一种基于PTO减摇的双机头浮式风电装备

一种基于pto减摇的双机头浮式风电装备
技术领域
1.本发明涉及海上风力发电领域，特别涉及一种基于pto减摇的双机头浮式风电装备。


背景技术：

2.当前海上风能的开发与利用的趋势是从浅海逐步向深远海发展，在浅海的风能开发利用常采用固定式海上风机，但在水深大于50m的深远海，固定式风机由于经济性和稳定性变差不再适用，而浮式风电由于经济性和稳定性较好成为了深远海风能的开发与利用的重要趋势。不同于固定式风机，浮式风机运动响应较大，尤其是纵荡和纵摇运动与气动载荷耦合作用显著，而且浮式风机的建造成本也相对较大，兆瓦级别的海上浮式风机单台造价通常在 1.5 亿元以上。
3.因此，如何减小海上浮式风机的建造成本和浮式风机的运动响应，降低其对风力机组发电效率的影响，实现降本增效，已成为浮式风机设计的关键；目前，针对这一问题，较为普遍的方法是通过迭代寻找一个运动及成本较优的结构形式。但是迭代过程耗时多，而且耗费资源多且经济性方面并不是很好。


技术实现要素：

4.鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供一种基于pto减摇的双机头浮式风电装备，该装置利用pto装置和双机头装备，能够有效减小浮式风电装备在波浪中的运动响应和单位发电功率的建造成本，进而大幅提升了浮式风电装备的总体经济效益。
5.为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：一种基于pto减摇的双机头浮式风电装备，包括有锚定缆绳、浮式平台、风力发电机、动态压载舱和波浪能pto装置，锚定缆绳的一端连接浮式平台，锚定缆绳的另一端连接海底海床，浮式平台之间安设有多个波浪能pto装置，浮式平台的内部设有动态压载舱，浮式平台的上端面垂直安设有风电塔筒，所述风电塔筒呈y字型结构并且在顶端两点处安设有风力发电机。
6.优选的方案中，锚定缆绳共设有三根，每根锚定缆绳之间呈度夹角设置。
7.优选的方案中，浮式平台包括有大浮体和小浮体，大浮体和小浮体之间通过横杆和斜撑杆相互连接并构成三角型。
8.优选的方案中，大浮体和小浮体为空心柱结构，大浮体和小浮体的内部设有动态压载舱，大浮体的底部设有垂荡板，横杆上套接有波浪能pto装置。
9.优选的方案中，大浮体和小浮体上设置有舱门并连通舱体内部。
10.优选的方案中，浪能pto装置包括有套筒，所述套筒套接在横杆上并可调整位置，套筒内部设置有阻尼减摇器和刚度减摇器，所述阻尼减摇器和刚度减摇器通过线缆连接浮子，浮子漂浮在海平面上。
11.优选的方案中，动态压载舱包括有柱内压载舱、固定压载舱和外围压载舱；所述柱
内压载舱安设在大浮体和小浮体下端处的柱状体内，固定压载舱安设在垂荡板的下端面，多个外围压载舱安设在固定压载舱的外围处并围绕固定压载舱呈环形对称分布。
12.优选的方案中，柱内压载舱和外围压载舱内安设有水阀和抽水机，柱内压载舱和外围压载舱通过水阀和抽水机可控制舱内海水的总装载量。
13.本专利可达到以下有益效果：1、本发明利用横杆上的波浪能pto装置，具备主动减摇能力，能有效提高浮式风电基础的耐波性，减小浮式风电基础的动力响应，同时辅以波浪能利用，增大系统的发电效率；2、本发明通过y形风电塔筒，可一次性安装两台风力发电机并同时投入运行，有效提高了浮式平台的空间利用率，达到降本增效的目的；3、本发明将单点系泊系统应用于浮式风机上，可有效降低系泊系统的成本，并由于风浪流大体同向，可实现自动对风，减小风力效率损失；4、本发明采用多浮体通过横撑、斜撑相联的结构，可有效降低浮式基础钢材重量，并降低建造成本；5、本发明通过设置动态压载舱，当浮体受到风浪流的影响时，可调节压载增大浮式风电基础的回复力矩，能增大风电基础的稳性并有效减小风电基础的运动响应。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明整体结构示意图；图2为本发明浮式平台结构示意图；图3为本发明波浪能pto装置结构平面示意图；图4为本发明动态压载舱结构平面侧视图；图5为本发明动态压载舱剖面俯视图。
15.图中：锚定缆绳1、浮式平台2、大浮体201、垂荡板202、小浮体203、横杆204、斜撑杆205、波浪能pto装置3、套筒301、阻尼减摇器302、刚度减摇器303、浮子304、风电塔筒4、风力发电机5、动态压载舱6、柱内压载舱601、固定压载舱602、外围压载舱603。
具体实施方式
16.如图1和图2所示，一种基于pto减摇的双机头浮式风电装备，包括有锚定缆绳1、浮式平台2、风力发电机5、动态压载舱6和波浪能pto装置3，锚定缆绳1的一端连接浮式平台2，锚定缆绳1的另一端连接海底海床并提供回复力，浮式平台2之间安设有多个波浪能pto装置3用于主动减摇，浮式平台2的内部设有动态压载舱6用于提高稳定性，浮式平台2的上端面垂直安设有风电塔筒4，所述风电塔筒4呈y字型结构并且在顶端两点处安设有风力发电机5，通过此设计，能够同时支撑两台风力发电机组并同时投入运行，有效提高了浮式平台的空间利用率。
17.优选的方案如图1所示，锚定缆绳1共设有三根，每根锚定缆绳1之间呈120度夹角设置，所述锚定缆绳1采用钢质缆绳制作而成，具有足够的韧性并为浮式风电装备提供回复力。
18.优选的方案如图1和图2所示，浮式平台2包括有大浮体201和小浮体203，大浮体201和小浮体203之间通过横杆204和斜撑杆205相互连接并构成三角型并为整个浮式风电装备提供足够的浮力，横杆204和斜撑杆205采用多段式拼接结构，能够方便对齐进行安装和拆卸保养；大浮体201和小浮体203为空心柱结构，大浮体201和小浮体203的内部设有动态压载舱6，大浮体201和小浮体203采用空心柱结构，其形状可根据海洋环境状况设计为圆柱状、长方体状等；大浮体201和小浮体203上设置有舱门并连通舱体内部，工作人员通过舱门可进入到浮体内部进行检查和维修工作；横杆204上套接有波浪能pto装置3；所述波浪能 pto 作为主动控制阻尼器，具备主动减摇能力，能有效提高浮式风电基础的耐波性，减小浮式风电基础的动力响应，同时辅以波浪能利用，增大系统的发电效率。
19.优选的方案如图3所示，波浪能pto装置3包括有套筒301，所述套筒301套接在横杆204上并可调整位置，套筒301内部设置有阻尼减摇器302和刚度减摇器303，所述阻尼减摇器302和刚度减摇器303通过线缆连接浮子304，浮子304漂浮在海平面上；装置在运行过程中，大浮体201和小浮体203在波浪作用下存在复杂的水动力干扰特性，可能会引起浮体围水域波面升高，即“准陷波”现象，并对浮式基础动力响应与结构安全性具有重要影响；而波浪能pto装置3可以有效吸收“准陷波”现象引起的波浪能量。合理选择波浪能pto装置3的阻尼值及布置的位置和数量，可以充当阻尼器的作用，实现降低浮式平台在波浪中的运动响应的作用，最终达到提高系统发电效率的目的；利用aqwa软件进行有无波浪能pto装置3时的浮式风机耦合时域分析，可以发现在会显著影响风机效率的垂荡和纵摇两个方向的运动上分别降低了10.84%和10.57%的运动响应，锚链最大张力也降低了2.22%。
20.表1 工作海况下的整体风机运动响应统计表。
21.优选的方案如图4和图5所示，动态压载舱6包括有柱内压载舱601、固定压载舱602和外围压载舱603；所述柱内压载舱601安设在大浮体201和小浮体203下端处的柱状体内，
固定压载舱602安设在垂荡板202的下端面，多个外围压载舱603安设在固定压载舱602的外围处并围绕固定压载舱602呈环形对称分布，可以提供更大的回复力矩，更好地实现减摇的作用；柱内压载舱601和外围压载舱603内安设有水阀和抽水机；柱内压载舱601和外围压载舱603通过水阀和抽水机可控制舱内海水的总装载量；动态压载舱6再运行过程中，柱内压载舱601通过吸收海水能够增加平台重量，使得浮式平台2到达设计吃水位置；固定压载舱602采用混凝土固定压载设计，无法进行实时动态调整，可以起到压低浮式风机重心、提高稳性的作用；而外围压载舱603使用原理为：由于浮式平台2上装载有两台风力发电机5，风力发电机5在工作状态时会产生较大的风推力，且随着风力的变化而变化。风推力作用到浮式平台2产生一个力矩，使得浮式平台2出现纵倾角，纵倾角的存在对于浮式风电装备的安全性能是不利的；通过调整外围压载舱603内的海水重量，以产生回复力矩抵消风力发电机5推力产生的动态风推力矩，使得浮式平台回到正浮状态。
22.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于pto减摇的双机头浮式风电装备，包括有锚定缆绳（1）、浮式平台（2）、风力发电机（5）、动态压载舱（6）和波浪能pto装置（3），其特征在于：锚定缆绳（1）的一端连接浮式平台（2），锚定缆绳（1）的另一端连接海底海床，浮式平台（2）之间安设有多个波浪能pto装置（3），浮式平台（2）的内部设有动态压载舱（6），浮式平台（2）的上端面垂直安设有风电塔筒（4），所述风电塔筒（4）呈y字型结构并且在顶端两点处安设有风力发电机（5）。2.根据权利要求1所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：锚定缆绳（1）共设有三根，每根锚定缆绳（1）之间呈120度夹角设置。3.根据权利要求1所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：浮式平台（2）包括有大浮体（201）和小浮体（203），大浮体（201）和小浮体（203）之间通过横杆（204）和斜撑杆（205）相互连接并构成三角型。4.根据权利要求3所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：大浮体（201）和小浮体（203）为空心柱结构，大浮体（201）和小浮体（203）的内部设有动态压载舱（6），大浮体（201）的底部设有垂荡板（202），横杆（204）上套接有波浪能pto装置（3）。5.根据权利要求4所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：大浮体（201）和小浮体（203）上设置有舱门并连通舱体内部。6.根据权利要求4所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：波浪能pto装置（3）包括有套筒（301），所述套筒（301）套接在横杆（204）上并可调整位置，套筒（301）内部设置有阻尼减摇器（302）和刚度减摇器（303），所述阻尼减摇器（302）和刚度减摇器（303）通过线缆连接浮子（304），浮子（304）漂浮在海平面上。7.根据权利要求4所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：动态压载舱（6）包括有柱内压载舱（601）、固定压载舱（602）和外围压载舱（603）；所述柱内压载舱（601）安设在大浮体（201）和小浮体（203）下端处的柱状体内，固定压载舱（602）安设在垂荡板（202）的下端面，多个外围压载舱（603）安设在固定压载舱（602）的外围处并围绕固定压载舱（602）呈环形对称分布。8.根据权利要求7所述的基于pto减摇的双机头浮式风电装备，其特征在于：柱内压载舱（601）和外围压载舱（603）内安设有水阀和抽水机，柱内压载舱（601）和外围压载舱（603）通过水阀和抽水机可控制舱内海水的总装载量。

技术总结
一种基于PTO减摇的双机头浮式风电装备，包括有锚定缆绳、浮式平台、风力发电机、动态压载舱和波浪能PTO装置，锚定缆绳的一端连接浮式平台，锚定缆绳的另一端连接海底海床，浮式平台之间安设有多个波浪能PTO装置，浮式平台的内部设有动态压载舱，浮式平台的上端面垂直安设有风电塔筒，所述风电塔筒呈Y字型结构并且在顶端两点处安设有风力发电机；本发明利用PTO装置和双机头装备，能够有效减小浮式风电装备在波浪中的运动响应和单位发电功率的建造成本，进而大幅提升了浮式风电装备的总体经济效益。济效益。济效益。


技术研发人员：樊天慧 薛洋洋 刘运志 方剑虎 杜昱宏 陈超核 刘俊峰 许新鑫 严心宽 韩煜 周天晨
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/6