带推进器式海上浮式风力发电高塔浮体及保护方法技术

本发明专利技术涉及海上漂浮式风力发电结构设计领域，具体的，为属于单柱式浮式风力发电结构。带推进器式海上浮式风力发电高塔浮体及保护方法，针对单柱式浮式风力机结构在极端环境下的锚索保护：在浮体上部的三个方向安装水下螺旋桨推进器，同时对三根锚索应变进行监测，当发现某根锚索的应变过大时，将触发对应的螺旋桨推进器，使其对浮体产生一个与风荷载反向的推力，从而避免锚索产生过大的张力。从而避免锚索产生过大的张力。从而避免锚索产生过大的张力。

【技术实现步骤摘要】
带推进器式海上浮式风力发电高塔浮体及保护方法


[0001]本专利技术涉及海上漂浮式风力发电结构设计领域，具体的，为属于单柱式浮式风力发电结构。

技术介绍

[0002]为了降低成本，采用漂浮式风力发电结构进行深远海风能的开发已成为风能开发领域的共识。漂浮式风力发电结构系统是将风力机的“桨叶
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机舱
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塔筒”体系固定在一个浮体上，利用浮体的浮力支撑整个系统。同时，为了防止整个系统在风、浪、流的作用下“漂走”，需要利用锚索将浮体固定起来。目前常见的浮式风力发电结构主要有三种类型，分别是单柱式、半潜式和张力腿式。其中，单柱式浮式风力发电结构采用三根锚索对浮体进行固定，由于锚索的拉力，在风、浪、流作用下系统只能在一定范围内运动。在对锚索进行设计时，一般需要考虑多种不同的工况，包括不同风、浪条件下的极端工况和疲劳工况等。在极端环境下，例如当风速高于风力发电机的额定风速时，风力机会停机，同时桨叶顺桨，从而降低结构受到的气动荷载，避免结构发生破坏。因此，在对锚索进行极端环境工况下的设计时，一般都是按照风机停机、桨叶顺桨的条件进行结构响应分析的。
[0003]在极端风环境条件下，有不少服役中的固定式风力机发生破坏的报道，例如塔筒倒塌破坏
[1]。出现塔筒倒塌的破坏案例中，有些是因为实际风速超过设计风速，有些是因为控制系统失效导致风轮转速超速、结构风荷载过大
[2]。由于当前实际工程中浮式风力机结构应用较少，且主要分布在欧洲北海海域，尚没有结构破坏的报道。但是对于台风多发海域，如我国南海海域，在极端风环境下浮式风力机结构将存在类似于上述固定式风力机结构遭遇的风险。但与固定式风力机结构不同，浮式风力机结构能够在一定范围内进行刚体运动。因此，极端风环境下或者风力机控制系统失效情况下，过大的塔顶推力将使得锚索产生过大的张力，锚索有可能发生断裂失效。一旦锚索发生断裂失效，整个浮式风力机系统将不再受到限制而将随风“漂走”，同时还会引起电缆系统的破坏，造成巨大的经济损失。即使锚索没有发生断裂破坏，也可能进入塑性或产生较大的损伤，降低其服役寿命。因此，对极端环境下锚索的保护显得尤为重要。
[0004]参考文献：
[0005][1]贺广零,田景奎,常德生.海上风力发电机组抗台风概念设计.电力建设.2013；34(02):11
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17.
[0006][2]Robinson CME,Paramasivam ES,Taylor EA,Morrison AJT,Sanderson ED.Study and development of a methodology for the estimation of the risk and harm to persons from wind turbines.PP968 Research Report,Health and Satety Executive,UK.2013.

技术实现思路

[0007]为了降低海上单柱式浮式风力发电高塔结构在极端环境条件下或风力机控制系
统失效状况下的锚索张力，避免其发生较大损伤或断裂，本专利技术提出一种带有螺旋桨推进器的海上浮式风力发电高塔浮体基础。
[0008]技术方案一：
[0009]一种单柱式浮式风力机结构锚索保护方法，特征是，针对单柱式浮式风力机结构在极端环境下的锚索保护提出的，原理是：在浮体上部的三个方向安装水下螺旋桨推进器，同时对三根锚索应变进行监测，当发现某根锚索的应变过大时，将触发对应的螺旋桨推进器，使其对浮体产生一个与风荷载反向的推力，从而避免锚索产生过大的张力。
[0010]技术方案二：
[0011]一种带有螺旋桨推进器的海上浮式风力发电高塔浮体，包括三个导缆器以及在浮体外三个方向的三根锚索，特征是，在单柱式浮式风力发电结构浮体顶部三个方向分别安装水下螺旋桨推进器，三个水下螺旋桨推进器分别安装在三个导缆器的对侧且位于浮体上部，同时配备锚索应变传感器、数据采集器和控制器。
[0012]具体而言，该技术方案主要包含：
[0013](1)锚索应变监测系统：利用应变传感器实时测量三根锚索的应变，并将数据传输到数据采集器中。数据采集器将处理好的信号再传输至控制器。为防止传感器损坏而获得错误的应变信息，每根锚索需要安装三个应变传感器。控制器接收到每根锚索的三个应变测量值时，需要进行判断。当三个应变测量值相差不大时，认为三个应变传感器均是完好的，取三个应变测量值的平均值作为该锚索的真实应变测量值。当其中一个应变测量值和另外两个应变测量值相差较大时，则判定有一个应变传感器失效，控制器需要记录该失效的传感器，并取另外两个应变测量值的平均值作为该锚索的真实应变测量值。(一般不会同时出现两个应变传感器同时失效的情况。)当出现一个应变传感器失效后，应当在设备检修时及时进行更换。
[0014](2)水下螺旋桨推进器控制系统：当控制器检测到某根锚索的应变大于预先设定的阈值时，将启动该锚索对侧的水下螺旋桨推进器，使其提供反向推力，降低该锚索的张力。
[0015](3)电源系统：包括主电源和配套电源；该套设备的主电源置于塔筒底部设备仓里，可利用风能发电对其进行充电。大功率设备螺旋桨推进器直接使用主电源，小功率设备如数据采集器和应变传感器可与风力机系统其它小功率设备采用统一的配套电源。
附图说明
[0016]图1：实施例带有水下螺旋桨推动器的单柱式浮式风机基础正视图和俯视图(单位:mm)。该图是基于一个海上单柱式5MW浮式风力机基础，展示了该方案各设备的布置方式。
[0017]图2：该方案各设备之间连接的逻辑关系。该图主要示意了该方案各设备之间数据传输和控制的逻辑关系。
具体实施方式
[0018]本专利技术方案就是针对单柱式浮式风力机结构在极端环境下的锚索保护提出的。本方案在浮体上部的三个方向安装水下螺旋桨推进器，同时对三根锚索应变进行监测。当发
现某根锚索的应变过大时，将触发对应的螺旋桨推进器，使其对浮体产生一个与风荷载反向的推力，从而避免锚索产生过大的张力。
[0019]该装置在实施过程中主要包含以下几个步骤：
[0020](1)采购和安装水下螺旋桨推进器：应根据风力机参数，如设计风速下的塔顶推力等选用合适推力的推进器。在设计和制作单柱式浮体时，在浮体水面线以下8m左右位置处设计制作三个推进器安装支座。三个支座分别位于三个导缆器的对侧。然后将三个推进器安装到三个支座上。
[0021](2)安装应变传感器和数据采集器：对于每根锚索需要在其靠近导缆器的部分安装3个应变传感器，将应变传感器的数据输出端与数据采集器相连，数据采集器置于塔底设备仓内。
[0022](3)安装控制器和电源：控制器和电源都置于塔底设备仓内。数据采集器与控制器相连，三个水下推进器的启动控制装置也与控制器相连。此外，还要对控制器进行设置调试，控制器需要对接收到的每根锚索的三个应变测量值进行判断和处理，同时将不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单柱式浮式风力机结构锚索保护方法，特征是，针对单柱式浮式风力机结构在极端环境下的锚索保护：在浮体上部的三个方向安装水下螺旋桨推进器，同时对三根锚索应变进行监测，当发现某根锚索的应变过大时，将触发对应的螺旋桨推进器，使其对浮体产生一个与风荷载反向的推力，从而避免锚索产生过大的张力。2.一种带有螺旋桨推进器的海上浮式风力发电高塔浮体，包括三个导缆器以及在浮体外三个方向的三根锚索，特征是，在单柱式浮式风力发电结构浮体顶部三个方向分别安装水下螺旋桨推进器，三个水下螺旋桨推进器分别安装在三个导缆器的对侧且位于浮体上部，同时配备锚索应变传感器、数据采集器和控制器；包含：(1)锚索应变监测系统：利用应变传感器实时测量三根锚索的应变，并将数据传输到数据采集器中；数据采集器将处理好的信号再传输至控制器；...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋玉鹏，陈建兵，彭勇波，李杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：