CN110671280A - 漂浮式风机基础 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种漂浮式风机基础，所述漂浮式风机基础包括环形漂浮结构、压载舱、塔筒安装平台，所述环形漂浮结构包括刚性网箱、浮块，所述环形漂浮结构由多个所述刚性网箱首尾依次固定连接形成，所述刚性网箱内填充有所述浮块，所述压载舱设在所述环形漂浮结构的下方并与所述环形漂浮结构连接，所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上侧；其中，所述浮块为密度小于水的材料制成，或所述浮块为空心密封结构。本发明的漂浮式风机基础水深适应性强、稳性好，不仅可以在深水海域中使用，还可以在30‑50米的过渡水深的海域中使用，采用在网箱内填充浮块的结构，可以大大降低用钢量，降低使用成本。

Description

漂浮式风机基础
技术领域
本发明涉及海上风力发电领域，具体涉及一种漂浮式风机基础。
背景技术
近年来，随着人类对风力资源的开发从近海走向远海，涌现了多种海上漂浮式风机基础形式。目前，具有代表性的漂浮式风机基础方案有半潜式(Semi-submersible)、张力腿式(TLP)和立柱式(SPAR)。其中，半潜式基础方案通常由有斜撑结构连接的多个大型浮筒构件组成。风力发电机通过塔筒连接安装在任意一个浮筒上，利用浮筒大水线面面积和排水体积来保证整机的稳定性。张力腿式基础是一种垂直系泊的漂浮式基础结构，通常由悬浮的浮筒和桁架支撑结构组成，通过刚度较大的张力筋直接连接至海底的锚固结构。其特点是浮力远大于结构自身的重量，结构重心高，通过张力键的拉紧系泊方式保证风机的稳定性。此外，原挪威国家石油公司(Statoil ASA)的Hywind立柱式风机基础是目前唯一商业化应用的漂浮式风机。立柱式风机基础的特点是吃水深、重心低、水线面面积小，其优点是系统稳定性高，但要求水深大才可使用。
总体而言，现有设计的漂浮式风机基础在整体布局方面主要采用单立柱或者多个浮筒、浮箱结构为风机与塔筒提供支撑平台，通过钢梁、箱梁、桁架等构件以焊接或螺栓固定的方式实现各浮筒之间的连接。在结构建造方面，主要采用钢材、钢筋混泥土等材料。
根据漂浮式风机基础的结构特征可知，传统的漂浮式方案各有其应用的局限性。例如，半潜式和张力腿式基础方案通常由有斜撑或箱梁连接的多个大型浮筒构件组成，与风机塔筒组成的系统结构具有重心高、结构稳性难以满足的特征。虽然可通过多个大型浮筒、浮箱，或安装张力筋腱的方式来提高基础在海洋波浪环境下的抗倾覆能力，但是浮筒及其之间连接箱体的巨大尺寸将导致结构用钢量大，基础的造价高。对于立柱式基础形式，虽然具有较低的重心和较好的结构稳性，但其重心的降低是以增加柱形结构体积为代价，故而同样具有用钢量大、造价高的缺点。
同时，现有的漂浮式风机基础，对水深均有较为苛刻的要求，如半潜式风机基础和张力腿风机基础，水深要求大于50米条件才能使用。而立柱式风机基础则要求水深至少大于70米条件下才能使用。这对漂浮式风机基础的规模化工程应用带来困难，尤其是中国海域是典型的过渡水深，即现阶段深远海水深普遍在30-50米范围，很难直接使用现有的漂浮式风机基础型式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的海上漂浮式风机基础不适合在50米以下海域使用的缺陷，提供一种不仅可以在深水海域中使用，还可在30-50米过渡水深的海域中使用，并且具有较好的稳性的漂浮式风机基础。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种漂浮式风机基础，其特点在于，所述漂浮式风机基础包括环形漂浮结构、压载舱、塔筒安装平台，所述环形漂浮结构包括刚性网箱、浮块，所述环形漂浮结构由多个所述刚性网箱首尾依次固定连接形成，所述刚性网箱内填充有所述浮块，所述压载舱设在所述环形漂浮结构的下方并与所述环形漂浮结构连接，所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上侧；
其中，所述浮块为密度小于水的材料制成，或所述浮块为空心密封结构。
在本方案中，为了使该漂浮式风机基础可以在过渡水深的海域中正常使用，在刚性网箱内填充密度小于水的材料或空心密封结构制成的浮块，使得该漂浮式风机基础的整体重量大大减少，进而使该漂浮式风机基础的下底面距离海面的距离相对于传统的风机基础大大减少，有利于该漂浮式风机基础在过渡水深的海域中使用。采用多个刚性网箱组成环形漂浮结构，其中环形结构可以保证漂浮式风机基础在晃动时保持一定的平衡性，刚性网箱可以保证该漂浮式风机基础在受到海浪冲击时，海水从刚性网箱上的间隙穿过，减少海水对漂浮式风机基础的冲击，进一步保持该漂浮式风机基础在海水中的稳性，在环形漂浮结构的下端设置压载舱，有利于降低漂浮式风机基础的整体重心，增强其稳性。此外，采用在网箱内填充浮块的结构，可以大大降低用钢量，降低使用成本。
较佳地，所述环形漂浮结构还包括多个连接体，所述连接体用于连接相邻两个所述刚性网箱。
在本方案中，该连接体的作用主要包括为塔筒安装平台的刚性构件提供支撑以及为相邻刚性网箱和底部的压载舱提供固定约束。
较佳地，所述压载舱通过刚性连接件与所述环形漂浮结构连接。
在本方案中，为了确保环形漂浮结构在海浪的作用下无论是上浮状态还是下沉状态，压载舱都可以对环形漂浮结构起到作用，将环形漂浮结构和压载舱采用刚性连接。
较佳地，所述刚性网箱由金属结构件组合而成。
较佳地，所述密度小于水的材料为泡沫材料，所述空心密封结构为气囊。
较佳地，所述压载舱为扁平状，且所述压载舱内设有若干个用于装载填充物的舱室。
在本方案中，压载舱采用扁平状结构，可以增加漂浮式风机基础在垂荡方向上的阻尼，以减小该漂浮式风机基础在垂荡方向上的运动。压载舱内部可装载大量的水、石块、或混凝土等高密度物质的填充物，用于降低漂浮式风机基础的重心，达到重压载的效果。
较佳地，所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上方，并通过刚性构件连接在所述环形漂浮结构上。
在本方案中，为了保证漂浮式风机基础在使用过程中的稳定，将塔筒安装平台通过刚性构件安装在环形漂浮结构的上方。
较佳地，所述塔筒安装平台设在其中一个所述连接体上，或所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上方，并通过刚性构件连接在所述连接体的上。
在本方案中，塔筒安装平台可以设在其中一个连接体上，但是为了保持漂浮式风机基础整体结构的稳定性，需要增加其它几个连接体的重量，也可以将塔筒安装平台通过刚性构件安装在环形漂浮结构的上方。
较佳地，所述连接体为多边体结构，且所述连接体的高度不低于所述网箱的高度。
较佳地，所述漂浮式风机基础还包括多个锚链，多个所述锚链的一端连接在所述环形漂浮结构上，另一端固定在海床上。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
本发明的积极进步效果在于：本发明的漂浮式风机基础水深适应性强、稳性好，不仅可以在深水海域中使用，还可以在30-50米的过渡水深的海域中使用，采用在网箱内填充浮块的结构，可以大大降低用钢量，降低使用成本。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中漂浮式风机基础的使用状态图。
图2为本发明较佳实施例中漂浮式风机基础的局部结构示意图。
图3为本发明较佳实施例中漂浮式风机基础的刚性网箱与连接体的连接示意图。
附图标记说明：
环形漂浮结构 1
刚性网箱 101
浮块 102
连接体 103
刚性构件 2
塔筒安装平台 3
刚性连接件 4
压载舱 5
锚链 6
塔筒 7
风机 8
海平面 9
海床 10
具体实施方式
下面通过具体实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在以下的实施例范围之中。
如图1-3所示，本发明的一种漂浮式风机基础，该漂浮式风机基础包括环形漂浮结构1、压载舱5、塔筒安装平台3，环形漂浮结构1包括刚性网箱101、浮块102，环形漂浮结构1由多个所述刚性网箱101首尾依次固定连接形成，刚性网箱101内填充有所述浮块102，压载舱5设在环形漂浮结构1的下方并与环形漂浮结构1连接，塔筒安装平台3设在环形漂浮结构1的上侧；其中，浮块102为密度小于水的材料制成，或浮块102为空心密封结构。
为了使该漂浮式风机基础可以在过渡水深的海域中正常使用，在刚性网箱101内填充密度小于水的材料或空心密封结构制成的浮块102，使得该漂浮式风机基础的整体重量大大减少，进而使该漂浮式风机基础的下底面距离海平面9的距离相对于传统的风机基础大大减少，有利于该漂浮式风机基础在过渡水深的海域中使用。采用多个刚性网箱101组成环形漂浮结构1，其中环形结构可以保证漂浮式风机基础在晃动时保持一定的平衡性，刚性网箱101可以保证该漂浮式风机基础在受到海浪冲击时，海水从刚性网箱101上的间隙穿过，减少海水对漂浮式风机基础的冲击，进一步保持该漂浮式风机基础在海水中的稳性，在环形漂浮结构1的下端设置压载舱5，有利于降低漂浮式风机基础的整体重心，增强其稳性。此外，采用在网箱内填充浮块102的结构，可以大大降低用钢量，降低使用成本。
环形漂浮结构1还包括多个连接体103，连接体103用于连接相邻两个刚性网箱101。该连接体103的作用主要包括为塔筒安装平台3的刚性构件2提供支撑以及为相邻刚性网箱101和底部的压载舱5提供固定约束。连接体103采用多边体结构，且连接体103的高度不低于网箱的高度。在本实施例中，为了保证漂浮式风机基础在使用过程中的稳定，将塔筒安装平台3通过刚性构件2安装在环形漂浮结构1的上方，最好安装在环形漂浮结构1中部的正上方。其中，环形漂浮结构1可以采用多种形状，一个典型的结构为六边形的环形结构，不仅具有整体结构受力合理，同时对应的系泊形式可为3组(六边形间隔的3个角处)或6组，以适应不同环境载荷条件，实现灵活多变的设计需求。
在其它可实施方式中，塔筒安装平台3也可以设在其中一个连接体103上，但是为了保持漂浮式风机基础整体结构的稳定性，需要增加其它几个连接体103的重量。
在本实施例中，为了确保环形漂浮结构1在海浪的作用下无论是上浮状态还是下沉状态，压载舱5都可以对环形漂浮结构1起到作用，将环形漂浮结构1和压载舱5采用刚性连接件4连接。其中刚性连接件4可以是金属材料制成，也可以采用混凝土和骨架一起制成的柱形结构。
压载舱5为扁平状，且压载舱5内设有若干个用于装载填充物的舱室。
在本实施例中，压载舱5采用扁平状结构，可以增加漂浮式风机基础在垂荡方向上的阻尼，以减小该漂浮式风机基础在垂荡方向上的运动。另外，压载舱5的舱室内部可装载大量的水、石块、或混凝土等高密度物质的填充物，用于降低漂浮式风机基础的重心，达到重压载的效果。压载舱5的重量可根据环境载荷条件、风机重量、系统整体重量等综合条件进行设计，一个典型的压载重量不小于“风机+塔筒+漂浮式风机基础”整个系统总重量的五分之一。在其它可实施方式中，压载舱5也可以为其它结构，在此不作描述。
刚性网箱101用于固定浮块102，并保证浮块102的结构完整性，同时将浮块102的浮力传递给相邻的连接体103，因此，刚性网箱101需具有足够的刚性，刚性网箱101一般采用金属结构件组合而成。在本实施例中，为了保证刚性网箱101具有足够刚性，并且可以耐海水腐蚀，保证其使用寿命，刚性网箱101由不锈钢焊接而成。在其它实施例中，刚性网箱101也可以由其它金属或金属合金材料或者其它具有满足使用性能的非金属合金材料制成。
由于本漂浮式风机基础的浮力主要由浮块102提供，浮块通过刚性网箱101和相邻的连接体103将浮力传递给上部的塔筒安装平台3，为了节约成本以及满足使用要求，浮块102需要具有易安装、重量轻、价格低、耐腐蚀等优点。因此，浮块102选用密度小于水的低密度材料或其它轻质高性能材料制成，例如泡沫材料，也可采用像气囊一类的空心密封结构。泡沫材料优选聚苯乙烯泡沫，气囊优选橡胶气囊。
漂浮式风机基础还包括多个锚链6，在使用时，多个锚链6的一端连接在环形漂浮结构1上，另一端固定在海床10上。
传统的漂浮式风机基础方案，在结构形式上主要由浮筒和连接构件组成，风机基础的浮力主要由钢质浮筒结构提供，浮筒尺寸巨大、用钢量多。在性能上，当风机基础受波浪力作用而产生一定角度的倾斜时，由于其重心较高、恢复平衡状态的力臂小，故而结构的稳性差。
相对而言，本发明中风机基础的浮力主要由轻质材料制成的浮块102提供，浮块102通过刚性网箱101和相邻的连接体103将浮力传递给上部塔筒安装平台3，浮块102具有易安装、重量轻、价格低、耐腐蚀等优点。在性能上，本发明风机基础配备有装载量大的底部压载舱5，可根据水深条件设置压载舱5的垂向位置，调整风机基础结构的整体重心高度。通过重压载方式，能够保证该风机基础在倾斜时具有较大的恢复力臂和良好的稳性。此外，还可通过选择合适的刚性连接件4的长度以及填充物的重量设置该风机基础的重心高度。同时，浮块102在保证一定的体积和浮力的情况下，通过调整浮块102长宽与高度的尺寸比例，实现对型深与吃水的灵活性调整，增大从浅水到深水过渡的适用性。
本发明的漂浮式风机基础相对传统方案具有用钢量少、经济成本小、结构重心低、稳性好、水深适应性强、系泊方案灵活等优点。
以功率为5MW以上的海上风机为例，若采用现在通用典型的漂浮式风机基础方案，其用钢量约为2000吨，压载水重量约为2500吨，风机基础结构的重心(不考虑塔筒和风轮结构时)约位于浮筒上表面下方20m处，适用水深至少大于50米。若采用本方案的风机基础形式，占用排水体积最大的浮块102可由成本低廉的橡胶气囊或聚苯乙烯泡沫等材料制成，其余结构(刚性网箱101、刚性连接件4、连接体103等)用钢量可控制在1500吨以内，通过风机基础底部的压载舱5可将风机基础结构的重心控制在浮块102上表面下方30m以下。由此可见，本发明的漂浮式风机基础形式可有效降低钢材使用量，节约建造成本，降低结构重心高度，提高风机基础的稳性。同时，也增强对我国30-50米水深的适用性。
该漂浮式风机基础的总体构造包括塔筒安装平台3、连接体103、刚性网箱101、浮块102、刚性连接件4、压载舱5、锚链6等结构，与风机8以及塔筒7共同组成海上漂浮式风机系统，如图1所示。具体实施方式如下：
该漂浮式风机基础过渡结构塔筒安装平台3的上段为钢质圆柱形结构，直径大于塔筒7的外径，通过法兰与塔筒7的地段连接。过渡结构下段为钢质圆柱状斜撑(刚性构件2)，斜撑底端可通过锚栓、焊接等方式实现与结构连接体103的固定。
该漂浮式风机基础的结构连接体103为钢质柱形，其上部与前述钢质圆柱状斜撑(刚性构件2)的底端固连，下部与立柱(刚性连接件4)固连。多个连接体103(3个及其以上)可形成环形结构，每个连接体103的两侧与刚性网箱101固连，形成闭环结构。
该漂浮式风机基础的结构的刚性网箱101由纵横交错的钢筋焊接或编织而成，刚性网箱101两端固定于连接体103，内部包裹固定有浮块102，刚性网箱101内部空间尺寸由风机基础整体的排水量确定。
该漂浮式风机基础的浮块102由橡胶气囊或聚苯乙烯泡沫等材料制成，被包裹于刚性网箱101内部。
该漂浮式风机基础的立柱(刚性连接件4)为钢质细长梁结构，其上端通过法兰或焊接的方式固定于连接体103，下端与压载舱5固定。
该漂浮式风机基础的压载舱5为钢筋混凝土制成的板状结构或内部装载水的钢质箱体结构，其上端与立柱固定。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述漂浮式风机基础包括环形漂浮结构、压载舱、塔筒安装平台，所述环形漂浮结构包括刚性网箱、浮块，所述环形漂浮结构由多个所述刚性网箱首尾依次固定连接形成，所述刚性网箱内填充有所述浮块，所述压载舱设在所述环形漂浮结构的下方并与所述环形漂浮结构连接，所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上侧；
其中，所述浮块为密度小于水的材料制成，或所述浮块为空心密封结构。
2.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述环形漂浮结构还包括多个连接体，所述连接体用于连接相邻两个所述刚性网箱。
3.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述压载舱通过刚性连接件与所述环形漂浮结构连接。
4.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述刚性网箱由金属结构件组合而成。
5.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述密度小于水的材料为泡沫材料，所述空心密封结构为气囊。
6.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述压载舱为扁平状，且所述压载舱内设有若干个用于装载填充物的舱室。
7.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上方，并通过刚性构件连接在所述环形漂浮结构上。
8.如权利要求2所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述塔筒安装平台设在其中一个所述连接体上，或所述塔筒安装平台设在所述环形漂浮结构的上方，并通过刚性构件连接在所述连接体的上。
9.如权利要求2所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述连接体为多边体结构，且所述连接体的高度不低于所述网箱的高度。
10.如权利要求1-9任意一项所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述漂浮式风机基础还包括多个锚链，多个所述锚链的一端连接在所述环形漂浮结构上，另一端固定在海床上。
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