一种海上深水浮式气象水文监测系统及安装方法

本发明涉及海上风能发电，特别涉及一种海上深水浮式气象水文监测系统及安装方法。

背景技术：

1、浮式风电是未来离岸风电的重要发展方向，深远海风能资源丰富，有研究显示,全球80％以上海上风能资源位于水深超过60米的海域；利用风能资源是未来新能源研究领域极具前景的发展方向。随着风电行业的发展，风电装备逐渐走向“由浅入深”的发展之路，随着水深的增加，漂浮式支撑基础成为必然趋势，从而催生了风电装备走向漂浮式的发展态势。如今的浮式风机发展方向倾向于平台结构简洁化，易于建造，平台结构多功能化，增加收入来源。其中多功能平台是目前一个比较火热的方向，通过将浮式风机和海洋监测、海洋预警、海权防卫等领域结合起来，军民两用，实现在深远海无人作业，增加整个项目的效益，缩短投资回收周期，同时采用动力定位，减少随着水深增加的系泊成本。

2、海洋监测仪器和技术涉及机械、电子、能源、材料、信息等多学科交叉，属于涵盖十分广泛的综合性技术领域。海洋监测仪器及技术是指针对海洋环境进行监测的仪器及技术，包括了海洋气象、水文、生态化学、海洋声光物理特性及海洋地质地理勘探类的监测仪器和技术。海洋中蕴藏着丰富的资源，发生着错综复杂的自然现象，这些自然现象又对近海区域如海岸带、海岛等的变迁、气候、生态生物、社会人文产生着影响。只有准确、可靠、系统地获取海洋调查数据，才能把浩瀚、奥秘的海洋和对近海区域的影响“数字化”、“透明化”，从而对海洋环境作出科学、合理、准确的评价，为海洋经济发展、海洋开发利用、海洋减灾防灾、海洋环境保护、海洋权益维护和海洋可持续发展提供科学的数据和信息依据。按照活动的需要，对海洋水文要素和现象进行观察和测量是获取海洋水文信息的基本手段，也是制作海洋水文预报、进行海洋气候预测和实施海洋水文保障的基础和依据，观测项目包括：海水的温度、盐度、密度、声速、水色、透明度、海发光、海浪、海况、海流、潮汐、潮流、海冰、海洋内波、以及有关气象要素等，观测方式主要通过常年海洋水文观测站、海洋站、验潮站、浮标站、雷达站和天气船等进行定时观测，或通过海洋调查船、海上固定平台、浮标、飞机、海洋卫星、潜标和水下潜水器等对海洋水文要素和现象进行观测。

3、然而，现有技术中还没有真正可满足实际使用需求的能实现远海无人作业的集风力发电、海洋监测、海洋预警等多种功能于一体的系统。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种海上深水浮式气象水文监测系统及安装方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种海上深水浮式气象水文监测系统，包括浮体支撑结构、以及搭载在所述浮体支撑结构上的多种海洋环境监测仪器、动力定位部、电力系统以及分析控制系统；所述分析控制系统包括数据集成及处理模块、以及分别与所述数据集成及处理模块连接的海洋监测控制模块、动力定位控制模块和压载水分布控制模块；所述多种海洋环境监测仪器分别与所述海洋监测控制模块和所述数据集成及处理模块连接，响应于所述数据集成及处理模块的指示，所述海洋监测控制模块用于控制所述多种海洋环境监测仪器实时监测并传输环境参数；所述浮体支撑结构为半潜式；所述压载水分布控制模块与所述浮体支撑结构连接，响应于所述数据集成及处理模块的指示，所述压载水分布控制模块用于根据所述环境参数动态地调整所述浮体支撑结构的吃水深度；所述电力系统包括多台风力发电机，用于通过风力发电为所述海上深水浮式气象水文监测系统供能；所述动力定位部分别与所述动力定位控制模块和所述数据集成及处理模块连接，响应于所述数据集成及处理模块的指示，所述动力定位控制模块用于控制所述动力定位部实时调整所述浮体支撑结构的位置和/或方向，使所述浮体支撑结构处于预定的目标位置。

4、第二方面，本发明还提供一种第一方面所述的海上深水浮式气象水文监测系统的安装方法，包括：将所述海上深水浮式气象水文监测系统在干船坞内组装好后，在干船坞内注水，使所述海上深水浮式气象水文监测系统整体浮起，加适量压载水，而后通过驳船拖航运送至作业海域；当到达作业海域后，进行二次压载水加压，使所述海上深水浮式气象水文监测系统达到满载吃水水位，处于预定的目标位置。

5、本发明的有益效果包括：

6、本发明的海上深水浮式气象水文监测系统的浮体支撑结构为半潜式，配备多种海洋环境监测仪器、动力定位部、电力系统以及分析控制系统，安全性高，自持力久，集风力发电、海洋监测等多种功能于一体，可实现风能利用效益最大化，能源自给自足，可长期工作于深远海海域，实现无人自动化气象水文监测。具体地：

7、(1)在优选的实施方式中，在综合考虑风能利用、三个风机之间的相互影响、整个浮体支撑结构的尺寸及稳定性、经济性等，设计了具有特殊浮筒结构的浮体支撑结构，使得风机尾流之间的影响较小，同时保证结构整体的经济性、稳定性、安全性、可行性等，同时，配备的压载水分布控制模块可以基于环境载荷的变化，调整浮筒以及中央立柱、三个风机立柱内压载水的水量和水位，整体结构稳定性好，结构强度高，可以应对各种恶劣海况，同时，采用的动力定位部和动力定位控制模块可限制平台运动使其处于预定的目标位置。

8、(2)多种海洋环境监测仪器用于实时监测环境参数，例如可通过各种海洋环境监测仪器获取长时间序列的风、浪、流、温度和盐度等基础参数，并通过数据分析和数值模拟等科学方法对实测数据进行实时处理，得出监测海域的海洋动力环境特征，包括风、浪、流等要素的平均值和极值等，通过长期的观测和数据积累，可以更准确地掌握海域特征，服务于海洋石油开发、海洋工程等领域，提出更优化、合理的设计方案，节省建造费用，并在一定程度上可以为现场提供安全、生产等方面的指导意见，降低风险因素，确保平台运行稳定。

9、(3)在优选的实施方式中，本发明可搭载预警雷达和海洋预警模块，应用于深远海，例如可先于陆上雷达获取可疑飞行器的关键参数，为预警及时提供情报，在空中目标探测与跟踪，海面目标探测与识别、侦察与监视、精确制导与控制等方面发挥着重要作用。

10、(4)在优选的实施方式中，本发明的动力定位部通过全球卫星定位系统定位目标位置，通过激光雷达检测海上深水浮式气象水文监测系统与障碍物的距离，基于位置数据和/或距离，数据集成及处理模块计算得到电动螺旋桨推进器的推力和方向，并向动力定位控制模块发送调整各个电动螺旋桨的推力大小和/或方向的指示，从而使整个系统保持在预定的目标位置，不受水深限制，同时也具有较好的机动性与操纵性，另一方面相较于传统的系泊方式具有较好的经济性。

11、(5)在优选的实施方式中，本发明的系统可实现能量自给自足，该系统作为应用于深远海的海洋观测设备，应满足长期服役于目标海域的需要，本发明依靠海上丰富的风能资源为整个系统提供能源，在系统上配备蓄能电池，满足了在无风或不适合风机工作的恶劣海况下为系统供能的条件，同时蓄能电池可定期检修更换。

技术特征：

1.一种海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于，包括浮体支撑结构、以及搭载在所述浮体支撑结构上的多种海洋环境监测仪器、动力定位部、电力系统以及分析控制系统；

2.如权利要求1所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：所述浮体支撑结构包括一根中央立柱、三根风机立柱、一个浮筒、三根水平支撑、斜撑和中央立柱塔筒，所述风力发电机有三台；

3.如权利要求2所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：所述电力系统还包括局部加强角钢和蓄电池，所述风力发电机为兆瓦级水平轴风力发电机，每台风力发电机的塔筒的下端固定立于一根所述风机立柱之上，塔筒的下部周围对称设置不少于八个分别与所述塔筒的下部和所述风机立柱的顶部连接的所述局部加强角钢；所述蓄电池位于所述中央立柱塔筒内。

4.如权利要求2所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：所述多种海洋环境监测仪器包括声学多普勒流速剖面仪、光辐射传感器、生物光学传感器、温度传感器以及风传感器；

5.如权利要求2所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：所述动力定位部包括全球卫星定位系统、激光雷达和三个电动螺旋桨推进器；

6.如权利要求2所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：所述分析控制系统位于所述中央立柱塔筒内，所述分析控制系统还用于向外传输数据。

7.如权利要求1所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：还包括搭载在所述浮体支撑结构上的预警雷达，所述分析控制系统还包括与数据集成及处理模块通讯连接的海洋预警模块，所述预警雷达分别与所述海洋预警模块和所述数据集成及处理模块通讯连接，响应于所述数据集成及处理模块的指示，所述海洋预警模块用于控制所述预警雷达监测空海可疑物以发出预警。

8.如权利要求7所述的海上深水浮式气象水文监测系统，其特征在于：所述预警雷达位于所述中央立柱塔筒的顶端，用于监测海面、水下、空中至少之一的可疑物，所述海洋预警模块还用于向外传输数据。

9.一种权利要求1-8任意一项所述的海上深水浮式气象水文监测系统的安装方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供了一种海上深水浮式气象水文监测系统，包括浮体支撑结构、及搭载在其上的多种海洋环境监测仪器、动力定位部、电力系统及分析控制系统；分析控制系统包括数据集成及处理模块、海洋监测控制模块、动力定位控制模块和压载水分布控制模块；多种海洋环境监测仪器分别与海洋监测控制模块和数据集成及处理模块连接，用于控制实时监测并传输环境参数；浮体支撑结构为半潜式；压载水分布控制模块与浮体支撑结构连接，用于根据环境参数动态地调整浮体支撑结构的吃水深度；电力系统包括多台风力发电机；动力定位部分别与动力定位控制模块和数据集成及处理模块连接，用于使浮体支撑结构处于预定的目标位置。本发明可实现无人自动化气象水文监测。

技术研发人员：郑向远,刘悦,赵梦洋
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17