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1、(10)申请公布号 CN 103410677 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103410677 A *CN103410677A* (21)申请号 201310395315.6 (22)申请日 2013.09.03 F03D 9/00(2006.01) F03D 11/00(2006.01) F03D 11/04(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 王迎光 (74)专利代理机构 上海交达专利事务所 31201 代理人 王毓理 王锡麟 (54) 发明名称 带吸力式沉箱的单桩固定式垂直轴风电机 (5。
2、7) 摘要 一种海上固定式风力发电技术领域的带吸力 式沉箱的单桩固定式垂直轴风电机， 包括 ： 垂直 轴风电机以及依次设置于其底部的带有工作平台 的塔筒和吸力式沉箱。所述的吸力式沉箱由钢板 焊接而成的一体式桶状结构， 该吸力式沉箱的顶 部设有排水短管和法兰。本发明克服了现有技术 近海风电机基础安装费用高、 安装周期长 ； 近海 风电机基础内应力高和风场占用面积大的缺点， 具有整个系统的风电机基础安装便捷、 安装成本 低、 风电机基础内应力低和风场占用海域面积小 等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明。
3、专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103410677 A CN 103410677 A *CN103410677A* 1/1 页 2 1. 一种带吸力式沉箱的单桩固定式垂直轴风电机， 其特征在于， 包括 ： 垂直轴风电机 以及依次设置于其底部的带有工作平台的塔筒和吸力式沉箱 ； 所述的吸力式沉箱由钢板焊接而成的一体式桶状结构， 该吸力式沉箱的顶部设有排水 短管和法兰 ； 所述的塔筒为空心结构， 其上焊接有由花钢板制成的工作平台。 2. 根据权利要求 1 所述的单桩固定式垂直轴风电机， 其特征是， 所述的垂直轴式风机 包括 ： 叶片、 连节杆、 转轮、 转。
4、轴以及内置发电机和刹车系统的机舱， 其中 ： 塔筒的顶部与机 舱底板连接， 叶片连接设置于转轮上 ； 转轮由叶片驱动， 转轴由转轮驱动， 发电机由转轴驱 动。 3. 根据权利要求 2 所述的单桩固定式垂直轴风电机， 其特征是， 所述的垂直轴风电机 的舱体底部与塔筒的顶端相连。 4. 根据权利要求 2 所述的单桩固定式垂直轴风电机， 其特征是， 所述的发电机内部线 圈切割磁力线生成感生电流， 所发出的电能由海底电缆输送到沿岸的用电单位。 5.根据权利要求2所述的单桩固定式垂直轴风电机， 其特征是， 所述的叶片的数量为4 个， 均由玻璃纤维增强塑料制成。 6. 一种根据上述任一权利要求所述单桩固定。
5、式垂直轴风电机的安装方法， 包括以下步 骤 ： 第一步、 安装时吸力式沉箱和平台机构连成一体， 先由一台起重机将它们吊于海水中， 初始阶段依靠重力的作用吸力式沉箱的四周裙板会插入海床 ； 第二步、 利用临时的排水泵和排水管路将吸力式沉箱内部的海水排出， 使得吸力式沉 箱的顶板内外产生压力差并驱使吸力式沉箱的四周裙板继续插入海床 ； 第三步、 当排水泵将吸力式沉箱内部的海水排净时， 吸力式沉箱顶部已被埋入海床内， 则启动固定操作， 并最终形成海底基础来支撑上部的平台机构和风电机。 权 利 要 求 书 CN 103410677 A 2 1/3 页 3 带吸力式沉箱的单桩固定式垂直轴风电机 技术领域。
6、 0001 本发明涉及的是一种海上固定式风力发电技术领域的装置， 具体是一种带吸力式 沉箱的单桩固定式垂直轴风电机。 背景技术 0002 目前的海上风电开发局限于浅水区域和过渡区域 （水深约0-50米） ， 主要采用单桩 固定式水平轴风电机、 三角架 （或导管架） 式水平轴风电机。与传统的陆上风电机不同， 近海 风电机的基础费用 （包括安装费用） 在整个风电机系统的成本中占有相当大的比重。现有的 近海风电机都具有两个方面的不足之处 ： 1） 风电机基础安装费用高、 安装周期长 ； 2） 水平 轴风电机对支持基础产生的应力大， 风场占用面积大。例如在安装单桩固定式水平轴风电 机的单桩基础时需要租。
7、用非常昂贵的打桩船， 打桩过程耗时长 ； 灌浆养护也需要几天的时 间来完成， 并且遇到恶劣的天气施工还会被延期。另一方面水平轴风电机会对空气产生减 速作用， 这迫使设计者按大于 10 倍风电机自身宽度的间距来布局风场风电机， 由于一个近 海风场往往由上百台或更多台风电机组成， 这势必会极大地增大风场面积， 由于近海浅水 区域多海水养殖场， 船舶航道密布， 过大的近海风场面积势必会对渔业和水产业生产造成 不利的影响， 也会显著地影响船舶航行安全。 因而如何降低近海风电机的基础安装费用、 缩 短基础安装周期、 减少近海风电场占用海域面积成了人们急待解决的问题。 0003 经 过 对 现 有 技 术。
8、 的 检 索 发 现， 中 国 专 利 文 献 号 CN103174129A， 公 开 日 2013-06-26， 公开了一种海上风力发电机组单管桩基础装置， 包括 ： 管桩、 过渡段、 周向剪力 键和灌浆层 ； 所述过渡段套设在所述管桩的上部， 所述管桩的下部能够插设于海床中 ； 所 述灌浆层充填在所述管桩和所述过渡段之间 ； 所述周向剪力键沿所述管桩轴线方向多层间 隔固定在所述管桩外壁和 / 或所述过渡段内壁上且埋设在所述灌浆层内。由于在管桩的外 壁和过渡段内壁上设置有周向剪力键， 该周向剪力键埋设在灌浆层内， 因而可以提高管桩 与过渡段的连接强度， 将过渡段传递过来的竖向力、 水平弯矩和。
9、扭转力矩有效传递给管桩 再传递给海床， 并且可以减低海上风力发电基础单管桩基础装置的制造成本。但该现有系 统的风电机基础安装费用很高、 安装周期仍然很长， 安装单桩基础时仍然需要租用非常昂 贵的打桩船， 打桩过程耗时长， 噪声污染高 ； 灌浆养护也需要几天的时间来完成， 而且该现 有技术也仅限于在水深小于 20 米时采用， 所安装的单台风电机一般情况下最大仅能发出 3.5 兆瓦的电力。 0004 中国专利文献号 CN102433890， 公开日 2012-05-02， 公开了一种海上漂浮式风机 基础及其定位系统， 所述定位系统包括至少三根悬链线， 所述至少三根悬链线的一端分别 连接到风机基础，。
10、 所述至少三根悬链线的另一端分别连接到海床， 以使风机基础受力平衡， 其中， 所述定位系统还包括张紧线， 所述张紧线从风机基础的底部沿着与风机基础的纵向 中心线平行的方向延伸到海床以被连接到海床。 带有所述定位系统结构的海上漂浮式风机 基础简单可靠、 成本低、 能够有效地降低海上漂浮式风机的整机运动幅度。但该技术采用 的是水平轴风电机， 水平轴风电机会对空气产生减速作用， 这迫使设计者按大于 10 倍风电 说 明 书 CN 103410677 A 3 2/3 页 4 机自身宽度的间距来布局风场风电机， 由于一个近海风场往往由上百台或更多台风电机组 成， 这势必会极大地增大风场面积， 过大的近海。
11、风场面积势必会对渔业和水产业生产造成 不利的影响， 也会显著地影响船舶航行安全。 发明内容 0005 本发明针对现有技术存在的上述不足， 提出一种带吸力式沉箱的单桩固定式垂直 轴风电机， 克服了现有技术近海风电机基础安装费用高、 安装周期长 ； 近海风电机基础内应 力高和风场占用面积大的缺点， 具有整个系统的风电机基础安装便捷、 安装成本低、 风电机 基础内应力低和风场占用海域面积小等优点。 0006 本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明包括 ： 垂直轴风电机以及依次设置于 其底部的带有工作平台的塔筒和吸力式沉箱。 0007 所述的吸力式沉箱由钢板焊接而成的一体式桶状结构， 该吸力式沉箱的。
12、顶部设有 排水短管和法兰。 0008 所述的塔筒为空心结构， 其上焊接有由花钢板制成的工作平台。 0009 所述的垂直轴式风机包括 ： 叶片、 连节杆、 转轮、 转轴以及内置发电机和刹车系统 的机舱， 其中 ： 塔筒的顶部与机舱底板连接， 叶片连接设置于转轮上 ； 转轮由叶片驱动， 转 轴由转轮驱动， 发电机由转轴驱动。 技术效果 0010 本发明与现有技术相比采用吸力式沉箱作为单桩固定式垂直轴风电机的海底基 础， 吸力式沉箱结构简洁， 制作方便， 在海上安装在几小时内就可以完成， 安装成本很低 ； 此 外， 本发明技术效果还包括 ： 1） 利用了垂直轴风机在近海风电场中可以被布置得更紧密， 。
13、也 即在给定的空间内可以布置更多台垂直轴风电机， 这是因为垂直轴风机对空气的减速作用 很小。2） 垂直轴风电机结构坚固， 工作安静， 对支撑基础结构引起的应力很小， 而且也可将 它们设计得离海平面相对近以些， 以便于维修。3） 美国加州理工学院的研究表明在认真仔 细设计的前提下， 同尺度的由垂直轴风电机组成的风场的产电能力将 10 倍于同尺度的由 水平轴风电机组成的风场的产电能力。 附图说明 0011 图 1 为本发明结构图 ； 0012 图中 ： 连节杆 1、 转轮 2、 转轴 3、 叶片 4、 发电机 5、 刹车系统 6、 塔筒 7、 钢管栏杆 8、 工作平台 9、 法兰 10、 吸力式沉。
14、箱 11、 海床 12。 具体实施方式 0013 下面对本发明的实施例作详细说明， 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例 1 0014 如图 1 所示， 本实施例包括 ： 垂直轴风电机以及依次设置于其底部的带有工作平 台 9 的塔筒 7 和吸力式沉箱 11。 说 明 书 CN 103410677 A 4 3/3 页 5 0015 所述的吸力式沉箱 11 由钢板焊接而成的一体式桶状结构， 该吸力式沉箱 11 的顶 部设有排水短管和法兰 10。 0016 所述的塔筒 7 为空心结构， 其上焊接有由花。
15、钢板制成的工作平台 9。 0017 所述的工作平台 9 的四周焊接有钢管栏杆 8， 以保障人员在作业和维修时的安全。 0018 所述的垂直轴式风机包括 ： 叶片 4、 连节杆 1、 转轮 2、 转轴 3 以及内置发电机 5 和 刹车系统 6 的机舱， 其中 ： 塔筒的顶部与机舱底板连接， 叶片 4 连接设置于转轮 2 上 ； 转轮 2 由叶片 4 驱动， 转轴 3 由转轮 2 驱动， 发电机 5 由转轴驱动。 0019 所述的垂直轴风电机的舱体底部与塔筒 7 的顶端相连。 0020 所述的发电机内部线圈切割磁力线生成感生电流， 所发出的电能由海底电缆输送 到沿岸的用电单位。 0021 所述的叶。
16、片 4 的数量为 6 个， 均由玻璃纤维增强塑料制成。 0022 本装置通过以下方式进行现场安装布置 ： 0023 第一步、 安装时吸力式沉箱和平台机构连成一体， 先由一台起重机将它们吊于海 水中， 初始阶段依靠重力的作用吸力式沉箱的四周裙板会插入海床 12 一定的深度 ； 0024 第二步、 利用临时的排水泵和排水管路将吸力式沉箱内部的海水排出， 这时由于 吸力式沉箱内部形成空隙而导致内部压力急剧降低， 但由于吸力式沉箱外部水压力并没有 变化， 这就在吸力式沉箱的顶板内外产生了很大的压力差 （方向向下， 即产生了吸力） ， 从而 驱使吸力式沉箱的四周裙板继续更深地插入海床 ； 0025 第三步、 当排水泵将吸力式沉箱内部的海水排净时， 吸力式沉箱顶部已被埋入海 床内， 则启动固定操作， 并最终形成海底基础来支撑上部的平台机构和风电机。 0026 本实施例中， 叶片 4 的高度为 12 米， 宽度为 2.5 米， 发电机的功率为 2.5MW， 转轮 2 距海平面为 20 米， 整个风电机系统的吃水为 16 米。 说 明 书 CN 103410677 A 5 1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 103410677 A 6 。