CN102152841B - 垂直立柱浮式风电平台及其构筑方法 - Google Patents

Abstract

一种浮式风力发电技术领域的垂直立柱浮式风电平台及其构筑方法，该垂直立柱浮式风电平台，包括：多根深吃水立柱、与深吃水立柱的底端相连的一个压载舱、一个与深吃水立柱上部连接的多孔甲板、与多孔甲板固定连接的风力发电机组以及若干与平台及海床相连的锚缆。本发明仅靠立柱重力和浮力实现垂直安装，不需要大型起重浮吊；大大降低深海立柱式平台整体建造和安装成本，为深海立柱式浮体风电平台的大规模商业化提供了可行性。

Description

垂直立柱浮式风电平台及其构筑方法

技术领域

本发明涉及的是一种浮式风力发电技术领域的装置，具体是一种用于深海的垂直立柱浮式风电平台及其构筑方法。

背景技术

海上风电具有风速快、风资源持续稳定、发电量大、不占用宝贵的土地资源，且靠近经济发达地区，距离电力负荷中心近，风电并网和消纳容易等优点。自上世纪90年代末，丹麦建立第一座海上风电场以来，世界海上风电的大规模商业开发一度踯躅不前，主要原因是技术复杂、安装、运行、维护的成本高。然而，欧洲和美国在海上风电技术的研发却没有停滞，海上风电开发的技术难关被不断攻克，特别是在大型功率超过5兆瓦的海上风机技术已经取得商业化突破，同时随着欧洲，特别是丹麦、德国等国家的陆地风电资源基本开发完毕，减排温室气体和提高可再生能源比例的要求，使得海上风电成为未来发展的主要方向。自2008年开始，世界海上风电有了新的飞跃，2008和2009连续两年海上风电新增装机容量超过了500兆瓦，两年的风电安装量超过了过去累计装机容量的总和。中国风电的陆上资源目前主要集中在西北部，特点是距离电力消费地较远，存在着运输、消纳等问题，而海上风电则靠近东南部沿海经济发达地区，有着较好的电力市场来消纳海上风电。具保守估计，我国近海区域可开发的风能储量约为2亿千瓦。这意味着我国海上风力发电前景广阔。

除了向大容量海上风机进发，由浅水走向深水是国际风电巨头开发海上风电的另外一个趋势。海上风力发电的两种主要方式分别是浅海的座底式和深海的浮体式。座底式是目前欧洲海上风电的基本模式，而深海浮体式则以其适应性和高效律被业界寄予厚望。目前，挪威斯塔万格世界上首座深海浮体式海上风电项目Hywind已经开始试运行。如图1(a)所示的Hywind为深吃水浮筒式浮体风力发电平台，该项目集中了世界上相关的最尖端的技术要素，从海底电缆的选择到浮式平台稳定性技术，从风力发电机本身到整体控制系统，从重量分布测算到关键材料的选择，无一不代表了目前世界上最顶级的海洋工程技术。Hywind深吃水浮筒式浮体风力发电平台其重心低于浮心，具有无条件稳定性的优点。然而，Hywind浮筒式浮体风电平台的建造和拖曳安装均为水平方式，将平台水平拖曳到海上风厂位置，随后把平台扶正成垂直状态，并由大型起重浮吊完成塔架及风机的安装，因此成本极高。具媒体报道，挪威石油公司和挪威政府为这一海上风电项目已先后投入超过一亿欧元。因此，降低浮体风电平台建造和安装成本是开发深海风电的关键。

经过对现有技术的检索发现，《Tpp Plants：Hywind Floating Wind Turbine》(强力电厂：Hywind漂浮风力发电机)(North Sea，Norway，Power Magazine Article，Dec.1，2009)，以及中国专利文献号CN101918704A，公开日2010-12-15，记载了一种“浮动式风力涡轮机系统”，该技术所述的塔结构包括至少一个从塔结构延伸的稳定臂并利用便于深水妄装的可转动的位置保持装置锚固到海床。通过与塔自身以及稳定臂成一体的浮力室提供用于风力涡轮机系统的可变的浮力。包括用于调节浮力的泵以辅助系统运输、安装、修复和拆除。风力涡轮机转子位于塔结构的顺风向以允许风力涡轮机在没有主动的偏航驱动系统的情况下跟随风向。支撑塔和稳定臂结构设计成以下面的方式借助浮力、重力和风力平衡系绳中的张力：使支撑塔的顶部顺风倾斜，以在支撑塔和转子叶片尖端之间提供较大的间隙。

但是该上述技术的缺陷在于：由于其稳定臂浮在水面，受波浪力极大，使锚链和锚固装置疲劳破坏可能性极大。大功率下风式风电涡轮机转子技术实施难度大，且效率低于上风式风电涡轮机转子，安装成本极高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种垂直立柱浮式风电平台及其构筑方法，该平台重心低于浮心，具有无条件稳定性的优点，以多立柱取代单立柱浮筒，下部设有压载舱，上部设有连接风力发电机组的多孔甲板结构，周边设孔使立柱可以穿过，实现风电平台的垂直建造，风力发电机组与平台整体垂直拖航并可以仅靠立柱重力和浮力垂直安装，不需要大型起重浮吊；本发明大大降低深海立柱式平台整体建造和安装成本，为深海立柱式浮体风电平台的大规模商业化提供了可行性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种垂直立柱浮式风电平台，包括：多根深吃水立柱、与深吃水立柱的底端相连的一个压载舱、一个与深吃水立柱上部连接的多孔甲板、与多孔甲板固定连接的风力发电机组以及若干与平台及海床相连的锚缆。

所述的风力发电机组的底部设有与多孔甲板固定连接的风机塔架。

所述的多孔甲板上设有：若干个以圆周设置的通孔，该通孔与深吃水立柱上端相连。

本发明涉及一种垂直拖曳平台，包括：上述垂直柱式漂浮风电平台、一个或多个与所述平台相连的稳定驳船以及将稳定驳船和所述多孔甲板相连的锁定松脱机构。

所述的锁定松脱机构采用液压系统实现快速松脱。

本发明涉及上述垂直拖曳平台的组装方法，包括以下步骤：

a)将所述多孔甲板与带有深吃水立柱的基础段的压载舱在码头岸边水中组装连接；深吃水立柱的基础段与多孔甲板上的通孔对齐；多孔甲板全部位于水上；

b)将多孔甲板与一个或多个稳定驳船相连后，将深吃水立柱的主体段穿过多孔甲板上的通孔并与压载舱上的深吃水立柱的基础段同轴固定为整体深吃水立柱；

c)将风力发电机安装至多孔甲板的风机塔架顶部；

d)将锁定松脱机构和拖曳加固件分别与多孔甲板和稳定驳船相连，使得风机、多孔甲板、深吃水立柱、压载舱、稳定驳船以及锁定松脱机构组成固定整体，最后将部分或全部固体压载填入压载舱内。

本发明基于上述垂直柱式漂浮风电平台的组装方法，包括以下步骤

e)将上述垂直拖曳平台拖曳至海上风电场；

f)去除连接于多孔甲板和压载舱之间的拖曳加固件，使得所述的压载舱仅与深吃水立柱的底端相连且深吃水立柱与多孔甲板滑动连接，压载舱带动深吃水立柱在重力作用下自动下沉，随后向深吃水立柱内注入海水使得深吃水立柱的底端继续下沉直至达到预设吃水位置，再将深吃水立柱顶端与多孔甲板固定连接；

g)启动锁定松脱机构并将稳定驳船拖离所述的垂直柱式漂浮风电平台；

h)采用锚缆将垂直柱式漂浮风电平台与海底相连。

本发明与第一代Hywind单立柱浮筒式浮体风力发电平台相比，保留了重心低于浮心，具有无条件稳定性的优点，总体结构形式更为稳定且结构简单，构建方便，具有更优越的在位工作性能和建造安装成本竟争力，适宜大规模普及。

附图说明

图1为现有技术示意图；

图中：(a)为Hywind单立柱浮筒式浮体风力发电平台结构示意图；(b)为深海单立柱浮筒式钻井平台示意图。

图2为本发明在位工作状态(发电状态)示意图；

图中：(a)为立体示意图；(b)为平视图。

图3为本发明拖曳安装(塔型)状态示意图；

图中：(a)为立体示意图；(b)为侧视图

图4为实施例1流程示意图。

图5为实施例2流程示意图。

具体实施方式

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。

如图2所述，本实施例涉及一种垂直柱式漂浮风电平台1，包括：多根深吃水立柱2、与深吃水立柱2的底端相连的一个压载舱3、一个与深吃水立柱2上部连接的多孔甲板4、与多孔甲板4固定连接的风力发电机组5以及若干与平台1及海床相连的锚缆6。

所述的风力发电机组5的底部设有与多孔甲板4固定连接的风机塔架7。

所述的多孔甲板4上设有：若干个以圆周设置的通孔8，该通孔8与深吃水立柱2相连。

所述的通孔8和深吃水立柱2上设有相匹配的导向机构，如滑轮和滑道，使得深吃水立柱2能够在所述通孔8内相对多孔甲板4垂直移动，用于控制所述平台在海上安装过程中的吃水深度。

所述的深吃水立柱2为空心圆柱体结构。但其形状不仅限于空心圆柱体。

如图3所示，本实施例涉及一种垂直拖曳平台9，包括：上述垂直柱式漂浮风电平台1、一个或多个与所述平台相连的稳定驳船10以及将稳定驳船10和所述多孔甲板4相连的锁定松脱机构11。

所述的锁定松脱机构11采用液压系统实现快速松脱，使得所述的稳定驳船10与所述的多孔甲板4在海上安装过程中能够快速分离。

所述的压载舱3采用钢铁、复合材料或混凝土制成，其内部设有填充物。

如图4所示，本实施例涉及上述垂直拖曳平台9的组装方法，包括以下步骤：

a)将所述多孔甲板4与带有深吃水立柱的基础段的压载舱3在码头岸边水中组装连接；多孔甲板4全部位于水上，压载舱3漂浮于水面；

b)将多孔甲板4与一个或多个稳定驳船10相连后，将深吃水立柱2的主体段穿过多孔甲板4上的通孔8并与压载舱3上的深吃水立柱2的基础段同轴固定为整体深吃水立柱2；

c)将风力发电机安装至多孔甲板4的风机塔架7顶部；

d)将锁定松脱机构11和拖曳加固件分别与多孔甲板4和稳定驳船10相连，使得风机、多孔甲板4、深吃水立柱2、压载舱3、稳定驳船10以及锁定松脱机构11组成固定整体，最后将填充物填入压载舱3内。

实施例2

如图5所示，基于上述垂直柱式漂浮风电平台1的组装方法，包括以下步骤

e)将上述垂直拖曳平台9拖曳至海上风电场；

f)去除连接于多孔甲板4和压载舱3之间的拖曳加固件，使得所述的压载舱3仅与深吃水立柱2的底端相连且深吃水立柱2与多孔甲板滑动连接，压载舱3带动深吃水立柱2在重力作用下自动下沉，随后向深吃水立柱2内注入海水使得深吃水立柱2的底端继续下沉直至达到预设吃水位置，再将深吃水立柱2的顶端与多孔甲板4固定连接；

g)启动锁定松脱机构11并将稳定驳船10拖离所述的垂直柱式漂浮风电平台1；

h)采用锚缆6将垂直柱式漂浮风电平台1与海底相连。

所述的固定连接是指：焊接、铆接或其他常规方式实现的固定安装。

Claims (9)

1.一种垂直立柱浮式风电平台，其特征在于，包括：多根深吃水立柱、与深吃水立柱的底端相连的一个压载舱、一个与深吃水立柱连接的多孔甲板、与多孔甲板固定连接的风力发电机组以及若干与平台及海床相连的锚缆；

所述的多孔甲板上设有：若干个以圆周设置的通孔，该通孔与深吃水立柱上端相连；

所述的通孔和深吃水立柱上设有相匹配的导向机构，使得深吃水立柱能够在所述通孔内相对多孔甲板垂直移动。

2.根据权利要求1所述的垂直立柱浮式风电平台，其特征是，所述的风力发电机组的底部设有与多孔甲板固定连接的风机塔架。

3.根据权利要求1所述的垂直立柱浮式风电平台，其特征是，所述的导向机构为滑轮和滑道。

4.根据权利要求1或3所述的垂直立柱浮式风电平台，其特征是，所述的深吃水立柱为空心圆柱体结构。

5.一种垂直拖曳平台，其特征在于，包括：上述任一权利要求所述的垂直立柱浮式风电平台、一个或多个与所述平台相连的稳定驳船以及将稳定驳船和所述多孔甲板相连的锁定松脱机构。

6.根据权利要求5所述的垂直拖曳平台，其特征是，所述的锁定松脱机构采用液压系统实现快速松脱。

7.根据权利要求5所述的垂直拖曳平台，其特征是，所述的压载舱采用钢铁、复合材料或混凝土制成，其内部设有填充物。

8.一种根据权利要求5或6或7所述垂直拖曳平台的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将所述多孔甲板与带有深吃水立柱的基础段的压载舱在码头岸边水中组装连接；多孔甲板全部位于水上；

b)将多孔甲板与一个或多个稳定驳船相连后，将深吃水立柱的主体段与压载舱上的深吃水立柱的基础段同轴固定连接为整体深吃水立柱；

c)将风力发电机安装至多孔甲板的风机塔架顶部；

d)将锁定松脱机构和拖曳加固件分别与多孔甲板和稳定驳船相连，使得风机、多孔甲板、深吃水立柱、压载舱、稳定驳船以及锁定松脱机构组成固定整体，最后将填充物填入压载舱内。

9.一种根据上述任一权利要求所述垂直立柱浮式风电平台的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将所述多孔甲板与带有深吃水立柱的基础段的压载舱在码头岸边水中组装连接；多孔甲板全部位于水上；

b)将多孔甲板与一个或多个稳定驳船相连后，将深吃水立柱的主体段穿过多孔甲板上的通孔并与压载舱上的深吃水立柱的基础段同轴固定为整体深吃水立柱；

c)将风力发电机安装至多孔甲板的风机塔架顶部；

d)将锁定松脱机构和拖曳加固件分别与多孔甲板和稳定驳船相连，使得风机、多孔甲板、深吃水立柱、压载舱、稳定驳船以及锁定松脱机构组成固定整体，最后将填充物填入压载舱内；

e)将上述垂直拖曳平台拖曳至海上风电场；

f)去除连接于多孔甲板和压载舱之间的拖曳加固件，使得所述的压载舱仅与深吃水立柱的底端相连且深吃水立柱与多孔甲板滑动连接，压载舱带动深吃水立柱在重力作用下自动下沉，随后向深吃水立柱内注入海水使得深吃水立柱的底端继续下沉直至达到预设吃水位置，再将深吃水立柱的顶端与多孔甲板固定连接；

g)启动锁定松脱机构并将稳定驳船拖离所述的垂直柱式漂浮风电平台；

h)采用锚缆将垂直柱式漂浮风电平台与海底相连。