CN104925231A - 浮式风机基础及浮式风电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浮式风机基础及浮式风电机组，包括浮式平台和锚泊系统，所述浮式平台通过导缆孔与所述锚泊系统固定连接，其特征在于，所述浮式平台包括浮筒，所述浮筒上设置有多个导缆孔，所述导缆孔与所述锚泊系统中的系泊缆索连接，所述系泊缆索与所述导缆孔的连接端分为第一分叉及第二分叉，所述第一分叉和所述第二分叉分别与所述浮筒上的两个导缆孔连接。浮式平台的浮筒及压载舱有效增加了重心与浮心之间的距离，因此有效增大了转动恢复刚度，近水面处采用截面积小的圆柱筒有效减小了近水面处的波浪力大小，同时系泊缆索通过导览孔与浮式平台之间采用三角形连接可有效限制浮式平台的首摇运动。

Description

浮式风机基础及浮式风电机组

技术领域

本发明涉及海上风力发电领域，具体地讲，涉及一种浮式风机基础及浮式风电机组。

背景技术

风能是一种清洁的可再生绿色能源，开发效率高，经济性好，具有大规模开发条件和商业化前景，世界各国正在大力建设风电场，风力发电技术也得到了快速发展。风电场主要分为陆地风电场和海上风电场。陆地风电场起步较早，发展比较成熟，但存在严重的用地矛盾、噪声污染、优良场址已逐渐开发完毕等问题，海上风电场的开发得到了迅速发展。

海上风电场按所处海域位置分为浅海风电场和深海风电场。浅海风电场适用于50m以内水深的海域，采用固定式基础形式。深海风电场一般适用于50m以上水深的海域，采用桩基础已经无法满足经济性的要求，而浮式风机基础可能是这一区域最合适的选择。海上风力资源丰富，比陆地风力发电量大，同时，深海区域的风力资源要比近海区域更为丰富，具有很大的发展潜力，也是未来海上风电场开发的主要海域。

浮式风电机组使用浮式结构作为海上风机的基础平台，平台再用锚泊系统锚定于海床，其成本较低，对地质条件没有要求，且容易运输，具有广阔的应用前景。针对深海浮式风电场的商业前景和开发需求，设计出一种经济性好、运动性能好、适用范围广、安全可靠的海上风机浮式基础型式对我国海上风电场的开发建设具有重要意义。

海上风机浮式平台的概念设计可以主要从两方面考虑，一个是平台具有很好的稳性，发生转动时有很强的自我恢复能力；另一个是平台在满足结构强度要求的情况下受波浪力较小，具有良好的运动性能。平台具有很好的稳性主要是使平台在转动时有较大的偏转恢复刚度，而偏转恢复刚度与重心和浮心之间的高差、平台的排水体积、平台的二阶水线面积矩有关，单纯增大平台二阶水线面积矩是不经济的，这样也会增大作用在平台上的波浪力，因此对浮式平台的改进方案，可从增大重心和浮心之间的高差，以及增大平台的吃水体积两方面考虑。

如欲控制平台偏转角度的极值，仅依靠平台自身结构提供的偏转静水恢复刚度是不够的，因为这意味着巨大的水下体积，这样会大幅地增加平台的建造成本。设计时，应在平台保持自身稳性的基础上，同时采用系泊系统来控制平台的偏转极值。

另外，在满足结构的承重受力要求情况下，如何减小作用在浮式平台上的波浪力，提高浮式平台的稳定性，减小平台的运动偏转角度，是一项重要的技术创新内容，对于海上风机浮式平台，除了Roll和Pitch外，其首摇运动(Yaw)也不宜过大，因此需要考虑专门控制首摇运动的措施以降低影响。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、稳定性及运动性能好，能够降低海上浮式风电平台首摇和偏转运动以及减小波浪力的浮式风机基础及浮式风电机组。

本发明的目的是这样实现的：

一种浮式风机基础，包括浮式平台和锚泊系统，所述浮式平台通过导缆孔与所述锚泊系统固定连接，其特征在于，所述浮式平台包括浮筒，所述浮筒上设置有多个导缆孔，所述导缆孔与所述锚泊系统中的系泊缆索连接，所述系泊缆索与所述导缆孔的连接端分为第一分叉及第二分叉，所述第一分叉和所述第二分叉分别与所述浮筒上的两个导缆孔连接。

下面对进一步技术方案进行说明：

所述导缆孔至少为六个，并沿所述浮筒径向分组均匀设置，所述导缆孔与所述浮筒之间通过杆件固定连接。

每两个所述导缆孔为一个导缆孔组，所述导览孔组之间的夹角为90°或120°，所述导缆孔组的两个导缆孔之间的夹角为60°。

所述浮式平台还包括依次连接地圆柱筒、过渡段及所述浮筒，所述圆柱筒的直径小于所述浮筒的直径，所述过渡段由所述圆柱筒端至所述浮筒端的截面直径呈线性递增趋势。

所述浮式平台还包括桁架结构、升沉板和压载舱，所述压载舱与所述浮筒之间通过所述桁架结构相连，所述桁架结构高度范围内设置有所述升沉板，所述压载舱与所述桁架结构固定连接，并固定于所述浮式平台最下端。

所述桁架结构包括桁架垂向杆件以及由第一撑杆和第二撑杆相交形成的桁架撑杆，所述桁架垂向杆件沿所述压载舱端面周向均匀布置，所述桁架撑杆固定于相邻的两个所述桁架垂向杆件之间。

本发明还提供一种浮式风电机组，其包括有如以上任意一项所述的浮式风机基础，风力机和塔筒，所述塔筒的一端固定连接所述风力机，所述塔筒的另一端固定于所述浮式平台上。

本发明的有益效果在于：

浮式风机基础的浮筒能够为浮式平台提供足够大的浮力来提高浮心，并通过设置在最下端的压载舱来降低重心，因而有效增加了重心与浮心之间的距离，有效增大了转动恢复刚度，减小了浮式平台的偏角运动，从而提高了所述浮式平台的稳定性。

浮式风机基础的圆柱筒位于水线处，由于采用直径小于浮筒的圆柱筒，减小了受海水冲击的横截面积，因而可以较大程度地减小了近水面处所受波浪力大小。

通过系泊缆索与浮式平台之间采用沿浮筒周向分组均匀布置的三角形连接，能够增大浮式平台的首摇回转刚度，可以保证所述浮式平台在受风机荷载和波浪荷载时的受力平衡，可有效限制浮式平台的首摇运动。

附图说明

图1为本发明优选实施例采用一个升沉板及两层桁架撑杆的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图2为本发明优选实施例仅采用一个升沉板的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图3为本发明优选实施例采用三根系泊缆索的锚泊系统及导缆孔平面布置图；

图4为本发明优选实施例采用四根系泊缆索的锚泊系统及导缆孔平面布置图；

图5为本发明优选实施例仅采用三层桁架撑杆的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图6为本发明优选实施例仅采用两层桁架撑杆的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图7为本发明优选实施例仅采用一层桁架撑杆的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图8为本发明优选实施例仅采用桁架垂向杆件的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图9为本发明优选实施例采用两个升沉板及三层桁架撑杆的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图10为本发明优选实施例仅采用两个升沉板的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图；

图11为本发明优选实施例桁架结构采用三个垂向杆件的平面布置图；

图12为本发明优选实施例桁架结构采用四个垂向杆件的平面布置图；

附图标记说明：

10、浮式平台，20、锚泊系统，30、风力机，40、塔筒，50、圆柱筒，60、过渡段，70、浮筒，80、桁架垂向杆件，90、桁架撑杆，100、升沉板，110、压载舱，120、系泊缆索，130、海底锚，140、导缆孔，150、杆件，160、第一分叉，170、第二分叉。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1，图2所示，本发明采用一个升沉板的不同实施例的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图。浮式风机基础，包括浮式平台10和锚泊系统20，所述浮式平台10通过导缆孔140与所述锚泊系统20固定连接，所述浮式平台10包括浮筒70，所述浮筒70上设置有多个导缆孔140，所述导缆孔140与所述锚泊系统20中的系泊缆索120连接，所述系泊缆索120与所述导缆孔140的连接端分为第一分叉160及第二分叉170，所述第一分叉160和所述第二分叉170分别与所述浮筒70上的两个导缆孔连接。

通过所述系泊缆索120与所述导缆孔140的连接端被分为第一分叉160及第二分叉170，同时所述第一分叉160和所述第二分叉170分别与所述浮筒70上的两个导缆孔组成三角形连接方式，可以增大所述浮式平台的首摇刚度，防止风机荷载及波浪荷载对所述浮式平台造成的摆动及转动作用，从而可以适当地减小整个浮式平台的首摇运动，提高浮式平台的稳定性。

上述锚泊系统20包括系泊缆索120和海底锚130，所述海底锚130固定于海床，所述系泊缆索120的一端与所述海底锚130固定，所述系泊缆索120的另一端与所述导览孔140连接。根据海底地质和水深的不同，所述海底锚130可采用桩基锚、重力式锚或吸力式锚。

所述导缆孔140至少为六个，并沿所述浮筒70径向分组均匀设置，所述导缆孔140与所述浮筒70之间通过杆件150固定连接。所述导缆孔140通过杆件150与所述浮筒70连接，可以避免系泊缆索120与浮筒70的摩擦接触，有效提高锚泊系统20的恢复刚度，特别是首摇恢复刚度，同时，通过焊接的连接方式使所述导缆孔140、所述杆件150、所述浮筒70三者固连为一体，也可以增强连接强度，使整个浮式风机基础的结构更加牢固。

如图3，图4所示，为本发明采用3根或4根系泊缆索的系泊系统及导缆孔平面布置图。每两个所述导缆孔140为一个导缆孔组，所述导览孔组之间的夹角为90°或120°，所述导缆孔组的两个导缆孔140之间的夹角为60°。所述导缆孔通过上述角度沿浮筒70的周向均匀布置，可以使整个浮式风机基础在各个方向上的受力更加均匀，在受到较大波浪力的时候能够保证浮式平台较高的稳定性。

所述浮式平台10还包括依次连接地圆柱筒60、过渡段70及所述浮筒80，所述圆柱筒60的直径小于所述浮筒80的直径，所述过渡段70由所述圆柱筒60端至所述浮筒80端的截面直径呈线性递增趋势。由于上述圆柱筒60临近水面，而圆柱筒的直径较所述浮筒的直径小，因此在保证浮式平台的浮力足够大的同时可以减小近水面处受海水冲击的截面大小，从而有效降低浮式平台所受的波浪力。

如图5至图8所示，为本发明不采用沉压板的不同实施例的浮式风机基础及浮式风电机组结构示意图。所述浮式平台10还包括桁架结构、升沉板100和压载舱110，所述压载舱110与所述浮筒70之间通过所述桁架结构相连，所述桁架结构高度范围内设置有所述升沉板100，所述压载舱110与所述桁架结构固定连接，并固定于所述浮式平台10最下端。所述升沉板100设置于两层相邻桁架撑杆90之间，升沉板可以增大浮式平台的垂向阻尼，从而减小平台的垂向振动。所述压载舱110的水平截面可以为圆形或者正方形，压载舱110内通常填充混凝土、沙石等材料增大其重量，以此降低浮式平台10的重心，从而有效增大浮式平台10的浮心和重心的高度差，因此有效增大了转动恢复刚度。

根据浮式风机所在海域的水深和风浪流条件，图1、图5和图9分别给出了设置1个升沉板、不设置升沉板和设置2个升沉板的情况，其他不同组合的升沉板个数和桁架撑杆层数亦是本发明的内容范围。若已经满足结构强度要求，也可以不设桁架撑杆，图2和图10为仅采用升沉板而不采用桁架撑杆的实施例。升沉板和桁架撑杆并非本发明中必不可少的组件，但是从结构性能和安全角度考虑，建议增加。

所述桁架结构包括桁架垂向杆件80以及由第一撑杆和第二撑杆相交形成的桁架撑杆90，所述桁架垂向杆件80沿所述压载舱110端面周向均匀布置，所述桁架撑杆90固定于相邻的两个所述桁架垂向杆件80之间。所述桁架撑杆90与所述桁架垂向杆件80焊接为一体，使得浮式平台的结构性能稳定，连接强度更高，从而提高整个浮式平台的安全性和可靠性。

图11为桁架结构中的桁架垂向杆件80采用3根时的平面图，3根桁架垂向杆件沿着压载舱110的端面周向均匀布置，每隔120度焊接1根。图12为桁架结构中的桁架垂向杆件80采用4根时的平面图，4根桁架垂向杆件沿着压载舱110的端面周向均匀布置，每隔90度焊接1根。

所述浮式平台10中的圆柱筒50、过渡段60、浮筒70三者连接成为一体，同时通过垂向桁架杆件80与压载舱110焊接为一体，所有部件组成所述整个浮式平台后，可以采用浮拖法运至目标海域进行安装，从而使工作更加简便，省时省力。

一种浮式风电机组，其包括有如以上任意一项所述的浮式风机基础，风力机30和塔筒40，所述塔筒40的一端固定连接所述风力机30，所述塔筒40的另一端通过法兰与所述浮式平台10的所述圆柱筒50连接。

由于具有所述浮式风机基础的结构特点，使得所述浮式风电机组能够通过浮筒提供足够大的浮力来提高浮心，并通过压载舱来降低重心，因而有效增加了重心与浮心之间的距离，有效增大了转动恢复刚度，从而提高了所述浮式平台的稳定性。由于采用直径小于浮筒的圆柱筒，减小了受海水冲击的横截面积，因而可以较大程度地减小了近水面处所受波浪力大小。通过系泊缆索与浮式平台之间采用沿浮筒周向均匀布置的三角形连接，能够增大系泊系统的首摇恢复刚度，可有效限制浮式平台的首摇运动，提高浮式风机基础的运动性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种浮式风机基础，包括浮式平台和锚泊系统，所述浮式平台通过导缆孔与所述锚泊系统固定连接，其特征在于，所述浮式平台包括浮筒，所述浮筒上设置有多个导缆孔，所述导缆孔与所述锚泊系统中的系泊缆索连接，所述系泊缆索与所述导缆孔的连接端分为第一分叉及第二分叉，所述第一分叉和所述第二分叉分别与所述浮筒上的两个导缆孔连接。

2.根据权利要求1所述浮式风机基础，其特征在于，所述导缆孔至少为六个，并沿所述浮筒径向分组均匀设置，所述导缆孔与所述浮筒之间通过杆件固定连接。

3.根据权利要求2所述浮式风机基础，其特征在于，每两个所述导缆孔为一个导缆孔组，所述导览孔组之间的夹角为90°或120°，所述导缆孔组的两个导缆孔之间的夹角为60°。

4.根据权利要求1所述浮式风机基础，其特征在于，所述浮式平台还包括依次连接地圆柱筒、过渡段及所述浮筒，所述圆柱筒的直径小于所述浮筒的直径，所述过渡段由所述圆柱筒端至所述浮筒端的截面直径呈线性递增趋势。

5.根据权利要求4所述浮式风机基础，其特征在于，所述浮式平台还包括桁架结构、升沉板和压载舱，所述压载舱与所述浮筒之间通过所述桁架结构相连，所述桁架结构高度范围内设置有所述升沉板，所述压载舱与所述桁架结构固定连接，并固定于所述浮式平台最下端。

6.根据权利要求1或5所述浮式风机基础，其特征在于，所述桁架结构包括桁架垂向杆件以及由第一撑杆和第二撑杆相交形成的桁架撑杆，所述桁架垂向杆件沿所述压载舱端面周向均匀布置，所述桁架撑杆固定于相邻的两个所述桁架垂向杆件之间。

7.一种浮式风电机组，其特征在于，其包括有如权利要求1至6任一项所述的浮式风机基础，风力机和塔筒，所述塔筒的一端固定连接所述风力机，所述塔筒的另一端固定于所述浮式平台上。