一种组合式漂浮风力发电平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电领域，具体涉及一种组合式漂浮风力发电平台。
【背景技术】
[0002] 由于化石能源的逐渐消耗，能源和环境污染问题日益突出。风能由于其清洁可再 生、利用方便成为目前最有开发利用前景的一种可再生能源。海上风能由于其资源丰富，视 觉污染和噪音污染较陆地风能小，近年来发展迅速。世界风能协会统计，至2009年底，全球 海上风力发电机装机容量已达到1956MW，占陆海总装机容量的1. 2%，2009年新增454MW， 增长量30%。按水深划分，海上风能的利用可分为浅水区域、过渡水域和深水区域对于不 同的水深，风机基础的形式也不同。现在的固定式风力发电机技术被限制在水深30m的区 域，虽然这一深度有可能增加，但是对于深水区域（大于60m)，固定式风力发电机已经无法 满足经济性要求，需要一种新的海上风力发电机，漂浮式风力发电机可能是这一区域最适 合的选择。
[0003] 漂浮式海上风力发电机能较大程度的利用海上风能资源，因此成为深海风能利用 的主要方向，相对于固定式风力发电机，漂浮式风力发电机多了浮式基础和抛锚系统，其外 界载荷条件比固定式风力发电机组更加复杂，其原因是除了受到固定的风浪载荷以外，更 主要的是漂浮式风力发电机本身由于基础漂浮不固定，其漂浮特性对发电机发电性能有较 大影响，因此，提出一种更加稳定的深海漂浮平台的需求更加迫切。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种组合式漂浮风力发电平台，减轻受风浪影 响振动的影响，并且整体结构设计简单实用，适合于深水和浅水环境，尤其适合大规模布置 在海上，开展海上风力发电。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种组合式漂浮风力发电平 台，其特征在于：它包括一个浮台，风力发电机通过塔架安装在所述浮台的对称中心上，浮 台由张力拉索连接在锚上，所述浮台的对称中心下方连接有压舱物，压舱物使得浮台的漂 浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三。
[0006] 按上述方案，所述的浮台与压舱物之间采用刚性连接。
[0007] 按上述方案，所述的浮台的材料为钢材或混凝土。
[0008] 按上述方案，所述的压舱物为钢材、混凝土、碎石或海水中的一种，或这几种材料 之间的任意组合。
[0009] 本发明的有益效果为：与现有技术的其他形式的漂浮式平台相比，本发明受波浪 影响小，能够适用于深水和浅水环境，且结构简单、经济性好，通过了理论仿真验证，具有较 大的使用性，能够在深海大规模应用。
【附图说明】
[0010] 图1为浮台的动力学模型图。
[0011] 图2是本发明一实施例的结构示意图。
[0012] 图3是本发明实施例三种漂浮平台塔基载荷Fx对比曲线图。
[0013] 图4是本发明实施例三种漂浮平台塔基载荷Fy对比曲线图。
[0014] 图5是本发明实施例三种漂浮平台塔基载荷Fz对比曲线图。
[0015] 图6是本发明实施例三种漂浮平台塔基弯矩Mx对比曲线图。
[0016] 图7是本发明实施例三种漂浮平台塔基弯矩My对比曲线图。
[0017] 图8是本发明实施例三种漂浮平台塔基弯矩Mz对比曲线图。
[0018] 图中：1_风力发电机，2-浮台，3-压舱物，4-张力拉索。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0020] 本发明提供一种组合式漂浮风力发电平台，如图2所示，它包括一个浮台2,风力 发电机1通过塔架安装在所述浮台2的对称中心上，浮台2由张力拉索4连接在锚上，所述 浮台2的对称中心下方连接有压舱物3,压舱物3使得浮台2的漂浮深度为浮台高度的二分 之一到四分之三，优选四分之三。
[0021] 所述的浮台与压舱物之间采用刚性连接。
[0022] 浮台的材料为钢材或混凝土。
[0023] 压舱物为钢材、混凝土、碎石或海水中的一种，或这几种材料之间的任意组合。
[0024] 本实施例的主要参数如表1所示。
[0025] 表INREL5MW海上风力机主要参数
[0026]
[0028] 为了说明本发明具有更优秀的抗风浪能力，这里给出具体数学模型来验证该设计 的合理性。
[0029] 漂浮平台的运动学及动力学模型
[0030] 本发明所建模型基于以上三种不同漂浮平台（单柱式、驳船式和组合式），三个漂 浮平台的主要参数如表2所示。支撑平台可视为钢梯，与半张紧状态的拉索连接。以平台 重心为原点建立三维坐标系，如图1所示，沿X，Y，Z方向有3个平动自由度，分别为纵荡、横 荡、垂荡，绕X，Y，Z轴有3个转动自由度，分别为垂摇、纵摇、首摇。
[0031] 表2三个漂浮平台的主要参数
[0032]
[0033] 假设漂浮平台的所有旋转角度都很小，可以不考虑旋转的顺序，这一假设将避免 所有使用欧拉角度时的复杂性。漂浮平台的初始惯性坐标轴X，Y，Z在考虑正交转动0:， 0 2, 0 3后变为固定坐标轴x，y，z。通过对正弦、余弦采用一阶小角近似，并忽略泰勒展开式 的高阶项，可得两坐标系的欧拉角转换：
[0035] 由于用一阶小角近似转换的矩阵非正交，因此在该方程中，通过近似符号替代等 号，这意味着转换后的坐标轴也为非正交阵。这种非正交坐标轴的使用将导致动态响应计 算的不精确。为确保（1)正交，需对其作出修正。根据矩阵论知识，可得出给定矩阵的标 准正交矩阵[U] [V]T，其中U，V分别为给定矩阵的特征向量。因此，修正后的转换坐标如式 ⑵。
[0036]
[0037] 式中：x，y，z表示漂浮平台固定坐标系的3个相互正交坐标轴；0p0 2, 0 3表示 漂浮平台关于惯性坐标X，Y，Z的横摇、纵摇和首摇运动。
[0038] 通过Kane方程建立风力发电机与漂浮平台耦合的非线性运动学方程为
[0039] jHu J') (3)，
[0040] 式中：Mij为惯性质量矩阵的i，j分量，与系统的自由度q、控制输入U以及时间t 为非线性关系；毛为自由度j关于时间的二阶微分；fi为与自由度i相关的力学分量，与自 由度q、自由度的微分4、控制输入u及时间t为非线性关系。式中的下标依次对应漂浮平 台自由度的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇。
[0041] 浮式基础波浪载荷计算
[0042] 漂浮式风力发电机浮式基础所受波浪载荷主要作用在浮体上，其波浪载荷可以分 成3个部分来分析计算，分别为辐射作用、水静力作用及绕射作用。
[0043] 采用Jonswap谱计算绕射作用引起的波浪载荷，Jonswap谱的单边波浪谱课表示 为
[0049] 将式⑷带入式（6)得到波浪绕射作用力Fwaves,Jt)，式0)为作用在浮式 平台上的单位波浪力，0为入射波的方向角；水深h与随频率《变化的波数k相关，由式 (6)表达其数学关系
[0051] 水静力作用即为平台不受到任何波浪力作用情况下，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，即该力是竖直向上，大小与平台的重力相 等；Vtl表示平台静止时的排水体积；CHytejstaticu,」qj代表受水平面和浮心影响的水静力和力 矩部分。其中CHydMstati。&为水平面与平台的浮力中心之间的刚度矩阵
[0055] 辐射载荷是浮式平台以不同运动模式振荡，并且不考虑入射波的影响时，产生的 从平台四周辐射出去的波浪，该辐射波浪反过来对浮式平台产生作用力，其计算式为
[0057] 式中：Ki;j为波浪辐射延迟矩阵。
[0058] 由式（10)可看出，辐射载荷与平台的振荡速度成正比，当振荡结束，辐射的影响 也随之结束。
[0059] 将式（6)、式⑶与式（10)相加，由此可得浮式平台的水动力
[0060] Fnydro,i^Waves,i^^Hydrostatic,i^^rad (11)
[0061] 仿真结果分析
[0062] 本专利选用的模型来源于NREL5MW漂浮式风力发电机，表1为该风力发电机的主 要参数。载荷的波动特性：
[0063] 为分析漂浮特性对风力发电机载荷性能的影响，将三种漂浮平台在相同条件下的 仿真结果进行对比。选择工况为12m/s稳态风，波浪高度为5m，波浪周期12. 4s的仿真结果 对塔基载荷的波动特性进行分析。图3-8分别为塔基在机舱前后方向、机舱左右方向、垂直 于塔架方向的受力时域响应以及在机舱前后方向、机舱左右方向、垂直于塔架方向所受力 矩的时域响应。可以看出，在漂浮特性作用下，塔基载荷Fx，FY，Fz以及塔基弯矩Mx，MY，Mz，组 合式风力发电机较其余两种有着显著的优势，因此说明本发明的潜在开发价值较大。
[0064] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术 人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依 据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：它包括一个浮台，风力发电机通过塔 架安装在所述浮台的对称中心上，浮台由张力拉索连接在锚上，所述浮台的对称中心下方 连接有压舱物，压舱物使得浮台的漂浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三。2. 根据权利要求1所述的组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：所述的浮台与压舱 物之间采用刚性连接。3. 根据权利要求1所述的组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：所述的浮台的材料 为钢材或混凝土。4. 根据权利要求1所述的组合式漂浮风力发电平台，其特征在于：所述的压舱物为钢 材、混凝土、碎石或海水中的一种，或这几种材料之间的任意组合。
【专利摘要】本发明提供一种组合式漂浮风力发电平台，它包括一个浮台，风力发电机通过塔架安装在所述浮台的对称中心上，浮台由张力拉索连接在锚上，所述浮台的对称中心下方连接有压舱物，压舱物使得浮台的漂浮深度为浮台高度的二分之一到四分之三。与现有技术的其他形式的漂浮式平台相比，本发明受波浪影响小，能够适用于深水和浅水环境，且结构简单、经济性好，通过了理论仿真验证，具有较大的使用性，能够在深海大规模应用。
【IPC分类】F03D11/00, B63B35/44
【公开号】CN104986301
【申请号】CN201510367217
【发明人】徐立, 王启富, 刘丹, 卞磊, 吴一飞, 向家涛, 姜文强, 徐达
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月29日