具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置的製作方法
2023-12-08 05:35:36 2
專利名稱：具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種海洋能源利用技術領域的裝置，具體是一種具有周向穩定柱 的單柱式海上風力發電裝置。
背景技術：
隨著世界經濟的飛速發展，人類對能源的需求與日俱增。然而，常規能源由於其 不可再生性，其儲量正在日益減少，同時使用常規能源所產生的環境汙染已經成為人類生 存發展所面臨的嚴峻挑戰。目前，世界各國的相關機構都在積極開發利用可再生的清潔能 源。海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區域，使得海上風力發電技術成為近年來應用的執佔。我國近海風能資源預計可達7. 5億千瓦，是陸上風能資源3倍，海上風力發電場將 成為未來發展的重點。然而高品質的風能資源大都集中在非淺水區域(> 30m)，如中國南 海，傳統的海上風力發電固定式基礎已不再適用，海上浮式風力發電裝置作為一種替代形 式具有十分廣闊的前景。經對現有技術的文獻檢索發現，美國可再生能源實驗室(NREL)2007年9月發布 ——份 艮告「Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbine，，(NREL/ CP-500-38766)中提到了三種海上浮式風機形式1)單柱式(SPAR)，通過壓載方法將 重心降至浮心以下；2)張力腿式(TLP)，通過設置張力腿張力獲得平臺穩性；3)駁船式 (BARGE)，通過設置較大的水線面面積，增大水線面慣性矩，從而獲得平臺穩性。以上技術均 為船舶與海洋工程所採用的獲得穩性的傳統技術，相對比較成熟，並且都已經在海洋石油 工程中得到了實際應用。但與海洋石油工程不同，風力發電以降低單位風力發電成本為目 的，這就決定了其適用於風力發電的浮式基礎既要滿足使用要求(如浮性、穩性、抗沉性和 耐波性等)，同時又具有較好的經濟性能。挪威於2009年成功安裝運行了一臺「Hywind」 單柱式風力發電裝置，該風機額定功率2. 3MW，採用第1)種方式獲得穩性，吃水100m，排水 體積5300m3，投資成本高達4億挪威克朗。若要採用該技術實現海上大規模發電，投資成本 高，經濟性能差；另外該技術不適用於水深小於IOOm的海域，且安裝技術難度高，這就需要 提出一種既滿足穩性要求又具有較好經濟性的新型浮式基礎。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種具有周向穩定柱的單柱式海上風 力發電裝置，通過設置周向穩定柱，以較小的水線面面積獲得了較大的水線面慣性矩，同時 藉助單柱式基礎壓低重心，從而既滿足了穩性要求又獲得了良好的水動力性能，為風力發 電機組提供一個穩定、經濟、靈活的浮式基礎，尤其適用於外海深水區域。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括風力發電機組、單柱式基礎、周 向穩定柱、支撐結構、系泊系統和固定壓載系統，其中風力發電機組固定設置於單柱式基 礎上，周向穩定柱固定設置於單柱式基礎周圍，支撐結構的兩端分別與周向穩定柱和單柱
3式基礎相連，單柱式基礎的中部和底部分別與系泊系統和固定壓載系統相連，系泊系統與 海底連接。所述的單柱式基礎為圓柱結構，其底部與固定壓載系統相連以降低系統重心且中 部和系泊系統相連接以限制所述單柱式海上風力發電裝置的六自由度運動。所述的周向穩定柱為圓柱結構，其個數大於等於3且每根周向穩定柱的中軸線與 單柱式基礎的中軸線的垂直距離相同。所述的周向穩定柱內設有主動壓載系統。所述的周向穩定柱底部設有垂蕩板結構。與現有技術相比，本發明的有益效果是1)單柱式基礎通過在底部設置壓載系 統，從而有效的降低了系統重心，提高了系統的穩性；幻周向穩定柱設置於單柱式基礎為 中心的圓周上，以較小的水線面面積獲得了較大的水線面慣性矩，從而提高了系統穩性又 獲得了良好的水動力性能；；3)周向穩定柱內部設置有主動壓載系統，以實現快速系統浮態 調節；4)周向穩定柱底部設置有垂蕩板結構，有效增大系統的垂蕩、縱搖和橫搖運動阻尼， 從而獲得良好的水動力性能力)通過設置周向穩定柱有效的提高了系統的抗沉性能，從而 實現了對單柱式基礎和風力發電機組的保護；6)所提供的浮式基礎不僅適用於水平軸式 風力發電機組，同時適用於垂直軸式風力發電機組；7)通過設置周向穩定柱，提高了系統 的浮心位置，因此增強了水深適應性。
圖1是本發明的立體示意圖。圖2是本發明的主視圖。圖3是本發明的側視圖。圖4是本發明的俯視圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括風力發電機組1、單柱式基礎2、周向穩定柱3、橫撐結 構4、斜撐結構5、系泊系統6和固定壓載系統7，其中風力發電機組1固定設置於單柱式 基礎2上，周向穩定柱3固定設置於單柱式基礎2周圍，橫撐結構4和斜撐結構5分別與周 向穩定柱3和單柱式基礎2相連，單柱式基礎2的中部和底部分別與系泊系統6和固定壓 載系統7相連，系泊系統6與海底連接。所述的風力發電機組1為水平軸或垂直軸式風力發電機組1。所述的單柱式基礎2為圓柱結構，其底部與固定壓載系統7相連以降低系統重心 且中部和系泊系統6相連接以限制所述單柱式海上風力發電裝置的六自由度運動。所述的周向穩定柱3為圓柱結構，其個數等於5且每根周向穩定柱3的中軸線與 單柱式基礎2的中軸線的垂直距離相同。所述的固定壓載系統7採用高密度填充物布置於單柱式基礎2底部的壓載艙內，
4可有效降低所述單柱式海上風力發電裝置的重心高度，進而提高穩性。所述的周向穩定柱3內設有主動壓載系統8，該主動壓載系統8通過壓載泵組和管 線根據所述單柱式海上風力發電裝置的運動幅度實時地向所述周向穩定柱3內壓載艙進 行注水和抽水動作，以補償所述單柱式海上風力發電裝置的縱搖和橫搖運動。所述的周向穩定柱3底部設有垂蕩板結構9，該垂蕩板結構9為一平面板架結構， 形狀可為圓形或多邊形，板架上可適當開孔以增大垂蕩板阻尼。所述的系泊系統6為懸鏈式或斜拉張緊式，由系泊鏈10和錨11組成。本實施例的工作過程如下當風速低於5麗風力發電機組的切入風速3m/s時，5麗 風力發電機組關閉；當風速高於5麗風力發電機組的切入風速3m/s時，5麗風力發電機組 開始工作，開始發電；當風速達到或高於5麗風力發電機組的額定風速12m/s時，5麗風力 發電機組達到額定功率；當風速高於5MW風力發電機組的切出風速25m/s時，5MW風力發電 機組關閉。本實施例的帶周向穩定柱的單柱式5麗海上風力發電裝置結合了單柱式和駁船 式的優點，通過優化設置單柱式基礎和5個周向穩定柱，以較小的排水體積(約3000m3)獲 得了較好的穩性(初穩性高12m)和抗沉性；通過在穩定柱底部設置垂蕩板，增大了系統的 運動阻尼，從而有效減小了系統的運動響應；通過設置張緊式系泊系統，使得整套系統的在 波浪上的運動得到有效控制，從而為5MW風力發電機組提供一個相對穩定的浮式基礎。
權利要求
1.一種具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，其特徵在於，包括風力發電機 組、單柱式基礎、周向穩定柱、支撐結構、系泊系統和固定壓載系統，其中風力發電機組固 定設置於單柱式基礎上，周向穩定柱固定設置於單柱式基礎周圍，支撐結構的兩端分別與 周向穩定柱和單柱式基礎相連，單柱式基礎的中部和底部分別與系泊系統和固定壓載系統 相連，系泊系統與海底連接。
2.根據權利要求1所述的具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，其特徵是，所 述的風力發電機組為水平軸或垂直軸式風力發電機組。
3.根據權利要求1所述的具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，其特徵是，所 述的單柱式基礎為圓柱結構，其底部與固定壓載系統相連以降低系統重心且中部和系泊系 統相連接以限制所述單柱式海上風力發電裝置的六自由度運動。
4.根據上述任一權利要求所述的具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，其特徵 是，所述的周向穩定柱為圓柱結構，其個數大於等於3且每根周向穩定柱的中軸線與單柱 式基礎的中軸線的垂直距離相同。
5.根據權利要求4所述的具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，其特徵是，所 述的周向穩定柱內設有主動壓載系統。
6.根據權利要求4所述的具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，其特徵是，所 述的周向穩定柱底部設有垂蕩板結構。
全文摘要
一種海洋能源利用技術領域的具有周向穩定柱的單柱式海上風力發電裝置，包括風力發電機組、單柱式基礎、周向穩定柱、支撐結構、系泊系統和固定壓載系統，風力發電機組固定設置於單柱式基礎上，周向穩定柱固定設置於單柱式基礎周圍，支撐結構的兩端分別與周向穩定柱和單柱式基礎相連，單柱式基礎的中部和底部分別與系泊系統和固定壓載系統相連，系泊系統與海底連接。本發明通過設置周向穩定柱，以較小的水線面面積獲得了較大的水線面慣性矩，同時藉助單柱式基礎壓低重心，從而既滿足了穩性要求又獲得了良好的水動力性能，為風力發電機組提供一個穩定、經濟、靈活的浮式基礎，尤其適用於外海深水區域。
文檔編號F03D11/04GK102146873SQ20111008000
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者何炎平, 楊建民, 譚家華, 趙永生, 顧敏童 申請人:上海交通大學