一种海上风力机发明专利

专利名称：一种海上风力机

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210157955.2

专利申请（专利权）人：中国科学院工程热物理研究所
权利人地址：北京市海淀区北四环西路11号

专利发明（设计）人：周腾,秦志文,蔡畅,孙香宇,李庆安,张一楠

专利摘要：本发明提供一种海上风力机，包括海上风力机塔筒、机舱和吸声覆层，海上风力机塔筒部分置于海平面的下部，吸声覆层包覆在置于海平面的下部的海上风力机塔筒的外周，且吸声覆层能够吸取海上风力机塔筒向海水中传播的噪声。通过设置吸声覆层，可降低海上风力机对向水中传播的噪声起到吸收作用，从而减小进入水中的噪声能量，降低水中噪声幅值的目的。

主权利要求：
1.一种海上风力机，其特征在于，包括海上风力机塔筒（2）、机舱（1）和吸声覆层（401），海上风力机塔筒（2）部分置于海平面（3）的下部，吸声覆层（401）包覆在置于海平面（3）的下部的海上风力机塔筒（2）的外周，且吸声覆层（401）能够吸取海上风力机塔筒（2）向海水中传播的噪声；
吸声覆层（401）内部设置有多个空腔状的元胞单元（402）；
多个元胞单元（402）在吸声覆层（401）内部均匀分布；
元胞单元（402）的空腔具有大径端和小径端，所述大径端朝向远离塔筒（2）方向设置，所述小径端朝向海上风力机塔筒（2）设置。
2.根据权利要求1所述的海上风力机，其特征在于，元胞单元（402）的空腔形状包括圆锥形、圆台形或者喇叭形。
3.根据权利要求1所述的海上风力机，其特征在于，所述吸声覆层（401）厚度大于12厘米；所述大径端的半径为1.5cm‑3cm；所述小径端的半径为1cm‑1.5cm；所述元胞单元（402）的长度为5cm至10cm；相邻两个所述元胞单元（402）间轴距小于3倍的元胞单元（402）的长度。
4.根据权利要求1所述的海上风力机，其特征在于，吸声覆层（401）的制备材料为丁腈橡胶。
5.根据权利要求4所述的一种海上风力机，其特征在于，所述丁腈橡胶的密度为
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1200kg/m‑1300kg/m，所述丁腈橡胶的杨氏模量为28MPa‑32MPa。
6.根据权利要求4所述的海上风力机，其特征在于，所述丁腈橡胶为氢化丁腈橡胶。
7.根据权利要求4所述的海上风力机，其特征在于，所述丁腈橡胶为羧基丁腈橡胶。
8.根据权利要求1所述的一种海上风力机，其特征在于，吸声覆层（401）的制备材料包括聚氨酯。 说明书 : 一种海上风力机技术领域[0001] 本说明书涉及风力机技术领域，具体涉及一种海上风力机。背景技术[0002] 为减少碳排放量和环境污染，实现可持续发展，可再生能源在各国的能源结构中的占比逐年增加。风能作为一种可再生能源形式，具有开发成本较低，技术成熟，能源分布广泛等优点，是可再生能源的重点发展方向。近年来，由于海上区域具有风资源丰富、风资源质量较高、靠近高用电区域等特点，海上风电逐渐成为风力发电行业的研究重点。[0003] 已有的研究表明，海上风力机的建设和运行也会对周围环境造成一定的影响。无论是固定式还是漂浮式海上风力机，由于有一部分塔筒淹没在海平面以下，风力机在运行过程中产生的噪声会通过塔筒传入水中，从而对海洋生物的生存产生不利影响。以往的研究表明，海上风力机在打桩建设和运行过程中均会产生较强的噪声，该噪声会导致周围海洋生物出现交流不畅、躲避行为、厌食、听力损伤等非正常现象。有些地区曾发现风力机的水下噪声会导致周边的经济鱼类的减产。因此，控制风力机的水下噪声，对于大力发展海上风力发电具有重要的意义。[0004] 以往对于风力机噪声的研究大多从风力机叶片的气动噪声方面入手，主要探讨其产生机理和控制方法。然而，以往的研究表明，由于空气还海平面之间的介质密度突变，叶片气动噪声几乎不会传入水中，海上风力机产生的水下噪声主要来自于打桩时的冲击噪声或运行时机舱内的机械噪声，降低叶片的气动噪声对于该噪声的控制效果十分有限。为减少风力机水下噪声的传播，需要从降低机舱噪声或者阻隔噪声从塔筒向水中传播两个方面入手采取措施。发明内容[0005] 有鉴于此，本说明书实施例提供一种海上风力机。以达到降低海上风力机对向水中传播的噪声起到吸收作用，从而减小进入水中的噪声能量，降低水中噪声幅值的目的。[0006] 本说明书实施例提供以下技术方案：[0007] 一种海上风力机，包括海上风力机塔筒和吸声覆层，海上风力机塔筒部分置于海平面的下部，吸声覆层包覆在置于海平面的下部的海上风力机塔筒的外周，且吸声覆层能够吸取海上风力机塔筒向海水中传播的噪声。[0008] 进一步地，吸声覆层内部设置有多个空腔状的元胞单元。[0009] 进一步地，多个元胞单元在吸声覆层内部均匀分布。[0010] 进一步地，元胞单元的空腔具有大径端和小径端，大径端朝向远离塔筒方向设置，小径端朝向海上风力机塔筒设置。[0011] 进一步地，元胞单元的空腔形状包括圆锥形、圆台形或者喇叭形。[0012] 进一步地，吸声覆层厚度大于12厘米；大径端的半径为1.5cm‑3cm；小径端的半径为1cm‑1.5cm；元胞单元的长度为5cm至10cm；相邻两个元胞单元间轴距小于3倍的元胞单元的长度。[0013] 进一步地，元胞单元的空腔形状包括圆柱形、圆形或者螺旋形。[0014] 进一步地，吸声覆层的制备材料为丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、羧基丁腈橡胶的一种或者多种组合。[0015] 进一步地，丁腈橡胶的密度为1200kg/m3‑1300kg/m3，丁腈橡胶的杨氏模量为28MPa‑32MPa。[0016] 进一步地，吸声覆层的制备材料包括聚氨酯。[0017] 与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：[0018] 在海上风力机产生的噪音基本为低频的情况下，声压级在经过水下噪声降噪覆层后明显下降。安装水下噪声降噪覆层后，水中远场声压级比没有吸声覆层的情况低5‑12dB。本发明结构简单，安装方式简单。吸声效果仅取决于空腔的设计，与海上风力机尺寸无关，应用范围广泛。附图说明[0019] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。[0020] 图1是本发明的吸声层在海上风力机上的安装示意图；[0021] 图2是本发明的吸声层与风力机塔筒的位置关系图；[0022] 图3是本发明第一实施例一部分径向面的截面图；[0023] 图4是本发明第一实施例一部分径向面的截面图；[0024] 图5是本发明第一实施例的吸声系数和波长曲线图；[0025] 图6是本发明第一实施例的水下远场噪声声压级沿水深方向的变化图；[0026] 图7是本发明第二实施例一部分径向面的截面图；[0027] 图8是本发明第三实施例一部分径向面的截面图；[0028] 图9是本发明第四实施例一部分径向面的截面图；[0029] 图10是本发明第五实施例一部分径向面的截面图；[0030] 图11是本发明第六实施例一部分径向面的截面图。[0031] 附图标记说明：1、机舱；2、塔筒；3、海平面；401、吸声覆层；402、元胞单元。具体实施方式[0032] 下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。[0033] 以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0034] 要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。[0035] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0036] 另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。[0037] 以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。[0038] 参考图1，为本发明应用场景的示意图。[0039] 如图1所示，对于一台海上风力机，噪声从机舱1产生，沿塔筒2向下传播，到达海平面3以下后，噪声会从塔筒2表面向水中传播。吸声覆层401包裹在风力机塔筒2的水下部分，会对向水中传播的噪声起到吸收作用，从而减小进入水中的噪声能量，降低水中噪声幅值。[0040] 吸声覆层401采用特性阻抗与水相近的橡胶或者聚氨酯以实现阻抗匹配，使得声波能够最大限度的进入吸声材料内部，进而被吸收。[0041] 图3和图4为本发明元胞单元402的一个实施例。[0042] 吸声覆层401的材料为阻抗与水相匹配的丁腈橡胶，密度为1250kg/m3，杨氏模量为30MPa，具有良好的防水性和防腐蚀性。[0043] 吸声覆层401内部的元胞单元402为空气空腔，元胞单元402构型为圆柱和圆台组合的形状。圆台半径较小的一段朝向噪声入射方向，即朝向塔筒2所在方向。圆柱朝向噪声出射方向，即远离塔筒2所在方向(海水所在方向)。元胞单元402在吸声覆层401内部周向和竖直方向均匀排列。[0044] 图5和图6为吸声覆层401采用下列参数时候，所能达到的吸声效果。[0045] 1.吸声覆层401厚度大于等于12厘米；[0046] 2.元胞单元402的空气空腔大半径为1.5厘米‑3厘米，小半径为1厘米‑1.5厘米，元胞单元402的空气空腔长度为5厘米‑10厘米；[0047] 3.元胞单元402的空气空腔沿周向均匀分布，绕塔筒2一周空腔个数大于12；[0048] 4.元胞单元402的空气空腔沿水深方向均匀分布，相邻两空腔间空腔轴距小于3倍的空腔长度。[0049] 吸声覆层401的吸声系数曲线如图5所示。图5的纵轴为吸声系数，横轴为音频的频率，单位为赫兹。与多数水下吸声材料相比，该实施例元胞单元402的设计具有更好的低频吸声特性，其吸声系数的最大值出现在3000Hz，在600Hz‑5800Hz范围内吸声系数可保持在0.8以上。[0050] 其水下远场吸声效果如图6所示，通过一个缩比模型获得的声压级随水深的变化示意图。dB是指分贝，横坐标一格表示10分贝。纵坐标的m是指水深，单位为米，0m位置是水面，图表的水深方向一共四格表示水深一共4米。实线表示为无吸声覆层的时候，虚线表示为有吸声覆层401的时候。[0051] 图6表示的是通过一个缩比模型，在距离风力机塔筒6米远的地方，声压级随水深的变化图。使用该吸声覆层后，水下远场噪声声压级沿水深方向的变化。取500Hz和1100Hz两个低频范围内的结果为例，声压级在经过吸声覆层后明显下降。安装吸声覆层401后，水中远场声压级比没有吸声覆层401的情况低5‑12dB。[0052] 图7为元胞单元402构型为球体的时候，吸声覆层401的水平截面图。[0053] 图8为元胞单元402构型为圆锥的时候，吸声覆层401的水平截面图。其中，圆锥体的顶点朝向噪声入射方向，即塔筒2所在方向。圆锥体的底部朝向噪声出射方向，即海水所在方向。[0054] 图9为元胞单元402构型为圆柱的时候，吸声覆层401的水平截面图。[0055] 图10为元胞单元402构型为圆台的时候，吸声覆层401的水平截面图。其中，圆台的小径端朝向噪声入射方向，即塔筒2所在方向。圆台的大径端朝向噪声出射方向，即海水所在方向。[0056] 图11为元胞单元402构型为圆台的时候，吸声覆层的水平截面图。其中，圆台的小径端朝向噪声入射方向，即塔筒2所在方向。圆台的大径端朝向噪声出射方向，即海水所在方向。[0057] 在另一些实施方式中，元胞单元402的构型为双喇叭形。在另一些实施方式中，元胞单元402的构型为花瓶形。另一些实施方式中，元胞单元402的构型为螺旋型。单纯圆柱形空腔相比，采用双喇叭形或花瓶形或螺旋型空腔结构可以对声波实现更好的吸收。[0058] 在另一些实施方式中，聚合物采用特性阻抗与水相近的橡胶或者聚氨酯以实现阻抗匹配，使得声波能够最大限度的进入吸声材料内部，进而被吸收。[0059] 由于元胞单元402的空气空腔存在于丁腈橡胶或者聚氨酯内部，吸声覆层401可使用分部制造然后粘接的方法进行加工。例如上层空腔为圆台形，下层为圆柱形，两层粘接以后，形成一个整体的空腔。[0060] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。[0061] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

专利地区：北京

专利申请日期：2022-02-21

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114562427B