一种垂直轴漂浮式的海上风力发电设备及其工作控制方法与流程

本发明涉及海上风电，具体涉及一种垂直轴漂浮式的海上风力发电设备及其工作控制方法。

背景技术：

1、随着我国海上风电事业的发展，近海风电资源开发利用已趋近饱和，向深远海进行开发正在成为全球海上风电布局的方向。由于深海海水深度大，有时深度达100米以上，采用固定式结构设计施工难度大也不利于后续维护，采用漂浮式结构式解决这一问题的有效手段，且漂浮式风机可以在陆地完成组装后再下水整体运至设计位置，免去了在海上高难度的吊装作业，且结构整体无需设置入泥桩基，不易受海洋地震与海底滑坡等自然灾害的直接影响，具有诸多优势。但深远海地带面临的最大挑战就是台风的风速更大，遇到了极端海况的浪高更恶劣，这是在做深远海漂浮式风电机组中必须解决的技术难点。

2、目前海上升电场中的风力发电机组多采用水平轴风力发电机，这种风机虽然具有风机叶片扫风面积大，可以集中气流，增加气流速度等优势，但是其机舱与风机叶片装于塔架顶部，需要较大直径的塔架以保证风机结构强度，且相对较大的机组质量位于结构顶部，增大了结构整体的倾覆力矩，需要考虑在台风等极端天气的情况下风机整体抗倾覆的性能，由此导致目前的漂浮式风机多采用浮体结构较大的半潜式基础形式。目前已经并网投入运行的漂浮式风机试验机组，例如“三峡引领号”、“扶摇号”与“海油观澜号”均采用此种基础形式，设计非常复杂，成本单个风机的造价也较高，从而导致了漂浮式风机在现阶段难以被广泛采用，亦难以实现海上风电场的降本增效。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种垂直轴漂浮式的海上风力发电设备及其工作控制方法，建构简单，成本可控，发电效率高，维护简单。

2、为实现上述目的，本发明提供一种垂直轴漂浮式的海上风力发电设备，包括浮体本体、底部塔架、上部塔架、垂直轴风力发电装置、控制机构、储能电池、系泊锚链和海底电缆，所述底部塔架设置在浮体本体上端，且其内部设有容纳机舱，所述上部塔架设置在底部塔架上端，所述垂直轴风力发电装置包括转轴、叶片机构和发电机组，所述发电机组设置在底部塔架的容纳机舱中，所述转轴的底端与发电机组传动连接，顶端穿过并伸出于上部塔架，所述叶片机构包括固定连接在转轴顶端的环架、安装于环架的机械臂、以及安装于机械臂的风机叶片，所述环架可转动地安装在上部塔架顶端，所述机械臂能够运动并改变风机叶片与转轴的水平间距；所述控制机构和储能电池设置在底部塔架的容纳机舱内，所述控制机构与叶片机构控制相连并能够驱动机械臂运动；所述储能电池分别与叶片机构和控制机构都相连以进行供电；所述系泊锚链连接在浮体本体上；所述海底电缆与发电机组相连，用于输出电能。

3、进一步地，所述浮体本体中设有水舱，还包括用于控制水舱补水和排水的水泵机构，所述控制机构与水泵机构控制相连。

4、进一步地，所述叶片机构的机械臂固定连接在环架上，所述机械臂为可伸缩的，且机械臂的伸缩运动由控制机构控制。

5、进一步地，所述风机叶片可旋转地安装在机械臂上，且其旋转轴线为平行于转轴，所述机械臂上设有限位风机叶片转动范围的角度限位结构，或者所述机械臂上设有用于驱动风机叶片转动的迎风角度调整组件，且控制机构与迎风角度调整组件控制相连。

6、进一步地，所述控制机构包括远程监控平台，所述远程监控平台与无线控制器无线通讯相连，所述远程监控平台上连接有海底光纤，所述海底光纤用于与陆上通讯连接。

7、进一步地，所述叶片机构包括一个无线控制器，所述无线控制器能够控制机械臂的运动，所述远程监控平台与无线控制器无线通讯相连。

8、进一步地，所述底部塔架为圆台形状，且其上端直径小于下端直径。

9、进一步地，还包括设置在底部塔架的容纳机舱内的减速机构，所述减速机构具有可活动的刹车片，所述控制机构与减速机构相连，能够控制刹车片运动至与转轴周面接触或者分开，且刹车片与转轴周面之间为摩擦接触。

10、进一步地，所述垂直轴风力发电装置还包括设置在底部塔架的容纳机舱内的变压器，所述变压器与发电机组相连，所述海底电缆与变压器相连。

11、本发明还提供一种海上风力发电设备的工作控制方法，包括以下步骤：

12、s1、根据海上风力发电设备所处海域的气象情报信息，判断海上风力发电设备是否存在倾覆风险；

13、s2、如海上风力发电设备有倾覆风险，则向控制机构传输危险信息，控制叶片机构切换为收拢状态，机械臂运动并使风机叶片靠近上部塔架，减小倾覆风险；

14、s3、如海上风力发电设备无倾覆风险，则向控制机构传输风信息，控制叶片机构保持展开状态，进行正常发电。

15、如上所述，本发明涉及的海上风力发电设备及其工作控制方法，具有以下有益效果：

16、1、采用垂直轴风力发电机的形式，结构简单，方便制造，成本可控，效率高于水平轴风力发电机，无需设置对风装置，可直接对应任何风向，维护简单。

17、2、相对于现有水平轴漂浮式风机，结构简单，重心相比水平轴风机整体下移，能够降低自身的倾覆力矩，可有效减少传统水平轴漂浮式风机抗台风的问题，进而在条件允许的情况下使得漂浮式风机基础从较大的半潜式基础向较小的立柱式基础转变，使风机可以应用于更深的海域，并减小风机塔架钢管的直径，降低设计难度与制造成本，进而推广漂浮式风机的大规模应用。

18、3、垂直轴风力发电装置的叶片机构可以收拢和展开，在恶劣台风气候时通过收缩风机叶片进一步降低结构倾覆风险，且风机叶片迎风角度可调，提高风机发电效率。

技术特征：

1.一种垂直轴漂浮式的海上风力发电设备，其特征在于：包括浮体本体(1)、底部塔架(2)、上部塔架(3)、垂直轴风力发电装置(4)、控制机构、储能电池、系泊锚链(5)和海底电缆(6)，所述底部塔架(2)设置在浮体本体(1)上端，且其内部设有容纳机舱(21)，所述上部塔架(3)设置在底部塔架(2)上端，所述垂直轴风力发电装置(4)包括转轴(41)、叶片机构(42)和发电机组(43)，所述发电机组(43)设置在底部塔架(2)的容纳机舱(21)中，所述转轴(41)的底端与发电机组(43)传动连接，顶端穿过并伸出于上部塔架(3)，所述叶片机构(42)包括固定连接在转轴(41)顶端的环架(421)、安装于环架(421)的机械臂(422)、以及安装于机械臂(422)的风机叶片(423)，所述环架(421)可转动地安装在上部塔架(3)顶端，所述机械臂(422)能够运动并改变风机叶片(423)与转轴(41)的水平间距；所述控制机构和储能电池设置在底部塔架(2)的容纳机舱(21)内，所述控制机构与叶片机构(42)控制相连并能够驱动机械臂(422)运动；所述储能电池分别与叶片机构(42)和控制机构都相连以进行供电；所述系泊锚链(5)连接在浮体本体(1)上；所述海底电缆(6)与发电机组(43)相连，用于输出电能。

2.根据权利要求1所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述浮体本体(1)中设有水舱，还包括用于控制水舱补水和排水的水泵机构，所述控制机构与水泵机构控制相连。

3.根据权利要求1所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述叶片机构(42)的机械臂(422)固定连接在环架(421)上，所述机械臂(422)为可伸缩的，且机械臂(422)的伸缩运动由控制机构控制。

4.根据权利要求3所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述风机叶片(423)可旋转地安装在机械臂(422)上，且其旋转轴线为平行于转轴(41)，所述机械臂(422)上设有限位风机叶片(423)转动范围的角度限位结构，或者所述机械臂(422)上设有用于驱动风机叶片(423)转动的迎风角度调整组件，且控制机构与迎风角度调整组件控制相连。

5.根据权利要求1或4所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述控制机构包括远程监控平台(8)，所述远程监控平台(8)与无线控制器(424)无线通讯相连，所述远程监控平台(8)上连接有海底光纤(7)，所述海底光纤(7)用于与陆上通讯连接。

6.根据权利要求5所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述叶片机构(42)包括一个无线控制器(424)，所述无线控制器(424)能够控制机械臂(422)的运动，所述远程监控平台(8)与无线控制器(424)无线通讯相连。

7.根据权利要求1所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述底部塔架(2)为圆台形状，且其上端直径小于下端直径。

8.根据权利要求1所述的海上风力发电设备，其特征在于：还包括设置在底部塔架(2)的容纳机舱(21)内的减速机构(9)，所述减速机构(9)具有可活动的刹车片，所述控制机构与减速机构(9)相连，能够控制刹车片运动至与转轴(41)周面接触或者分开，且刹车片与转轴(41)周面之间为摩擦接触。

9.根据权利要求1所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述垂直轴风力发电装置(4)还包括设置在底部塔架(2)的容纳机舱(21)内的变压器(44)，所述变压器(44)与发电机组(43)相连，所述海底电缆(6)与变压器(44)相连。

10.一种如权利要求1至9任一所述的海上风力发电设备的工作控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种垂直轴漂浮式的海上风力发电设备及其工作控制方法，包括浮体本体、底部塔架、上部塔架、垂直轴风力发电装置、控制机构、储能电池、系泊锚链和海底电缆，底部塔架设置在浮体本体上端，内部设有容纳机舱，上部塔架设置在底部塔架上端，垂直轴风力发电装置包括转轴、叶片机构和发电机组，发电机组设置在容纳机舱中，转轴底端连接发电机组，顶端伸出上部塔架，叶片机构包括固定在转轴顶端的环架、安装于环架的机械臂和安装于机械臂的风机叶片，环架可转动地安装在上部塔架顶端，机械臂能够改变风机叶片与转轴的水平间距；控制机构和储能电池位于容纳机舱内，控制机构可控制叶片机构运动；系泊锚链连接浮体本体；海底电缆用于输出发电。

技术研发人员：廖望,班鑫磊,徐康乾
受保护的技术使用者：上海勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22