一种浮式海上风力发电装置的制作方法

1.本发明涉及发电装置技术领域，特别涉及一种浮式海上风力发电装置。


背景技术：

2.浮式海上风力发电装置是将风能转换为电能的一种装置，具有结构简单，经济可靠的优势。随着近海海域风资源开发日趋饱和，全世界能源需求却仍在高速增长。因此深远海浮式海上风力发电装置必将成为海上风电行业未来发展方向。
3.常见的浮式海上风力发电装置由上部风力发电机构以及下部浮式基础平台两大部分组成，而浮式基础平台随风浪的运动响应幅度必然影响到风力发电机构的受力和入流风速。其中浮式基础平台的纵、横摇，纵、横荡运动对风力发电机构偏航方向的来流风速影响最大，浮式基础平台的垂荡、艏摇运动也将在一定程度影响风力发电机构来流风速和叶片转速。因此减少浮式基础平台的运动响应幅度，对于维持稳定的风力发电功率和结构安全十分重要。在相关技术中，浮式基础平台通常采用垂荡板来减小运动响应幅度，然而垂荡板存在着功能单一、效果有限等缺点，存在改进的空间。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种浮式海上风力发电装置，旨在实现有效减小浮式基础平台的运动响应幅度，以确保风力发电机构能维持稳定的风力发电功率和结构安全。
5.为实现上述目的，本发明提出一种浮式海上风力发电装置，包括风力发电机构以及浮式基础平台；其中，所述浮式基础平台包括中立柱以及围绕在所述中立柱圆周外侧的若干侧立柱，所述中立柱与所述侧立柱之间通过连接组件固定连接；所述风力发电机构固定连接在所述中立柱的上端，所述风力发电机构用于将海上风能转化为电能；每个所述侧立柱的下端均固定连接有上下设置的两个垂荡板，且两个所述垂荡板在垂直方向上具有预设距离。
6.可选地，所述连接组件包括上下设置的横撑以及浮筒，所述横撑的两端分别连接所述中立柱以及所述侧立柱的上端侧部，所述浮筒的两端分别连接所述中立柱以及所述侧立柱的下端侧部；且所述浮筒的横截面面积大于所述横撑的横截面面积。
7.可选地，包括至少三个所述侧立柱，至少三个所述侧立柱以所述中立柱的轴心为轴线环形等距离阵列分布。
8.可选地，所述浮式海上风力发电装置还包括有波浪能发电机构，所述波浪能发电机构设置在两个所述垂荡板之间；所述波浪能发电机构用于将海上波浪能转化为电能。
9.可选地，包括若干所述波浪能发电机构，若干所述波浪能发电机构以所述垂荡板的轴心为轴线环形阵列分布；每个所述波浪能发电机构均包括垂直设置的转轴以及固定套设在所述转轴中部的叶片转子，所述转轴的上下两端分别与所述垂荡板转动连接，所述转轴的端部连接有齿轮传动系统，所述转轴通过所述齿轮传动系统与发电机相连接；通过海上波浪驱使所述叶片转子发生转动，以使所述转轴通过所述齿轮传动系统驱动所述发电机
运作以产生电力；其中，所述齿轮传动系统设置在所述垂荡板内部，所述发电机设置在所述侧立柱内部。
10.可选地，所述转轴的外侧套设有转轴套管，所述转轴套管的中部设有用于避开所述叶片转子的缺口部；所述转轴套管的上下两端分别与所述垂荡板固定连接。
11.可选地，所述叶片转子的圆周外侧设置有防护环，所述防护环的上下两侧均通过支撑杆与所述转轴套管固定连接。
12.可选地，包括若干所述支撑杆，若干所述支撑杆以所述转轴的轴线为轴心等距离环形分布。
13.可选地，所述支撑杆倾斜设置，以使所述支撑杆、所述转轴套管以及所述防护环所处平面相组合形成三角形结构。
14.可选地，所述齿轮传动系统包括啮合连接的主动轮以及从动轮，所述主动轮与所述转轴固定连接，所述从动轮通过传动杆与所述发电机相连接。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：
16.本发明通过在浮式基础平台的侧立柱下端设置两个垂荡板，且两个垂荡板在垂直方向上具有预设距离；相比其现有技术中只设置一个垂荡板，通过两个垂荡板可以有效改善浮式基础平台的运动响应性能，从而实现有效减小浮式基础平台的运动响应幅度，确保风力发电机构能维持稳定的风力发电功率和结构安全。
附图说明
17.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明浮式海上风力发电装置一实施例的整体结构示意图；
19.图2为附图1的a处局部放大图；
20.图3为本发明浮式海上风力发电装置一实施例中波浪能发电机构的结构示意图；
21.图4为附图3的b处局部放大图；
22.图5为本发明浮式海上风力发电装置一实施例中沙漏型防护环的结构示意图；
23.图6为本发明浮式海上风力发电装置一实施例中沙漏型防护环的内部结构示意图；
24.图7为本发明浮式海上风力发电装置一实施例中垂荡运动性能以及纵、横摇运动性能的试验数据图。
25.图中所标各部件的名称如下：
26.27.具体实施方式
28.下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅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的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。
29.本实施例公开了一种浮式海上风力发电装置，参考附图1-4，包括风力发电机构1以及浮式基础平台2；其中，浮式基础平台2包括中立柱201以及围绕在中立柱201圆周外侧的若干侧立柱202，中立柱201与侧立柱202之间通过连接组件203固定连接；风力发电机构1固定连接在中立柱201的上端，风力发电机构1用于将海上风能转化为电能；每个侧立柱202的下端均固定连接有上下设置的两个垂荡板4，且两个垂荡板4在垂直方向上具有预设距离。
30.本实施例通过在浮式基础平台2的侧立柱202下端设置两个垂荡板4，且两个垂荡板4在垂直方向上具有预设距离；相比其现有技术中只设置一个垂荡板4，通过两个垂荡板4可以有效改善浮式基础平台2的运动响应性能，从而实现有效减小浮式基础平台2的运动响应幅度，确保风力发电机构1能维持稳定的风力发电功率和结构安全。
31.具体的，连接组件203包括上下设置的横撑2031以及浮筒2032，横撑2031的两端分别连接中立柱201以及侧立柱202的上端侧部，浮筒2032的两端分别连接中立柱201以及侧立柱202的下端侧部；且浮筒2032的横截面面积大于横撑2031的横截面面积。如此设置，通过横撑2031以及浮筒2032分别连接中立柱201以及侧立柱202的上下两端侧部，以确保中立柱201与侧立柱202之间的连接强度。将浮筒2032的横截面面积设计成大于横撑2031的横截面面积，使得整个浮式基础平台2的重心下移，以降低浮式海上风力发电装置遭受海浪而侧翻的概率。
32.具体的，包括至少三个侧立柱202，至少三个侧立柱202以中立柱201的轴心为轴线环形等距离阵列分布。如此设置，通过设置至少三个侧立柱202且以中立柱201的轴心为轴线环形等距离阵列分布，以保证浮式海上风力发电装置的重心平衡。
33.作为上述实施例的优选方案，浮式海上风力发电装置还包括有波浪能发电机构5，波浪能发电机构5设置在两个垂荡板4之间；波浪能发电机构5用于将海上波浪能转化为电能。如此设置，通过波浪能发电机构5将波浪引起的浮式基础平台2运动的机械能转换为电能，从而有效补充风力发电，提高整个系统的多能综合利用效率。将波浪能发电机构5设置在上下设置的垂荡板4之间，一方面利用双层垂荡板4有效改善浮式基础平台2的运动响应
性能，另一方面可以为波浪能发电机构5的布置提供稳固的结构支撑和保护。
34.具体的，包括若干波浪能发电机构5，若干波浪能发电机构5以垂荡板4的轴心为轴线环形阵列分布；每个波浪能发电机构5均包括垂直设置的转轴6以及固定套设在转轴6中部的叶片转子7，转轴6的上下两端分别与垂荡板4转动连接，转轴6的端部连接有齿轮传动系统8，转轴6通过齿轮传动系统8与发电机9相连接；通过海上波浪驱使叶片转子7发生转动，以使转轴6通过齿轮传动系统8驱动发电机9运作以产生电力；其中，齿轮传动系统8设置在垂荡板4内部，发电机9设置在侧立柱202内部。如此设置，将转轴6与叶片转子7相组合形成转子式的波浪能发电机构5，入射波浪引起浮式基础平台2的运动，运动在垂荡板4的周围形成相对的水流流速，该波浪能发电机构5由该相对水流驱动叶片转子7旋转，从而直接将波浪引起的运动的机械能转化为电能，实现将海上波浪能转化为电能的目的。此外，将齿轮传动系统8以及发电机9分别设置在垂荡板4以及侧立柱202的内部，可以增大垂荡板4以及侧立柱202的内部空间利用率，可在相同造价的基础上增加本技术的经济效益。同时，将波浪能发电机构5设置成若干个，使得多个波浪能发电机构5能够同时作业以及应对来自不同方向的入射波浪，以提高波浪能发电效率。
35.下面对波浪能发电原理进行具体说明，当入射波浪引起浮式基础平台2做垂荡运动以及纵、横摇运动时，在垂向上产生相应分运动从而形成叶片转子7的入流水流。入流水流使叶片转子7旋转带动转轴6旋转，通过垂荡板4内设置的齿轮传动系统8最终利用叶片转子7的旋转运动带动发电机9旋转发电。从而实现波浪能引起的浮式基础平台2的运动机械能转变为电能。需要注意的是由于浮式基础平台2运动是往复运动，因此叶片转子7也将出现正反转的情形，反转情况下如果直接接入发电机9将对发电系统造成极大破坏，因此有必要在齿轮传动系统8中加入限制反转的机构从而保护发电机9，当然也可以选择设定程序让发电机9反转时断开发电系统连接进入空转。
36.同时，本发明利用势流边界元方法对改进前后的结构运动响应进行了粗略的计算分析，分析发现改进后的浮式基础平台2虽然垂荡运动性能改善不明显，但纵、横摇运动性能将得到大幅提升。如图7(a)所示，垂荡板4改进前后的基础垂荡运动响应幅值算子(rao)在垂荡固有频率处(波浪频率＝0.3rad/s)运动响应幅值变化不大，且增加垂荡板4的数量会使固有频率往低频移。与此同时，在波浪频率＝0.5～0.6rad/s的区间内出现的第二个峰值反而随着垂荡板4增加而显著增大，这主要是由改变形状后波浪激励力改变引起，尽管这会增加浮式基础平台2在该频率处的垂荡运动幅度。但考虑到这种增加是有限的(实际上，我国沿海海域远海海浪统计信息得到的海浪谱通常为双峰谱，波浪能量普遍集中在波浪频率为0.3～0.4rad/s和波浪频率大于1.2rad/s处，很少集中在垂荡运动第二个峰值处)，垂荡运动本身对上部风力发电机构1入流条件影响也极其有限，且此时浮式基础平台2垂荡运动对于波浪能转子发电是有增益的，因此可以认为是一种有益的平衡。与之形成对比的是改进前后浮式基础的纵、横摇运动，如图7(b)、(c)所示，单层垂荡板4增加到两层时，可以使浮式基础平台2纵、横摇固有频率处的纵、横摇运动幅值减小约20％，若此时再考虑垂荡板4之间布置的波浪能发电机构5产生的阻尼效应，等效为同类型的垂荡板4进行初步计算的话，结果显示纵、横摇的运动幅值将有望减小30～40％。这对于维持浮式基础及其上部的风力发电机构1的稳定性，从而确保风力发电机构1的发电效率具有十分重要的意义。
37.进一步的，转轴6的外侧套设有转轴套管11，转轴套管11的中部设有用于避开叶片
转子7的缺口部1101；转轴套管11的上下两端分别与垂荡板4固定连接。如此设置，通过转轴套管11对转轴6进行保护防护，避免海洋中的杂物缠绕转轴6导致波浪能发电机构5无法正常运行。
38.进一步的，叶片转子7的圆周外侧设置有防护环12，防护环12的上下两侧均通过多个支撑杆13与转轴套管11固定连接，其中，若干支撑杆13以转轴6的轴线为轴心等距离环形分布。如此设置，利用多个支撑杆13对防护环12进行固定，通过防护环12与支撑杆13相组合形成类似笼子结构笼罩叶片转子7，避免海洋中的杂物缠绕叶片转子7导致波浪能发电机构5无法正常运行，起到保护叶片转子7的作用。此外，通过改变防护环12的形状还可以实现增加波浪能发电机构5的发电效率的目的。具体的，如附图5-6所示，将防护环12的上下两侧往外延伸出喇叭状结构，以使整个防护环12形成类似漏斗状形状；如此一来，当浮式基础平台2在垂向上产生相应分运动时，迎流的开口截面面积就大相应地流量也大了，当到达沙漏状防护环12的中部时截面面积减少，在流量守恒的情况下，位于沙漏形防护环12中部的叶片转子7处的流速就相应地变大，使得叶片转子7的转速加快，从而增加波浪能发电机构5的发电效率。要说明的是，为了确保相邻的防护环12互不干涉，每个波浪能发电机构5的间距也会相应地增大，具体可根据实际设计进行调整。
39.进一步的，支撑杆13倾斜设置，以使支撑杆13、转轴套管11以及防护环12所处平面相组合形成三角形结构。如此设置，利用三角形结构稳定性好的特点，以更好地对防护环12进行固定，确保在海洋漂浮过程中防护环12能持续对叶片转子7提高防护。
40.进一步的，齿轮传动系统8包括啮合连接的主动轮801以及从动轮802，主动轮801与转轴6固定连接，从动轮802通过传动杆803与发电机9相连接。如此设置，通过啮合连接的主动轮801以及从动轮802实现转轴6与发电机9之间力的传递，结构简单实用性强。
41.需要说明的是，本发明公开的浮式海上风力发电装置的其它内容为现有技术，在此不再赘述。
42.另外，需要说明的是，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
43.此外，需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
44.以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种浮式海上风力发电装置，其特征在于，包括风力发电机构以及浮式基础平台；其中，所述浮式基础平台包括中立柱以及围绕在所述中立柱圆周外侧的若干侧立柱，所述中立柱与所述侧立柱之间通过连接组件固定连接；所述风力发电机构固定连接在所述中立柱的上端，所述风力发电机构用于将海上风能转化为电能；每个所述侧立柱的下端均固定连接有上下设置的两个垂荡板，且两个所述垂荡板在垂直方向上具有预设距离。2.根据权利要求1所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：所述连接组件包括上下设置的横撑以及浮筒，所述横撑的两端分别连接所述中立柱以及所述侧立柱的上端侧部，所述浮筒的两端分别连接所述中立柱以及所述侧立柱的下端侧部；且所述浮筒的横截面面积大于所述横撑的横截面面积。3.根据权利要求1所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：包括至少三个所述侧立柱，至少三个所述侧立柱以所述中立柱的轴心为轴线环形等距离阵列分布。4.根据权利要求1所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：所述浮式海上风力发电装置还包括有波浪能发电机构，所述波浪能发电机构设置在两个所述垂荡板之间；所述波浪能发电机构用于将海上波浪能转化为电能。5.根据权利要求4所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：包括若干所述波浪能发电机构，若干所述波浪能发电机构以所述垂荡板的轴心为轴线环形阵列分布；每个所述波浪能发电机构均包括垂直设置的转轴以及固定套设在所述转轴中部的叶片转子，所述转轴的上下两端分别与所述垂荡板转动连接，所述转轴的端部连接有齿轮传动系统，所述转轴通过所述齿轮传动系统与发电机相连接；通过海上波浪驱使所述叶片转子发生转动，以使所述转轴通过所述齿轮传动系统驱动所述发电机运作以产生电力；其中，所述齿轮传动系统设置在所述垂荡板内部，所述发电机设置在所述侧立柱内部。6.根据权利要求5所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：所述转轴的外侧套设有转轴套管，所述转轴套管的中部设有用于避开所述叶片转子的缺口部；所述转轴套管的上下两端分别与所述垂荡板固定连接。7.根据权利要求6所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：所述叶片转子的圆周外侧设置有防护环，所述防护环的上下两侧均通过支撑杆与所述转轴套管固定连接。8.根据权利要求7所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：包括若干所述支撑杆，若干所述支撑杆以所述转轴的轴线为轴心等距离环形分布。9.根据权利要求7所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：所述支撑杆倾斜设置，以使所述支撑杆、所述转轴套管以及所述防护环所处平面相组合形成三角形结构。10.根据权利要求5所述的浮式海上风力发电装置，其特征在于：所述齿轮传动系统包括啮合连接的主动轮以及从动轮，所述主动轮与所述转轴固定连接，所述从动轮通过传动杆与所述发电机相连接。

技术总结
本发明公开了一种浮式海上风力发电装置，包括风力发电机构以及浮式基础平台；其中，所述浮式基础平台包括中立柱以及围绕在所述中立柱圆周外侧的若干侧立柱，所述中立柱与所述侧立柱之间通过连接组件固定连接；所述风力发电机构固定连接在所述中立柱的上端，所述风力发电机构用于将海上风能转化为电能；每个所述侧立柱的下端均固定连接有上下设置的两个垂荡板，且两个所述垂荡板在垂直方向上具有预设距离。通过本发明实现有效减小浮式基础平台的运动响应幅度，以确保风力发电机构能维持稳定的风力发电功率和结构安全。的风力发电功率和结构安全。的风力发电功率和结构安全。


技术研发人员：赵子晗 邵昌盛 刘昕瑶 陈宁 王强 李朋杰
受保护的技术使用者：南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江）
技术研发日：2022.12.21
技术公布日：2023/5/13