一步地,在所述菱形的节点处,所述桁架梁与单台所述风电机组的连接模块相连接,形成支撑;并且,从上向下连接时,所述桁架梁与单台所述风电机组的机舱间采用螺栓加紧连接;处于菱形的锐角处的不同所述桁架梁的夹角根处设有支撑连接件。
本发明还包括一种菱形结构模块化多风轮风电机组,其由1-6组所述菱形多风轮基本单元构成;由多组所述菱形多风轮基本单元按照一定的排布规则构成所述菱形结构模块化多风轮风电机组;所述菱形多风轮基本单元之间通过桁架梁连接,不同的所述菱形多风轮基本单元的单台风电机组之间采用抗弯强的桁架梁连接以形成连接支撑结构;当所述菱形多风轮基本单元超过一个时,设置加固整体支撑结构;所述加固整体支撑结构整体呈三角形,顶端两侧的桁架梁的上部均与所述塔架处中心的单台风电机组通过所述连接模块相连接,下部分别与左右两侧的单台风电机组通过所述连接模块连接,并且底端水平横梁与所述塔架的偏航支撑模块和左右两侧的单台风电机组相连接;所述偏航支撑模块固定于塔架基础下方,由回转轴承和回转支撑连接件组成。
进一步地,所述菱形的角度根据所述菱形结构模块化多风轮风电机组的空气动力学特性、重心、结构选择设定,所述菱形多风轮基本单元的各单台所述风电机组之间的距离根据所述菱形结构模块化多风轮机组的空气动力学特性选择设定。
进一步地,所述的一定的排布规则,包括:
由1组所述菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,由2组所述菱形多风轮基本单元水平方向对称布局构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在2组所述菱形多风轮基本单元对称布局的基础上,在所述2组菱形多风轮基本单元中部上方增加1组菱形多风轮基本单元,通过3组菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在3组菱形多风轮基本单元的基础上,在中间1组所述菱形多风轮基本单元和左侧1组所述菱形多风轮基本单元的桁架梁延长线的方向增加1组菱形多风轮基本单元,在中间1组菱形多风轮基本单元和右侧1组菱形多风轮基本单元桁架梁延长线的方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过5组菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在5组所述菱形多风轮基本单元对称布局的基础上,在中部2组菱形多风轮基本单元的上方桁架梁延长线方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过6组菱形多风轮基本单元构成1台多风轮风电机组。
进一步地,根据所述菱形结构模块化多风轮风电机组的结构布局、整体平衡、重心和支撑连接及所述菱形多风轮基本单元的结构进行拓展。
进一步地,基于所述的菱形结构模块化多风轮风电机组整体的支撑结构,并通过用于塔架与中心处风电机组连接的偏航模块以及用于加固所述桁架梁与塔架之间连接的偏航模块,进行整体偏航;多组所述菱形多风轮基本单元内部的单台所述风电机组单独变桨。
进一步地,所述菱形结构模块化多风轮风电机组的整体偏航功能通过左右两侧不同的所述菱形多风轮基本单元及其内部单台所述风电机组之间的功率配合辅助实现。
本发明至少具有以下有益效果:
(1)本发明采用菱形结构模块化的思想,提出以菱形多风轮结构为基本单元的多风轮风电机组模块化排布思路,通过4台分布在菱形多风轮结构4个角的风电机组构成1个菱形基本单元,设计最优的菱形结构角度、不同风电机组之间的距离。
(2)本发明的模块化拓展及考虑的各项因素包括以菱形多风轮结构为基本单元实现多风轮风电机组拓展排布,结合一定的排布规则,综合考虑发电效率、重心及平衡、支撑连接结构等因素,根据整机目标功率等级及应用场景设计合理的多个菱形结构基本单元组合方案。
(3)本发明的多风轮风电机组的优势在于多风轮风电机组通过多台功率相对较小的风电机组组合形成超大型风电机组,可以避免常规路线下超大型风电机组整机的部件尺寸、重量过大的问题,可以极大地缓解大型装备和部件设计、制造、运输、安装与维护难度大的问题,同时多风轮风电机组可以一定程度上提升整体发电量、降低重心和整理重量,从而使得整机成本下降,能够面向未来海上风电单机容量不断增大和成本尽快平价、低价的需求提供新型的解决方案。
附图说明
图1为本发明所述的菱形多风轮基本单元结构示意图;
图2为本发明所述的由1组菱形多风轮基本单元构成多风轮风电机组的结构示意图;
图3为本发明所述的由3组菱形多风轮基本单元构成多风轮风电机组的结构示意图;
图4为本发明所述的由5组菱形多风轮基本单元构成多风轮风电机组的结构示意图;
图5(a),图5(b),图5(c),图5(d)为本发明所述的多风轮风电机组连接模块、桁架梁、支撑/固定模块示意图;
图6为本发明所述的多风轮风电机组偏航结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式进行说明,所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,为本发明所述的菱形多风轮基本单元,包括呈菱形的桁架式支撑结构、分布在呈菱形的桁架式支撑结构的四个角的4台风电机组、连接所述桁架式支撑结构与单台所述风电机组的支撑/固定模块;所述支撑/固定模块为单台所述风电机组的机舱底部设置的连接模块,用于不同的单台所述风电机组的所述桁架式支撑结构互相连接,并且对单台所述风电机组形成有效的支撑和固定;所述桁架式支撑结构包括桁架梁。
其中呈菱形的桁架式支撑结构,左右两角桁架梁之间的夹角优选为60°,上下角桁架梁之间的夹角优选为120°,以上夹角可结合多风轮机组的空气动力学特性、重心、结构等因素优化选择设置。
其中单台风电机组的功率等级优选为100kW-3MW,可采用成熟的现有风电机组,主要包括3叶片风轮、机舱,单台风电机组具有叶片变桨控制功能,不具备偏航控制功能。
所述桁架式支撑结构与单台风电机组之间采用所述支撑/固定模块连接;菱形多风轮基本单元内部各风电机组之间的距离可根据空气动力学特性等因素选择设定合理的数值,优选0.1-0.2D的距离,其中D为单台风电机组叶轮直径。所述菱形多风轮基本单元的各风电机组功率等级且规格一致;或者功率等级不同,根据实际的空气动力学特性、载荷特性进行优化选择。但通常选择对称分布,左右两台风电机组功率等级保持一致,上下两台风电机组功率等级保持一致;当内部风电机组功率等级有差异时,可对菱形结构夹角等进一步优化选择。
在所述菱形的节点处,所述桁架梁与单台所述风电机组的连接模块相连接,形成支撑;并且,从上向下连接时,所述桁架梁与单台所述风电机组的机舱间采用螺栓加紧连接;处于菱形的锐角处的不同所述桁架梁的夹角根处设有支撑连接件。
如图2、图3、图4所示,由1组、3组、5组图1所示的菱形多风轮基本单元构成菱形结构模块化多风轮风电机组,所述菱形多风轮基本单元之间通过桁架梁连接,该桁架梁与图1所示的菱形多风轮基本单元内部的桁架梁一致。
本发明的所述菱形结构模块化多风轮风电机组由1-6组所述菱形多风轮基本单元构成;由多组所述菱形多风轮基本单元按照一定的排布规则构成所述菱形结构模块化多风轮风电机组;所述菱形多风轮基本单元之间通过桁架梁连接,不同的所述菱形多风轮基本单元的单台风电机组之间采用抗弯强的桁架梁连接以形成连接支撑结构;当所述菱形多风轮基本单元超过一个时,设置加固整体支撑结构;所述加固整体支撑结构整体呈三角形,顶端两侧的桁架梁的上部均与所述塔架处中心的单台风电机组通过所述连接模块相连接,下部分别与左右两侧的单台风电机组通过所述连接模块连接,并且底端水平横梁与所述塔架的偏航支撑模块和左右两侧的单台风电机组相连接;所述偏航支撑模块固定于塔架基础下方,由回转轴承和回转支撑连接件组成。
所述菱形结构模块化多风轮风电机组中的菱形多风轮基本单元的排布方式为:由1组所述菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,由2组所述菱形多风轮基本单元水平方向对称布局构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在2组所述菱形多风轮基本单元对称布局的基础上,在所述2组菱形多风轮基本单元中部上方增加1组菱形多风轮基本单元,通过3组菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在3组菱形多风轮基本单元的基础上,在中间1组所述菱形多风轮基本单元和左侧1组所述菱形多风轮基本单元的桁架梁延长线的方向增加1组菱形多风轮基本单元,在中间1组菱形多风轮基本单元和右侧1组菱形多风轮基本单元桁架梁延长线的方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过5组菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在5组所述菱形多风轮基本单元对称布局的基础上,在中部2组菱形多风轮基本单元的上方桁架梁延长线方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过6组菱形多风轮基本单元构成1台多风轮风电机组。
具体地,如图2所示,由1组菱形多风轮基本单元构成1台多风轮风电机组,菱形多风轮基本单元最下方的单台风电机组与塔架连接,该风电机组与塔架之间设计实现所述菱形结构模块化多风轮机组整体偏航的偏航模块。
在图2的基础上,如图3所示,由3组菱形多风轮基本单元构成菱形结构模块化多风轮风电机组,分别在图1的菱形多风轮基本单元桁架梁延长线方向的左下方和右下方增加1组菱形多风轮基本单元,菱形多风轮基本单元之间通过桁架梁连接,该多风轮风电机组同样采用整体偏航方式。
在图3的基础上,如图4所示,由5组菱形多风轮基本单元构成多风轮风电机组,分别在图3最上方菱形多风轮基本单元桁架梁延长线方向的左上方和右上方增加1组菱形多风轮基本单元,菱形多风轮基本单元之间通过桁架梁连接,该多风轮风电机组同样采用整体偏航方式。
进一步地,在图4的基础上,可以在最上方2组菱形多风轮基本单元桁架梁延长线方向的中上部方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过6组菱形多风轮基本单元构成1台多风轮风电机组。
进一步地,所述菱形的角度根据所述菱形结构模块化多风轮风电机组的空气动力学特性、重心、结构选择设定,所述菱形多风轮基本单元的各单台所述风电机组之间的距离根据所述菱形结构模块化多风轮机组的空气动力学特性选择设定。
进一步地,可以考虑结构布局、整体平衡、重心和支撑连接等因素,以6组以上菱形多风轮结构为基本单元继续拓展。
如图5(a),图5(b),图5(c),图5(d)所示,为本发明的单台风电机组底部的连接模块、用于菱形多风轮基本单元内部的桁架梁以及与单台风电机组之间连接的支撑/固定模块、用于不同菱形多风轮基本单元之间支撑连接的桁架梁、用于加固风电机组整体支撑结构的桁架梁。
如图5(a)所示,单台风电机组的机舱底部安装有连接模块,其作用是为了不同风电机组支撑桁架互相连接,并且对风电机组形成有效的支撑;连接模块由桁架连接单元组成,桁架连接单元之间使用铰链连接,桁架连接单元由优选的角钢和钢板焊接而成矩形的承重单元;连接模块在机舱底部呈十字状固定,十字中心优选为机舱重心竖直线上,更好的对风电机组形成整体支撑,并且通过铰链可向左右两个方向延展桁架支撑结构。
如图5(b)所示,菱形多风轮基本单元内部不同风电机组间采用桁架结构连接,桁架结构由桁架连接单元组成,在菱形节点处,桁架梁与单个风电机组的连接模块相连接,形成支撑;其次,从上向下连接时,桁架梁与单个风电机组机舱间需采用螺栓加紧连接;其次,处于菱形锐角处的不同桁架梁,在不同桁架梁夹角根处设有支撑连接件。
如图5(c)所示,不同的菱形多风轮基本单元采用抗弯强的桁架结构连接,不同的菱形多风轮基本单元通过两个桁架梁形成连接支撑结构,连接规则同菱形多风轮基本单元内部桁架梁的连接规则。
如图5(d)所示,菱形多风轮基本单元超过一个,需对风电机组加固整体支撑结构;加固整体支撑结构呈三角形,顶端两侧的桁架梁与塔架处中心的单台风电机组通过连接模块相连接,底端左右两侧的桁架梁分别与左右两侧的单台风电机组通过连接模块连接,并且底端水平横梁与所述塔架的偏航支撑模块和左右两侧的单台风电机组相连接。所述偏航支撑模块固定于塔架基础下方,优选的由回转轴承和回转支撑连接件组成。
如图6所示,为本发明所述的用于多风轮风电机组整体偏航的偏航结构,该偏航结构用于所述塔架与中心处的单台风电机组连接的偏航模块以及用于加固所述菱形结构模块化多风轮风电机组整体支撑结构的桁架梁与塔架之间连接的偏航模块。
所述多风轮风电机组的整体偏航功能,可以通过左右两侧不同菱形多风轮基本单元及其内部单台机组之间的功率配合辅助实现;
所述菱形结构模块化多风轮风电机组的变桨控制功能由多组所述菱形多风轮基本单元内部的单台所述风电机组单独变桨实现。
以上所述,为本发明的基础实施方案,本领域的技术人员在此方案的基础上,可以选择以下技术手段:
优选的,所述菱形多风轮基本单元内部单台风电机组,其功率等级优选为100kW-3MW,但是不局限于该功率范围,可根据具体情况设定合适的单台风电机组功率等级。
优选的,菱形多风轮基本单元内部各机组,可以选择功率等级、规格一致,也可以选择功率等级有差异,可根据实际的空气动力学特性、载荷特性等进行优化选择。
优选的,所述多风轮风电机组内部的单台风电机组旋转方向可以保持一致,也可根据实际的空气动力学特性等设计部分机组反向旋转。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的基础实施方式,并不用于限制本发明。凡在本发明的思想、方法之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种菱形多风轮基本单元,其特征在于:包括呈菱形的桁架式支撑结构、分布在呈菱形的桁架式支撑结构的四个角的4台风电机组、连接所述桁架式支撑结构与单台所述风电机组的支撑/固定模块;所述支撑/固定模块为单台所述风电机组的机舱底部设置的连接模块,用于不同的单台所述风电机组与所述桁架式支撑结构互相连接,并且对单台所述风电机组形成有效的支撑和固定;所述桁架式支撑结构包括桁架梁。
2.根据权利要求1所述的菱形多风轮基本单元,其特征在于:所述菱形多风轮基本单元的各风电机组功率等级且规格一致;或者功率等级不同,根据实际的空气动力学特性、载荷特性进行优化选择。
3.根据权利要求1所述的菱形多风轮基本单元,其特征在于:所述连接模块由桁架连接单元组成;所述桁架连接单元为角钢和钢板焊接而成矩形的承重单元,所述桁架连接单元之间通过铰链连接;所述连接模块在机舱底部呈十字状固定,十字的中心在机舱重心竖直线上,以更好的对所述风电机组形成整体支撑,并且通过所述铰链可向左右两个方向延展所述桁架式支撑结构。
4.根据权利要求1所述的菱形多风轮基本单元,其特征在于:在所述菱形的节点处,所述桁架梁与单台所述风电机组的连接模块相连接,形成支撑;并且,从上向下连接时,所述桁架梁与单台所述风电机组的机舱间采用螺栓加紧连接;处于菱形的锐角处的不同所述桁架梁的夹角根处设有支撑连接件。
5.一种利用权利要求1-4之一的所述的菱形多风轮基本单元的菱形结构模块化多风轮风电机组,其特征在于:所述菱形结构模块化多风轮风电机组由1-6组所述菱形多风轮基本单元构成;由所述菱形多风轮基本单元按照排布规则构成所述菱形结构模块化多风轮风电机组;所述菱形多风轮基本单元之间通过桁架梁连接,不同的所述菱形多风轮基本单元的单台风电机组之间采用抗弯强的桁架梁连接以形成连接支撑结构;当所述菱形多风轮基本单元超过一个时,设置加固整体支撑结构;所述加固整体支撑结构整体呈三角形,顶端两侧的桁架梁的上部均与所述塔架处中心的单台风电机组通过所述连接模块相连接,下部分别与左右两侧的单台风电机组通过所述连接模块连接,并且底端水平横梁与所述塔架的偏航支撑模块和左右两侧的单台风电机组相连接;所述偏航支撑模块固定于塔架基础下方,由回转轴承和回转支撑连接件组成。
6.根据权利要求5所述的菱形结构模块化多风轮风电机组,其特征在于:所述菱形的角度根据所述菱形结构模块化多风轮风电机组的空气动力学特性、重心、结构选择设定,所述菱形多风轮基本单元的各单台所述风电机组之间的距离根据所述菱形结构模块化多风轮机组的空气动力学特性选择设定。
7.根据权利要求5所述的菱形结构模块化多风轮风电机组,其特征在于:所述的排布规则,包括:
由1组所述菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,由2组所述菱形多风轮基本单元水平方向对称布局构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在2组所述菱形多风轮基本单元对称布局的基础上,在所述2组菱形多风轮基本单元中部上方增加1组菱形多风轮基本单元,通过3组菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在3组菱形多风轮基本单元的基础上,在中间1组所述菱形多风轮基本单元和左侧1组所述菱形多风轮基本单元的桁架梁延长线的方向增加1组菱形多风轮基本单元,在中间1组菱形多风轮基本单元和右侧1组菱形多风轮基本单元桁架梁延长线的方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过5组菱形多风轮基本单元构成1台所述菱形结构模块化多风轮风电机组;或者,在5组所述菱形多风轮基本单元对称布局的基础上,在中部2组菱形多风轮基本单元的上方桁架梁延长线方向增加1组菱形多风轮基本单元,通过6组菱形多风轮基本单元构成1台多风轮风电机组。
8.根据权利要求5所述的菱形结构模块化多风轮风电机组,其特征在于:根据所述菱形结构模块化多风轮风电机组的结构布局、整体平衡、重心和支撑连接及所述菱形多风轮基本单元的结构进行拓展。
9.根据权利要求5所述的菱形结构模块化多风轮风电机组,其特征在于:基于所述的菱形结构模块化多风轮风电机组整体的支撑结构,并通过用于塔架与中心处风电机组连接的偏航模块以及用于加固所述桁架梁与塔架之间连接的偏航模块,进行整体偏航;多组所述菱形多风轮基本单元内部的单台所述风电机组单独变桨。
10.根据权利要求5所述的菱形结构模块化多风轮风电机组,其特征在于:所述菱形结构模块化多风轮风电机组的整体偏航功能通过左右两侧不同的所述菱形多风轮基本单元及其内部单台所述风电机组之间的功率配合辅助实现。
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CN202211284062.0A CN115523099A (zh) | 2022-10-20 | 2022-10-20 | 一种菱形多风轮基本单元及菱形结构模块化多风轮风电机组 |
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GB2623890A (en) * | 2022-10-25 | 2024-05-01 | Myriad Wind Energy Systems Ltd | Modular wind power generation assembly |
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