一种漂浮式偏航和直流发电的抗台风型风电设备

技术领域

本发明公开了一种漂浮式偏航和直流发电的抗台风型风电设备，属于清洁能源风力发电领域，也属于机械制造领域。

具体来说，涉及一种高性价比的强抗台风的海上漂浮偏航式直流风力发电装置，在提高风机运行可靠性的同时实现了降低度电低成本。

背景技术

改善地球大气环境，降低温室气体排放，提倡风能和太阳能利用并限制化石能源的使用是当代能源技术的主流。

进入21世纪，风力发电经历了快速发展的黄金时期，在过去二十年的时间里，单机容量从1MW发展到了10MW，也从陆上进入深海大陆架。基本上陆上风机最大3MW水平见顶了，但海上风电场，3MW风机只是起步入门级设备。由于海上风机限制性约束条件减少，可以做到非常大的容量等级，比如20MW，目前还没有封顶的迹象。但海上和海岸运行的风机，必然面对台风天气的生存环境，也要确保台风天气风机安然无恙。

但是，海上近岸和潮间带的风机，仍然只能是固定桩基的机型。而进入远海深水区，漂浮式风力发电装置技术应运而生。然而，漂浮式风力发电装置依然是最近几年的事。尚且处在探索试验阶段。除了风机基础采用漂浮方案外，其它的结构和运行控制策略并没有大的实质性进步。比如，叶轮仍然是三叶片结构，偏航轴承仍然在风机的塔顶，钢质的塔筒，发电机一直是控制非常复杂的三相电机，等等。在抗击台风方面，风机除了停机顺桨伫立外，依然无计可施无能为力。然而，台风灾害性天气越来越频繁。抗击台风成为海上风电场安全运行的最大的风险。

另外，海上风资源虽然丰富，但是风机的制造和安装成本居高不下，也阻碍了海上风电的开采利用。

现有技术的海上漂浮式风机，其漂浮基础仍然是依靠众多方向的锚链将风机稳定和固定，这样的桩基础非常的庞大和造价昂贵。

本发明旨在创造一种能够强力抗击台风的，低成本型，高发电量的海上漂浮式风力发电装置。

发明内容

术语：

风机：风力发电装置，也叫风电设备，本文述及的风机非鼓风机

上风向型风机：参照来凤方向，叶轮在风塔前面迎风巡航运行的风机

下风向型风机：参照来凤方向，叶轮在风塔后面迎风巡航运行的风机

叶片：有气动外形的将风能转化为机械能的部件

叶柄：没有气动外形的筒状结构件，起连接支撑作用。

为实现能够强力抗击台风、高效、长寿、低度电成本型、海上漂浮式风力发电装置（即风机），需要充分研究海洋环境以及海风的风频特性，巧妙利用水体的浮游能力，以及台风的可预测预报和确切的持续时间和特定的风向的特性，从风机的结构优化入手，构建最优性价比的海上风机；降低重心和设备轻量化也是提升设备稳定性和安全性的重要途径；提高叶轮叶片的实度是大直径风机降低度低成本的有效途径，叶轮变形减小迎风面能够显著降低台风载荷从而使风机设计轻量化。

由此，本发明提出如下的创新思维：

风机应该是直流发电机组，规避不必要的三相同步发电控制技术；

风机采用半直驱技术方案；

风机利用浮游特性自适应偏航和抗击台风。

为此，提出一种漂浮式偏航和直流发电的抗台风型风电设备，风电设备包括发电机组1、叶轮2、增速传动机构3、机架4、塔架5、漂浮式基础6、锚固系统7、控制系统；其架构关系从上而下次序是，叶轮2连接增速传动机构3，增速传动机构3连接发电机组1，发电机组1连接定置到机架4，叶轮2通过主轴连接定置到机架4，机架4固定连接塔架5，塔架5固定连接漂浮式基础6，漂浮式基础6铰链连接锚固系统7；所述发电机组1是一个直流发电系统；所述风电设备机架4和塔架5之间固定连接，没有偏航轴承，在漂浮式基础6和锚固系统7之间非固定连接，有回转铰链点9，在风力作用下，风机整体可以绕锚固系统7回转自适应偏航。

进一步地，所述发电机组1是一种单相高频高压经过全桥整流后形成直流脉动输出的发电机。比如，采用1k-50kHz的频率，10kV级直流输出。这样可以降低发电和变电综合成本。

更进一步地，因为是直流回路输电，完全可以利用海水作为一根地线使用，因此，风电设备发电机组1到中心枢纽站之间的海缆只是一根单芯高压电缆，比如一根10kV单芯高压电缆。整流桥设在发电机上，这样在机舱内使用的电动机和蓄电池可以从这根高压电缆上获取。仅一根电缆时，通过回转铰链点9时还相对容易解决电缆的扭绞问题。

在规避三相交流电的同步并网技术要求后，整个风电场的直流电的汇流问题其实很简单。因此，控制系统主要集中在风机运动控制，较少的电力控制。

进一步地，在风力作用下，漂浮式风机容易自适应偏航，下风向运行。

进一步地，所述锚固系统7可以是一个柔性锚链系统锚固于海床上，也可以是一根刚性海桩埋置于海床上。事实上，在浅海，可以用海桩方式，在深海，适宜柔性锚链系统。

进一步地，所述叶轮2是包括叶片21、回转变桨机构22、叶柄23、轮毂24、液压挥舞变桨机构25、主轴26等，其中架构关系是，叶片21连接回转变桨机构22，回转变桨机构22连接叶柄23，叶柄23连接轮毂24，轮毂24连接主轴26，液压挥舞变桨机构25一端连接轮毂24，另一端连接叶柄23，在回转变桨机构22的回转作用下，调节叶片迎风攻角，在液压挥舞变桨机构25的伸缩作用下，实现叶片象雨伞一样开合挥舞变桨；其中叶柄长度为叶轮半径的1/5-1/3范围。比如100m的叶轮半径，叶柄长度40m叶片60m，这样，不会显著影响发电量，解决分段运输问题，叶轮成本也大幅度降低。

进一步地，所述叶轮可以是3叶片的也可以是4叶片叶轮，对于5MW以上风机，推荐使用4叶片叶轮。

进一步地，实现风机半直驱运行时，所述增速传动机构是一种开式增速传动机构，是一个没有箱体封闭的拨盘式滚动啮合的传动机构，其增速传动比在5-50范围；这种啮合关系雷同链轮和链条辊的滚动啮合关系，等效这种链条辊的是耐磨轴承。由于这种开式结构非常方便现场更换零配件的维护维修。在海洋环境没有风沙，采用开式传动的滚动啮合非常合理。

进一步地，所述塔架是一个定向受力的塔柱和两道斜拉索构成的结构，两道斜拉索之间夹角在20°-90°范围，斜拉索和叶轮分设安置在塔柱的两侧，即反相安置；塔柱可以是塔筒或型钢拼制的桁架结构。当然，根据需要可以附加一些辅助的拉索。这不影响本专利的支柱+拉索的结构特征。

进一步地，在台风环境下，叶轮于下风向位置防风保护，在台风来临之前，进行状态转换，由运行态转台风防御态。方法是在液压挥舞变桨机构25的伸缩作用下，实现叶片象雨伞一样开合挥舞变桨，结合风力的吹顺作用，全部叶片21在台风环境下呈顺风指向。

为了使下风向运行的风机的稳定，回转铰链点9必须尽可能的远离塔柱，而且这样导致风机更容易在风力作用下自适应偏航，所述风电设备，在风力（包括台风）、浮力、重力、锚点的拉力四种外力作用下，完全可以处于静定平衡状态。

附图说明和实施例：

附图1，是一种典型配置结构的漂浮式偏航和直流发电的抗台风型风电设备

附图2，是一种典型配置结构的漂浮式偏航和直流发电的抗台风型风电设备的台风防御状态图。

图中，1-发电机组、2-叶轮、3-增速传动机构、4-机架、5-塔架、6-漂浮式基础、7-锚固系统；21-叶片、22-回转变桨机构、23-叶柄、24-轮毂、25-液压挥舞变桨机构、26主轴，51-塔柱，52-斜拉索，OXYZ-右手定则直角坐标系，其中，X-叶轮回转轴方向，Y-垂直于XZ方向，Z-风塔中心轴方向（重力反方向）

图中，为了能够看到发电机组1和增速传动机构3，故意画在机舱罩外面，实际上是在机舱罩内部，定置于机架上的。

图1中，风电设备的架构关系从上而下次序是，叶轮2连接增速传动机构3，增速传动机构3连接发电机组1，发电机组1连接机架4，叶轮2通过主轴连接机架4，机架4连接塔架5，塔架5连接漂浮式基础6，漂浮式基础6连接锚固系统7；所述发电机组1是一个直流发电系统；所述风电设备机架4和塔架5之间固定连接，没有偏航轴承，在漂浮式基础6和锚固系统7之间非固定连接，有回转铰链点9，在风力作用下，风机整体可以绕锚固系统7回转自适应偏航。进一步，叶轮的架构关系是，叶片21连接回转变桨机构22，回转变桨机构22连接叶柄23，叶柄23连接轮毂24，轮毂24连接主轴26，液压挥舞变桨机构25一端连接轮毂24，另一端连接叶柄23，在回转变桨机构22的回转作用下，调节叶片迎风攻角，在液压挥舞变桨机构25的伸缩作用下，实现叶片象雨伞一样开合挥舞变桨。图示的是4叶片大型风电设备。

图1是在常态风力作用下，风机能够自适应巡航（偏航），4支叶片迎风展开，叶轮旋转发电，这种自适应巡航风机尤其适合下风向运行模式。

在图2示意中，在台风环境下，在液压挥舞变桨机构25的伸缩作用下，实现叶片从直立状态放平，呈顺风指向，这样的受力最小，抵御台风的能力最强，可以防御强度达17级台风。

由于在极限台风状态和正常运行状态叶片的迎风状态不同，导致，在台风状态风机的受力甚至没有在风机切出风速时的大。这意味着，海上风机的极限载荷大幅度降低，这就为叶片设计和风机设计取得了瘦身优化的空间。

风机叶轮均于下风向位置进行抗台风保护，借助风力和水体漂浮能够自适应偏航，再结合收拢叶片方法，大大提升了风机抗台风能力。大型风机的4叶片结构可以提升叶轮的实度，增加发电效率。直流发电机的运行控制要简单得多。低电压穿越能力增强。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。