CN107539434B - 海上风力发电机组及其漂浮式基础 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风力发电机组及其漂浮式基础，所述漂浮式基础包括基础主体(3)，所述基础主体(3)包括第一外框架(34)和设置在所述第一外框架(34)内的第一气囊(31)。通过上述漂浮式基础，可显著降低基础主体(3)的制造成本并提供足够高的强度来支撑整个机组，提高经济性和耐用性，同时可靠地将从上向下传递的载荷传递到海水并为机组提供浮力作用，提高机组稳定性。

Description

海上风力发电机组及其漂浮式基础
技术领域
本发明涉及海上风力发电技术领域，具体地说，本发明涉及一种海上风力发电机组及其漂浮式基础。
背景技术
目前海上风力发电机组的漂浮式基础大体上有立柱式、张力腿式、半潜式和驳船式等各种类型的基础。因为海上风力发电机组的塔筒及安装在塔筒上的机舱的总重量较大，所以对漂浮式基础的结构强度和所能够提供的浮力要求较高。现有的一种浮台式海上风力发电机组的基础结构采用钢板封闭式基础，即，利用钢板形成漂浮式封闭空间，类似的漂浮式基础都是封闭式空箱，还有一些漂浮式基础形式采用封闭式立柱。
这种封闭式式基础的钢材消耗量大，导致造价成本相对较高且材料运输困难，施工困难加大，稳定性差，在定位时难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海上风力发电机组的漂浮式基础，以提高海上风机及其基础的稳定性，降低造价成本，提高经济性和耐用性。
本发明的另一目的在于提供一种海上风力发电机组。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种用于海上风力发电机组的漂浮式基础，所述漂浮式基础包括基础主体，所述基础主体包括第一外框架和设置在所述第一外框架内的第一气囊。
优选地，所述漂浮式基础还包括多个平衡翼，所述多个平衡翼从所述第一外框架的外边缘呈辐射状水平延伸。
优选地，所述平衡翼包括连接架和浮体，所述连接架的一端与所述第一外框架连接，另一端与所述浮体连接。
优选地，所述浮体包括第二外框架和设置在所述第二外框架内的第二气囊，或者所述浮体由多个刚性板围合而成，所述多个刚性板内部为封闭腔体。
优选地，所述第一气囊和所述第二气囊中的至少一个为单个气囊，或者为由多个气囊构成的组合式气囊。
优选地，所述组合式气囊的组合方式包括多个气囊上下堆叠、多个瓣状体水平布置、多个块状体水平布置和多个环状体水平布置。
优选地，所述第一气囊和所述第二气囊中的每一个包括外层、内层和设置在所述外层与内层之间的中间层，所述外层由不透水膜形成，所述中间层由聚酯带形成，所述内层由钢丝帘形成。
优选地，所述第一外框架和所述第二外框架中的至少一个包括形成底表面部分和侧表面部分的刚性框架以及形成上表面部分的索线。
优选地，所述漂浮式基础还包括连接在所述第一外框架上的多个过渡架，用于与海上风力发电机组的塔筒连接。
优选地，所述多个过渡架以周向均匀分布的方式连接在所述第一外框架的外边缘上。
优选地，所述基础主体和所述浮体中的至少一个呈圆饼形、圆筒形、半球形或环形。
优选地，所述漂浮式基础还包括连接在所述基础主体和所述平衡翼之下的多个牵引索；所述漂浮式基础还包括通过缆绳悬垂于所述基础主体之下的多个重力锤，所述重力锤呈球形或立体多边形，所述重力锤由混凝土材料形成；所述第一外框架和所述第二外框架中的每一个包括多个相互连接的钢管、钢梁、爆炸复合钢框架或耐腐蚀的复合材料框架。
根据本发明的另一方面，提供了一种海上风力发电机组，包括塔筒，所述塔筒下方连接有上述漂浮式基础。
通过本发明所提供的漂浮式基础，利用气囊填充在第一外框架内侧，便于运输和现场安装，并且可显著降低基础主体的制造成本并提供足够高的强度来支撑整个机组，提高经济性和耐用性，同时可靠地将从上向下传递的载荷传递到海水并为机组提供浮力作用，另外通过设置类似结构的平衡翼，显著提高了机组整体稳定性及抗倾覆能力。
另外，还可以将平衡翼的浮体的结构设置成与基础主体的结构类似，从而能够进一步降低浮动式基础的成本，并且能够总的浮力，从而增加了弯矩抵抗能力，进一步提高了风力发电机组整体稳定性以及抗倾覆能力。
气囊还可以采用组合式气囊，从而相对于尺寸相对较大的浮动式基础而言，在保证强度和所提供的浮力和稳定性的前提下，更加便于运输和现场装配。另外，相对于单个或整体式气囊，多个组合式气囊还可以确保在其中一个气囊漏气时还能够存在其他气囊继续为海上风力发电机组提供支撑和浮力，同时，还可以在预定数量的气囊发生破损时再进行维护，因而可减少维护次数，降低维修难度。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的海上风力发电机组的结构示意图；
图2是图1所示的基础主体的结构示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的平衡翼的结构示意图；
图4是根据本发明的另一实施例的平衡翼的结构示意图。
附图标记说明：
1：塔筒，2：过渡架，3：基础主体，31：第一气囊，32：上表面部分，33：侧表面部分，34：第一外框架，4：平衡翼，41：连接架；42：浮体，421：第二外框架，422：第二气囊，5：重力锤，6：牵引索，7：连接架。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
参照图1至图4，图1是根据本发明的实施例的海上风力发电机组的结构示意图，图2是图1所示的基础主体的结构示意图，图3是根据本发明的一个实施例的平衡翼的结构示意图，图4是根据本发明的另一实施例的平衡翼的结构示意图。
根据本发明的实施例，提供了一种用于海上风力发电机组的漂浮式基础，该漂浮式基础直接置于海面上，利用浮力来支撑机组的塔筒1、机舱、发电机和叶片等结构。
漂浮式基础包括放置于海面上的基础主体3以及连接在基础主体3与风力发电机组的塔筒1之间的多个过渡架2，从而将风力发电机组上方的载荷传递到基础主体3进而传递到海水。在基础主体3的周围还连接有同样处于海面上的多个平衡翼4，以增加漂浮式基础的可入水线长度，增加基础的浮力作用和弯矩抵抗能力。
具体地说，基础主体3可具有各种合适的形状，且其形状大体上是规则的，在各个竖直方向上可以是对称的。例如，基础主体3可大体上呈圆饼形状，其可具有上表面、下表面和竖直侧面。或者，基础主体3也可为圆筒形、半球形、漏斗状或者环形，在基础主体3呈半球形的实施例中，其水平面朝上而与海面平行，半球面朝下使得大部分处于海水中。
基础主体3可以具有第一外框架34和设置在第一外框架34内侧的第一气囊31，第一气囊31内部为封闭腔体，为海上风力发电机组提供浮力。
第一外框架34可以为一体式结构，由多个相互连接在一起的钢管形成，或者，也可以由多个钢梁相连接而成。
此外，形成第一外框架34的材料还可以包括爆炸复合钢材料或者其他耐腐蚀的复合材料形成，只要第一外框架34具有足够的强度并且耐腐蚀、耐磨即可。第一外框架34的相连接的节点处可以根据所使用的材料而采用焊接、粘结等各种合适的连接方式。
除此以外，第一外框架34中的某些部分除了采用刚性框架以外，还可以采用柔性框架形成，例如可以采用诸如预应力钢绞线的索线。在本发明的一个实施例中，第一外框架34的上表面部分32可以采用钢绞线相连接形成，而诸如竖直的侧表面部分33和底表面部分的其他部分可以采用刚性框架形成。也就是说，第一外框架34的上表面部分32可被形成为钢索网，而能够从上方限制第一气囊31变形。
第一气囊31可以仅包括一个整体式气囊，这样的气囊填充在第一外框架34的整个内部空间。此外，第一气囊31还可以为组合式气囊，其可包括多个一同填充第一外框架34内部空间的多个气囊，因为基础主体3的尺寸相对较大，优选地可采用组合式气囊，相比于整体式气囊，组合式气囊的各个气囊单体的尺寸相对较小，以便于运输和现场安装，简化结构。这样在装配时，可一个个地安装各个尺寸相对较小的气囊。并且，当其中一个或若干个气囊发生破损时，其他气囊还可以继续提供足够的支撑，从而可减少维护次数，并降低维护难度，有助于提高基础主体的使用寿命。具体在维护时，在其余气囊能够提供足够支撑的情况下，可仅仅把破损的气囊取出，也可以将气囊修补或利用新的气囊再次填充到基础主体内，而不必整体替换气囊。另外，气囊的材料相对于钢材来说成本较低，因此，基础主体材料气囊结构还可以在一定程度上降低制造成本。
这些气囊的排布或组合方式可以采用任何合适的方式。例如，组合式气囊可以采用上下堆叠的方式，或者可以采用在水平面内以各种不同形状的多个单体布置或组合在一起的方式，各个单体的形状可以为瓣状、块状或环状等各种形状。组合式气囊也可以采用以上组合方式中的多种方式相结合的方式形成，也可以采用多种不同形状的单体组合而成。具体地可以根据应用场合和机组尺寸等选择合适的组合方式。
每个气囊均可由高强度、耐腐蚀材料形成，例如，气囊均可包括相粘结在一起的外层、内层和处于两者之间的中间层，外层可由不透水膜形成，中间层可由聚酯带形成，而内层可由内置有钢丝的帘布形成。当然，中间层和内层还可以采用其他强度较高的材料，同时气囊还可以设置有其他的层，如两层或四层以上，这些层可以采用其他材料形成，只要气囊能够具有足够的强度，耐腐蚀，并且不透水即可。
在对气囊进行充气时，可先将气囊放入第一外框架34内，然后可以根据气囊的具体形式整体充气或分块定制充气。当然，也可以根据具体尺寸和安装现场情况采用其他合适的充气方式。充入到气囊中的气体可以是空气，也可以是其他任何合适的气体，例如氮气、氦气等。
漂浮式基础的过渡架2可以连接到第一外框架34的外边缘处，例如，在基础主体3呈圆饼状时，可以连接到竖直的侧表面部分33的上端。过渡架2的数量可以为4个，其可以在周向上均匀分布，形成四爪形式，从而将风力发电机组的载荷分散传递到基础主体3，使基础主体3受力均匀。当然，过渡架2的数量也可以多于4个。在载荷传递方面，风力发电机组上的载荷先从塔筒1传递到过渡架2，然后到达基础主体1的外边缘框架处，之后载荷通过外边缘框架传递到气囊，经由气囊而传递到海水。
过渡架2与竖直方向之间具有一定的夹角，以尽可能减小传递到基础主体3上沿竖直方向的载荷，从而减小基础主体3在竖直方向上的振动幅度，例如，过渡架2与竖直方向之间的夹角可以为40-50度。过渡架2可以采用高强度钢材形成。
漂浮式基础的多个平衡翼4可呈辐射状从第一外框架34的外边缘延伸，其可包括连接架41和浮体42，其中，连接架41的一端与第一外框架34的外边缘连接，另一端与浮体42连接，浮体42也具有封闭式空腔，从而也能够提供一定的浮力，而连接架41则能够在浮体42与基础主体3之间进行力传递。连接架41所连接到的第一外框架34的边缘可为基础主体3的刚性框架部分。例如，在上述基础主体3为圆饼状的实施例中，连接架41可以连接到竖直的侧表面部分33，该侧表面部分33优选为刚性的。
与基础主体3类似，浮体42也可采用各种合适的形状，例如，圆饼形、圆筒形、半球形或环形。连接架41可以具体地为钢桁架，也可以采用其他形式的钢架。连接架41可以为悬臂式钢架。
多个平衡翼4可以沿周向均匀分布地连接到基础主体3的外边缘，例如，可以在基础主体3的周围连接4个或更多个平衡翼4，从而能够增加漂浮式基础的可入水线长度，增大漂浮式基础所受到的总的浮力，同时也增大了漂浮式基础与水接触的截面范围，从而增加了弯矩抵抗能力，进一步提高了风力发电机组整体稳定性以及抗倾覆能力。
浮体42的结构可与基础主体3的结构类似。即，浮体42也可以采用外框架和气囊的结构形式。如图3所示，浮体42包括第二外框架421和设置在第二外框架421中的第二气囊422，以便于运输和现场安装，并能够简化后期的维护，同时因为气囊材料的成本相较于钢材等较低，从而还可以降低制造成本。因为浮体42的尺寸相对较小，第二气囊422优选地采用单个气囊，具体结构在此不再赘述。当然，第二气囊422也可以与第一气囊31类似，为由多个气囊构成的组合式气囊。
除此以外，平衡翼4还可以采用封闭式钢筒结构43，即，可以采用多个钢板封闭而成，其内部为密封空腔，如图4所示。
除了以上结构以外，根据本发明的实施例的漂浮式基础还可以包括多个牵引索6，这些牵引索6可以连接在基础主体3和平衡翼4的下方，其下端可锚固于海底，从而能够限制漂浮式基础的水平位移，固定其位置。
牵引索6的数量和尺寸可以根据机组的重量和环境因素等设定，牵引索6的总数量可以根据单根牵引索的直径增大而减少。牵引索6可以为耐腐蚀的高强度钢索，且每个牵引索6与竖直方向之间的夹角可以为0-45度。
漂浮式基础还可以包括连接在基础主体3之下的多个重力锤5，以增大漂浮式基础的惯性，增大阻尼，降低风力发电机组及其漂浮式基础的重心，以提高风力发电机组的稳定性。
重力锤5可以通过缆绳悬垂于基础主体3下方，这些重力锤5可以均匀地分布，以对基础主体3施加均匀的载荷。重力锤5的形状可以包括任何合适的形状，例如，球形、立体多边形等。同时，重力锤5还可以采用任何合适的材料制成，例如，混凝土或高密度金属材料形成，只要能够具有足够的重量即可。
根据本发明的另一实施例，还提供了一种海上风力发电机组，包括塔筒1，在塔筒1的下方连接有上述漂浮式基础，海上风力发电机组的其他结构请参考现有技术，在此不再赘述。
根据本发明的漂浮式基础，采用气囊和第一外框架形成的基础主体3，显著降低了制造成本和运输成本，并且简化了安装流程，同时能够为海上风力发电机组提供足够的浮力，通过设置类似结构的平衡翼，增大了风力发电机组受到的总浮力，从而显著提高了风力发电机组稳定性和抗倾覆能力，使风力发电机组适用于海上环境。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于海上风力发电机组的漂浮式基础，其特征在于，所述漂浮式基础包括基础主体(3)，所述基础主体(3)包括第一外框架(34)和设置在所述第一外框架(34)内的第一气囊(31)，其中，所述基础主体(3)用于支撑海上风力发电机组的塔筒(1)，所述漂浮式基础还包括多个平衡翼(4)，所述多个平衡翼(4)从所述第一外框架(34)的外边缘呈辐射状水平延伸，所述第一气囊(31)为由多个气囊构成的组合式气囊；所述漂浮式基础还包括连接在所述第一外框架(34)上的多个过渡架(2)，用于与海上风力发电机组的塔筒(1)连接；所述平衡翼(4)包括连接架(41)和浮体(42)，所述连接架(41)的一端与所述第一外框架(34)连接，另一端与所述浮体(42)连接；所述浮体(42)包括第二外框架(421)和设置在所述第二外框架(421)内的第二气囊(422)，所述第二气囊(422)为由多个气囊构成的组合式气囊；所述第一气囊(31)和所述第二气囊(422)中的每一个包括外层、内层和设置在所述外层与内层之间的中间层，所述外层由不透水膜形成，所述中间层由聚酯带形成，所述内层由钢丝帘形成，所述钢丝帘是内置有钢丝的帘布；所述第一外框架(34)和所述第二外框架(421)中的至少一个包括形成底表面部分和侧表面部分的刚性框架以及形成上表面部分的索线，所述索线为预应力钢绞线的索线。
2.根据权利要求1所述的漂浮式基础，其特征在于，所述组合式气囊的组合方式包括多个气囊上下堆叠、多个瓣状体水平布置、多个块状体水平布置和多个环状体水平布置。
3.根据权利要求1所述的漂浮式基础，其特征在于，所述基础主体(3)和所述浮体(42)中的至少一个呈圆饼形、圆筒形、半球形或环形。
4.根据权利要求1所述的漂浮式基础，其特征在于，所述漂浮式基础还包括连接在所述基础主体(3)和所述平衡翼(4)之下的多个牵引索(6)；
所述漂浮式基础还包括通过缆绳悬垂于所述基础主体(3)之下的多个重力锤(5)，所述重力锤(5)呈球形或立体多边形，所述重力锤(5)由混凝土材料形成；
所述第一外框架(34)和所述第二外框架(421)中的每一个包括多个相互连接的钢管、钢梁、爆炸复合钢框架或耐腐蚀的复合材料框架。
5.根据权利要求1所述的漂浮式基础，其特征在于，所述多个过渡架(2)以周向均匀分布的方式连接在所述第一外框架(34)的外边缘上。
6.一种海上风力发电机组，包括塔筒(1)，其特征在于，所述塔筒(1)下方连接有如权利要求1至5中任一项所述的漂浮式基础。
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