一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于化石能源的逐漸消耗，能源和環(huán)境污染問題日益突出。風(fēng)能由于其清潔可再 生、利用方便成為目前最有開發(fā)利用前景的一種可再生能源。海上風(fēng)能由于其資源豐富，視 覺污染和噪音污染較陸地風(fēng)能小，近年來發(fā)展迅速。世界風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，至2009年底，全球 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)到1956MW，占陸?？傃b機(jī)容量的1. 2%，2009年新增454MW， 增長量30%。按水深劃分，海上風(fēng)能的利用可分為淺水區(qū)域、過渡水域和深水區(qū)域?qū)τ诓?同的水深，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的形式也不同?，F(xiàn)在的固定式風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)被限制在水深30m的區(qū) 域，雖然這一深度有可能增加，但是對于深水區(qū)域（大于60m)，固定式風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)無法 滿足經(jīng)濟(jì)性要求，需要一種新的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能是這一區(qū)域最適 合的選擇。
[0003] 漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)能較大程度的利用海上風(fēng)能資源，因此成為深海風(fēng)能利用 的主要方向，相對于固定式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)多了浮式基礎(chǔ)和拋錨系統(tǒng)，其外 界載荷條件比固定式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更加復(fù)雜，其原因是除了受到固定的風(fēng)浪載荷以外，更 主要的是漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身由于基礎(chǔ)漂浮不固定，其漂浮特性對發(fā)電機(jī)發(fā)電性能有較 大影響，因此，提出一種更加穩(wěn)定的深海漂浮平臺(tái)的需求更加迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，減輕受風(fēng)浪影 響振動(dòng)的影響，并且整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，適合于深水和淺水環(huán)境，尤其適合大規(guī)模布置 在海上，開展海上風(fēng)力發(fā)電。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平 臺(tái)，其特征在于：它包括一個(gè)浮臺(tái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過塔架安裝在所述浮臺(tái)的對稱中心上，浮 臺(tái)由張力拉索連接在錨上，所述浮臺(tái)的對稱中心下方連接有壓艙物，壓艙物使得浮臺(tái)的漂 浮深度為浮臺(tái)高度的二分之一到四分之三。
[0006] 按上述方案，所述的浮臺(tái)與壓艙物之間采用剛性連接。
[0007] 按上述方案，所述的浮臺(tái)的材料為鋼材或混凝土。
[0008] 按上述方案，所述的壓艙物為鋼材、混凝土、碎石或海水中的一種，或這幾種材料 之間的任意組合。
[0009] 本發(fā)明的有益效果為：與現(xiàn)有技術(shù)的其他形式的漂浮式平臺(tái)相比，本發(fā)明受波浪 影響小，能夠適用于深水和淺水環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好，通過了理論仿真驗(yàn)證，具有較 大的使用性，能夠在深海大規(guī)模應(yīng)用。
【附圖說明】
[0010] 圖1為浮臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例三種漂浮平臺(tái)塔基載荷Fx對比曲線圖。
[0013] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例三種漂浮平臺(tái)塔基載荷Fy對比曲線圖。
[0014] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例三種漂浮平臺(tái)塔基載荷Fz對比曲線圖。
[0015] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例三種漂浮平臺(tái)塔基彎矩Mx對比曲線圖。
[0016] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例三種漂浮平臺(tái)塔基彎矩My對比曲線圖。
[0017] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例三種漂浮平臺(tái)塔基彎矩Mz對比曲線圖。
[0018] 圖中：1_風(fēng)力發(fā)電機(jī)，2-浮臺(tái)，3-壓艙物，4-張力拉索。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0020] 本發(fā)明提供一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，如圖2所示，它包括一個(gè)浮臺(tái)2,風(fēng)力 發(fā)電機(jī)1通過塔架安裝在所述浮臺(tái)2的對稱中心上，浮臺(tái)2由張力拉索4連接在錨上，所述 浮臺(tái)2的對稱中心下方連接有壓艙物3,壓艙物3使得浮臺(tái)2的漂浮深度為浮臺(tái)高度的二分 之一到四分之三，優(yōu)選四分之三。
[0021] 所述的浮臺(tái)與壓艙物之間采用剛性連接。
[0022] 浮臺(tái)的材料為鋼材或混凝土。
[0023] 壓艙物為鋼材、混凝土、碎石或海水中的一種，或這幾種材料之間的任意組合。
[0024] 本實(shí)施例的主要參數(shù)如表1所示。
[0025] 表INREL5MW海上風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)
[0026]
[0028] 為了說明本發(fā)明具有更優(yōu)秀的抗風(fēng)浪能力，這里給出具體數(shù)學(xué)模型來驗(yàn)證該設(shè)計(jì) 的合理性。
[0029] 漂浮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型
[0030] 本發(fā)明所建模型基于以上三種不同漂浮平臺(tái)（單柱式、駁船式和組合式），三個(gè)漂 浮平臺(tái)的主要參數(shù)如表2所示。支撐平臺(tái)可視為鋼梯，與半張緊狀態(tài)的拉索連接。以平臺(tái) 重心為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，如圖1所示，沿X，Y，Z方向有3個(gè)平動(dòng)自由度，分別為縱蕩、橫 蕩、垂蕩，繞X，Y，Z軸有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，分別為垂搖、縱搖、首搖。
[0031] 表2三個(gè)漂浮平臺(tái)的主要參數(shù)
[0032]
[0033] 假設(shè)漂浮平臺(tái)的所有旋轉(zhuǎn)角度都很小，可以不考慮旋轉(zhuǎn)的順序，這一假設(shè)將避免 所有使用歐拉角度時(shí)的復(fù)雜性。漂浮平臺(tái)的初始慣性坐標(biāo)軸X，Y，Z在考慮正交轉(zhuǎn)動(dòng)0:， 0 2, 0 3后變?yōu)楣潭ㄗ鴺?biāo)軸x，y，z。通過對正弦、余弦采用一階小角近似，并忽略泰勒展開式 的高階項(xiàng)，可得兩坐標(biāo)系的歐拉角轉(zhuǎn)換：
[0035] 由于用一階小角近似轉(zhuǎn)換的矩陣非正交，因此在該方程中，通過近似符號替代等 號，這意味著轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)軸也為非正交陣。這種非正交坐標(biāo)軸的使用將導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì) 算的不精確。為確保（1)正交，需對其作出修正。根據(jù)矩陣論知識，可得出給定矩陣的標(biāo) 準(zhǔn)正交矩陣[U] [V]T，其中U，V分別為給定矩陣的特征向量。因此，修正后的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)如式 ⑵。
[0036]
[0037] 式中：x，y，z表示漂浮平臺(tái)固定坐標(biāo)系的3個(gè)相互正交坐標(biāo)軸；0p0 2, 0 3表示 漂浮平臺(tái)關(guān)于慣性坐標(biāo)X，Y，Z的橫搖、縱搖和首搖運(yùn)動(dòng)。
[0038] 通過Kane方程建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)與漂浮平臺(tái)耦合的非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為
[0039] jHu J') (3)，
[0040] 式中：Mij為慣性質(zhì)量矩陣的i，j分量，與系統(tǒng)的自由度q、控制輸入U(xiǎn)以及時(shí)間t 為非線性關(guān)系；毛為自由度j關(guān)于時(shí)間的二階微分；fi為與自由度i相關(guān)的力學(xué)分量，與自 由度q、自由度的微分4、控制輸入u及時(shí)間t為非線性關(guān)系。式中的下標(biāo)依次對應(yīng)漂浮平 臺(tái)自由度的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖。
[0041] 浮式基礎(chǔ)波浪載荷計(jì)算
[0042] 漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)浮式基礎(chǔ)所受波浪載荷主要作用在浮體上，其波浪載荷可以分 成3個(gè)部分來分析計(jì)算，分別為輻射作用、水靜力作用及繞射作用。
[0043] 采用Jonswap譜計(jì)算繞射作用引起的波浪載荷，Jonswap譜的單邊波浪譜課表示 為
[0049] 將式⑷帶入式（6)得到波浪繞射作用力Fwaves,Jt)，式0)為作用在浮式 平臺(tái)上的單位波浪力，0為入射波的方向角；水深h與隨頻率《變化的波數(shù)k相關(guān)，由式 (6)表達(dá)其數(shù)學(xué)關(guān)系
[0051] 水靜力作用即為平臺(tái)不受到任何波浪力作用情況下，所受浮力
[0052] Fgydrostatic-_PgV〇8^3+CHydrostatic,i,jQj ⑶
[0053] 式中：_PgVQSi3代表阿基米德浮力，即該力是豎直向上，大小與平臺(tái)的重力相 等；Vtl表示平臺(tái)靜止時(shí)的排水體積；CHytejstaticu,」qj代表受水平面和浮心影響的水靜力和力 矩部分。其中CHydMstati。&為水平面與平臺(tái)的浮力中心之間的剛度矩陣
[0055] 輻射載荷是浮式平臺(tái)以不同運(yùn)動(dòng)模式振蕩，并且不考慮入射波的影響時(shí)，產(chǎn)生的 從平臺(tái)四周輻射出去的波浪，該輻射波浪反過來對浮式平臺(tái)產(chǎn)生作用力，其計(jì)算式為
[0057] 式中：Ki;j為波浪輻射延遲矩陣。
[0058] 由式（10)可看出，輻射載荷與平臺(tái)的振蕩速度成正比，當(dāng)振蕩結(jié)束，輻射的影響 也隨之結(jié)束。
[0059] 將式（6)、式⑶與式（10)相加，由此可得浮式平臺(tái)的水動(dòng)力
[0060] Fnydro,i^Waves,i^^Hydrostatic,i^^rad (11)
[0061] 仿真結(jié)果分析
[0062] 本專利選用的模型來源于NREL5MW漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，表1為該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主 要參數(shù)。載荷的波動(dòng)特性：
[0063] 為分析漂浮特性對風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷性能的影響，將三種漂浮平臺(tái)在相同條件下的 仿真結(jié)果進(jìn)行對比。選擇工況為12m/s穩(wěn)態(tài)風(fēng)，波浪高度為5m，波浪周期12. 4s的仿真結(jié)果 對塔基載荷的波動(dòng)特性進(jìn)行分析。圖3-8分別為塔基在機(jī)艙前后方向、機(jī)艙左右方向、垂直 于塔架方向的受力時(shí)域響應(yīng)以及在機(jī)艙前后方向、機(jī)艙左右方向、垂直于塔架方向所受力 矩的時(shí)域響應(yīng)。可以看出，在漂浮特性作用下，塔基載荷Fx，F(xiàn)Y，F(xiàn)z以及塔基彎矩Mx，MY，Mz，組 合式風(fēng)力發(fā)電機(jī)較其余兩種有著顯著的優(yōu)勢，因此說明本發(fā)明的潛在開發(fā)價(jià)值較大。
[0064] 以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù) 人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依 據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，其特征在于：它包括一個(gè)浮臺(tái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過塔 架安裝在所述浮臺(tái)的對稱中心上，浮臺(tái)由張力拉索連接在錨上，所述浮臺(tái)的對稱中心下方 連接有壓艙物，壓艙物使得浮臺(tái)的漂浮深度為浮臺(tái)高度的二分之一到四分之三。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，其特征在于：所述的浮臺(tái)與壓艙 物之間采用剛性連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，其特征在于：所述的浮臺(tái)的材料 為鋼材或混凝土。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，其特征在于：所述的壓艙物為鋼 材、混凝土、碎石或海水中的一種，或這幾種材料之間的任意組合。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種組合式漂浮風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，它包括一個(gè)浮臺(tái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過塔架安裝在所述浮臺(tái)的對稱中心上，浮臺(tái)由張力拉索連接在錨上，所述浮臺(tái)的對稱中心下方連接有壓艙物，壓艙物使得浮臺(tái)的漂浮深度為浮臺(tái)高度的二分之一到四分之三。與現(xiàn)有技術(shù)的其他形式的漂浮式平臺(tái)相比，本發(fā)明受波浪影響小，能夠適用于深水和淺水環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好，通過了理論仿真驗(yàn)證，具有較大的使用性，能夠在深海大規(guī)模應(yīng)用。
【IPC分類】F03D11/00, B63B35/44
【公開號】CN104986301
【申請?zhí)枴緾N201510367217
【發(fā)明人】徐立, 王啟富, 劉丹, 卞磊, 吳一飛, 向家濤, 姜文強(qiáng), 徐達(dá)
【申請人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月29日