专利名称：具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋能源利用技术领域的装置，具体是一种具有周向稳定柱 的单柱式海上风力发电装置。
背景技术：
随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求与日俱增。然而，常规能源由于其 不可再生性，其储量正在日益减少，同时使用常规能源所产生的环境污染已经成为人类生 存发展所面临的严峻挑战。目前，世界各国的相关机构都在积极开发利用可再生的清洁能 源。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得海上风力发电技术成为近年来应用的执占。我国近海风能资源预计可达7. 5亿千瓦，是陆上风能资源3倍，海上风力发电场将 成为未来发展的重点。然而高品质的风能资源大都集中在非浅水区域(> 30m)，如中国南 海，传统的海上风力发电固定式基础已不再适用，海上浮式风力发电装置作为一种替代形 式具有十分广阔的前景。经对现有技术的文献检索发现，美国可再生能源实验室(NREL)2007年9月发布 ——份 艮告“Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbine，，(NREL/ CP-500-38766)中提到了三种海上浮式风机形式1)单柱式(SPAR)，通过压载方法将 重心降至浮心以下；2)张力腿式(TLP)，通过设置张力腿张力获得平台稳性；3)驳船式 (BARGE)，通过设置较大的水线面面积，增大水线面惯性矩，从而获得平台稳性。以上技术均 为船舶与海洋工程所采用的获得稳性的传统技术，相对比较成熟，并且都已经在海洋石油 工程中得到了实际应用。但与海洋石油工程不同，风力发电以降低单位风力发电成本为目 的，这就决定了其适用于风力发电的浮式基础既要满足使用要求(如浮性、稳性、抗沉性和 耐波性等)，同时又具有较好的经济性能。挪威于2009年成功安装运行了一台“Hywind” 单柱式风力发电装置，该风机额定功率2. 3MW，采用第1)种方式获得稳性，吃水100m，排水 体积5300m3，投资成本高达4亿挪威克朗。若要采用该技术实现海上大规模发电，投资成本 高，经济性能差；另外该技术不适用于水深小于IOOm的海域，且安装技术难度高，这就需要 提出一种既满足稳性要求又具有较好经济性的新型浮式基础。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有周向稳定柱的单柱式海上风 力发电装置，通过设置周向稳定柱，以较小的水线面面积获得了较大的水线面惯性矩，同时 借助单柱式基础压低重心，从而既满足了稳性要求又获得了良好的水动力性能，为风力发 电机组提供一个稳定、经济、灵活的浮式基础，尤其适用于外海深水区域。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括风力发电机组、单柱式基础、周 向稳定柱、支撑结构、系泊系统和固定压载系统，其中风力发电机组固定设置于单柱式基 础上，周向稳定柱固定设置于单柱式基础周围，支撑结构的两端分别与周向稳定柱和单柱
3式基础相连，单柱式基础的中部和底部分别与系泊系统和固定压载系统相连，系泊系统与 海底连接。所述的单柱式基础为圆柱结构，其底部与固定压载系统相连以降低系统重心且中 部和系泊系统相连接以限制所述单柱式海上风力发电装置的六自由度运动。所述的周向稳定柱为圆柱结构，其个数大于等于3且每根周向稳定柱的中轴线与 单柱式基础的中轴线的垂直距离相同。所述的周向稳定柱内设有主动压载系统。所述的周向稳定柱底部设有垂荡板结构。与现有技术相比，本发明的有益效果是1)单柱式基础通过在底部设置压载系 统，从而有效的降低了系统重心，提高了系统的稳性；幻周向稳定柱设置于单柱式基础为 中心的圆周上，以较小的水线面面积获得了较大的水线面惯性矩，从而提高了系统稳性又 获得了良好的水动力性能；；3)周向稳定柱内部设置有主动压载系统，以实现快速系统浮态 调节；4)周向稳定柱底部设置有垂荡板结构，有效增大系统的垂荡、纵摇和横摇运动阻尼， 从而获得良好的水动力性能力)通过设置周向稳定柱有效的提高了系统的抗沉性能，从而 实现了对单柱式基础和风力发电机组的保护；6)所提供的浮式基础不仅适用于水平轴式 风力发电机组，同时适用于垂直轴式风力发电机组；7)通过设置周向稳定柱，提高了系统 的浮心位置，因此增强了水深适应性。
图1是本发明的立体示意图。图2是本发明的主视图。图3是本发明的侧视图。图4是本发明的俯视图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括风力发电机组1、单柱式基础2、周向稳定柱3、横撑结 构4、斜撑结构5、系泊系统6和固定压载系统7，其中风力发电机组1固定设置于单柱式 基础2上，周向稳定柱3固定设置于单柱式基础2周围，横撑结构4和斜撑结构5分别与周 向稳定柱3和单柱式基础2相连，单柱式基础2的中部和底部分别与系泊系统6和固定压 载系统7相连，系泊系统6与海底连接。所述的风力发电机组1为水平轴或垂直轴式风力发电机组1。所述的单柱式基础2为圆柱结构，其底部与固定压载系统7相连以降低系统重心 且中部和系泊系统6相连接以限制所述单柱式海上风力发电装置的六自由度运动。所述的周向稳定柱3为圆柱结构，其个数等于5且每根周向稳定柱3的中轴线与 单柱式基础2的中轴线的垂直距离相同。所述的固定压载系统7采用高密度填充物布置于单柱式基础2底部的压载舱内，
4可有效降低所述单柱式海上风力发电装置的重心高度，进而提高稳性。所述的周向稳定柱3内设有主动压载系统8，该主动压载系统8通过压载泵组和管 线根据所述单柱式海上风力发电装置的运动幅度实时地向所述周向稳定柱3内压载舱进 行注水和抽水动作，以补偿所述单柱式海上风力发电装置的纵摇和横摇运动。所述的周向稳定柱3底部设有垂荡板结构9，该垂荡板结构9为一平面板架结构， 形状可为圆形或多边形，板架上可适当开孔以增大垂荡板阻尼。所述的系泊系统6为悬链式或斜拉张紧式，由系泊链10和锚11组成。本实施例的工作过程如下当风速低于5丽风力发电机组的切入风速3m/s时，5丽 风力发电机组关闭；当风速高于5丽风力发电机组的切入风速3m/s时，5丽风力发电机组 开始工作，开始发电；当风速达到或高于5丽风力发电机组的额定风速12m/s时，5丽风力 发电机组达到额定功率；当风速高于5MW风力发电机组的切出风速25m/s时，5MW风力发电 机组关闭。本实施例的带周向稳定柱的单柱式5丽海上风力发电装置结合了单柱式和驳船 式的优点，通过优化设置单柱式基础和5个周向稳定柱，以较小的排水体积(约3000m3)获 得了较好的稳性(初稳性高12m)和抗沉性；通过在稳定柱底部设置垂荡板，增大了系统的 运动阻尼，从而有效减小了系统的运动响应；通过设置张紧式系泊系统，使得整套系统的在 波浪上的运动得到有效控制，从而为5MW风力发电机组提供一个相对稳定的浮式基础。
权利要求
1.一种具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征在于，包括风力发电机 组、单柱式基础、周向稳定柱、支撑结构、系泊系统和固定压载系统，其中风力发电机组固 定设置于单柱式基础上，周向稳定柱固定设置于单柱式基础周围，支撑结构的两端分别与 周向稳定柱和单柱式基础相连，单柱式基础的中部和底部分别与系泊系统和固定压载系统 相连，系泊系统与海底连接。
2.根据权利要求1所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所 述的风力发电机组为水平轴或垂直轴式风力发电机组。
3.根据权利要求1所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所 述的单柱式基础为圆柱结构，其底部与固定压载系统相连以降低系统重心且中部和系泊系 统相连接以限制所述单柱式海上风力发电装置的六自由度运动。
4.根据上述任一权利要求所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征 是，所述的周向稳定柱为圆柱结构，其个数大于等于3且每根周向稳定柱的中轴线与单柱 式基础的中轴线的垂直距离相同。
5.根据权利要求4所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所 述的周向稳定柱内设有主动压载系统。
6.根据权利要求4所述的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，其特征是，所 述的周向稳定柱底部设有垂荡板结构。
全文摘要
一种海洋能源利用技术领域的具有周向稳定柱的单柱式海上风力发电装置，包括风力发电机组、单柱式基础、周向稳定柱、支撑结构、系泊系统和固定压载系统，风力发电机组固定设置于单柱式基础上，周向稳定柱固定设置于单柱式基础周围，支撑结构的两端分别与周向稳定柱和单柱式基础相连，单柱式基础的中部和底部分别与系泊系统和固定压载系统相连，系泊系统与海底连接。本发明通过设置周向稳定柱，以较小的水线面面积获得了较大的水线面惯性矩，同时借助单柱式基础压低重心，从而既满足了稳性要求又获得了良好的水动力性能，为风力发电机组提供一个稳定、经济、灵活的浮式基础，尤其适用于外海深水区域。
文档编号F03D11/04GK102146873SQ20111008000
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者何炎平, 杨建民, 谭家华, 赵永生, 顾敏童 申请人:上海交通大学