基于卷扬机的泥浮式海上风机系统

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统。

背景技术

随着能源危机的日益突出，海上风电作为可再生能源，已经成为当前能源结构的重要组成部分。相关技术中，海上风机系统安装完成后风机的工作高度将不再发生变化。但由于海洋环境复杂多变，因此，为了保证海上风机系统的稳定性、以及在极端海况下的安全性，需要设计尺寸庞大的锚固组件，使锚固组件具有较高的承载能力，从而增加了锚固组件的造价成本，经济性较差。

因此，目前亟待需要提供一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统来解决锚固组件造价较高的问题。

发明内容

本发明一个或多个实施例描述了一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统，能够降低锚固组件的造价。

第一方面，本发明一个实施例提供了一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统，包括：风机整机、风机基础和锚固组件；其中，

所述风机整机包括沿竖直方向依次连接的上部风机和塔筒；

所述风机基础包括筒体和多个壳体，多个壳体均匀地设置于所述筒体的周向侧壁上，所述塔筒的底端连接于所述筒体的顶部中心，至少一个所述壳体内设置有卷扬机；

所述锚固组件包括多个锚链和多个锚筒，所述锚链、所述锚筒和所述卷扬机为一一对应关系，每个锚链的一端分别与与其对应的锚筒连接，另一端分别与与其对应的卷扬机连接，每个所述锚筒均固定于海底的泥床内，每个所述卷扬机分别用于调节与其对应的锚链的长度。

第二方面，本发明一个实施例提供了一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统工作高度的调整方法，应用于上述实施例所述的海上风机系统，所述方法包括：

获取当前时刻所述海上风机系统所在区域的风速数据，所述风速数据包括不同高度下的风速；

基于所述风速数据，确定所述上部风机在当前工作高度下的实际风速；

将所述实际风速与额定风速进行比较，并根据比较结果调整所述上部风机的工作高度，所述额定风速为使所述上部风机的发电量等于额定发电量时对应的风速。

根据本发明实施例提供的基于卷扬机的泥浮式海上风机系统，通过设置卷扬机可以收紧锚链或释放锚链，通过收紧和释放锚链，可以改变上部风机的工作高度；通过在筒体的四周设置多个壳体，可以保证卷扬机调整上部风机高度时的稳定性。具体地，当海洋环境恶劣时，高度越大，风速越大，若不降低上部风机的高度，会导致锚固组件受力过大而发生危险。此时可以控制卷扬机收紧锚链，降低上部风机的工作高度，从而保证锚固组件的安全。当海洋环境较好时，可以控制卷扬机释放锚链，升高上部风机的工作高度，在保证锚固组件安全的同时提高发电效率。本发明，可以根据海洋环境的变化改变上部风机的工作高度，避免锚固组件受力过大，从而无需设计承载力过高的锚固组件，进而降低锚固组件的造价成本，经济性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的泥浮式海上风机系统在悬浮态的立体示意图；

图2为图1所示的海上风机系统的俯视图；

图3为本发明一实施例提供的泥浮式海上风机系统在泥浮态的立体示意图；

图4为本发明一实施例提供的风机基础的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的筒体的内部结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的卷扬机的结构示意图；

图7是本发明一实施例提供的一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统工作高度的调整方法流程图；

图8为本发明一实施例提供的壳体的内部结构示意图。

附图标记：

1-风机整机；

11-上部风机；12-塔筒；13-塔筒连接件；

2-风机基础；

21-筒体；211-第一舱室；212-第二舱室；

22-壳体；221-第三舱室；

23-第一连杆；

24-第二连杆；

3-锚链；

4-锚筒；

5-卷扬机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的理解方案，此处首先对泥浮式海上风机系统进行解释：

泥浮式海上风机系统是指风机基础可以在漂浮态和泥浮态之间转换，漂浮态是指风机基础漂浮在海面或海水中，在该种态下，上部风机工作高度较高，有利于提高发电效率，适用于海洋环境较好的情况；泥浮态是指风机基础固定于海底的泥层中，在该种态下，上部风机工作高度较低，有利于提高安全性，适用于海洋环境较恶劣的情况。

如图1～4和图6所示，本发明实施例提供的泥浮式海上风机系统包括：风机整机1、风机基础2和锚固组件；其中，

所述风机整机1包括沿竖直方向依次连接的上部风机11和塔筒12；

所述风机基础2包括筒体21和多个壳体22，多个壳体22均匀地设置于所述筒体21的周向侧壁上，所述塔筒12的底端连接于所述筒体21的顶部中心，至少一个所述壳体22内设置有卷扬机5；

所述锚固组件包括多个锚链3和多个锚筒4，所述锚链3、所述锚筒4和所述卷扬机5为一一对应关系，每个锚链3的一端分别与与其对应的锚筒4连接，另一端分别与与其对应的卷扬机5连接，每个所述锚筒4均固定于海底的泥床内，每个所述卷扬机5分别用于调节与其对应的锚链3的长度。

在本实施例中，通过设置卷扬机5可以收紧锚链3或释放锚链3，通过收紧和释放锚链3，可以改变上部风机11的工作高度；通过在筒体21的四周设置多个壳体22，可以保证卷扬机5调整上部风机11高度时的稳定性。具体地，当海洋环境恶劣时，高度越大，风速越大，若不降低上部风机11的高度，会导致锚固组件受力过大而发生危险。此时可以控制卷扬机5收紧锚链3，降低上部风机11的工作高度，从而保证锚固组件的安全。当海洋环境较好时，可以控制卷扬机5释放锚链3，升高上部风机11的工作高度，在保证锚固组件安全的同时提高发电效率。本发明，可以根据海洋环境的变化改变上部风机11的工作高度，避免锚固组件受力过大，从而无需设计承载力过高的锚固组件，进而降低锚固组件的造价成本，经济性高。

如图1和图4所示，该海上风机系统可以在悬浮态和泥浮态之间进行转换。当海洋环境状态较好、风速较低时，海上风机系统处于图1所示的悬浮态，在该状态，锚链3的释放长度较长，上部风机11的工作高度较高；当海洋环境状态非常恶劣、风速远远超过额定风速时，海上风机系统处于图3所示的泥浮态，此时风机基础2与海底的泥面相贴，上部风机11的工作高度最低，锚固组件的受力最小；而当海洋环境状态处于中间状态时，可以根据锚固组件的承载能力确定上部风机11的高度，使其处于悬浮态和泥浮态之间。

还需要说明的是，本实施例通过根据海洋环境调整上部风机11的工作高度，还可以保证上部风机11的安全性。通常，上部风机11设计出厂后，其额定发电工况已经确定，其在额定工况下发电，不仅具有较高的发电效率，还可以保证风机的使用寿命。本发明在海洋环境恶劣的条件下，降低上部风机11的工作高度，可以避免因风速过大导致风机超速而损坏风机。同理，在风浪较小时，通过提高海上风机的发电高度，可以提高其发电效率，且不会超出锚筒4的承载范围。

另外，由于海水中盐分较高，为了防止卷扬机5腐蚀，延长其使用寿命，因此，针对设置有卷扬机5的壳体22，每个壳体22内均设置有密闭的容器，以用于容纳所述卷扬机5。将卷扬机5设置于密闭的容器内，可以有效防止海水腐蚀卷扬机5，提高锚固组件以及海上风机系统的稳定性。

在一些实施方式中，每个所述壳体22内均设置有气-水置换阀，以用于调节相应壳体22的压载。

在该实施例中，调节气-水置换阀的开启度，即可改变相应壳体22的充放水速率，从而调节每个壳体22内的压载量。通过调节每个壳体22的压载，可以保持风机基础2的平衡。

在一些实施方式中，如图5所示，所述筒体21内设置有第一舱室211和多个第二舱室212，所述第一舱室211为圆筒形舱室，与所述筒体21同轴设置，多个第二舱室212沿所述筒体21的周向均匀地设置在所述第一舱室211的外壁和所述筒体21的内壁之间；

所述第一舱室211和每个所述第二舱室212之间互不连通，且所述第一舱室211和每个所述第二舱室212内均设置有气-水置换阀。

在该实施例中，通过对筒体21进行分舱，有利于风机基础2的调平。当风机基础2的倾斜角度超过预设值时，针对向上倾斜的一侧的第二舱室212，增加其气-水置换阀的开启度，增大充水速率以增加其压载。针对向下倾斜的一侧的第二舱室212，可以关闭其内部的气-水置换阀，停止充水；也可以通过其气-水置换阀向外放水以减小其压载，从而使风机基础2回正，保持平衡。

在一些实施方式中，如图8所示，每个所述壳体22内均设置有多个独立的第三舱室221，多个所述第三舱室221分别沿所述壳体22的目标轴线对称分布，每个所述第三舱室221内均设置有气-水置换阀，所述目标轴线为所述风机基础处于平衡状态时沿竖直方向的轴线。

在该实施例中，通过对每个壳体22进行分舱，可以通过控制每个第三舱室221的压载进一步调节风机基础的平衡，增加其稳定性。具体地，当风机基础的倾斜角度超过预设值时，可以通过如下方式对风机基础和风机整机进行回正调节：针对位于水平面的中界线的球体，增加第一侧的第三舱室221的气-水置换阀的开启度，通过增加气-水置换阀的开启度增大相应第三舱室221的充水速率，以增加压载。而对于第二侧的第三舱室221，关闭其气-水置换阀以停止充水，或者通过其气-水置换阀向外放水以减小其压载，从而使风机基础回正，保持平衡。其中，第一侧为靠近向上倾斜的球体的一侧，第二侧为靠近向下倾斜的球体的一侧。

需要说明的是，气-水置换阀优选调节阀，通过改变阀门的开启度，可以调整壳体22或舱室的充放水速率，进而调节壳体22或舱室的压载。

如图4所示，在一些实施方式中，风机基础2还包括多个中空的第一连杆23和第二连杆24；

多个第一连杆23的一端分别均匀地连接于所述筒体21的周向侧壁上，另一端分别与一个壳体22连接，以使多个壳体22均匀地环绕在所述筒体21的周向；

在该实施例中，每个壳体22均为大小相等的空心的球体，每个球体的球心到筒体21的轴线的垂直距离均相等。第一连杆23和第二连杆24与壳体22的连线均经过相应壳体22的球心、第一连杆23与筒体21的连线与相应壳体22的球心在同一水平线上。通过该设置方式，多个壳体22均匀地环绕在所述筒体21的周向，可以使风机基础2具有更好的平衡能力。此外，通过使用空心的连杆，可以进一步增加风机基础2的浮力。另外，连杆可以与壳体22内部和筒体21内部连通，也可以不连通，当连通时，需要在连杆内设置关断阀，以控制壳体22内的液体与筒体21内的液体的通断。

需要说明的是，为了便于塔筒12的生产制造，塔筒12一般被制成标准件，其长度和直径较为固定，而不同的海域其海洋环境和海水深度不同，因此上部风机11需要不同的工作高度。若根据实际需要定制塔筒12，则生产成本和生产周期均较高。为解决该问题，如图2所示，本发明还包括塔筒连接件13，一端与塔筒12的底端连接，另一端与筒体21的顶部中心连接，针对不同的高度要求，选用不同的塔筒连接件13，从而可以使上部风机11在额定的发电高度工作。

另外，本发明不对锚筒4、锚链3以及壳体22的数量做具体限定，用户可以根据需要选择4个、6个和8个等。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于卷扬机的泥浮式海上风机系统工作高度的调整方法，应用于上述实施例提及的海上风机系统，所述方法包括：

步骤700，获取当前时刻所述海上风机系统所在区域的风速数据，所述风速数据包括不同高度下的风速；

步骤702，基于所述风速数据，确定所述上部风机11在当前工作高度下的实际风速；

步骤704，将所述实际风速与额定风速进行比较，并根据比较结果调整所述上部风机11的工作高度，所述额定风速为使所述上部风机11的发电量等于额定发电量时对应的风速。

本实施例中，当风速等于额定风速时，海上风机系统处于最佳的工作状态，发电量较高，且在锚固组件的承载范围内。但是由于海洋环境多变，需要实时检测风速数据，当其风速数据高于额定风速时，为了减小锚固组件的受力，需要降低上部风机11的工作高度；而当风速数据低于额定风速时，为了提高发电量，可以提高上部风机11的工作高度。本方法不仅可以保证锚固组件的安全，还可以提高发电效率。

针对步骤704，所述将所述实际风速与额定风速进行比较，并根据比较结果调整所述上部风机11的工作高度，包括：

若所述实际风速大于所述额定风速，则利用所述卷扬机5收紧所述锚链3，以降低所述上部风机11的工作高度；若所述实际风速小于所述额定风速，则利用所述卷扬机5释放所述锚链3，以升高所述上部风机11的工作高度。

在该实施例中，通过收紧锚链3，可以降低筒体21的高度，进而降低所述上部风机11的工作高度；反之，通过释放锚链3，可以升高筒体21的高度，进而升高所述上部风机11的工作高度。

在一些实施方式中，该方法还包括：

在利用所述卷扬机5收紧所述锚链3时，以及在利用所述卷扬机5释放所述锚链3时，均执行如下操作：

每隔第一时间间隔，获取所述风机基础2的倾斜角度；

判断该倾斜角度是否大于预设角度；若是，则调节每个锚链3的收缩速率，以保证所述风机基础2的平稳升降。

在该实施方式中，第一时间间隔可以是5秒，预设角度可以是5°，当倾斜角度大于5°时，则调整每个锚链3的收缩速率，以使倾斜角度小于5°，从而保持风机基础2的平衡，防止发生倾倒等危险。当然，用户可以根据海洋环境的变化规律自主确定第一时间间隔和预设角度，本发明并不以此为限。

在一些实施方式中，响应于倾斜角度大于预设角度，所述调节每个锚链3的收缩速率，包括：

在利用所述卷扬机5收紧所述锚链3时，减小向下倾斜的一侧的锚链3的收紧速率，增大向上倾斜的一侧的锚链3的收紧速率；

在利用所述卷扬机5释放所述锚链3时，增大向下倾斜的一侧的锚链3的释放速率，减小向上倾斜的一侧的锚链3的释放速率。

本实施例中，根据倾斜角度的方向和收放锚链3的过程确定锚链3的具体操作，当出现倾斜角度使，风机基础2的一端会高于海平面，另一端会低于海平面。此时为了保持平衡，当利用所述卷扬机5收紧所述锚链3时，减小向下倾斜的一侧的锚链3的收紧速率，增大向上倾斜的一侧的锚链3的收紧速率，可以使风机基础2回正；反之，当利用所述卷扬机5释放所述锚链3时，增大向下倾斜的一侧的锚链3的释放速率，减小向上倾斜的一侧的锚链3的释放速率，可以使风机基础2回正。当然，对于某侧的锚链3，可以根据具体情况确定每根锚链3的收放速率，优选地，倾斜方向正中心的锚链3收放速率最大，然后沿远离该正中心锚链3的方向，收放速率逐级减小。

需要说明的是，当风机基础2处于平衡状态时，每个壳体22的中心均在同一个水平面上。针对任一时刻，本申请以其平衡状态下每个壳体22的中心所在的水平面作为基准平面。壳体22中心均高于该基准平面的一侧称为向上倾斜的一侧，壳体22中心均低于该基准平面的一侧称为向下倾斜的一侧。

在一些实施方式中，还包括：

每隔第二时间间隔，获取每个锚链3的张紧力；

判断是否存在至少一个张紧力大于张紧阈值，若是，则执行如下操作：

在利用所述卷扬机5收紧所述锚链3时，执行：针对向上倾斜的一侧的各个壳体22，将正中间的壳体22作为第一目标壳体；增大各个壳体22的充水速率，其中，所述第一目标壳体的充水速率最大，沿远离该第一目标壳体的方向，逐级减小各壳体22的充水速率；

在利用所述卷扬机5释放所述锚链3时，执行：针对向下倾斜的一侧的各个壳体22，将正中间的壳体22作为第二目标壳体；增大各个壳体22的放水速率，其中，所述第二目标壳体的放水速率最大，沿远离该第二目标壳体的方向，逐级减小各壳体22的放水速率。

在该实施例中，若存在某个锚链3的张紧力大于张紧阈值，则存在锚链3受力过大风险，此时，需要通过调节每个壳体22的压载辅助锚链3进行调平。通过向每个壳体22充水或放水减小倾斜角度，而目标壳体22充放水速率最大，沿远离目标壳体22方向充放水速率逐级减小，可以使调整过程更加平缓，防止风机基础2反向偏转。另外，第二时间间隔可以等于第一时间间隔，本申请不对其做具体限定。

需要说明的是，调节壳体22或筒体21的充放水速率，可以是通过调节气-水置换阀的开启度实现，阀门的开启度越大，充放水速率越大。

可以理解的是，本发明实施例提供的泥浮式海上风机系统工作高度的调整方法和上述实施例提供的泥浮式海上风机系统是基于相同的发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此对泥浮式海上风机系统工作高度的调整方法的有益效果不进行赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。