CN105240221B - 半潜筏式随风转向水上风力发电设备 - Google Patents

半潜筏式随风转向水上风力发电设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半潜筏式随风转向水上风力发电设备、尤其海上风力发电设备，其包括：由至少三个浮筒和连接梁组成的半潜筏；至少三个在所述半潜筏的浮筒上承载的风力发电机；以及将所述半潜筏能够旋转地经由缆索锚固于水底，其中，从投影方向看，所述设备在受到水平方向的风力作用时的合力作用线所经过的质心与所述设备的旋转中心不重合，从而在所述合力作用线未同时经过所述形心和所述旋转中心时，总会产生使得所述半潜筏绕所述旋转中心旋转以确保所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心的力矩。本发明还涉及具有所述风力发电设备的风力发电场以及所述风力发电设备的建造方法。

Description

半潜筏式随风转向水上风力发电设备
技术领域
本发明涉及半潜筏式随风转向水上或海上风力发电设备，并且还涉及由这种风力发电设备组成的水上或海上风力发电场。本发明还涉及这种风力发电设备的制造施工方法。
背景技术
风能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源目前正越来越受到重视。除了陆地风力发电以外，水上或海上风力发电由于其不受地理限制的优势而更加受到关注。
由于近岸风力发电场会对附近居民造成滋扰，所以目前海上风力发电场由近岸发展至外海成为一种趋势，外海空间宽阔，风力强而稳定，距海岸远且在岸边看不见，居民反对声音小。
海上风力发电场主要分为固定式和浮式这两种。前者需要将风电场的基础固定到海床上，对于外海深水环境而言，造价高昂。因此，后者、即浮式风机基础由于施工建设简单、造价相对深水固定基础较低而成为外海风电场建设的必然选择。
浮式基础都是以单个风机为服务对象。单个风机浮式基础的一个主要问题是如何稳定风机令它的摆动小于极限值，现代大功率风机塔的高度超过100米，而机头重量约数百吨。对于一个超100米而重量达数百吨集中在顶部的风机塔立于一浮体上而言，若要保持它摆动不超过极限值(一般为10°)是非常困难的，这是因为单个风机其底座尺寸不能过大,否则没有经济效益。因此塔高比底座宽一般要大两倍以上，底座所能提供的横向和纵向惯性矩不足以控制风机塔的摆动幅度,，往往需要辅助装置才能保持稳定。常用解决方法有：
1)张力腿式，张拉缆绳将风机底座锚于海床，能抗倾覆弯矩及其引起的上拔力，例如Blue H风机；
2)可调压水浮筒式，将几个浮筒组成的风机底座调整它们之间的压水量，平衡倾覆力矩，例如PRINCIPLE的WINDFLOAT风机；
3)HyWind的spar酒樽式，以一由风机底座伸出至深海的端部带集中重量块的杆，如载有沙的空樽般浮于水上。重块主要是降低重心至很低的位置，远远低于浮心，达到稳定效果，例如HyWind伸出的杆低至150米，此法只适宜很深的水域。
除此以外，在研浮式风机基础的还有Mitsnbishi Heavy Insustries Ltd.的FMWFukushima Mitai。
这些已介绍的风力发电场基本上是在广阔海域将多个单独的浮式风机基础彼此间隔开布置。若风力发电场所在海域有一持续单向的风，沿垂直于风向的一方风机布置间距可取1.8D至3D，沿风向的一方，则须增大至6D至10D，其中D是指风机叶片的直径。这是要避免下风位风机因受上风位风机尾流影响令功率下降。若它们之间相距太近，则下风机功率损失很大。如果海域没有持续的单向风，则每个方向间距都只能是6D至10D，以便照顾不同方向的风。现代大功率风机叶片长都超过50米，6D至10D间距便是300米至500米，若将各风机以水下电缆连接，则连接的距离过大，同时电缆过长也会造成电缆本身电阻耗电过大，影响输电效率。
另外，海上的风通常是按季节改变总体风向的。为了最大化风力转变为电能的效率，通常最好风机叶片与风向尽量呈垂直。尽管目前的海上发电风机能够通过自主驱动风机叶片根据迎风的方向而变化，但是这需要额外的能量消耗，同时也需要复杂的监控设备。若可以设计出根据风向改变自动调整风机叶片方向使之与风向垂直的话，势必可以显著增加风力发电的效率。
发明内容
针对以上问题，本发明的主要目的在于提供一种半潜筏式随风转向水上或海上风力发电设备，其能够根据风向的变化自动调整从而使得风机叶片总是处于与风向大致垂直的最佳发电状态。另外，本发明的目的还在于提出一种利用这种半潜筏式随风转向发电设备构建的风力发电场，从而减少水下连接电缆的铺设长度，降低电缆电阻的输电消耗。
根据本发明的一个方面，提供了一种半潜筏式随风转向水上风力发电设备、尤其海上风力发电设备，其包括：
由至少三个浮筒和连接梁组成的半潜筏；
至少三个在所述半潜筏的浮筒上承载的风力发电机；以及
将所述半潜筏能够绕竖直轴线旋转地经由缆索锚固于水底，
其中，从投影方向看，所述设备在受到水平方向的风力作用时的合力作用线所经过的质心与所述设备的旋转中心不重合，从而在所述合力作用线未同时经过所述质心和所述旋转中心时，总会产生力矩使得所述半潜筏绕所述旋转中心旋转以确保所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心。通过半潜筏将风力发电机连成一个整体，显著增大整体的横向和纵向惯性矩,能有效地控制风机塔的摆动幅度，，提高了稳定性。此外，半潜筏随风自动转向，使得风力发电机总是处于最佳的风电能量转换状态，提高了发电效率。
优选地，连接梁处于水面下约14米或更深的位置。
优选地，在所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心的情况下，风力发电机的叶片大致垂直于风向。在此状态下，风力发电机的风电能量转换效率最高。
优选地，在所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心的情况下，所述旋转中心相对于所述质心迎风处于在前的位置。由此，若合力作用线未同时经过质心和旋转中心，将总是会产生使得质心绕旋转中心旋转，从而在迎风的方向上旋转中心在前、质心在后排列成由合力作用下同时经过。
优选地，所述半潜筏包括三个浮筒并呈三角形、尤其呈等边三角形，所述浮筒位于三角形的顶点处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。
优选地，所述半潜筏包括三个浮筒并呈三叉星形，所述浮筒位于三叉星形的末端处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。优选地，所述半潜筏呈与浮筒数量对应的多叉星形，每个浮筒位于星叉的末端处。
优选地，所述半潜筏包括三个浮筒并呈T形，所述浮筒位于T形的末端处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。
优选地，所述半潜筏包括八个浮筒并呈等腰梯形分成两排：一排为5个浮筒、另一排为3个浮筒，并且所述风力发电机为5个，分别间隔1个浮筒地布置在所述两排浮筒中，具有两个风力发电机的那排浮筒迎风位于前方。
可选地，自每个浮筒底部固定有一根缆索，且三根缆索在一从投影方向看与所述旋转中心重合的位置处汇合，然后经由铰链可以旋转地锚固于水底的缆索相连。可选地，自迎风位于前方的那排浮筒中的每个浮筒底部固定有一根缆索，这些缆索在所述旋转中心处汇合，然后经由铰链可以旋转地锚固于水底的缆索相连。缆索形成了柔性旋转轴，确保半潜筏在海浪的作用下正常随风转向。
优选地，每个浮筒配备有船锚。当风暴潮来临时，各浮筒放下船锚，作多点锚固，待风暴潮过后，收起船锚，继续工作。
优选地，所述浮筒的底部选择性配备有朝向水底的锥体。该锥体在半潜筏下沉后使能插入水底中，增加横向阻力，确保半潜筏在风暴潮时的安全性。
优选地，每个风力发电机能够根据指令旋转机头方向，从而在风向不变的情况下，通过选择性使得风力发电机机头转向而令半潜筏绕旋转中心旋转。
优选地，迎风在前的风力发电机布置成其尾流不会影响在后的风力发电机。
优选地，锚固于水底的缆索能够控制成选择性将所述半潜筏牵拉到水中合适深度。
优选地，缆索经由重力锚而锚固于水底。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种水上或海上风力发电场，其包括多个前述的半潜筏式随风转向风力发电设备。采用该技术手段，本发明的风力发电场减少了水底连接电缆的总长度至少二分之一，显著降低了水上或海上风力发电场的造价，同时减少了海底连接电缆的电阻消耗，提高了输电效率。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种前述的半潜筏式随风转向水上或海上风力发电设备的建造方法，其包括：
采用节段对接浇筑方法在陆地工厂预制至少三个混凝土浮筒和连接梁；
将连接梁两端封闭，并且将混凝土浮筒和连接梁浮移到水上；
在预计放所述浮筒的地方围打至少三根定位桩；
将浮筒的第一分段临时定位在所述定位桩中；
在水上将连接梁与浮筒的第一分段预应力相连并在连接处灌注混凝土，使它们成为一体；
将浮筒的其余节段依次叠加在浮筒的第一分段上，并用预应力连接，形成半潜筏；
在所述浮筒上安装风力发电机；
自每个浮筒底部连接一根缆索，各缆索在一汇合点处汇合；
自该汇合点能够绕其旋转地将所述半潜筏经由一缆索连接至水底，其中，从投影方向看，所述设备在受到水平方向的风力作用时的合力作用线所经过的质心与所述设备的旋转中心不重合，从而在所述合力作用线未同时经过所述质心和所述旋转中心时，总会产生力矩使得所述半潜筏绕所述旋转中心旋转以确保所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心。
优选地，所述半潜筏经由缆索连接至水底的步骤包括在水底锚固位置开挖一坑，大小能足够沉箱坐下，将经由缆索与所述汇合点相连的空心沉箱连同半潜筏一起灌水下沉，沉箱坐于水底开挖的坑中，向沉箱加载沙石等物料填满沉箱和/或回填开挖的坑,排除半潜筏灌入的积水，上升半潜筏至与缆索力成平衡。
优选地，灌注混凝土的步骤包括在所述浮筒的第一分段与所述连接梁之间的空间利用防水模板封闭，并将水抽干净之后，绑扎钢筋，然后灌注混凝土。
优选地，所述半潜筏经由缆索连接至水底的步骤包括在水底锚固位置向四个方向打入斜桩，中间空出位置刚好容纳沉箱而且桩头要高于沉箱，将经由缆索与所述汇合点相连的空心沉箱连同半潜筏一起灌水下沉，沉箱坐于斜桩合围的空间内，向沉箱加载沙石等物料填满沉箱，排除半潜筏灌入的积水，上升半潜筏至与缆索力成平衡。
根据本发明，半潜筏的平面框架支撑结构可随风向慢慢转向，令小间距布置的风机永远迎风。这样把至少3台风机以小间距聚在一起，以半潜筏把风机连成一整体，大大增加了整体的横向和纵向贯性矩，从而提高了稳定性，减少海底电缆连线长度二分之一。由于整个系统结构简单，不需要复杂的压重调动系统，及强度要求很高的张力腿系统，可大幅降低造价。成为海上浮式风电场的一个极具竞争力的选择，令深海风电场能更早进入市场。
附图说明
从后述的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本发明的前述及其它方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本发明的理解。在附图中：
图1A和1B示出了传统的浮式海上风力发电场的布局图与根据本发明的半潜筏式海上风力发电场的布局图的对比；
图2是根据本发明的三角形半潜筏式风力发电设备的示意性俯视图；
图3是沿图2中的1-1方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图4是沿图2中的2-2方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图5示意性示出了根据本发明的三角形半潜筏式风力发电设备在所处海域风向突变时随风自动调整方向的过程；
图6是根据本发明的另一实施例的星形半潜筏式风力发电设备的示意性俯视图；
图7是沿图6中的1-1方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图8是沿图6中的2-2方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图9示意性示出了根据本发明的星形半潜筏式风力发电设备在所处海域风向突变时随风自动调整方向的过程；
图10是根据本发明的另一实施例的T形半潜筏式风力发电设备的示意性俯视图；
图11是沿图10中的1-1方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图12是沿图10中的2-2方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图13是根据本发明的另一实施例的梯形半潜筏式风力发电设备的示意性俯视图；
图14是沿图13中的1-1方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图15是沿图13中的2-2方向看过去的半潜筏式风力发电设备的示意性侧视图；
图16(A)和(B)示意性示出了根据本发明的梯形半潜筏式风力发电设备在所处海域风向突变时随风自动调整方向；
图17示意性示出了梯形半潜筏式风力发电设备的浮筒利用锥体坐置在海底上；
图18示意性示出了为了保护海底电缆半潜筏的转向过程；并且
图19示意性示出了本发明的半潜式随风转向风力发电设备的施工建设方法。
具体实施方式
在本申请的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。
首先，本发明的以下介绍主要针对海上风力发电设备或风力发电场。但是，本领域技术人员应当清楚类似的技术可以应用于湖泊等其它水上发电场。
图1A示出了由36个传统浮式风力发电设备组成的浮式风力发电场，其中每个风机的单机容量为5MW，因此总发电量为6×6×5MW＝180MW，同时每个相邻的风机之间的距离经测算为840m，则所需的水下连接电缆的长度至少为(5×840m)×6×2＝50.4km。
图1B示出了根据本发明的半潜筏式风力发电场，其由12个根据本发明的半潜筏式风力发电设备组成，且每个风力发电设备具有3个单机容量为5MW的风机。因此，如图1B所示的浮式风力发电场的总发电量也为6×6×5MW＝180MW。但是，图1B中的每个相邻的风力发电设备之间的距离经测算为1260m，因此所需的水下连接电缆的长度至少为(2×1260m)×4+(3×1260m)×3＝21.42km。
由此可以看出，在发电量相同的情况下，采用本发明的技术构建的半潜筏式风力发电场要比传统技术节约水下连接电缆长度至少57.5％以上，在显著降低建设成本的同时也降低了所输出的电能在电缆上的不必要损耗，提高了风力发电场发电效率。
以下详细介绍根据本发明的半潜筏式随风转向水上风力发电设备。
本发明的半潜筏式随风转向水上风力发电设备主要包括一组风机。所述风机可以是目前市场上有售的任何合适类型的风机。风机各坐于一浮筒上，浮筒在海平面下以连接梁连接。所述连接梁在平面内形成一刚架，并设计成半潜于海平面以下约14米或更深处。在此深度，波浪对连接梁的影响很小。连接梁的目的除连接各浮筒外，还约束各浮筒在风力海浪作用下产生的倾斜度。有关连接梁本身的连接原理已在本发明人的另一中国专利申请No.201110240557.9(公开号CN102390494A)和本发明人的美国专利US8662793B2详细描述，因而其全文结合在此引作参考。
本发明的核心技术是风电场的迎风面跟随风的方向转向，以保持风机叶片面90°面向来风，也就是叶片面法线对准来风。由于它是随风自动转动，风机组永远都是迎风。应当清楚，在本发明的上下文中，“迎风”指的是风力方向与风机叶片垂直且使得风机发电效率达到最大。
正如图1B所示，本发明的风力发电场由多个半潜筏式随风转向水上风力发电设备组成，每个半潜筏式随风转向水上风力发电设备包括至少三个风机，每个风机安置在一浮筒上，各浮筒由水下连接梁相连。仅出于示意性的目的，本说明书以下仅就两类四种连接方式进行说明：即，第一类是可安装三台风机、计有三角形、星形及T形三种；第二类是可安装五台风机的梯形。但是，本领域技术人员应当清楚本发明的半潜筏并不限于以下介绍的几种。
首先以三角形为例，说明本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备(参见图2至5)。
如图2至4所示，三角形半潜筏式随风转向风力发电设备包括三个处于三角形顶点位置的浮筒12，这三个浮筒12在水面1下由连接梁13相互连接。例如，连接梁13在水面1下约14米或更深，这样可以避免海浪对梁的不利影响。基本上，所述浮筒12和所述连接梁13构成了半潜筏。
在每个浮筒12上经由风机塔工作平台17支承有一个风机塔21。在风机塔21上安装风机22。在工作时，风力发电设备是以两个风机22在前、一个风机22在后的方式，同时所有的风机均面向来风方向(迎着风且风机叶片与风向大致垂直)，同时与风向成左右对称分布。
优选地，所述三角形为正三角形或等边三角形。此外，各风机22之间的间距设置成工作时在前的两个风机22不会影响在后的风机22，风机22的尾气大体上以1：0.04的斜率向外扩散。根据该斜率，可以计算出两个风机22(尤其两个在前的风机)之间的间距。此外，连接梁13与浮筒12之间以及连接梁13本身之间可以设有斜撑14和15加固。
浮筒12的尺寸与深度是依据要保证风机在工作状态时受风载倾斜不超标而定的。通常，风机在工作状态下其倾斜度不应大于10°。根据美国NREL机构所建的模拟分析可知，对于5MW的海上风机而言，其在工作环境下产生的倾覆力大约为250000kNm、即25000t·m，若三角形的边长为260米(即风机叶片直径120米的2.2倍)，则浮筒12的浮力变化应为3×25000/260＝288t。以常用的10米直径的浮筒12为例，浮筒12的上下位移为3.7米，即可承载288t，转角为0.8°，弹性转角为2°，因此合起来不超过3°。即使左右两个浮筒12受海浪作用各移位±4米，转角也是约3°，总共不超过6°，仍未超过以上10°的限值。因此，可以看出根据本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备在工作状态下是非常稳定的。
从图2的示意性俯视图可以看出，缆索31、32一端分别系于处于三角形顶点位置的浮筒12的底部，然后另一端斜角地向位于三角形半潜筏式随风转向风力发电设备的距其中一个边(在图2中为上边)一段距离的偏心位置点35处汇合，汇合后再经由一缆索36系于海床2上事先制备好的基础37(参见图3和4)。所述基础37可以是桩承台式或重力式结构。
缆索31、32、36与海水浮力形成相反的作用力达到平衡。汇合点35处由专用的铰链结构形成，该结构除了可供各缆索31、32和36锚固以外，还允许缆索31、32绕缆索36转动、尤其绕汇合点35转动，也就是说，缆索36在汇合点35处实际上于水下形成了一风力发电设备可绕之转动的旋转轴39。
本发明的这种三角形半潜筏式随风转向风力发电设备采取两种手段确保在水下固定。手段之一就是采用上述缆索31、32和36实现单索张力腿式固定。在这种固定手段中，张拉可以是先将半潜筏灌水下沉至某一深度，拉紧缆索36，排水令半潜筏上升，上升浮力由缆索36承受，传至基础37。水平荷载使半潜筏发生水平位移，令垂直缆索36发生偏移。缆索36偏移后的水平分力平衡作用于半潜筏的水平力。作用于半潜筏的倾覆弯矩则由浮筒的上下位移产生的浮沉力平衡。固定手段之二就是当风暴潮来临时，各浮筒放下船锚，作多点锚固，待风暴潮过后，收起船锚，继续工作。
优选地，为了在风暴潮时将半潜筏灌水下沉坐于海床上避免特大巨浪对连接梁13的损害，各浮筒12的底部加上一着陆块。由于半潜筏自重已差不多被浮力抵消，所以在海床上施加的坐力不大。着陆块成一向下尖突的锥体16(参见图17)，使能插入海底2中，增加横向阻力。
转看图2，从俯视图中可以明显看出，缆索36与缆索31、32的汇合点35(旋转轴39)与三角形的形心50是分开的。具体地，从图4可以看出，汇合点35更偏向于图2中的三角形的顶边。
以下参照图5(1)至(6)详细说明根据本发明的三角形半潜筏式风力发电设备的自动随风转向原理。假设海上由吹北风转刮东南风，三角形半潜筏式风力发电设备正处于如图5(1)所示的状态。此时，风的合力线并不同时穿过设备的形心50和旋转中心(即汇合点35)。此时，在各风机22本身的叶片方向不动的情况下，由于风的合力线与汇合点35之间的距离产生了顺时针方向的力矩，使得三角形半潜筏式风力发电设备绕着旋转轴39顺时针方向逐步旋转，如图5(2)至5(6)所示，最终旋转到三角形半潜筏式风力发电设备的前两个风机恰好迎向风的位置，在此状态下，风的合力线与汇合点35之间的距离为零，不再产生使得三角形半潜筏式风力发电设备旋转的力矩。由此，三角形半潜筏式风力发电设备总是会自动保持处于迎风的状态。
由此可以看出，本发明所基于的原理前提主要是在均匀风场作用下，风的合力线经过风力发电设备的形心50。若本发明所采用的三角形为等边三角形，则上述形心50即设备的重心或质心51。因此，在本发明范畴内所提到的形心指的是在每个风力发电设备受到水平风力作用时，水平风的合力作用线所经过的那个中心点。
从以上可以看出，采用本发明的这种半潜筏式风力发电设备，无需额外能量驱动风力发电机(以下简称电机)22的叶片转向就可以自动地使得每个电机22根据风向而变，从而始终处于最佳的风力发电状态，与现有技术相比，无需专门的设备就可以实现针对风向的自动调整，大大降低了海上风力发电设备的制造、运营成本，提高了发电效率。
应当清楚，从俯视图中观看，汇合点35与形心50之间的距离可以按照需要任意调整，例如通过改变缆索31和/或缆索32的长度来进行调整。基本上，二者之间的距离越大，则在海上随风调整的速度就会越快。另外，还可以想到汇合点35可以不像图2的俯视图中所示那样位于三角形投影区内，而是可以位于三角形投影区外。
图6至9示意性示出了根据本发明的另一实施例的三叉星形半潜筏式随风转向风力发电设备。所述星形半潜筏式随风转向风力发电设备包括三个处于一想象的等边三角形顶点位置的浮筒12，这三个浮筒12在水面1下由连接梁13相互连接。例如，连接梁13在水面1下约14米或更深，这样可以避免海浪对梁的不利影响。与图2所示不同的是，三个连接梁13仅仅在等边三角形的内部呈星形的方式彼此相连。同样，连接梁13与浮筒12之间以及连接梁13本身之间可以设有斜撑14和15加固。此星形半潜筏的形心50恰为该想象的等边三角形的形心。
各风机22之间的间距设置成工作时在前的两个风机22不会影响在后的风机22，风机22的尾气大体上以1：0.04的斜率向外扩散。
从图6的俯视图可以看出，在每个浮筒12的底部也系有缆索31、32，但是仅仅与工作时在后的风机22对应的浮筒12所系的那根缆索31与相应的连接梁13重合，其它两个缆索32均与各自的连接梁不重合。由此，缆索31、32的汇合点35沿着缆索31的纵向偏离形心50，更靠向工作时在前的两个风机22之间的连线。如图7和8所示，自汇合点35处一缆索36连接至海床2上事先制备好的基础37。汇合点35处由专用的铰链结构形成，该结构除了可供各缆索31、32和36锚固以外，还允许缆索31、32绕缆索36转动，也就是说，缆索36实际上在水下形成了一风力发电设备可绕之转动的旋转轴39。
虽然以上仅仅介绍了三叉星形半潜筏，但是本领域技术人员应当清楚具有三个以上任何数量的叉的星形半潜筏均可以在本发明中采用。
图9基本上示意性示出了这种星形半潜筏式风力发电设备的随风转向过程，由于基本原理与图5类似，在此不做冗述。
图10至12示意性示出了根据本发明的另一实施例的T形半潜筏式随风转向风力发电设备。T形半潜筏式随风转向风力发电设备可以视为对三叉星形半潜筏式随风转向风力发电设备的进一步改进，主要是将水下连接梁13的连接点移至其中两个浮筒12中心连线上的中点，除此以外，其它特征均与星形半潜筏相同。这种T形半潜筏式随风转向风力发电设备的优点在于重心和浮心同时移向直边的柔性旋转轴，这样在加张力于单索锚时，半潜筏有较平均的沉降。
应当清楚无论是星形还是T形半潜筏式随风转向风力发电设备均可以采用前面已经提到的水下固定手段，因此这里不再冗述。
图13至16(B)示意性示出了根据本发明的另一实施例的梯形半潜筏式随风转向风力发电设备。
如图13所示，与三角形、星形或T形半潜筏不同的是，在这种梯形半潜筏式随风转向风力发电设备中布置有两排浮筒12，一排浮筒12为五个，另一排浮筒12为三个。在一排五个的浮筒12中间隔地安装有三个承载风机22的风机塔21，并且在一排三个的浮筒12中间隔地安装有两个承载风机22的风机塔21。风机22之间的间距采用1.8D至2.0D。若以风机22单机功率5MW计算，其叶片直径D达120米。1.8D至2.0D的间距将是216至240米。浮筒排与排之间的距离取风机22的叶轮直径1.0倍或风机塔21的高度，两者取最大者。
水下连接梁13连接各浮筒12的底部，形成一梯形框架。在工作时，迎风面是装有两台风机22的那个浮筒排，其尾气刚好落在后排风机间的空隙，并不覆盖后排风机。两排浮筒大小可不一样，调整浮筒的大小主要目的是要重心与浮心在平面上是靠近的。
在这种梯形半潜筏式随风转向风力发电设备中，缆索41、42分别系于前排的浮筒12底部，且经由缆索铰链40连接在海底2中事先制备的基础37上。同样，基础37可以是桩承台式或重力式结构。从竖直投影方向看，该基础并不位于梯形半潜筏的投影面内，而是距前排的浮筒12一定距离。缆索铰链40为专用的铰链结构，该结构除了可供各缆索41和42锚固以外，还允许缆索41、42转动，也就是说，缆索铰链40实际上在水下形成了一风力发电设备可绕之转动的旋转轴39，如图15所示。
与前述三角形半潜筏类似，本发明的这种梯形半潜筏式随风转向风力发电设备可以采取两种手段确保在水下固定。手段之一就是采用上述基础37固定这种梯形半潜筏，其中在基础37处可以设置转盘装置，该转盘装置系接缆索41、42，通过该转盘的旋转驱动缆索41、42绕旋转轴39旋转。固定手段之二就是在各浮筒12处设置船锚，工作时收起，遇风暴潮时下锚抗风浪。优选是将半潜筏灌水下沉坐于海床2上(水深在一定范围内才可施行)。
图17示意性示出了为了在风暴潮时将半潜筏灌水下沉坐于海床上避免特大巨浪对连接梁13的损害，各浮筒12的底部要加上一向下尖突的锥体16，使之能插入泥土中，增加横向阻力。海床附近应预先查明在哪几个位置可着陆。电脑控制风机头转向利用风力令半潜筏转至最近着陆位置沉降。待风暴潮过去，若是下了船锚，则收起船锚；若是下沉避风浪，则排水上升半潜筏，利用机载电脑或通过遥控根据现场实测的风场，转动风机头，利用风力旋转半潜筏至工作迎风面，开始工作。
参看图16，梯形半潜筏的自动转向原理与三角形、星形或T形半潜筏相同。即，由于旋转点39与由水平风的合力作用线经过的形心50并不重合，导致若作用于形心50的半潜筏的水平风的合力作用线不经过旋转点39的话，则会令半潜筏旋转以使得风水平合力作用线同时经过形心50和旋转点39为止。以上随风自动转向过程均是在风机22本身叶片并未被驱动转向的前提下实现的。
当然，本发明各实施例中所考虑的风力发电设备也可以为每个风机22配备转向装置，从而根据风向的转变，机载电脑或遥控系统可以指示电机22的机头转动，从而利用风力推动半潜筏转动到迎风面，继续工作。
虽然在上述实施例中，均采用缆索31和32或41和42固定于浮筒，然后再在汇合点35处能够旋转地与缆索36或40相连，但是作为替代地也可以想到的是省略缆索31和32或41和42，而直接在半潜筏上与汇合点35对应的位置安置专用的铰链，该铰链再与缆索36或40相连，这样半潜筏同样可以实现上述随风转向过程。
在上述各实施例中，半潜筏上的风机输出电缆经整合后汇成一组输出电缆。对于三角形、星形或T形半潜筏式风力发电设备而言，输出电缆沿其中一根缆索31、32或36直达海底2的锚固基础37；或者对于梯形半潜筏式风力发电设备而言，输出电缆沿一根缆索41或42直达海底2的锚固基础37，然后沿海底2接驳到近岸或岸边的变电站。在半潜筏与海底锚固基础37之间的这一段的海底电缆要有足够的富余长度，以供电缆随半潜筏转动时绕旋转轴39旋转所需的长度。这段长度可考虑可容半潜筏绕轴旋转最少几圈的工况。半潜筏也可设计成有主动旋转功能。筏上内置电脑可记录半潜筏转动角度。当转动角度已接近容许值时，若风的方向再改变，强迫半潜筏跟着转会超过此容许值时，结合气象报告分析，改变后的风向将持续一段时间，则电脑命令风机转向，利用风产生的力矩，将半潜筏回转360°，释放接近容许缠绕限度的电缆。在有风暴潮来时，采用每个浮筒上预设的锚固系统，即多点锚固系统，将各浮筒预置的船锚抛锚稳住半潜筏作多点锚固，令半潜筏不能随风转向，保护电缆。
图18以三角形半潜筏式风力发电设备为例，说明了如何根据气象预报事先调整转动而避免电缆缠绕阻止半潜筏随风转向。首先，根据图18(A)，目前的风向为北风，且海底输电电缆已事先逆时针旋转了225°，但是根据天气预报，马上会转为西北风。在这种情况下，倘若不对半潜筏进行调整，半潜筏势必将会继续逆时针自动随风转向。若这种情况真的发生，很有可能海底输电电缆将会过度缠绕，阻止半潜筏转向。因此，现在需将半潜筏顺时针提前旋转一周，缓解电缆的扭转。为此，如图18(B)至(H)所示，依次分别驱动相应的电机调向，从而在当前北风的带动下，可以控制半潜筏原地转向360度，从而缓解海底电缆的缠绕而为即将来到的西北风提前作准备。
尽管以上示意性介绍了本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备的示意性实施例，但是本领域技术人员应当清楚本发明并不限于已经说明的内容。例如，对于三角形半潜筏式随风转向风力发电设备而言，可以取工作时迎风位于前方仅仅是一个风机的工况，这样，如图2所示的汇合点35在从上方投影方向观察时，将相反地设置在更靠近图2中的下方浮筒12的位置处，以确保在该下方的浮筒12并不恰好迎风时，风的水平合力线经过形心50而不经过汇合点35，产生导致半潜筏随风转向的力矩。同样的改型也适用于本发明的星形、T形或甚至梯形半潜筏式随风转向风力发电设备。总之，根据本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备需设置成，在所述合力作用线同时经过所述形心或质心和所述旋转中心的情况下，所述旋转中心相对于所述形心或质心迎风处于在前的位置。
此外，本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备中所采用的风机数量不限，但应确保浮筒数量至少大于或等于风机数量，只要确保从上方投影方向观察，半潜筏的形心比半潜筏的旋转中心更远离在工作时迎风那侧的风机即可。
本发明的半潜筏结构为预应力混凝土结构，便于实现半潜工况。这种半潜筏在海上预制建造方法类似建桥用的节段拼装法，先在海上寻找水深足够承接平台吃水深度的海域，在该海域于每个预备拼装浮筒的位置捶打海桩。拼接后的半潜式平台，可继续在浮筒上安装风机及水下的缆索，或待后才安装此等设备。移除浮筒与定位桩的定位连接头，半潜式平台浮出，完成预制。
待多个本发明的半潜式随风转向风力发电设备预制好后，在合适的海域可以组成如图1B所示的风力发电场。这种风力发电场除了可以自动随风转向从而提高发电效率以外，还显著节省了海底输电电缆的长度，提高输电效率。
在本发明的上述实施例中，海底基础(重力锚)37的设计是保证在风暴潮的极限状态下不会出现很大的位移。一个可行的办法是如图3所示在海底2挖一个坑3，把重力锚37置于坑3中。重力锚要离开坑3必须是要先上移，而上移要求的能量很大。设计时注意风暴潮在上下运动的能量能有多少会转移到重力锚37。另外一个方法是如图7所示在下锚37的海底2先以斜桩6从四面打到海底2。桩头6突出海床面成为围着重力锚37的桩头6。重力锚37被困在众桩头6中间，重力锚37要离开必须要先上移至高于桩头6，这样需要很大的能量才可以实现。根据风暴潮所含的能量中其垂直能量有多少用于把重力锚37提升，然后按这个能量来估算所需的重力。如采用桩承台和桩基组合，桩基的设计是在风暴潮的极限状态下桩基受力下不超出极限值。
以下参照图19仅仅示意性地介绍本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备的施工建设方法。本领域技术人员应当清楚，这些具体步骤并非对本发明的施工建设方法进行限制，施工单位可以根据自身设备及技术进行相应取舍。
1.采用节段对接浇筑方法在陆地工厂预制混凝土浮筒12和连接梁13。
2.选一个浪很小的海湾，在岸边拼装连接梁13。采用桥梁拼装方法，在岸边将连接梁的节段拼成若干段，例如50米一段。
3.梁段两端临时封密，平移浮于海上，再以成熟的施工工艺用预应力把梁段连接起来。
4.如图19(A)和(B)，在预计放浮筒12的地方围打定位桩48，定位桩最少3根，定位桩露出水面一段施工距离。定位桩分上下两部分，上部桩是活动的，可以拆除而不阻碍半潜筏浮离。
5.如图19(C1)所示，将第一节浮筒12A浮运置于定位桩的位置，调校水面与垂直位置，临时固定在定位桩上。连接梁13浮运至安装点，对准浮筒12A，同时连接二者之间预设的临时连接板块。用防水模板49从下方与两侧封闭连接梁13与浮筒之间的空间，同时所述防水模板49高出水面。连接梁13距浮筒12一短距离，预留每边两米作现浇连接段，方便现场湿接。模板封装后，抽干防水模板49内积水，绑扎钢筋。按一般工程做法绑扎，并加上预应力粗钢筋套管，下水下混凝土50。待水下混凝土强度足够后，安装预应力粗钢筋，张拉预应力完成浮筒第一节12A与水下梁13的连接。
6.当所有浮筒都被连接起来后，如图19(C2)至(C4)所示，将浮筒的其余节段12B、12C、12D也叠加上去，并用预应力连接。半潜筏完成。由于其基座面积大，所以非常稳定，且自浮于水上。
7.风机可在半潜筏完成后安装，底部的缆索也可在此时安装。拆除活动的上部定位桩，浮出半潜筏，开始浮运至安装海域。
8.海域现场主要工作是准备基础。可采用桩台式，但更方便是采用沉箱。可在现场沉箱位置开挖一坑3，大小能足够沉箱坐下，根据实测深度及预沉量，调整沉箱缆索的长度，沉箱(此时是空箱)连同半潜筏一起灌水下沉，沉箱坐于海床开挖的坑上，向沉箱加载沙石等物料填满沉箱，排除半潜筏灌入的积水，上升半潜筏至与缆索力成平衡，安装完毕。接驳海底电缆，即可发电。
本发明的半潜筏式随风转向风力发电设备，由于有半潜筏，可将几个风机相连。由于半潜筏可以随风向转动至风机永远迎风，风机间距不需要大，这样半潜筏造价就不高。以混凝土结构为例，每千瓦的安装造价和陆上风电安装造价上限差不多。一般近岸的固定式海上风电场安装造价是陆地上的1.5至2.0倍，远海、深海的还未有先例，估计比近岸的还要贵。可见本发明技术方案的经济效益特佳，外海地方空旷，可大量布置，对绿色能源的开拓帮助很大。此外，本发明的风力发电场尤其适合于海上城市建设的需求。另外，外海的风力强劲而稳定，可用小时数高，更增加其发电量。预应力混凝土结构半潜筏设计寿命100年以上，比钢浮台25年期的设计寿命长得多。若以全寿命计算其造价，同一结构，其上的风机已经历了4代，摊分的建造成本更低。本发明的应用可使外海风电场能于短期内变成现实并普及，能大幅减少温室气体的排放，是一个非常环保且性价比极高的产品。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (27)

1.一种半潜筏式随风转向水上风力发电设备，其包括：
由至少三个浮筒和连接梁组成的半潜筏；
至少三个在所述半潜筏的浮筒上承载的风力发电机；以及
将所述半潜筏能够旋转地经由缆索锚固于水底，
其中，从投影方向看，所述设备在受到水平方向的风力作用时的合力作用线所经过的质心与所述设备的旋转中心不重合，从而在所述合力作用线未同时经过所述质心和所述旋转中心时，总会产生力矩使得所述半潜筏绕所述旋转中心旋转以确保所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心。
2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，在所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心的情况下，风力发电机的叶片垂直于风向。
3.根据前述权利要求任一所述的风力发电设备，其特征在于，在所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心的情况下，所述旋转中心相对于所述质心迎风处于在前的位置。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述半潜筏包括三个浮筒并呈三角形，所述浮筒位于三角形的顶点处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。
5.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述半潜筏包括三个浮筒并呈三叉星形，所述浮筒位于三叉星形的末端处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。
6.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述半潜筏包括三个浮筒并呈T形，所述浮筒位于T形的末端处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。
7.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述半潜筏包括八个浮筒并呈等腰梯形分成两排：一排为5个浮筒、另一排为3个浮筒，并且所述风力发电机为5个，分别间隔1个浮筒地布置在所述两排浮筒中，具有两个风力发电机的那排浮筒迎风位于前方。
8.根据权利要求4所述的风力发电设备，其特征在于，自每个浮筒底部固定有一根缆索，且三根缆索在一从投影方向看与所述旋转中心重合的位置处汇合，然后经由铰链可以旋转地锚固于水底的缆索相连。
9.根据权利要求5所述的风力发电设备，其特征在于，自每个浮筒底部固定有一根缆索，且三根缆索在一从投影方向看与所述旋转中心重合的位置处汇合，然后经由铰链可以旋转地锚固于水底的缆索相连。
10.根据权利要求6所述的风力发电设备，其特征在于，自每个浮筒底部固定有一根缆索，且三根缆索在一从投影方向看与所述旋转中心重合的位置处汇合，然后经由铰链可以旋转地锚固于水底的缆索相连。
11.根据权利要求7所述的风力发电设备，其特征在于，自迎风位于前方的那排浮筒中的每个浮筒底部固定有一根缆索，这些缆索在所述旋转中心处汇合，然后经由铰链可以旋转地锚固于水底的缆索相连。
12.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，每个浮筒配备有船锚。
13.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述浮筒的底部选择性配备有朝向水底的锥体。
14.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，每个风力发电机能够根据指令旋转机头方向。
15.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，迎风在前的风力发电机布置成其尾流不会影响在后的风力发电机。
16.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，锚固于水底的缆索能够控制成选择性将所述半潜筏牵拉到水中合适深度。
17.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，缆索经由重力锚而锚固于水底。
18.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电设备是海上风力发电设备。
19.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述半潜筏包括三个浮筒并呈等边三角形，所述浮筒位于三角形的顶点处，工作时，两个风力发电机迎风位于前方。
20.一种水上风力发电场，其包括多个根据前述权利要求任一所述的半潜筏式随风转向风力发电设备。
21.根据权利要求20所述的水上风力发电场，其特征在于，其是海上风力发电场。
22.一种根据权利要求1至19任一所述的半潜筏式随风转向水上风力发电设备的建造方法，其包括：
采用节段对接浇筑方法在陆地工厂预制至少三个混凝土浮筒和连接梁；
将连接梁两端封闭，并且将混凝土浮筒和连接梁浮移到水上；
在预计放所述浮筒的地方围打至少三根定位桩；
将浮筒的第一分段临时定位在所述定位桩中；
在水上将连接梁与浮筒的第一分段预应力相连并在连接处灌注混凝土，使它们成为一体；
将浮筒的其余节段依次叠加在浮筒的第一分段上，并用预应力连接，形成半潜筏；
在所述浮筒上安装风力发电机；
自每个浮筒底部连接一根缆索，各缆索在一汇合点处汇合；
自该汇合点能够绕其旋转地将所述半潜筏经由一缆索连接至水底，其中，从投影方向看，所述设备在受到水平方向的风力作用时的合力作用线所经过的质心与所述设备的旋转中心不重合，从而在所述合力作用线未同时经过所述质心和旋转中心时，总会产生力矩使得所述半潜筏绕所述旋转中心旋转以确保所述合力作用线同时经过所述质心和所述旋转中心。
23.根据权利要求22所述的建造方法，其特征在于，所述半潜筏经由缆索连接至水底的步骤包括在水底锚固位置开挖一坑，大小能足够沉箱坐下，将经由缆索与所述汇合点相连的空心沉箱连同半潜筏一起灌水下沉，沉箱坐于水底开挖的坑中，向沉箱加载物料填满沉箱和/或回填开挖的坑，排除半潜筏灌入的积水，上升半潜筏至与缆索力成平衡。
24.根据权利要求22或23所述的建造方法，其特征在于，灌注混凝土的步骤包括在所述浮筒的第一分段与所述连接梁之间的空间利用防水模板封闭，并将水抽干净之后，绑扎钢筋，然后灌注混凝土。
25.根据权利要求22或23所述的建造方法，其特征在于，所述半潜筏经由缆索连接至水底的步骤包括在水底锚固位置向四个方向打入斜桩，中间空出位置刚好容纳沉箱而且桩头要高于沉箱，将经由缆索与所述汇合点相连的空心沉箱连同半潜筏一起灌水下沉，沉箱坐于斜桩合围的空间内，向沉箱加载物料填满沉箱，排除半潜筏灌入的积水，上升半潜筏至与缆索力成平衡。
26.根据权利要求25所述的建造方法，其特征在于，所述物料包括沙石。
27.根据权利要求22或23所述的建造方法，其特征在于，所述方法是用于半潜筏式随风转向海上风力发电设备的建造。
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