一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统

本发明涉及海上风力发电装置，尤其是涉及一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统。

背景技术：

1、风电在能源结构中占有越来越大的份额。大规模陆上风电资源目前已得到较充分开发，海上风电开发方兴未艾。深远海风力资源丰富、风力稳定优质，但对海上风电机组和浮动平台、安装和运维等提出了更加严苛的技术挑战，对经济性和安全性提出了更高要求。

2、传统的水平轴风力发电机组已经难以应对深远海的严苛环境。大型水平轴机组的风轮、传动链和发电机以及控制系统可达数百吨重，结构上头重脚轻。机组置于高达百米的风塔上，而风塔又固定于运动的平台上，头重脚轻的结构特征提高了对浮式平台尺寸及重量的高要求，对机组和平台系统的稳定性形成挑战。如果进一步提高浮式平台的尺寸和改进结构，由于深远海平台成本占整个投资的40％以上，必将产生成本和效益的巨大压力，且随着机组容量提高，这个问题将更为严重。

3、垂直轴风电机组在海上风力发电领域展现出巨大的成本优势，包括：(1)在机组构型方面，垂直轴机组的传动链、发电机、控制设备以及其它辅助设备都置于平台上，结构低重心的特点极大降低了对浮式平台的要求，显著降低了浮式平台的成本；(2)随着升力型风轮的发展，能够保证垂直轴风力发电机的风能利用效率大大提高；(3)不需要对风偏航控制，不受风向影响，可最大程度利用风能；(4)h型大尺寸直叶片受重力弯矩影响小，相比于水平轴风机叶片设计简单，易于制造；(5)维护成本低，整个动力系统和大部分控制系统置于平台上，极大简化安装和维护作业。(6)垂直轴机组相对水平轴机组能够极大减重，符合浮式风电机组的技术发展趋势，提高了机组的市场竞争力。

4、垂直轴风力发电机根据其工作原理可以分为两种类型：阻力型风机和升力型风机。阻力型风机利用空气对叶片产生的阻力来发电。升力型风机则利用叶片产生的升力来发电，达里厄风机是其典型代表。达里厄风机的叶片设计通常包括φ型和h型两种，其中h型风机更适合作为大型和超大型风力发电机的结构方案。

5、目前针对10兆瓦级的海上浮式垂直轴风力发电机系统结构形式的可行方案甚少。根据大多数浮式垂直轴风力发电机专利技术，很难做到兼顾结构稳定可靠同时保证风力机风轮的气动效率，难以体现出垂直轴风力发电机在海上风力发电领域相比于水平轴风力发电机的技术优势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱和半潜式浮式平台机构，垂直轴风轮机构包括上轮毂和下轮毂，上轮毂通过轮毂连接件与下轮毂连接，轮毂连接件环绕设置于锥型塔筒外，上轮毂通过上斜支撑与升力型直叶片连接，下轮毂通过下斜支撑与升力型直叶片连接，叶片变桨机构位于上斜支撑、下斜支撑末端，叶片变桨机构与升力型直叶片连接，上斜支撑之间通过上横拉杆连接，上轮毂通过下斜拉杆与下斜支撑连接，下轮毂与锥形塔筒连接，下轮毂与机舱内部连接，机舱固定设置在半潜式浮式平台机构之上。

3、优选的，锥形塔筒的顶端通过推力轴承和顶部径向回转支撑轴承与上轮毂连接。

4、优选的，下轮毂通过底部径向回转支撑轴承与锥形塔筒连接。

5、优选的，机舱的内部设置有储电电控部件和发电机，发电机与变速箱连接，发电机和变速箱设置在减振弹性支撑板上。

6、优选的，下轮毂的下端与传动齿轮组连接，传动齿轮组与变速箱连接，传动齿轮组的下方设置有机械制动锁紧结构。

7、优选的，机械制动锁紧结构包括制动盘，制动盘的上方设置有定位轴环，制动盘上设置有若干定位槽。

8、优选的，锥形塔筒的底部设置有用于夹紧制动盘的液压制动钳，锥形塔筒的底部设置有用于锁紧制动盘的锁紧定位柱，液压制动钳的上方和液压制动钳的下方均设置有肋板，肋板设置在锥形塔筒上。

9、优选的，锥形塔筒的底端设置有塔底螺栓孔，锥形塔筒通过螺栓与半潜式浮式平台机构连接。

10、优选的，锥形塔筒设置为分段型，每段锥形塔筒之间通过法兰连接。

11、优选的，半潜式浮式平台机构包括中部浮力舱，中部浮力舱通过桁架桥与压载舱，压载舱设置有三个，三个压载舱呈正三角形布置，中部浮力舱位于正三角形形心处，三个压载舱底部设置垂荡板与系泊缆绳。

12、因此，本发明采用上述结构的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，具有以下有益效果：

13、1、上横拉杆和下斜拉杆的结构使得风轮系统更加轻量化，机舱安装于浮式平台之上，有利于保持风电机组系统的低重心结构，降低对浮体的要求，同时保证了整体系统的稳定性；

14、2、上斜支撑和下斜支撑的结构大大降低了锥型塔筒的高度，使得锥形塔筒具有更好的刚度和承载能力，降低了锥型塔筒的成本；

15、3、升力型直叶片使风轮气动性能提高，叶片变桨结构优化了风力机在低于或超过额定风速时的气动效率；

16、4、机舱等大型部件置于浮式平台之上，便于安装、维护和检修。

17、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱和半潜式浮式平台机构，垂直轴风轮机构包括上轮毂和下轮毂，上轮毂通过轮毂连接件与下轮毂连接，轮毂连接件环绕设置于锥型塔筒外，上轮毂通过上斜支撑与升力型直叶片连接，下轮毂通过下斜支撑与升力型直叶片连接，叶片变桨机构位于上斜支撑、下斜支撑末端，叶片变桨机构与升力型直叶片连接，上斜支撑之间通过上横拉杆连接，上轮毂通过下斜拉杆与下斜支撑连接，下轮毂与锥形塔筒连接，下轮毂与机舱内部连接，机舱设置在半潜式浮式平台机构之上。

2.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒的顶端通过推力轴承和顶部径向回转支撑轴承与上轮毂连接。

3.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：下轮毂通过底部径向回转支撑轴承与锥形塔筒连接。

4.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：机舱的内部设置有储电电控部件和发电机，发电机与变速箱连接，发电机和变速箱设置在减振弹性支撑板上。

5.根据权利要求4所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：下轮毂的下端与传动齿轮组连接，传动齿轮组与变速箱连接，传动齿轮组的下方设置有机械制动锁紧结构。

6.根据权利要求5所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：机械制动锁紧结构包括制动盘，制动盘的上方设置有定位轴环，制动盘上设置有若干定位槽。

7.根据权利要求6所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒的底部设置有用于夹紧制动盘的液压制动钳，锥形塔筒的底部设置有用于锁紧制动盘的锁紧定位柱，液压制动钳的上方和液压制动钳的下方均设置有肋板，肋板设置在锥形塔筒上。

8.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒的底端设置有塔底螺栓孔，锥形塔筒通过螺栓与半潜式浮式平台机构连接。

9.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒设置为分段型，每段锥形塔筒之间通过法兰连接。

10.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：半潜式浮式平台机构包括中部浮力舱，中部浮力舱通过桁架桥与压载舱，压载舱设置有三个，三个压载舱呈正三角形布置，中部浮力舱位于正三角形形心处，三个压载舱底部设置垂荡板与系泊缆绳。

技术总结
本发明涉及海上风力发电装置技术领域，且公开了一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱和半潜式浮式平台机构，垂直轴风轮机构包括上轮毂和下轮毂，上轮毂通过轮毂连接件与下轮毂连接，轮毂连接件环绕于锥形塔筒外，上轮毂通过上斜支撑与升力型直叶片连接，下轮毂通过下斜支撑与升力型直叶片连接，叶片变桨机构位于上、下斜支撑末端与升力型直叶片连接，上斜支撑之间通过上横拉杆连接，上轮毂通过下斜拉杆与下斜支撑连接，下轮毂与机舱内部连接，机舱设置在半潜式浮式平台机构之上。本发明采用上述结构的风力发电系统，相比水平轴风电系统，具有重量轻、重心低、安装维护便捷、度电成本低等显著优点。

技术研发人员：刘占芳,陈宇康,董晔弘,刘牛,张浩,程志龙,何涛,段连龙
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14