一种阻尼式浮动基础及风电机组的制作方法

本发明属于风力发电，具体涉及一种阻尼式浮动基础及风电机组。

背景技术：

1、风电是可再生能源领域中最具大规模开发价值和商业化发展前景的发电方式，可利用的风能在全球范围内分布广泛、储量巨大。风力发电机组利用叶片将空气分子的动能转化为机械能，并最终形成电能。随着陆上风电项目大规模开发，现代风电机组技术得到了批量的应用与验证。人们将关注的目标转移至海上风电。

2、相比于陆上风电，海上风电具有两个明显的优势：1）风资源更加丰富，并且风速更稳定；2）由于沿海城市人口密集，可以缩短与用电负荷中心的距离，减小建设电能传输线路的投入。其中深海/远海的风资源相比于近海更加优异。因此，目前全球的风能利用发展趋势可以总结为由陆上转向海上，由近海转向远海。

3、由于建设中基础施工的成本及难度等因素，水深超过50米的（远海）风电机组通常不会采用固定式基础。那么对于深海/远海的风能开发及利用，浮动基础就成为了海上风电机组主要的技术路线选择。苏格兰的hywind项目的长期运行测试结果已经表明了采用浮动式基础的风电机组的发电效率远高于近海的固定式基础风电机组。与陆上风电一致，度电成本最小化也是海上风电开发追求的目标。因此，从可行性和经济性等多方面综合考虑，浮动基础是海上风电未来的主要趋势。

4、浮动基础经过多年发展形成了半潜式、张力腿和spar等几种主流的技术路线。由于风电机组缺少了大地对基础的直接约束，浮动基础以及塔架之上的机舱、叶轮都增加了更多的运动自由度。也就是说无论选择何种技术，在风、浪和涌等多种外界运行条件共同作用下，采用浮动基础的风电机组都会产生更多、更加复杂的运行姿态，这些情况在风电机组设计时都应当考虑在内并采用相应的有效措施使得机组稳定运行。

5、在目前的技术中，风电机组的塔架与浮动基础刚性连接，具体地说，塔架与浮动基础的浮筒（产生浮力的浮体）固定连接（即刚性连接）。一方面，风电机组正常运行工况或大风工况（如台风）中，叶轮产生的载荷（如推力和附加弯矩等）沿塔架作用到浮动基础，由于海水的刚度有限，整个风电机组都将发生大幅度漂移、浮动、振荡、摇摆和偏转等多个自由度的运动（结构响应）；另一方面海浪等波动冲击浮动基础的浮筒这种大体积部件时，浮动基础带动整个机组也发生明显的漂移、浮动、振荡、摇摆和偏转等多个自由度的运动（结构响应），这些结构响应再进一步使得叶轮的姿态复杂化，影响风电机组的运行，甚至是引起恶性循环（即叶轮的运行影响基础在海水中的结构响应，基础在海水中的结构响应反过来再影响叶轮的运行），导致系统失去稳定性。

6、为了解决上述问题，最新的技术方案选择在常规的浮动基础（如浮筒中）的内部添加被动或者主动控制的阻尼装置，增加整个浮动基础甚至是机组系统的阻尼，以求减小机组受到外界影响产生结构响应幅度，提高系统的稳定性（至少是结构动力学的稳定性）。但是，这些最新的技术方案还存在以下的一些问题：1）忽略了大型海上机组浮动基础的实际尺度，所需的可调节阻尼装置体积庞大，结构复杂，导致装置成本高；2）这些浮动基础（甚至是整个系统）阻尼装置的工作过程实际上是一个能量耗散的过程，没有给机组带来直接的收益，增加阻尼的效果也有待验证，因此这种阻尼装置实际的性价比较低；3）只能在一定程度上缓解海浪的波动造成冲击引起的整个机组的稳定性问题，还是无法解决叶轮带来的载荷造成的机组稳定性的问题。

技术实现思路

1、为了至少解决上述其中一个技术问题，第一方面提供一种阻尼式浮动基础，其至少由三个浮动基础单元组成；所述浮动基础单元包含直线电机和浮筒；所述直线电机包含电机第一部件和电机第二部件，所述电机第一部件和所述电机第二部件共轴线，且部分所述电机第一部件设置在所述电机第二部件的内部；同时所述电机第一部件和所述电机第二部件能够通过相对直线运动产生电能；

2、所述浮动基础单元还包含两个活塞盘，其中一个所述活塞盘与风电机组塔架直接固定连接，或者通过构件与风电机组塔架固定连接，两个所述活塞盘都与所述电机第一部件固定连接；所述浮筒靠近和远离所述风电机组塔架的两端都设置有活塞筒，所述活塞筒一端为开口结构，所述活塞盘设置在所述活塞筒的内部，并且所述活塞盘能够沿着所述活塞筒内壁做活塞运动；所述电机第二部件与所述浮筒的内壁直接或通过连接构件固定连接。

3、在进一步技术方案中，所述电机第二部件包含电机外筒和电机端盖，所述电机外筒沿着轴线方向的两端设置所述电机端盖；所述浮筒的内壁直接或通过框架与所述所述电机外筒或电机端盖连接；

4、所述浮动基础单元中设置所述直线电机的数量为一个，或者设置多个所述直线电机形成直线电机阵。

5、所述电机第一部件的轴向长度大于所述电机第二部件的轴向长度。

6、所述活塞盘为含有外凸曲面的结构，所述活塞盘的外凸曲面朝向所述浮动基础单元的外部。

7、所述活塞盘与所述活塞筒之间设置有动密封装置。

8、所述活塞筒的轴线长度大于所述电机第一部件和所述电机第二部件之间相对直线运动的最大距离。

9、所述浮动基础单元之间通过拉索连接。

10、第二方面，提供一种风电机组，其包括前述的一种阻尼式浮动基础；所述风电机组设置有交流发电机，所述交流发电机与所述阻尼式浮动基础中的直线电机发出的电能汇集后并入电网。

11、在进一步技术方案中，所述风电机组包含系泊系统，所述系泊系统与至少一个所述浮动基础单元连接。

12、本发明的有益效果是：相比于目前最新的技术方案，本发明改变了海洋、浮动基础及风电机组塔架与其上方部件之间的连接结构。摒弃了传统的浮动基础与塔架简单刚性连接的方式。利用直线电机（线性电机）在初级（或称定子）和次级（或称动子）相对运动条件下可以发电的特点，既能产生电能，同时在产生电能过程中也带来的电磁阻尼。通过多个浮动基础单元配合使用，既能够减缓由于风作用在叶轮上产生载荷引起的机组结构响应的幅度，提高基础和整个机组的稳定性；也能够减少浪和涌作用在浮动基础上引起的机组结构响应的幅度，提高机组的稳定性。也就是说能够使得机组在风、浪和涌（也包括潮）等外界条件作用下都能够拥有更好的系统稳定性。除此之外，在提供电磁阻尼的同时，直线电机也形成了电能，提高了浮动基础和机组的经济性。

技术特征：

1.一种阻尼式浮动基础，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述电机第二部件（1.12）包含电机外筒（1.121）和电机端盖（1.122），所述电机外筒（1.121）沿着轴线方向的两端设置所述电机端盖（1.122）；所述浮筒（1.2）的内壁直接或通过框架与所述电机外筒（1.121）或电机端盖（1.122）连接。

3.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述浮动基础单元（1）中设置所述直线电机（1.1）的数量为一个，或者设置多个所述直线电机（1.1）形成直线电机阵。

4.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述电机第一部件（1.11）的轴向长度大于所述电机第二部件（1.12）的轴向长度。

5.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述活塞盘（1.3）为含有外凸曲面的结构，所述活塞盘（1.3）的外凸曲面朝向所述浮动基础单元（1）的外部。

6.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述活塞盘（1.3）与所述活塞筒（1.21）之间设置有动密封装置（1.31）。

7.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述活塞筒（1.21）的轴线长度大于所述电机第一部件（1.11）和所述电机第二部件（1.12）之间相对直线运动的最大距离。

8.根据权利要求1所述的一种阻尼式浮动基础，其特征在于，所述浮动基础单元（1）之间通过拉索连接。

9.一种风电机组，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的一种阻尼式浮动基础；所述风电机组设置有交流发电机，所述交流发电机与所述阻尼式浮动基础中的直线电机（1.1）发出的电能汇集后并入电网。

10.根据权利要求9所述的一种风电机组，其特征在于，所述风电机组包含系泊系统，所述系泊系统与至少一个所述浮动基础单元（1）连接。

技术总结
本发明公开了一种阻尼式浮动基础及风电机组。阻尼式浮动基础至少由三个浮动基础单元组成，浮动基础单元包含直线电机和浮筒。直线电机包含电机第一部件和第二部件。还包含活塞盘，活塞盘直接或者通过构件与风电机组塔架固连，同时活塞盘与电机第一部件固连。浮筒的上下两端设置有活塞筒，活塞筒一端为开口结构，活塞盘在活塞筒的内部能够做活塞运动。电机第二部件与浮筒的内壁直接或通过连接构件固连。益处是利用直线电机在初级和次级相对运动可以发电的特点，同时产生电能和电磁阻尼。通过多个浮动基础单元配合，能够减小在风、浪和涌等外界条件产生的载荷引起的机组结构响应的幅度，提高基础和机组的稳定性。

技术研发人员：崔逸南,崔新维
受保护的技术使用者：苏州新三力风电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6