CN115653841A - 一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，包括半潜式基础、锚泊***、钢质框架结构、风力发电机及光伏***，所述锚泊***连接在半潜式基础的下部，所述钢质框架结构的底端连接在半潜式基础的上部，所述钢质框架结构为多层框架式结构，所述风力发电机及光伏***均设置在其上，框架结构由梁和柱组成的，所述风力发电机为垂直轴风力发电机，各风力发电机交叉排布于框架结构上，所述光伏***放置于未安装风力发电机的梁结构上，光伏板的倾角和朝向随着太阳位置的变化进行调整。本发明对空间的使用非常充分，也提高了单位海域面积的能源利用率。本发明具备大型化商业化的可行性，可广泛应用于海上清洁能源的开发。

Description

一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场

技术领域

本发明涉及海上新能源领域，尤其涉及一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场。

背景技术

当前，全球能源发展面临的挑战愈发严峻，全球气候变化、环境污染和化石能源枯竭日益成为亟需解决的现实问题。面对越来越严峻的能源形势，调整能源结构、转向可再生能源资源的开发已经逐渐成为各国的共识。在可再生能源技术中，风力发电和光伏发电都是发展迅猛、极具前景的发电方式。风能是一种重要的自然资源，取之不尽，用之不竭。我国有绵长的海岸线，海洋存在的风能非常丰富。合理利用海洋资源，构建风力发电***，促进能源结构的调整是国家目前倡导的能源战略，对调整能源结构和转变经济发展具有重要意义。随着技术手段不断发展，海上风电场的数量不断增加、规模不断扩大。据全球风能理事会的研究统计，到2030年全球海上风电每年新增装机容量将突破30GW，未来10年新增海上风电装机容量将超过205GW。太阳能资源近乎无限，利用太阳能发电的光伏发电技术前景广阔，同时光伏发电也不产生任何环境污染，是满足未来社会需求的理想能源。光伏板的生产也已形成一个高度发达的生产链。国际可再生能源署预测海上光伏将在2025年后进入生产规模扩大的阶段，现有示范项目预计于2025年达到50MW左右的规模，海上光伏是有潜力在2030年形成年度新增安装产能达1GW的新兴产业。同时，光伏装置的平面特征和发电特点，使其既可独立发电也能够与海上风电等其他海洋能源融合发展，实现高效互补的综合利用。

近年来，单桩基础是已投运海上风电场中应用最为广泛的风机基础。然而，随着海上风电向深水远海发展，固定式基础不能很好地适应更深水域的要求，面对新的场景、新的海洋气候环境，需要新的、更先进的基础结构。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场。本发明采用的技术手段如下：

一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，包括半潜式基础、锚泊***、钢质框架结构、风力发电机及光伏***，所述锚泊***连接在半潜式基础的下部，所述钢质框架结构的底端连接在半潜式基础的上部，所述钢质框架结构为多层框架式结构，所述风力发电机及光伏***均设置在其上，框架结构由梁和柱组成的，所述风力发电机为垂直轴风力发电机，各风力发电机交叉排布于框架结构上，所述光伏***放置于未安装风力发电机的梁结构上，光伏板的倾角和朝向随着太阳位置的变化进行调整。

进一步地，所述柱包括至少三根主支撑柱和若干辅支撑柱，三根主支撑柱呈锐角三角形排布，任意两根主支撑柱之间均设有所述辅支撑柱，支撑柱之间通过梁相连。

进一步地，所述框架结构为中空结构，其内部用于铺设电缆及相关控制设备。

进一步地，所述风力发电机包括横向垂直轴风力发电机和纵向垂直轴风力发电机，其中，横向垂直轴风力发电机两两一组设置在梁上，错落布置在前后排钢架上；纵向垂直轴风机位于辅支撑柱上，间隔预设数量的梁后交错排布。

进一步地，所述半潜式基础四立柱-双浮筒结构，两个浮筒设置于装置的底部，每个浮筒上设置两个立柱，各立柱之间通过横梁相连，四个立柱的上方设置平台，钢质框架结构的底部连接在平台上方，半潜式基础通过压载水***来改变和调整压载状态，进而调整平台浮态，立柱和浮筒中的压载水***均独立调节。

进一步地，所述锚链数量共10个且均匀设置于浮筒上，锚链在作业状态时的最大张力不超过其断裂强度的1/3，也保证平台进行海上作业时的水平偏移不大于工作水深的5％。

进一步地，所述垂直轴风力发电机包括风机的叶片、转轴以及横撑，叶片通过横撑与转轴相连。

进一步地，所述光伏***包括光伏板、转动装置和连接杆，每个光伏发电***配备两个转动装置，第一转动装置位于主连接杆与钢架结构之间，第二转动装置位于主连接杆与副连接杆之间，副连接杆与光伏板相连，所述第一转动装置和第二转动装置均为球状转动装置，扩大光伏装置转动的区间，实现任意倾角和朝向的实时变化。

进一步地，所述主连接杆为可伸缩式连接杆，各层框架上的光伏板初始位置保持一致，基于光照强度的不同，伸缩***会对可伸缩式连接杆的长度进行调节，下层光伏板相对上层装置会移动一段距离，相对位置由竖线型向坡型转变。

本发明具有以下优点：

本发明利用钢质框架结构对垂直轴风机和光伏板进行排布，实现了风电装置和光电装置的融合，以单体基础整合多种新能源装置，节约建造成本。同时对空间的使用非常充分，也提高了单位海域面积的能源利用率。考虑到风电场内常见的问题，来风方向流经上风向位置的风机后，受到风机叶片转动的影响，途经叶轮后风的流动会发生很大的变化，会对下风向风机的发电功率产生很大的影响。故本发明设计的垂直轴风机交错排布在框架结构的梁和柱上，前后排的风机不处于同一水平线上，这样的布置方式能有效地减小不同风机间的干扰。光伏板的角度可随着光照方向的变化进行调整，连接杆和光伏板均可以利用转动装置偏转至任意方向以保证光伏***始终朝向迎光侧。同时，配备的伸缩装置可改变主连接杆的长度，以调整上下层光伏板的相对位置，从而最大限度提高太阳能的利用率。本发明采用了四立柱-双浮筒的半潜式基础设计，承载能力强，稳定性高；同时配备了10根锚链作为锚泊定位***，可以保证整个半潜式风-光联合发电场能够安全地进行海上作业。本发明在工程应用中具备发展前景，可根据垂直轴风机和光伏板的实际情况，来调整平台的规模、钢质框架的尺寸(梁和柱的长度与直径)、以及锚链的数量和排布方式。本发明具备大型化商业化的可行性，可广泛应用于海上清洁能源(如风能、太阳能)的开发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1的三视图，其中a为正视图；b为侧视图；c为俯视图；

图3为本发明后排框架平面图；

图4为本发明前排框架平面图；

图5为本发明一二层风-光***布置图；

图6为本发明垂直轴风机细节图；

图7为本发明光伏***细节图；

图8为本发明光伏***伸缩装置示意图。

图中：1-14均为布置在梁上的横向垂直轴风力发电机；15-23均为布置在柱上的纵向垂直轴风力发电机；24-41均为可转动角度的光伏***；42为垂直轴风力发电机的叶片；43为垂直轴风力发电机的转轴；44为垂直轴风力发电机的横撑；45为光伏板；46为光伏***的转动装置；47为光伏***的可伸缩连接杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2a～c所示，本发明实施例公开了一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，包括半潜式基础、锚泊***、钢质框架结构、风力发电机及光伏***24～41，所述锚泊***连接在半潜式基础的下部，所述钢质框架结构的底端连接在半潜式基础的上部，所述钢质框架结构为多层框架式结构，所述风力发电机及光伏***均设置在其上，框架结构由梁和柱组成的，所述风力发电机为垂直轴风力发电机，各风力发电机交叉排布于框架结构上，所述光伏***放置于未安装风力发电机的梁结构上，光伏板的倾角和朝向随着太阳位置的变化进行调整。本实施例中，共有14个排布在梁结构上的横向垂直轴风力发电机、9个排布在柱结构上的纵向垂直轴风力发电机以及18个可任意旋转且具有伸缩功能的光伏***。

本发明风电场中的风力发电机选择了垂直轴的形式，这是由于相较于传统的水平轴风机，垂直轴风机能够捕获来自各个方向的风能，也能减少对空间的利用。现已投入运行的海上风电场设计通常为一定数量的风电装置构成群组，由单个基础来支撑单一风机，而这样会占据大片海洋空间。如何将发电装置的使用效率最大化是需要重点考虑的因素。目前来看，实现海上风电-光伏融合***单体化的难点是如何将风力发电机和光伏***放置于同一个平台基础上，并有效地对二者进行空间上的排布。本设计创新性地提出了一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，旨在解决现有技术中风电场的空间利用率较低、风能和太阳能无法得到最为充分的利用，以及风电与光伏装置如何进行更恰当的布置等相关问题。

本发明中的框架结构是承受竖向和水平作用的空间结构体系。梁和柱作为一个整体，共同承担载荷作用。采用框架结构可以形成较大的设计空间，布置灵活，能承受较大的变形。梁和柱连接处的框架节点采用刚性连接。梁柱间的节点通常为框架的要害部位，它既是保证结构整体性的关键部位，又是应力集中的部位，故在框架节点处要进行加固。本设计中的框架结构选用钢质材料，钢框架结构一般是在工厂预制钢架、钢柱，运送到现场再拼装成整体框架，具有自重轻、施工速度快、机械程度高等优点。钢框架结构中的梁与柱通过焊接的方式进行连接，且避免焊缝密集和双向、三向相交。施工中需对梁柱相交节点处的焊接部位、有效焊缝长度、焊脚尺寸、部分焊透焊缝的焊缝深度进行监测。

所述柱包括至少三根主支撑柱和若干辅支撑柱，三根主支撑柱呈锐角三角形排布，任意两根主支撑柱之间均设有所述辅支撑柱，支撑柱之间通过梁相连。本实施例中，辅支撑柱数量为3个，设置于两根主支撑柱连线的中点位置，框架结构共有6根柱结构，28根梁结构。

所述框架结构为中空结构，其内部用于铺设电缆及相关控制设备。发电装置和光伏装置的控制设备独立运行。

所述风力发电机包括横向垂直轴风力发电机1～14和纵向垂直轴风力发电机15～23，其中，横向垂直轴风力发电机两两一组设置在梁上，错落布置在前后排钢架上；纵向垂直轴风机位于除辅支撑柱上，间隔预设数量的梁后交错排布。具体地，如图3和图4所示，后排框架上共有8个横向垂直轴风力发电机、3个纵向垂直轴风力发电机以及6个光伏***。前排框架上共有6个横向垂直轴风力发电机、6个纵向垂直轴风力发电机以及12个光伏***。图5展示了最上面两层框架结构上风-光发电装置的布置情况(每两排布置方式相同，故以最上部为例)，梁上的横向垂直轴风机两两一组，错落布置在前后排钢架上，避免同一水平线上的设备相互干扰，影响发电效率；纵向垂直轴风机位于除三根最外侧支撑立柱外的柱结构上，同样交错排布。光伏***放置于未安装风力发电机的梁结构上，光伏板的原始朝向共有三种，且两两间的的夹角为120°；光伏板的原始倾角为45°。随着太阳位置的变化，光伏板的倾角和朝向也会随之调整，下层光伏板也会利用连接杆的伸缩装置向前移动，以提高光能利用率。

浮式基础的设计更适用于在深水海域进行风力发电，这也是本设计中所应用的基础形式。具体地，所述半潜式基础四立柱-双浮筒结构，两个浮筒设置于装置的底部，每个浮筒上设置两个立柱，各立柱之间通过横梁相连，四个立柱的上方设置平台，钢质框架结构的底部连接在平台上方，半潜式基础通过压载水***来改变和调整压载状态，进而调整平台浮态，通过改善平台重心高度，来减少平台共振现象。本设计的整体高度较高，故对平台的稳定性提出了更高的要求。立柱和浮筒中的压载水***均独立调节，协同作业，以实现平台在各个方向的稳定。

所述锚链数量共10个且均匀设置于浮筒上，锚泊***的材质选用高性能材料，保证锚链在作业状态时的最大张力不超过其断裂强度的1/3，也保证平台进行海上作业时的水平偏移不大于工作水深的5％。

如图6所示，所述垂直轴风力发电机包括风机的叶片42、转轴43以及横撑44，叶片通过横撑与转轴相连。垂直轴风机的叶片对风能的捕获能力更强，叶片受风力旋转时只受风机的压力以及旋转离心力对叶片的张力，所以对叶片材料的要求程度降低，选用的材料可以更加通用，减少了购买叶片的成本。对纵向布置的垂直轴风机来说，叶片旋转的平面平行于水平面，对风能的获取可以来自任意方向，无需像水平轴风机那样增加偏航装置来调节接受风能的方向。相较于水平轴风机，其总体结构上变得更加简单，可以在一定程度上减小风机运行产生的振动，提升了其可靠性。

如图7所示，所述光伏***包括光伏板45、转动装置46和连接杆47，每个光伏发电***配备两个转动装置，第一转动装置位于主连接杆与钢架结构之间，第二转动装置位于主连接杆与副连接杆之间，副连接杆与光伏板相连，所述第一转动装置和第二转动装置均为球状转动装置，此连接方式使结构移动灵活，扩大光伏装置转动的区间，实现任意倾角和朝向的实时变化。结构连接的强度也可以得到充分保证。光伏装置具备高可靠性能，在较恶劣的条件下可正常使用，还具备易操作性和易维护性，便于日常的操作和维护。各构件在施工过程中容易安装，在钢质框架上能承受各种环境应力，且其结构和材料都具备良好的强度、刚度和耐腐蚀性。

所述主连接杆为可伸缩式连接杆，各层框架上的光伏板初始位置保持一致，基于光照强度的不同，伸缩***会对可伸缩式连接杆的长度进行调节，下层光伏板相对上层装置会移动一段距离，相对位置由竖线型和坡型可变。具体地，可通过传感器对光照进行监测，控制***通过采集的光照数据进行处理，并基于采集的光照数据对可伸缩式连接杆的伸出长度加以调节。如图8所示，为下层光伏板相对上层装置会向前移动一段距离，相对位置由“竖线型”转为“坡型”的示意图。这样有助于光伏板始终可以充分接收太阳光线，提高光源的利用效率。

本发明的整体设计基于已广泛应用的半潜式平台，将风力发电机与光伏***置于基础之上，同时利用锚泊***来进行定位。平台上部为多层框架结构，从俯视角度来看整体设计呈三角形。框架结构的材质选定为钢材，在梁和柱上放置一定数量的垂直轴风力发电机及光伏板。风力发电机交叉排布，确保运行时不会对其他设备造成影响。所有风机各自工作、互不干扰。光伏板可调节角度，随着太阳位置的变化进行转动，同时还配备了连接杆件的伸缩装置，以保证最大限度地利用太阳能。本设计可根据风机的功率和数量、光伏板的面积和数量，来调整平台和框架结构的规模、锚泊定位的形式以及梁和柱的尺寸与间距。此设计相较于已投入使用的风电场，可有效提高海上的空间利用率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，包括半潜式基础、锚泊***、钢质框架结构、风力发电机及光伏***，所述锚泊***连接在半潜式基础的下部，所述钢质框架结构的底端连接在半潜式基础的上部，所述钢质框架结构为多层框架式结构，所述风力发电机及光伏***均设置在其上，框架结构由梁和柱组成的，所述风力发电机为垂直轴风力发电机，各风力发电机交叉排布于框架结构上，所述光伏***放置于未安装风力发电机的梁结构上，光伏板的倾角和朝向随着太阳位置的变化进行调整。

2.根据权利要求1所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述柱包括至少三根主支撑柱和若干辅支撑柱，三根主支撑柱呈锐角三角形排布，任意两根主支撑柱之间均设有所述辅支撑柱，支撑柱之间通过梁相连。

3.根据权利要求1或2所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述框架结构为中空结构，其内部用于铺设电缆及相关控制设备。

4.根据权利要求1所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述风力发电机包括横向垂直轴风力发电机和纵向垂直轴风力发电机，其中，横向垂直轴风力发电机两两一组设置在梁上，错落布置在前后排钢架上；纵向垂直轴风机位于辅支撑柱上，间隔预设数量的梁后交错排布。

5.根据权利要求1所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述半潜式基础四立柱-双浮筒结构，两个浮筒设置于装置的底部，每个浮筒上设置两个立柱，各立柱之间通过横梁相连，四个立柱的上方设置平台，钢质框架结构的底部连接在平台上方，半潜式基础通过压载水***来改变和调整压载状态，进而调整平台浮态，立柱和浮筒中的压载水***均独立调节。

6.根据权利要求1或5所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述锚链数量共10个且均匀设置于浮筒上，锚链在作业状态时的最大张力不超过其断裂强度的1/3，也保证平台进行海上作业时的水平偏移不大于工作水深的5％。

7.根据权利要求1或4所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述垂直轴风力发电机包括风机的叶片、转轴以及横撑，叶片通过横撑与转轴相连。

8.根据权利要求1所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述光伏***包括光伏板、转动装置和连接杆，每个光伏发电***配备两个转动装置，第一转动装置位于主连接杆与钢架结构之间，第二转动装置位于主连接杆与副连接杆之间，副连接杆与光伏板相连，所述第一转动装置和第二转动装置均为球状转动装置，扩大光伏装置转动的区间，实现任意倾角和朝向的实时变化。

9.根据权利要求8所述的配备光伏***的半潜式单体化垂直轴风电场，其特征在于，所述主连接杆为可伸缩式连接杆，各层框架上的光伏板初始位置保持一致，基于光照强度的不同，伸缩***会对可伸缩式连接杆的长度进行调节，下层光伏板相对上层装置会移动一段距离，相对位置由竖线型向坡型转变。

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