一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础及控制方法

1.本发明涉及一种浮式风机基础及控制方法，尤其涉及一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础及控制方法。


背景技术：

2.在海上浮式风机的设计建造工作中，首要的目标是能够保证其浮式基础的稳性，以保障其在服役的各阶段不发生倾覆性后果，此外，海上风机在倾斜一定角度后会大大降低风力发电机的发电效率。半浅式浮式风机基本受力原理为：当结构在水平荷载作用下发生倾斜后，一侧边缘的浮筒的浮力增大，另一侧边缘的浮筒的浮力减小，浮力差对重心产生回复力矩。此外，回复力矩还由系泊系统系泊线在几何变形状态下的张力来提供，主要通过回复力，从而抵抗浮式基础结构受到的载荷，保证作业漂浮状态下结构的稳定性和极端海况下的安全性，因此，系泊链通常包含较大的预紧力，并且随风机的运动会遭受较为频繁的交变应力，容易遭受疲劳等破坏。
3.由于海上漂浮式风机具有高耸的塔筒结构，风机叶片受到气动推力将会产生巨大的倾覆力矩，因此部分浮式风机采用主动压载调节系统以调节浮式风机的平衡姿态，提高浮式风机稳性；半潜型浮式风机三个柱体内的压载舱室可根据浮式平台的实时姿态进行压载水闭环调节，以提高浮式风机受风荷载时的稳性，但该主动压载调节系统不仅复杂性较高，费用也较为高昂，并且压载调节速度也不够理想。
4.大量研究表明，商业风电场或波浪电场预计将占据很大的海洋空间，将风能和波浪能的不同技术功能集成到一个平台中，会有以下好处：(1)互补性，两者处于同一片广袤的海洋之中，它们的发电方式不冲突，具有高度互补性，能够对某一地区的单位面积范围内的能量产出做最大化；(2)经济性，两者大多情况下同处一个支撑平台，而该平台往往都会实现系泊、支撑平台的共享，具备较高的经济性能；(3)安全性，由于水线面附近位置处的波浪能发电装置的存在，能够改变海洋平台附近的波浪分布，在一定程度上起到了保护风机免受强浪冲击的作用。然而，目前现有波浪能发电和风能发电装置大都独立运行，需要各自建造安装基础，使波浪能发电和海上风力发电的开发维护成本较高，海上风机已经能够做到一定规模的商用，但是波浪能发电装置仍然未能大规模投入商用，风浪联合发电技术近年来也在积极发展，但大规模商业化部署尚不成熟，并且现阶段二者均以近浅海为主，近浅海的波浪能和风能资源不如深远海丰富，资源品质也稍差，且在近浅海的波浪能和风能开发行为对渔业生产等活动具有较大的负面影响。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明目的是提出一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础及控制方法，不仅能够通过调节各浮筒的压载来调节浮式风机的平衡姿态和增加浮式风机的自稳性，并且能够充分利用风浪能进行发电。
6.技术方案：本发明包括立柱和多个浮筒，多个浮筒以立柱为中心呈环形阵列分布，
相邻浮筒下部连接有横撑，所述横撑与浮筒的连接处设有发电装置，每个浮筒外侧均套设有浮筒套，浮筒内部设有活塞，所述浮筒套内嵌有多根第一连接杆，所述活塞上设有多根第二连接杆，所述第一连接杆与第二连接杆对应设置，且第一连接杆与第二连接杆上均设有齿条，第一连接杆与第二连接杆之间的浮筒内部设有齿轮箱。
7.还包括传感检测装置、数据处理与控制装置，传感检测装置和数据处理与控制装置连接。
8.所述发电装置为无轴变距涡轮发电机，包括定子、转子和叶片，叶片通过旋转轴固定在定子上，水流流向发生改变时转子的转向不会发生改变，可以使得所产生的电能更加稳定。
9.所述浮筒内部设有中部舱室，包括内腔室和外腔室，内腔室内部设有活塞，活塞下方的内腔室为压载水，压载水通过横撑与相邻浮筒连通。
10.所述外舱室顶部设有齿轮箱，所述齿轮箱内设有发动机，电动机与电动机输出齿轮连接。
11.所述齿轮箱内还设有动齿轮和齿轮箱动齿轮，动齿轮由数据处理与控制装置控制，可分别与第一连接杆及电动机输出齿轮啮合；所述齿轮箱动齿轮与第二连接杆啮合。
12.所述传感检测装置包括风速风向传感器、温湿度传感器、大气压力传感器，水位传感器和倾角传感器。
13.一种采用稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础的控制方法，包括以下步骤：
14.步骤一、传感检测装置进行信号采集，并上传到数据处理与控制装置；
15.步骤二、数据处理与控制装置进行信号分析与处理：数据处理与控制装置对风向角改变大小和风机倾角大小进行分析，若风向角改变大小和风机倾角小于预设值，则执行步骤三，若风向角改变大小或风机倾角大于预设值则执行步骤四；
16.步骤三、小倾角下被动式压载调节与波浪能发电；
17.步骤四、大倾角下主动式压载调节与偏航稳定性控制。
18.所述步骤三具体为：数据处理与控制装置对动齿轮发出控制指令，使其与第一连接杆的齿条啮合，进入被动式压载调节与波浪能发电模式，由浮筒套控制活塞上下运动对压载水进行调节，同时发电装置进入发电状态。
19.所述步骤四具体为：数据处理与控制装置对动齿轮发出控制指令，使其与电动机输出齿轮啮合，进入主动压载调节模式，由电动机控制活塞上下移动对压载水进行调节。
20.有益效果：
21.(1)本发明在被动调节模式下利用各浮筒吃水变化来带动浮筒套运动实时调节各浮筒压载，不仅可以有效减小浮式风机的倾斜角度，提高其稳性，并且可以极大抵消浮式风机的艏摇和横摇程度，提高其耐波性；在调节过程中，发电装置可在水流的带动下发电，可实现对波浪能的充分有效利用；
22.(2)本发明在主动调节模式下通过智能控制方法控制电机来对压载进行较大范围调节，可以在没有人工干预的情况下对浮式风机姿态进行调节，保证风机运行的稳定性。在单侧风速较大时，将压载水压入倾斜一侧的浮筒内，可极大程度纠正风机对风角度；在风向转变时，对各浮筒压载进行实时调节，可使风机偏航对风过程更加平稳。
附图说明
23.图1是本发明的整体结构示意图；
24.图2为图1的部分剖视图；
25.图3为本发明的齿轮箱示意图一；
26.图4为本发明的齿轮箱示意图二；
27.图5为本发明的发电机示意图一；
28.图6为本发明的发电机示意图二；
29.图7为本发明风机基础结构受力分析示意图；
30.图8为本发明的浮筒套结构示意图；
31.图9为本发明的活塞结构示意图；
32.图10为本发明的控制流程图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步说明。
34.如图1和图2所示，本发明包括立柱1和三个浮筒2，立柱1顶部连接有塔筒，三个浮筒2以立柱1为中心呈环形阵列分布，每个浮筒2与立柱1之间均通过多个横撑7和斜撑8连接，相邻浮筒2的下部连接有横撑7。所有的横撑7与斜撑8均为圆筒加内部t材的结构，以保证其强度，除底部横撑7连同压载水外均为水密的。立柱1为整个基础的中心，用于安装和固定风机，立柱1上端为柱体结构，下端为底面积更大的立柱，以减少风机基础的垂荡。
35.每个浮筒2外侧均套设有浮筒套3，浮筒套3漂浮与水面之上，浮筒套3可沿浮筒2上下滑动，如图8所示，浮筒套3内部嵌有四根第一连接杆31，四根第一连接杆31沿浮筒套3周向间隔均匀的分布，第一连接杆31相向的一侧均设有齿条。
36.浮筒2分为上中下三个部分，上部为内空的板壳结构；中部舱室为双层壳结构，又分成了内外两个舱室，外舱室顶部设有齿轮箱6，下部可作为压载舱，内舱室内部由活塞4分为上下两部分，活塞4可沿内舱室上下移动，其上部为空气，下部为压载水，压载水通过横撑7与相邻浮筒2连通，横撑7与浮筒2的连接处安装有发电装置5，发电装置5置于横撑7内部；浮筒2的底部舱室为固定压载舱，降低风机重心。活塞4沿其周向间隔均匀地嵌有四根第二连接杆32，如图9所示，第二连接杆32的顶部均伸出活塞4上顶面，第二连接杆32相向的一侧均设有齿条，第一连接杆31与第二连接杆32对应设置。
37.第一连接杆31及第二连接杆32与浮筒2之间还可以设置导向件，对二者相对运动进行导向。导向件可以为滑轮组的结构，置于浮筒套3与浮筒2的接触面；导向件可以为导向孔和滑轮组结构，置于第一连接杆31及第二连接杆32与浮筒2之间，对连接杆水平方向运动进行约束，并使垂向运动更加平滑。
38.如图3和图4所示，齿轮箱6内设有电动机，电动机与电动机输出齿轮61连接，齿轮箱6内还设有动齿轮62、齿轮箱动齿轮63，动齿轮62由数据处理与控制装置10控制，可左右移动，位于左侧时与第一连接杆31上的齿条相互啮合，位于右侧时与电动机输出齿轮61相互啮合；齿轮箱动齿轮63与第二连接杆41上的齿条相互啮合。
39.如图5和图6所示，发电装置5为无轴变距涡轮发电机，包括定子51、转子52和叶片53，定子51上有强永磁铁，转子52内部为电磁感应线圈；叶片53横截面为水滴状，通过旋转
轴54固定在定子51上，并可绕该轴在一定角度内旋转。当横撑7内水流由左向右流动时，叶片53的远轴侧偏向右侧，与水流形成一定夹角从而产生推力使得叶片53向着其近轴侧转动，定子51切割磁感线产生电能。当流向改变时，叶片53远轴侧将偏向另一侧，同样与水流形成一个夹角使得叶片53向着其近轴侧转动，可见水流流向发生改变时转子52的转向不会发生改变，可以使得所产生的电能更加稳定。此外，该无轴变距涡轮发电机由于没有轴系等结构，大大减小了经过水流的阻力，提高了发电效率。
40.本发明的浮式风机基础上还设有传感检测装置9、数据处理与控制装置10，传感检测装置9包括置于塔筒上部结构机舱上的风速风向传感器91、温湿度传感器92、大气压力传感器93，浮筒2上的水位传感器94和立柱1上的倾角传感器95。风速风向传感器91、温湿度传感器92、大气压力传感器93、水位传感器94和倾角传感器95，用以采集信号并上传。数据处理与控制装置10设置在立柱1内，并与传感检测装置9连接，用以分析采集的信号，分析风浪大小和风机基础倾斜角度，若小于预设值，数据处理与控制装置10发出指令，将齿轮箱6的动齿轮62调节至与浮筒套3的第一连接杆31的齿条相啮合的位置，如图4所示，进而由浮筒套3控制活塞运动从而对三个浮筒2内的压载水进行小范围调节；若风浪大小和风机基础倾斜角度大于预设值，则将动齿轮62调节至与电动机输出齿轮61啮合，数据处理与控制装置10分析倾角传感器95测得的平台x，y方向转动角，经坐标转换计算漂浮平台倾斜高度位置信息，获得水位调节具体方向，从而控制电动机对三个浮筒2内压舱水的质量分布进行大范围调节。
41.本发明还包括系泊系统，系泊系统由多根系泊链构成，系泊方式采用悬链式，系泊链连接在浮筒2的底端，用于辅助浮筒2的稳定。
42.如图7所示，本发明的浮式风机受力和工作原理为：当浮式风机受较小风浪时，传感检测装置9将收集到的信号传递给数据处理与控制装置10，经分析风向未改变且风机倾斜角度小于预设值不需要对压载水大范围调节，将齿轮箱内的动齿轮62调节至第一连接杆31上，由浮筒套3控制活塞4在一定范围内上下运动对压载水进行调节；此时受力过程为：波浪或风机倾斜造成三个浮筒吃水不一致，一侧吃水增加，浮筒套3会相对于浮筒向上运动，由第一连接杆31带动齿轮箱转动，经齿轮箱6增大扭矩后将力传递给第二连接杆41从而使活塞4向下运动，从而将浮筒中部内舱室的压载水压入其他浮筒2内，该侧浮力增大，重力减小，另一侧浮力减小，重力增大，组合力形成的力矩会阻止浮式风机倾斜并能减小浮式基础倾斜角度，使浮式风机恢复到初始平衡位置，反之亦然，从而大大抵消浮式风机的艏摇和横摇。该过程中，当压载水流经无轴变距涡轮发电机时带动叶片转动产生电能。
43.当风向改变偏航系统对风时或单侧风向持续增大时，传感检测装置9将收集到的信号传递给数据处理与控制装置10，经分析风向改变或风机倾斜角度大于预设值时，发出信号使动齿轮62脱离第一连接杆31，向内移动，并与电动机输出齿轮61啮合，在电动机的驱动下吃水深的低位浮筒一侧的活塞4向下运动，另一侧活塞4向上运动，所有浮筒2内的电动机共同作用以对平台压载水快速调节来改变质量分布，调整风机姿态，保证整机运行的平稳状态。
44.如图10所示，本发明的控制方法包括以下步骤：
45.步骤一、传感检测装置的信号采集与传输
46.由风速风向传感器91、温湿度传感器92、大气压力传感器93，浮筒2上的水位传感
器94和立柱1上的倾角传感器95分别对风速风向、温湿度传感器、大气压、浮筒水位和倾角等信号进行采集，并上传到数据处理与控制装置10。
47.步骤二、数据处理与控制装置进行信号分析与处理
48.风速风向传感器91检测风速、风向信号，温湿度传感器92检测温湿度信号，大气压力传感器93检测大气压值信号，运用叶素动量理论，计算风机风轮处的水平气动推力；水位传感器94检测浮式风机基础的三个浮筒内压舱水水位信号，用来计算每个浮筒自重；倾角传感器95检测漂浮平台的倾斜角度信号。数据处理与控制装置10首先对风速风向传感器91检测到的风速、风向信号和倾角传感器95的风机倾角信号进行分析，对风向角改变大小和风机倾角大小进行分析，若风向角改变大小和风机倾角小于预设值，则执行步骤三，若风向角改变大小或风机倾角大于预设值则执行步骤四。
49.步骤三、小倾角下被动式压载调节与波浪能发电
50.数据处理与控制装置对动齿轮62发出控制指令，使其与第一连接杆31的齿条啮合，进入被动式压载调节与波浪能发电模式，由浮筒套3控制活塞4在一定范围内上下运动对压载水进行调节，同时发电机装置进入发电状态。该模式下，当风机在变幅风载荷或在波浪的作用下都会使得三个浮筒的吃水不停改变，这时浮筒套便会相对于浮筒上下往复运动，经齿轮箱6增大扭矩后带动活塞运动，从而对压载水进行调节，实时的将深吃水的一侧浮筒内压载水压入吃水小的一侧浮筒内，组合力形成的力矩会阻止浮式风机倾斜并能减小浮式基础倾斜角度，从而大大抵消浮式风机的艏摇和横摇。上述过程中当压载水流经无轴变距涡轮发电机时，带动叶片转动产生电能，从而充分利用波浪的能量。
51.步骤四、大倾角下主动式压载调节与偏航稳定性控制
52.数据处理与控制装置10对动齿轮62发出控制指令，使其与电动机输出齿轮61啮合，进入主动压载调节模式，由电动机控制活塞大范围上下移动对压载水进行调节，这是由于齿轮箱6的作用(增大力矩降低转速)使得活塞4运动行程要小于浮筒套3的行程，所以被动调节幅度有限。该模式下，数据处理与控制装置10根据风机所受风载荷对整体结构作受力分析，根据力矩平衡关系与风机倾角判断三个浮筒内压舱水的调节方向。
53.当单侧风力持续增大导致风机倾角增大，压载水需要调节幅度已经超出被动调节浮动，这时由电动机来带动活塞对压载水进行进一步调节，从而使得风机倾角减小，减小风机叶片与风的夹角以提高发电效率；当风向发生改变时，风机受风倾斜的方向也会发生改变，此时需要对三浮筒内的压载进行调节，以重新调整漂浮式平台的质量分布，保证整机运行的稳定。
54.对于每个浮筒压载水位设置最低压载水位极限值，当某一浮筒压载水位到达该值时则暂停接续调节。当单侧风速减小或风向稳定时，数据处理与控制装置10对风速风向传感器91及倾角传感器95上传的实时信号经过分析和处理，检测到风向角改变大小和风机倾角小于预设值，则会执行步骤三，进入被动式压载调节与波浪能发电模式。
55.本发明的浮式风机基础整体结构较为简单，不仅能够通过调节各浮筒2的压载来调节浮式风机的平衡姿态以增加浮式风机的自稳性，并且能够充分利用风浪能进行发电。

技术特征：
1.一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，包括立柱和多个浮筒，多个浮筒以立柱为中心呈环形阵列分布，相邻浮筒下部连接有横撑，所述横撑与浮筒的连接处设有发电装置，每个浮筒外侧均套设有浮筒套，浮筒内部设有活塞，所述浮筒套内嵌有多根第一连接杆，所述活塞上设有多根第二连接杆，所述第一连接杆与第二连接杆对应设置，且第一连接杆与第二连接杆上均设有齿条，第一连接杆与第二连接杆之间的浮筒内部设有齿轮箱。2.根据权利要求1所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，还包括传感检测装置、数据处理与控制装置，传感检测装置和数据处理与控制装置连接。3.根据权利要求1所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，所述发电装置为无轴变距涡轮发电机，包括定子、转子和叶片，叶片通过旋转轴固定在定子上，水流流向发生改变时转子的转向不会发生改变。4.根据权利要求1所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，所述浮筒内部设有中部舱室，包括内腔室和外腔室，内腔室内部设有活塞，活塞下方的内腔室为压载水，压载水通过横撑与相邻浮筒连通。5.根据权利要求4所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，所述外舱室顶部设有齿轮箱，所述齿轮箱内设有发动机，电动机与电动机输出齿轮连接。6.根据权利要求1或5所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，所述齿轮箱内还设有动齿轮和齿轮箱动齿轮，动齿轮由数据处理与控制装置控制，分别与第一连接杆及电动机输出齿轮啮合；所述齿轮箱动齿轮与第二连接杆啮合。7.根据权利要求2所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础，其特征在于，所述传感检测装置包括风速风向传感器、温湿度传感器、大气压力传感器，水位传感器和倾角传感器。8.一种采用权利要求1～7任一项所述的稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、传感检测装置进行信号采集，并上传到数据处理与控制装置；步骤二、数据处理与控制装置进行信号分析与处理：数据处理与控制装置对风向角改变大小和风机倾角大小进行分析，若风向角改变大小和风机倾角小于预设值，则执行步骤三，若风向角改变大小或风机倾角大于预设值则执行步骤四；步骤三、小倾角下被动式压载调节与波浪能发电；步骤四、大倾角下主动式压载调节与偏航稳定性控制。9.根据权利要求8所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础的控制方法，其特征在于，所述步骤三具体为：数据处理与控制装置对动齿轮发出控制指令，使其与第一连接杆的齿条啮合，进入被动式压载调节与波浪能发电模式，由浮筒套控制活塞上下运动对压载水进行调节，同时发电装置进入发电状态。10.根据权利要求8所述的一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础的控制方法，其特征在于，所述步骤四具体为：数据处理与控制装置对动齿轮发出控制指令，使其与电动机输出齿轮啮合，进入主动压载调节模式，由电动机控制活塞上下移动对压载水进行调节。

技术总结
本发明公开了一种稳性自补偿风浪耦合发电浮式风机基础及控制方法，包括立柱和多个浮筒，多个浮筒以立柱为中心呈环形阵列分布，相邻浮筒下部连接有横撑，所述横撑与浮筒的连接处设有发电装置，每个浮筒外侧均套设有浮筒套，浮筒内部设有活塞，所述浮筒套内嵌有多根第一连接杆，所述活塞上设有多根第二连接杆，所述第一连接杆与第二连接杆对应设置，且第一连接杆与第二连接杆上均设有齿条，第一连接杆与第二连接杆之间的浮筒内部设有齿轮箱，还包括传感检测装置、数据处理与控制装置，传感检测装置和数据处理与控制装置连接。本发明不仅能够通过调节各浮筒的压载来调节浮式风机的平衡姿态和增加浮式风机的自稳性，并且能够充分利用风浪能进行发电。分利用风浪能进行发电。分利用风浪能进行发电。


技术研发人员：赵鲁华 管义锋 刘元元 薛鑫源 成辰
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/6/26