一种具有自动控制功能的浮式风电装备的制作方法

1.本实用新型涉及风电装备技术领域，尤其涉及一种具有自动控制功能的浮式风电装备。


背景技术：

2.浮式风电装备被业内寄望为“未来深远海海上风电开发的主要技术”，已在多个国家和地区开展探索。与传统固定于近海海床上的风电机组相比，浮式风电装备可实现在深远海域部署的愿景，在获取深远海域稳定优质风电资源的同时，也不影响近岸渔业及其他相关产业活动。但相比近海海床风电，海上浮式风电所处的环境更加恶劣，浮式基础会产生六自由度运动，时常伴有的台风也对风电装备的运行性能提出较大的挑战。半潜式浮动平台通常仅在安装时通过压载水舱对平台的重心进行调节，之后一般不再调整，但由于纵摇和横摇的自由度不固定，风机会因为风、浪、流的作用产生横摇角和纵摇角，降低发电效率。此外，目前浮动平台一般采用多点式系泊，用海面积大，且各方向的水动力性能不同。因而需要对现有浮式风电装备的改进技术，以提高发电效率和风机安全性，降低用海面积。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种可以提高发电效率、降低用海面积的具有自动控制功能的浮式风电装备，该装备结构采用对叶片、机舱、浮动平台的综合控制达到降低载荷、提高安全性和稳定、提高经济性的目的。
4.本实用新型是通过以下技术方案来实现的：
5.一种具有自动控制功能的浮式风电装备，包括塔筒、风机、浮动平台、单点系泊装置和对流装置，至少一个所述塔筒安装在所述浮动平台上，每个所述塔筒上安装有所述风机，所述浮动平台包括相互连接的若干立柱，各所述立柱的底部设置有压载仓，所述单点系泊装置设置在其中一个所述立柱的底部，用于将浮动平台锚固在海床上；所述对流装置安装在所述立柱的底面上，其平行于浮动平台的截面呈水滴形状，包括尖端和圆端，所有立柱上所述对流装置的形状相同、姿势一致，对流装置用于流向改变时尖端对准来流方向，使浮动平台可以正对来流方向，减小其所受到的流载荷。对流装置可在一定程度上起到类似于船舵的作用，其为不可转动状态，安装于立柱下端，流向改变时会在水流的作用下对准来流方向。当侧向来流时，由于平台由单点系泊装置固定，仅可进行旋转，侧方来流对对流装置会有一个侧方向的推力，这会使平台围绕单点系泊位置有一个转矩，从而导致整个浮动平台朝着正对来流的方向转动，实现对流的功能，减小浮动平台受到的流载荷。
6.进一步改进的技术方案是，还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括测风仪、姿态传感器、液位传感器和控制器，所述测风仪设置在所述风机机舱的顶部，用于测量风机处的风速、风切变和风向，所述姿态传感器设置在所述立柱的顶部，每个立柱均设置一个姿态传感器，共同构成一个平面，用于感知浮动平台的姿态，包括纵摇和横摇的数据，液位传感器设置在所述压载仓内，每个压载仓均设置一个液位传感器，用于感知各压载仓内液面
的高度，便于调节压载。所述控制器分别与所述测风仪、姿态传感器和液位传感器相连，用于接收探测的数据，控制器同时分别与所述风机和压载仓电连接，以控制风机的叶片桨距角、风轮面的方向和压载仓的压载分布。
7.进一步改进的技术方案是，所述风机包括三个叶片和轮毂，所述轮毂内安装有独立变桨装置，所述独立变桨装置包括三个电机，三个电机分别与三个叶片驱动连接，使得叶片可相对轮毂转动，所述控制器与独立变桨装置相连，给三个电机下达不同的变桨指令，用于根据不同风况（风速、风向和风切变）调整叶片桨距角，以保证风速变大时叶片结构的安全性与整体发电功率的稳定性。
8.进一步改进的技术方案是，所述风机机舱的底部与所述塔筒可转动连接，连接处设置有机舱偏航控制装置，所述控制器与所述机舱偏航控制装置相连，控制器接收测风仪感知的反馈信号，根据不同风向控制机舱偏航控制装置中的偏航驱动，使风轮面垂直于来风方向，以获取最大发电效率。
9.进一步改进的技术方案是，所述浮动平台上还设置有主动压载控制装置，所述主动压载控制装置包括设置在各压载仓中的液体泵和管道，所述控制器与液体泵相连，用于根据各液位传感器和姿态传感器的数据控制各压载仓的水位，如在各压载仓间转移压载水，或从海里排水或抽水，改变压载水分布，改变浮动平台重心位置，以调节浮动平台的横摇和纵摇，达到减小载荷并提高发电效率的目的。根据姿态传感器反馈的横摇和纵摇信息，控制器对风载荷和流载荷进行计算，根据风载荷和流载荷计算可以使浮动平台达到平衡的重心位置，对各舱室的液体泵发出控制指令，改变压载水分布，从而达到改变浮动平台重心的目的。
10.进一步改进的技术方案是，所述单点系泊装置包括锚固基础、系泊缆和轴承旋转连接组件，所述轴承旋转连接组件设置在所述立柱的底部，所述系泊缆的一端连接在所述轴承旋转连接组件上，使得系泊缆可自由旋转，另一端连接在所述锚固基础上，形成垂直系泊，锚固基础用于与海床的固定。锚固基础主要承受垂向拉力，适用于桩锚、吸力锚等锚型；系泊缆布置与常见的张力腿平台类似，可采用张力筋腱或张紧的缆绳，从而实现垂直系泊；轴承旋转连接组件主要用于连接浮动平台与系泊缆，并且实现可旋转的功能，其长期处于恶劣环境下，需具有较高的可靠性和安全性。
11.进一步改进的技术方案是，所述轴承旋转连接组件包括旋转轴承套和转轴，所述旋转轴承套固定在所述立柱的底部，所述转轴嵌套在所述旋转轴承套内，转轴在旋转轴承套内自由转动，所述系泊缆的一端与所述转轴相连，系泊缆为多条张力筋腱或多条张紧的缆绳。
12.进一步改进的技术方案是，所述浮动平台为三立柱式半潜式浮动平台，所述风机有一台，安装在其中一个立柱上。
13.进一步改进的技术方案是，所述单点系泊装置设置在安装有风机的立柱的底部，所述对流装置分别设置在其余两个立柱的底部。
14.进一步改进的技术方案是，三个所述立柱通过衍架相互相连成一个三角形，三个立柱的底部通过垂荡板相互连接，且三个垂荡板形成中空的三角形。
15.本实用新型通过单点系泊装置和对流装置的设置，可使浮动平台在来流改变时能够自动对流，减小浮动平台所受到的流载荷，从而减小平台的纵摇角和横摇角，提高发电效
率，并可有效减少用海面积；通过自动控制系统的设置，对风况、平台姿态和平台压载分布等进行实时监测，并根据监测数据实时单独调节各桨叶片的倾斜角度、风机风轮面的方向和压载仓的压载分布，以在进一步提高发电效率的同时，可保证风机和浮动平台的运行稳定性和安全性，以利于浮式风电装备的进一步应用和推广。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例的结构示意图。
17.图2为本实用新型实施例另一视角的结构示意图。
18.图3为本实用新型实施例的仰视示意图。
19.图4为本实用新型实施例中对流装置的结构示意图。
20.图5为本实用新型实施例中单点系泊装置的结构示意图。
21.图6为本实用新型中自动控制系统和单点系泊对流的框架结构图。
22.附图标记：1-浮动平台；2-塔筒；3-风机；4-单点系泊装置；5-对流装置；6-海床；7-自动控制系统；11-立柱；12-衍架；13-垂荡板；14-主动压载控制装置；31-叶片；32-轮毂；33-机舱；34-独立变桨装置；35-机舱偏航控制装置；41-轴承旋转连接组件；42-系泊缆；43-锚固基础；51-尖端；52-圆端；71-控制器；72-测风仪；73-姿态传感器；74-液位传感器。
具体实施方式
23.一种具有自动控制功能的浮式风电装备，如图1、图2，包括塔筒2、风机3、浮动平台1、单点系泊装置4和对流装置5，至少一个所述塔筒2安装在所述浮动平台1上，每个所述塔筒2上安装有所述风机3，所述浮动平台1包括相互连接的若干立柱11，各所述立柱11的底部设置有压载仓，所述单点系泊装置4设置在其中一个所述立柱11的底部，用于将浮动平台1锚固在海床6上；如图3、图5，所述对流装置5安装在所述立柱11的底面上，其平行于浮动平台1的截面呈水滴形状，包括尖端51和圆端52，所有立柱11上所述对流装置5的形状相同、姿势一致，对流装置5用于流向改变时尖端51对准来流方向，使浮动平台1可以正对来流方向，减小其所受到的流载荷。对流装置5呈台柱状地设置在立柱11的底部，台柱的截面呈水滴状，可在一定程度上起到类似于船舵的作用，其为不可转动状态，流向改变时会在水流的作用下对准来流方向。当侧向来流时，由于平台由单点系泊装置4固定，仅可进行旋转，侧方来流对对流装置5会有一个侧方向的推力，这会使平台围绕单点系泊位置有一个转矩，从而导致整个浮动平台1朝着正对来流的方向转动，实现对流的功能，减小浮动平台1受到的流载荷。
24.本实施例中，浮式风电装备还包括自动控制系统7，如图6，所述自动控制系统7包括测风仪72、姿态传感器73、液位传感器74和控制器71，所述测风仪72设置在所述风机3机舱33的顶部，用于测量风机3处的风速、风切变和风向，所述姿态传感器73设置在所述立柱11的顶部，每个立柱11均设置一个姿态传感器73，共同构成一个平面，用于感知浮动平台1的姿态，包括纵摇和横摇的数据，液位传感器74设置在所述压载仓内，每个压载仓均设置一个液位传感器74，用于感知各压载仓内液面的高度，便于调节压载。所述控制器71分别与所述测风仪72、姿态传感器73和液位传感器74相连，用于接收探测的数据，控制器71同时分别与所述风机3和压载仓电连接，以控制风机3的叶片31桨距角、风轮面的方向和压载仓的压
载分布。姿态传感器73包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等运动传感器，可实时感知得到三维姿态与方位等数据。
25.作为其中一种实施方式，所述风机3包括三个叶片31和轮毂32，所述轮毂32内安装有独立变桨装置34，所述独立变桨装置34包括三个电机，三个电机分别与三个叶片31驱动连接，使得叶片31可相对轮毂32转动，所述控制器71与独立变桨装置34相连，可给三个电机下达不同的变桨指令，用于根据不同风况（风速、风向和风切变）调整叶片31桨距角，以保证风速变大时叶片31结构的安全性与整体发电功率的稳定性。
26.作为其中一种实施方式，所述风机3机舱33的底部与所述塔筒2可转动连接，连接处设置有机舱偏航控制装置35，所述控制器71与所述机舱偏航控制装置35相连，控制器71接收测风仪72感知的反馈信号，根据不同风向控制机舱偏航控制装置35中的偏航驱动，偏航驱动驱动风机3机舱33相对塔筒2转动，使风轮面垂直于来风方向，以获取最大发电效率。
27.作为其中一种实施方式，所述浮动平台1上还设置有主动压载控制装置14，所述主动压载控制装置14包括设置在各压载仓中的液体泵和管道，所述控制器71与液体泵相连，用于根据各液位传感器74和姿态传感器73的数据控制各压载仓的水位，如在各压载仓间转移压载水，或从海里排水或抽水，改变压载水分布，改变浮动平台1重心位置，以调节浮动平台1的横摇和纵摇，达到减小载荷并提高发电效率的目的。根据姿态传感器73（如六自由度运动传感器）反馈的横摇和纵摇信息，控制器71对风载荷和流载荷进行计算，根据风载荷和流载荷计算可以使浮动平台1达到平衡的重心位置，对各舱室的液体泵发出控制指令，改变压载水分布，从而达到改变浮动平台1重心的目的。
28.本实施例中，如图1、图5，所述单点系泊装置4包括锚固基础43、系泊缆42和轴承旋转连接组件41，所述轴承旋转连接组件41设置在所述立柱11的底部，所述系泊缆42的一端连接在所述轴承旋转连接组件41上，使得系泊缆42可自由旋转，另一端连接在所述锚固基础43上，形成垂直系泊，锚固基础43用于与海床6的固定。所述轴承旋转连接组件41包括旋转轴承套和转轴，所述旋转轴承套固定在所述立柱11的底部，所述转轴嵌套在所述旋转轴承套内，转轴在旋转轴承套内自由转动，所述系泊缆42的一端与所述转轴相连，系泊缆42为多条张力筋腱或多条张紧的缆绳。
29.锚固基础43主要承受垂向拉力，适用于桩锚、吸力锚等锚型；系泊缆42布置与常见的张力腿平台类似，可采用张力筋腱或张紧的缆绳，从而实现垂直系泊系统；轴承旋转连接组件41主要用于连接浮动平台1与系泊缆42，并且实现可旋转的功能，其长期处于恶劣环境下，需具有较高的可靠性和安全性。
30.本实施例中，所述浮动平台1为三立柱11式半潜式浮动平台1，所述风机3有一台，安装在其中一个立柱11上。所述单点系泊装置4设置在安装有风机3的立柱11的底部，所述对流装置5分别设置在其余两个立柱11的底部。三个所述立柱11通过衍架12相互相连成一个三角形，三个立柱11的底部通过垂荡板13相互连接，且三个垂荡板13形成中空的三角形。
31.上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

技术特征：
1.一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，包括塔筒、风机、浮动平台、单点系泊装置和对流装置，至少一个所述塔筒安装在所述浮动平台上，每个所述塔筒上安装有所述风机，所述浮动平台包括相互连接的若干立柱，各所述立柱的底部设置有压载仓，所述单点系泊装置设置在其中一个所述立柱的底部，用于将浮动平台锚固在海床上；所述对流装置安装在所述立柱的底面上，其平行于浮动平台的截面呈水滴形状，包括尖端和圆端，所有立柱上所述对流装置的形状相同、姿势一致，对流装置用于流向改变时尖端对准来流方向，使浮动平台可以正对来流方向，减小其所受到的流载荷。2.根据权利要求1所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括测风仪、姿态传感器、液位传感器和控制器，所述测风仪设置在所述风机机舱的顶部，用于测量风机处的风速、风切变和风向，所述姿态传感器设置在所述立柱的顶部，每个立柱均设置一个姿态传感器，用于感知浮动平台的姿态，包括纵摇和横摇的数据，液位传感器设置在所述压载仓内，每个压载仓均设置一个液位传感器，用于感知各压载仓内液面的高度，所述控制器分别与所述测风仪、姿态传感器和液位传感器相连，用于接收探测的数据，控制器同时分别与所述风机和压载仓电连接，以控制风机的叶片桨距角、风轮面的方向和压载仓的压载分布。3.根据权利要求2所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述风机包括三个叶片和轮毂，所述轮毂内安装有独立变桨装置，所述独立变桨装置包括三个电机，三个电机分别与三个叶片驱动连接，使得叶片可相对轮毂转动，所述控制器与独立变桨装置相连，用于根据不同风况调整叶片桨距角，以保证叶片结构的安全性与整体发电功率的稳定性。4.根据权利要求2所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述风机机舱的底部与所述塔筒可转动连接，连接处设置有机舱偏航控制装置，所述控制器与所述机舱偏航控制装置相连，用于根据不同风向控制机舱偏航控制装置中的偏航驱动，使风轮面垂直于来风方向，以获取最大发电效率。5.根据权利要求2所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述浮动平台上还设置有主动压载控制装置，所述主动压载控制装置包括设置在各压载仓中的液体泵和管道，所述控制器与液体泵相连，用于根据各液位传感器和姿态传感器的数据控制各压载仓的水位，改变压载水分布，以调节浮动平台的横摇和纵摇。6.根据权利要求1所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述单点系泊装置包括锚固基础、系泊缆和轴承旋转连接组件，所述轴承旋转连接组件设置在所述立柱的底部，所述系泊缆的一端连接在所述轴承旋转连接组件上，使得系泊缆可自由旋转，另一端连接在所述锚固基础上，形成垂直系泊，锚固基础用于与海床的固定。7.根据权利要求6所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述轴承旋转连接组件包括旋转轴承套和转轴，所述旋转轴承套固定在所述立柱的底部，所述转轴嵌套在所述旋转轴承套内，所述系泊缆的一端与所述转轴相连，系泊缆为多条张力筋腱或多条张紧的缆绳。8.根据权利要求1所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述浮动平台为三立柱式半潜式浮动平台，所述风机有一台，安装在其中一个立柱上。9.根据权利要求8所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，所述单
点系泊装置设置在安装有风机的立柱的底部，所述对流装置分别设置在其余两个立柱的底部。10.根据权利要求8所述的一种具有自动控制功能的浮式风电装备，其特征在于，三个所述立柱通过衍架相互相连成一个三角形，三个立柱的底部通过垂荡板相互连接，且三个垂荡板形成中空的三角形。

技术总结
一种具有自动控制功能的浮式风电装备，包括塔筒、风机、浮动平台、单点系泊装置和对流装置，风机和塔筒安装在浮动平台上，浮动平台包括相互连接的若干立柱，各立柱的底部设置有压载仓，单点系泊装置设置在其中一个立柱的底部，对流装置安装在立柱的底面上，其平行于浮动平台的截面呈水滴形状，包括尖端和圆端，用于使浮动平台正对来流方向；还包括自动控制系统，其包括测风仪、姿态传感器、液位传感器和控制器，用于控制风机的叶片桨距角、风轮面的方向和压载仓的压载分布。本实用新型通过单点系泊装置、对流装置和自动控制系统的设置，可在大大提高发电效率的同时，有效减少用海面积，保证风机和浮动平台的运行稳定性和安全性。保证风机和浮动平台的运行稳定性和安全性。保证风机和浮动平台的运行稳定性和安全性。


技术研发人员：周舒旎 郝玉恒 倪远翔 王叶 董晔弘 王伟龙 邵昌盛
受保护的技术使用者：广东海装海上风电研究中心有限公司
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/7/6