[发明专利]半潜筏式随风转向水上风力发电设备

说明书

本发明涉及半潜筏式随风转向水上风力发电设备、尤其海上风力发电设备，其包括：由至少三个浮筒和连接梁组成的半潜筏；至少三个在所述半潜筏的浮筒上承载的风力发电机；以及将所述半潜筏能够旋转地经由缆索锚固于水底，其中，从投影方向看，所述设备在受到水平方向的风力作用时的合力作用线所经过的质心与所述设备的旋转中心不重合，从而在所述合力作用线未同时经过所述形心和所述旋转中心时，总会产生使得所述半潜筏绕所述旋转中心旋转以确保所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心的力矩。本发明还涉及具有所述风力发电设备的风力发电场以及所述风力发电设备的建造方法。

技术领域

本发明涉及半潜筏式随风转向水上或海上风力发电设备，并且还涉及由这种风力发电设备组成的水上或海上风力发电场。本发明还涉及这种风力发电设备的制造施工方法。

背景技术

风能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源目前正越来越受到重视。除了陆地风力发电以外，水上或海上风力发电由于其不受地理限制的优势而更加受到关注。

由于近岸风力发电场会对附近居民造成滋扰，所以目前海上风力发电场由近岸发展至外海成为一种趋势，外海空间宽阔，风力强而稳定，距海岸远且在岸边看不见，居民反对声音小。

海上风力发电场主要分为固定式和浮式这两种。前者需要将风电场的基础固定到海床上，对于外海深水环境而言，造价高昂。因此，后者、即浮式风机基础由于施工建设简单、造价相对深水固定基础较低而成为外海风电场建设的必然选择。

浮式基础都是以单个风机为服务对象。单个风机浮式基础的一个主要问题是如何稳定风机令它的摆动小于极限值，现代大功率风机塔的高度超过100米，而机头重量约数百吨。对于一个超100米而重量达数百吨集中在顶部的风机塔立于一浮体上而言，若要保持它摆动不超过极限值(一般为10°)是非常困难的，这是因为单个风机其底座尺寸不能过大,否则没有经济效益。因此塔高比底座宽一般要大两倍以上，底座所能提供的横向和纵向惯性矩不足以控制风机塔的摆动幅度,，往往需要辅助装置才能保持稳定。常用解决方法有：

1)张力腿式，张拉缆绳将风机底座锚于海床，能抗倾覆弯矩及其引起的上拔力，例如Blue H风机；

2)可调压水浮筒式，将几个浮筒组成的风机底座调整它们之间的压水量，平衡倾覆力矩，例如PRINCIPLE的WINDFLOAT风机；

3)HyWind的spar酒樽式，以一由风机底座伸出至深海的端部带集中重量块的杆，如载有沙的空樽般浮于水上。重块主要是降低重心至很低的位置，远远低于浮心，达到稳定效果，例如HyWind伸出的杆低至150米，此法只适宜很深的水域。

除此以外，在研浮式风机基础的还有Mitsnbishi Heavy Insustries Ltd.的FMWFukushima Mitai。

这些已介绍的风力发电场基本上是在广阔海域将多个单独的浮式风机基础彼此间隔开布置。若风力发电场所在海域有一持续单向的风，沿垂直于风向的一方风机布置间距可取1.8D至3D，沿风向的一方，则须增大至6D至10D，其中D是指风机叶片的直径。这是要避免下风位风机因受上风位风机尾流影响令功率下降。若它们之间相距太近，则下风机功率损失很大。如果海域没有持续的单向风，则每个方向间距都只能是6D至10D，以便照顾不同方向的风。现代大功率风机叶片长都超过50米，6D至10D间距便是300米至500米，若将各风机以水下电缆连接，则连接的距离过大，同时电缆过长也会造成电缆本身电阻耗电过大，影响输电效率。

另外，海上的风通常是按季节改变总体风向的。为了最大化风力转变为电能的效率，通常最好风机叶片与风向尽量呈垂直。尽管目前的海上发电风机能够通过自主驱动风机叶片根据迎风的方向而变化，但是这需要额外的能量消耗，同时也需要复杂的监控设备。若可以设计出根据风向改变自动调整风机叶片方向使之与风向垂直的话，势必可以显著增加风力发电的效率。

发明内容