一种导流式海上风力发电平台及海上风力发电系统

1.本发明属于海上风电技术领域，具体涉及一种导流式海上风力发电平台及海上风力发电系统。


背景技术：

2.海上风能由于可用海域面积大、风速高、湍流度小、靠近能源消费中心等优点在可再生能源领域受到广泛关注。但是随着水深增加，固定式基础结构的造价将大幅增加，当水深超过50m时，现有技术水平尚难以平衡度电成本。浮式基础具有成本可控、易于运输等优势，适应深远海发展趋势，漂浮式海上风电已发展成为风电产业发展的关键增长点。
3.浮式风力机与固定式风力机相比，下部平台能够在一定范围内自由运动，运行环境更为恶劣，所承受载荷特征更为复杂。由于运行环境和结构特征不同，浮式风力机相对传统固定式风力机具有以下特点：1)更为极端的外部环境，2)系泊等子系统所承受的波浪等水动载荷；3)振动特征更为复杂的结构全耦合而非线性响应。风-浪-流多场载荷作用下的浮式风力机动力稳定性，尤其是浮式平台受外荷载和结构耦合动力作用等影响下的动力稳定性是目前研究领域关注的焦点问题之一。因此提高浮式平台的耐波性能，进而提高浮式风力机在复杂风-浪-流作用下的工作性能和结构安全性，是目前风能领域研究人员矢志不渝解决的关键技术问题之一。
4.海上浮式风力机动力性能提升需综合考虑风剪切、波浪、海流等外界因素对结构体系的整体影响，且来流风和来流水的方向无法保持一致。各型式浮式风力机平台运动受波浪入射角改变影响较大，平台水动力性能在0
°
波浪入射角度情况下最佳，响应幅值算子随波浪入流角度增加增幅可达近百倍。因此，浮式风力机需保证波浪正向流入，避免产生过大的侧向波浪力。然而目前尚未有可使波浪入射角度维持在0
°
左右的浮式风力机平台技术方案，漂浮式海上风电领域亟需开发新型浮式平台自适应降载技术。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明提供一种导流式海上风力发电平台，能够根据波浪方向进行旋转，保证波浪正向流入，复杂来流下水动力响应小，稳定性强，且系泊系统载荷小。
6.本发明的另一目的是提供一种海上风力发电系统，其导流式海上风力发电平台具有复杂来流下水动力响应小，稳定性强，系泊系统载荷小的优点。
7.为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
8.一种导流式海上风力发电平台，包括浮式平台基体、导流装置和系泊系统；
9.所述导流装置设有多个，对称设置，呈环形阵列，与浮式平台基体下部固定连接；导流装置横截面为流线型，同一横截面外周上任意两点组成的最长轴位于环形阵列的径向方向；
10.所述系泊系统包括调整系统和系泊锚索；所述调整系统与浮式平台基体或导流装
置固定连接，与所述系泊锚索滑动连接。
11.优选的，所述导流装置设有三个。
12.优选的，所述导流装置横截面为轴对称图形，对称轴为所述最长轴。
13.优选的，所述导流装置横截面为翼型、纺锥形、椭圆形或单椭双抛流线型。
14.优选的，所述浮式平台基体包括中心立柱、三个压水筒、三个侧柱、多个斜撑和多个横撑；所述中心立柱与所述三个侧柱通过所述斜撑和横撑固定连接；侧柱与侧柱之间通过横撑固定连接；压水筒位于侧柱下方，与侧柱固定连接；压水筒与压水筒之间通过横撑固定连接。
15.优选的，所述导流装置上端面与所述压水筒的下端面固定连接。
16.优选的，所述调整系统包括圆形导轨和滑移装置；所述圆形导轨与所述浮式平台基体通过导轨支撑杆固定连接；所述滑移装置成弧形，与圆形导轨滑动连接；所述系泊锚索一端与滑移装置固定连接，另一端与海底固定连接。
17.优选的，所述导轨支撑杆与所述圆形导轨的连接处还设有用于对所述滑移装置进行限位的滑块挡片；导轨支撑杆、滑移装置和所述系泊锚索的数量相同，导轨支撑杆均匀排列，导轨支撑杆和滑移装置间隔设置。
18.优选的，所述导轨支撑杆、滑移装置和系泊锚索均设有3个，导轨支撑杆与导轨支撑杆之间的夹角为120
°
。
19.一种海上风力发电系统，包括前述的导流式海上风力发电平台。
20.本发明的有益效果：
21.本发明提供的呈环形阵列的导流装置在流向改变时能带动浮式平台基体旋转，风力机机舱根据风向自动调整位置，避免产生过大的侧向波浪力，使波浪入射角度维持在0
°
左右，有效减小了浮式平台基体的水动力响应和振动幅值，自适应降载，提高浮式平台基体的稳定性，减小系泊锚索载荷，降低对系泊系统的性能要求，降低成本。
22.本发明同时具有构造简单、施工方便等优点，无需设计新的浮式平台，无需对现有的浮式平台进行改进，仅需增设导流装置和调整系统，即可大幅提升浮式风力机平台水动力性能，成本低，便于推广使用。
23.本发明提供的系泊系统在水位突然不均匀下降时通过滑移装置移动的方式尽可能使系泊锚索上端节点处于相近水平高度，进而减小系泊锚索载荷，防止浮式平台基体发生侧翻，降低对系泊系统的性能要求的同时也提高了平台稳定性。滑移装置相距较远，且设置了滑块挡片，系泊锚索不会缠绕。
附图说明
24.图1是本发明提供的导流式海上风力发电平台的结构示意图；
25.图2是本发明提供的导流式海上风力发电平台的主视图；
26.图3是本发明提供的导流式海上风力发电平台的仰视图；
27.图4是本发明提供的系泊系统的结构示意图；
28.图5是实施例一与oc4-deepcwind半潜式平台在90
°
波浪入射角下的横荡响应幅值算子对比图；
29.图6是实施例一与oc4-deepcwind半潜式平台在90
°
波浪入射角下的横摇响应幅值
算子对比图；
30.其中，2-导流装置，3-圆形导轨，4-导轨支撑杆，5-滑移装置，6-系泊锚索，7-侧柱，8-中心立柱，9-横撑，10-斜撑，12-压水筒。
具体实施方式
31.下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
32.本发明是实施例提供一种导流式海上风力发电平台，参见图1，包括浮式平台基体、导流装置2和系泊系统；导流装置2设有多个，对称设置，呈环形阵列，与浮式平台基体下部固定连接；导流装置2横截面为流线型，同一横截面外周上任意两点组成的最长轴位于环形阵列的径向方向；系泊系统包括调整系统和系泊锚索6；调整系统与浮式平台基体或导流装置2固定连接，与系泊锚索6滑动连接。
33.使用时，导流装置2淹没于海水中。当浮式平台基体与海流的流动方向存在攻角时，在海流的冲击下，呈环形阵列、横截面为流线型的导流装置所受载荷带动浮式平台基体旋转，自动偏航，风力机机舱根据风向自动调整位置，使波浪正向流入，避免产生过大的侧向波浪力，有效减小了浮式平台基体的水动力响应，提高浮式平台基体的稳定性。浮式平台基体可直接采用现有的浮式平台，如oc4-deepcwind半潜式平台。
34.风力机机舱由塔筒承托，塔筒与中心立柱相连，塔筒与中心立柱可以固定连接也可以滑动连接。
35.此外，系泊锚索作为浮式风力机特有的关键零部件系统之一，起到将浮式风力机控制在一定物理空间内的重要作用。浮式平台在复杂风-浪-流耦合作用下的内力载荷需通过系泊锚索传递耗散，传统浮式平台对系泊锚索的性能要求较高，该项指标对于浮式风力机度电成本存在不利影响。本技术中，当浮式平台基体旋转时，与浮式平台基体滑动连接的系泊锚索可通过滑动尽可能保持在原位，减小系泊锚索载荷，降低对系泊系统的性能要求。
36.本发明同时具有构造简单、施工方便等优点，无需设计新的浮式平台，无需对现有的浮式平台进行改进，仅需增设导流装置和调整系统，即可大幅提升浮式风力机平台水动力性能。
37.在本发明的可选实施例中，参见图1及图3，导流装置2设有三个，排布为正三角形。在本发明的其他实施例中，导流装置还可以为其他数目，满足导流装置高度相同，中心对称，淹没于海水中，当浮式平台基体与海流的流动方向存在攻角时，能够带动浮式平台基体旋转即可。
38.在本发明的可选实施例中，导流装置横截面为轴对称图形，对称轴为最长轴。
39.在本发明的可选实施例中，导流装置横截面可以为翼型、纺锥形、椭圆形或单椭双抛流线型等流线型，也可以为翼型、纺锥形、椭圆形或单椭双抛流线型等流线型裁剪、拼接后重新组成的流线型。为椭圆形时，其长轴位于环形阵列的径向方向。为单椭双抛流线型时，椭圆端位于外侧。
40.本发明对导流装置不同高度的截面不做严格限定，单个导流装置截面可以上下形状、大小一致，也可以为上下形状或大小不一致，只要多个导流装置之间形状大小一致即可。
41.在本发明的可选实施例中，参见图1至图3，浮式平台基体为半潜式三角形结构，包括中心立柱8、三个压水筒12、三个侧柱7、多个斜撑10和多个横撑9；中心立柱8与三个侧柱7通过斜撑10和横撑9固定连接；侧柱7与侧柱7之间通过横撑9固定连接；压水筒12位于侧柱7下方，与侧柱7固定连接；压水筒12与压水筒12之间通过横撑9固定连接。
42.在本发明的可选实施例中，参见图1、图2及图4，调整系统包括圆形导轨3和滑移装置5；圆形导轨3位于压水筒12下方，与中心立柱8下端通过导轨支撑杆4固定连接；滑移装置5成弧形，与圆形导轨3滑动连接；系泊锚索6一端与滑移装置5固定连接，另一端与海底固定连接。导轨支撑杆4与圆形导轨3的连接处还设有用于对滑移装置5进行限位的滑块挡片；导轨支撑杆4、滑移装置5和系泊锚索6的数量相同，导轨支撑杆4均匀排列，导轨支撑杆4和滑移装置5间隔设置。在水位突然不均匀下降时，系泊系统的圆形导轨会随着浮式平台基体与水平面形成一定的夹角，此时圆形导轨上较高一侧的滑移装置会因受到来自于系泊锚索向下的拉力而在圆形导轨上滑动，通过滑移装置移动的方式尽可能使系泊锚索上端节点处于相近水平高度，进而减小系泊锚索载荷，防止浮式平台基体发生侧翻，降低对系泊系统的性能要求的同时也提高了平台稳定性。滑移装置相距较远，且设置了滑块挡片，系泊锚索不会缠绕。本发明对圆形导轨与滑移装置的连接处的形式不做限制，满足复杂载荷下滑移装置能够沿圆形导轨相对滑动的同时不脱离圆形导轨即可，现有的滑轨能够满足此要求。
43.在本发明的其他实施例中，圆形导轨还可以固定在中心立柱的其他位置或与浮式平台基体的其他部件相连，或者与导流装置相连，满足圆形导轨与浮式平台基体牢固固定，滑移装置能够在圆形导轨上滑动使系泊锚索尽可能保持在原位，减小系泊锚索载荷即可。
44.在本发明的可选实施例中，导轨支撑杆与导轨支撑杆还设有加强筋，用于增强连接强度。
45.在本发明的可选实施例中，参见图4，导轨支撑杆4、滑移装置5和系泊锚索6均设有3个，导轨支撑杆4与导轨支撑杆4之间的夹角为120
°
。在本发明的其他实施例中，导轨支撑杆、滑移装置和系泊锚索还可以为其他数目，如导轨支撑杆数量为3，滑移装置和系泊锚索数量为6，每两个导轨支撑杆之间设有两个滑移装置。
46.在本发明的可选实施例中，系泊锚索6的系泊方式为悬链式或张紧式。
47.在本发明的可选实施例中，系泊锚索6为合成纤维制成的悬链线。
48.在本发明的可选实施例中，参见图1至图3，导流装置2上端面与压水筒10的下端面固定连接。在本发明的其他实施例中，导流装置还可以先与圆形导轨固定，通过圆形导轨与浮式平台基体固定。考虑到导流装置固定在圆形导轨上会提高对圆形导轨的强度要求，因此优选导流装置与压水筒相连。
49.为提高导流式海上风力发电平台的寿命，在中心立柱、三个压水筒、侧柱、斜撑、横撑、导流装置、导轨支撑杆、圆形导轨、滑移装置、系泊锚索等表面涂覆重防腐涂层。
50.本发明的实施例还提供一种海上风力发电系统，包括前述的导流式海上风力发电平台。
51.实施例一
52.一种导流式海上风力发电平台，参见图1至图4，包括浮式平台基体、导流装置2和系泊系统。
53.浮式平台基体为半潜式三角形结构，与oc4-deepcwind半潜式平台形状、参数一
致，包括中心立柱8、三个压水筒12、三个侧柱7、三个斜撑10和9个横撑9；中心立柱8与三个侧柱7通过斜撑10和横撑9固定连接；侧柱7与侧柱7之间通过横撑9固定连接；压水筒12位于侧柱7下方，与侧柱7固定连接；压水筒12与压水筒12之间通过横撑9固定连接。侧柱直径12m，吃水深度20m，中心立柱直径6.5m，压水筒直径24m，压水筒高度6m，横撑、斜撑直径1.6m，侧柱间距50m。
54.导流装置2设有三个，呈环形阵列，排布为正三角形。导流装置2横截面为纺锥形，长轴位于环形阵列的径向方向。导流装置2上端面与压水筒10的下端面固定连接。导流装置横截面的外周由截取自长轴长12.5m、短轴长7.5m椭圆上的两段弧拼接而成，以这两段弧的中点为端点的线段即为椭圆的短轴，最终拼成的横截面长为12m、宽为5.5m。导流装置高18m，吃水深度30m。导流装置呈三角阵列排布模式。
55.系泊系统包括系泊锚索6、圆形导轨3和滑移装置5；圆形导轨3位于压水筒12下方，与中心立柱8通过导轨支撑杆4固定连接，圆形导轨直径56米；滑移装置5成弧形，与圆形导轨3滑动连接，滑移装置5上端贴近压水筒6下端面，但与压水筒6下端面不接触；系泊锚索6一端与滑移装置5固定连接，另一端与海底固定连接。导轨支撑杆4与圆形导轨3的连接处设有用于对滑移装置5进行限位的滑块挡片；导轨支撑杆4、滑移装置5和系泊锚索6的均设有3个，导轨支撑杆4均匀排列，导轨支撑杆4和滑移装置5间隔设置。导轨支撑杆4与导轨支撑杆4之间的夹角为120
°
，导轨支撑杆的直径为1.5m。
56.选用带自动偏移系统的5mw水平轴风力机机舱，风力机机舱通过塔筒固定于中心立柱上。
57.通过aqwa建立基于morison方程与势流理论的水动力模型以及基于集中质量法的动态系泊模型对实施例一的导流式海上风力发电平台的水动力性能进行研究，详细细节参照文献：蔡新，张洪建，王浩，谢姣洁，汪亚洲.面向深远海的新型海上风力机浮式平台水动力性能研究[j/ol].中国电机工程学报.
[0058]
模拟计算中涉及到的实施例一的导流式海上风力发电平台的参数参见表1。
[0059]
表1本发明实施例浮式平台参数
[0060][0061]
计算涉及到的风力机参数、环境工况的特征参数等其他参数与上述文献相同，不再详述。
[0062]
图5和图6分别是实施例一与oc4-deepcwind半潜式平台在90
°
波浪入射角下的横荡响应幅值算子对比图、横摇响应幅值算子对比图，其中oc4-deepcwind半潜式平台在90
°
波浪入射角下的横荡响应幅值算子、横摇响应幅值算子数据引用上述文献。可以明显看出，本技术提供的导流式海上风力发电平台相比传统的oc4-deepcwind半潜式平台，通过增加导流装置这一简单举措，结合系泊系统，即可大大减小浮式平台基体的水动力响应，实现了自适应降载，达到了使波浪入射角度维持在0
°
左右的技术效果。
[0063]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，包括浮式平台基体、导流装置(2)和系泊系统；所述导流装置(2)设有多个，对称设置，呈环形阵列，与浮式平台基体下部固定连接；导流装置(2)横截面为流线型，同一横截面外周上任意两点组成的最长轴位于环形阵列的径向方向；所述系泊系统包括调整系统和系泊锚索(6)；所述调整系统与浮式平台基体或导流装置(2)固定连接，与所述系泊锚索(6)滑动连接。2.根据权利要求1所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述导流装置(2)设有三个。3.根据权利要求1所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述导流装置(2)横截面为轴对称图形，对称轴为所述最长轴。4.根据权利要求1所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述导流装置(2)横截面为翼型、纺锥形、椭圆形或单椭双抛流线型。5.根据权利要求1所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述浮式平台基体包括中心立柱(8)、三个压水筒(12)、三个侧柱(7)、多个斜撑(10)和多个横撑(9)；所述中心立柱(8)与所述三个侧柱(7)通过所述斜撑(10)和横撑(9)固定连接；侧柱(7)与侧柱(7)之间通过横撑(9)固定连接；压水筒(12)位于侧柱(7)下方，与侧柱(7)固定连接；压水筒(12)与压水筒(12)之间通过横撑(9)固定连接。6.根据权利要求5所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述导流装置(2)上端面与所述压水筒(10)的下端面固定连接。7.根据权利要求1所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述调整系统包括圆形导轨(3)和滑移装置(5)；所述圆形导轨(3)与所述浮式平台基体通过导轨支撑杆(4)固定连接；所述滑移装置(5)成弧形，与圆形导轨(3)滑动连接；所述系泊锚索(6)一端与滑移装置(5)固定连接，另一端与海底固定连接。8.根据权利要求7所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述导轨支撑杆(4)与所述圆形导轨(3)的连接处还设有用于对所述滑移装置(5)进行限位的滑块挡片；导轨支撑杆(4)、滑移装置(5)和所述系泊锚索(6)的数量相同，导轨支撑杆(4)均匀排列，导轨支撑杆(4)和滑移装置(5)间隔设置。9.根据权利要求8所述的一种导流式海上风力发电平台，其特征在于，所述导轨支撑杆(4)、滑移装置(5)和系泊锚索(6)均设有3个，导轨支撑杆(4)与导轨支撑杆(4)之间的夹角为120
°
。10.一种海上风力发电系统，其特征在于，包括权利要求1～9中任意一项权利要求所述的导流式海上风力发电平台。

技术总结
本发明属于海上风电技术领域，具体涉及一种导流式海上风力发电平台及海上风力发电系统。导流式海上风力发电平台包括浮式平台基体、导流装置和系泊系统；导流装置设有多个，对称设置，呈环形阵列，与浮式平台基体下部固定连接；导流装置截面为流线型，同一截面外周上任意两点组成的最长轴位于环形阵列的径向方向；系泊系统包括调整系统和系泊锚索；调整系统与浮式平台基体固定连接，与系泊锚索滑动连接。本发明提供的导流式海上风力发电平台能够根据波浪方向进行旋转，保证波浪正向流入，复杂来流下水动力响应小，稳定性强，系泊系统载荷小。荷小。荷小。


技术研发人员：王浩 谢姣洁 蔡新 任磊 张洪建 郭兴文
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1