CN111022269B - 海上基础结构及海上风机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上基础结构及海上风机系统，海上基础结构包括浮体，浮体内设有第一压载舱，第一压载舱用于调节浮体的吃水深度；锚链的一端连接于浮体，锚链的另一端用于固定在海底；螺旋侧板设有多个，螺旋侧板呈螺旋排布于浮体的外壁，使所有的螺旋侧板在浮体的外壁形成螺旋结构；海上风机系统包括风机装置和前述的海上基础结构。浮体能够漂浮在海面上，并通过第一压载舱调整海上基础结构的吃水深度；锚链使海上基础结构位于预设的海域内；螺旋侧板在浮体上形成螺旋结构，有利于分散海流带来的尾流涡，能够在一定程度上抑制由于海流导致的涡激运动现象的发生，另外，也能增加海上基础结构的水动力阻尼，优化安装在其上的风机运动性能。

Description

海上基础结构及海上风机系统

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，特别是涉及一种海上基础结构及海上风机系统。

背景技术

面对全球对清洁可再生能源日益增长的需求，风力发电已成为商业化程度最高的可再生能源之一，并呈现出蓬勃发展的态势，风电项目也逐渐从陆地走向海洋，从近海区域走向远海区域。然而，固定式的海上风机系统由于技术和经济缘故，运用范围被限制在50m水深以内的海域，为了获得更优质的风能以及拓展风能发展的空间资源，漂浮式风机技术应运而生，并受到国内外同行的广泛关注。

当目标海域大于100m时，能够获得更好的风力资源。但是，在遭受海流时，浮体容易出现涡流脱落，并可能导致浮体的涡激运动，影响浮式风机的机组性能和结构安全。

发明内容

基于此，有必要提供一种海上基础结构及海上风机系统；该海上基础结构能够抑制海流导致的涡激运动，抑制波浪力导致的浮体运动，抑制陀螺力矩导致的首摇运动响应，综合优化海上基础结构的运动性能；该海上风机系统采用前述的海上基础结构，使风机获得更好的工作环境。

其技术方案如下：

一方面，提供了一种海上基础结构，包括浮体，浮体内设有第一压载舱，第一压载舱用于调节浮体的吃水深度；锚链，锚链的一端连接于浮体，锚链的另一端用于固定在海底；及螺旋侧板，螺旋侧板设有多个，螺旋侧板呈螺旋排布于浮体的外壁，使所有的螺旋侧板在浮体的外壁形成螺旋结构；海上基础结构还包括止摇板和止荡板，止摇板设有至少两个并呈间隔纵向设在浮体的底部，止荡板的端部固定于止摇板并与止摇板呈夹角设置；止荡板呈间隔设有至少两个，止荡板呈横向固定于止摇板；止荡板的中部设有第一通孔，止摇板均布于止荡板的外周；所述海上基础结构用于深度大于100m的海域，浮体内设有分隔板，分隔板将浮体内的舱室空间分隔为至少两个第一压载舱。

上述海上基础结构，浮体能够漂浮在海面上，并通过第一压载舱调整海上基础结构的吃水深度；锚链使海上基础结构位于预设的海域内；螺旋侧板在浮体上形成螺旋结构，有利于分散海流带来的尾流涡，能够在一定程度上抑制由于海流导致的涡激运动现象的发生，另外，也能增加海上基础结构的水动力阻尼，优化安装在其上的风机运动性能。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，所述分隔板和所述浮体的内壁之间设有加强板或加强肋。

在其中一个实施例中，螺旋侧板设在浮体的中部以下的位置。

在其中一个实施例中，第一通孔为圆形通孔，止摇板设有八个，相邻的止摇板之间呈45°夹角设置，八个止摇板绕第一通孔的孔轴线呈间隔分布在止荡板上。

在其中一个实施例中，海上基础结构还包括第二压载舱，第二压载舱设于止摇板的底部。

在其中一个实施例中，锚链设有至少两个，锚链均布于浮体的外周。

在其中一个实施例中，锚链包括第一锚绳、第二锚绳和锚接件，一个第二锚绳对应至少两个第一锚绳，浮体设有锚接部，锚接部呈间隔设有多个、并与第一锚绳对应设置，第一锚绳的两端分别与锚接部和锚接件连接，第二锚绳的两端分别与锚接件和海底连接。

在其中一个实施例中，浮体呈筒状设置，浮体的一端设有呈圆台状的过渡段；

浮体的一端还设有用于安装风机的安装结构。

另一方面，还提供了一种海上风机系统，包括风机装置；及如上述任一个技术方案所述的海上基础结构，风机装置安装于海上基础结构。

上述海上风机系统，采用前述的海上基础结构，使风机装置的工作环境更加稳定，从而利于风机装置的正常运行。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，风机装置包括塔筒及设于塔筒的风机组件，塔筒的一端固定于海上基础结构，风机组件的另一端设于塔筒的另一端。

附图说明

图1为实施例中海上风机系统的整体结构示意图；

图2为图1实施例中海上基础结构的整体正视图；

图3为图1实施例中海上基础结构的整体俯视图；

图4为图1实施例中浮体及第二压载舱的装配图；

图5为图1实施例中塔筒及风机组件的装配图；

图6为图1实施例中锚链的局部结构放大图；

图7为图1实施例中止摇板和止荡板的俯视图。

附图标注说明：

100、浮体；110、过渡段；120、安装结构；121、圆柱支撑筒；122、护栏；130、锚接部；200、锚链；210、第一锚绳；220、第二锚绳；230、锚接件；300、螺旋结构；410、止摇板；420、止荡板；421、第一通孔；500、第二压载舱；610、塔筒；621、主机；622、转子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

需要说明的是，文中所称元件与另一个元件“固定”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1至图7，一种海上基础结构，包括浮体100，浮体100内设有第一压载舱，第一压载舱用于调节浮体100的吃水深度；锚链200，锚链200的一端连接于浮体100，锚链200的另一端用于固定在海底；及螺旋侧板，螺旋侧板设有多个，螺旋侧板呈螺旋排布于浮体100的外壁，使所有的螺旋侧板在浮体100的外壁形成螺旋结构300。

该海上基础结构，浮体100能够漂浮在海面上，并通过第一压载舱调整海上基础结构的吃水深度；锚链200使海上基础结构位于预设的海域内；螺旋侧板在浮体100上形成螺旋结构300，有利于分散海流带来的尾流涡，能够在一定程度上抑制由于海流涡周期性产生所导致的涡激运动现象的发生，另外，也能增加海上基础结构的水动力阻尼，优化海上基础结构的运动性能。

浮体100能够漂浮在海面上，以起到充当风机的安装支撑平台的作用，其可以是圆柱筒状结构，可以采用钢材制造而成。

进一步地，浮体100内设有分隔板，以将浮体100内的舱室空间分隔为至少两个第一压载舱，该第一压载舱作为压载水舱，用于调整浮体100的吃水深度(也相当于调节海上基础结构的吃水深度)；通过压载水舱调整浮体100的吃水深度的方式，可以采用现有技术手段实现，这里不再赘述。

更进一步地，分隔板和浮体100的内腔的内壁之间还设有加强件，如加强件可以是加强板/加强肋等，以提升浮体100整个的结构强度/刚度。

锚链200的一端固定在浮体100上，锚链200的另一端用于固定在海底(或海床)或海下可以固定的结构，以使海上基础结构只能在预设的海域区进行移动，避免海上基础结构随意漂浮，脱离控制，不再赘述。

如图1和图4所示，螺旋侧板可以是能够固定在浮体100的外壁的板状结构，为本领域技术人员的通用叫法。固定时，使螺旋侧板依次绕浮体100的长度方向盘旋固定，以使所有的螺旋侧板在浮体100的外壁上形成螺旋结构300。该螺旋结构300有利于分散海流带来的尾流涡，并能够在一定程度上抑制由于海流导致的涡激运动现象的发生；同时，也能增加海上基础结构的水动力阻尼，以优化安装在其上的风机运动性能。

螺旋侧板相对设在浮体100的靠下侧的位置，可以设有1-3列的螺旋侧板，螺旋侧板的端面可以是矩形或三角形，每一列螺旋侧板可以围绕1-3圈。当然，该螺旋侧板相当于围绕固定在浮体100上的侧板，不再赘述。

具体安装时，可以通过合理的设置多个螺旋侧板形成螺旋结构300的螺距、圈数和螺旋端，以有利于分散海上基础结构(相当于风机装置的安装平台)的尾流涡，以在一定程度上抑制海上基础结构的涡激运动的发生；同时，又能增加运动的水动力阻尼，优化海上基础结构(海上风机系统)的运动性能。

请参照图1、图4和图7，海上基础结构还包括止摇板410，止摇板410设有至少一个，止摇板410呈纵向设于浮体100的底部。

止摇板410纵向设置(竖向设置)在浮体100的底部，增加了浮体100首摇运动的水动力阻尼和水平运动的水动力阻尼，有效地解决了海上基础结构(海上风机系统)首摇运动和水平运动阻尼不足的问题。

请参照图4和图7，止摇板410设有多个，相邻止摇板410之间呈夹角设置，且可呈预设规律排布在浮体100的底部。如图7中，止摇板410具有八个，相邻的两个止摇板410之间均呈45°夹角设置，八个止摇板410之间绕浮体100的轴线对称排布设置，不再赘述。

如图7所示，止摇板410呈对称设置，增加了海上基础结构的首摇运动阻尼和水平运动阻尼，不再赘述。

请参照图1、图4和图7，止摇板410呈间隔设有至少两个，海上基础结构还包括止荡板420，止荡板420的端部固定于止摇板410、并与止摇板410呈夹角设置。

止荡板420的各个端部位置分别固定在对应侧的止摇板410上，止荡板420和止摇板410固定为一体，形成框架结构(或桁架结构)。如图7所示，止荡板420与止摇板410呈垂直夹角设置。

止荡板420可以横向设置，以增加海上基础结构(海上风机系统)的垂向运动阻尼。参照图7，止荡板420可以是正方体结构，止荡板420的中心与浮体100的筒轴线保持一致，参照图4和图7，纵向设置的止摇板410的宽度小于筒状的浮体100的半径，止摇板410可以绕浮体100的筒轴线均布固定在止荡板420的外周，不再赘述。

请参照图1、图4和图7，止荡板420呈间隔设有至少两个，止荡板420呈横向固定于止摇板410。

如此设置，相当于止荡板420和止摇板410垂直固定，且不同的止荡板420呈上下排布设置，形成固定在浮体100的底部的框架结构。

横向设置的止荡板420，并设有多个(即横向设置多层)增大了海上基础结构(海上风机系统)的垂向运动阻尼，使海上风机基础上安装的风机装置能够获得稳定的工作环境；止荡板420和止摇板410的共同设置，大大优化了海上基础结构的运动性能，以提供风机装置较好的工作环境，并优化海上风机系统的运动性能，不再赘述。

请参照图7，止荡板420的中部设有第一通孔421，止摇板410均布于止荡板420的外周。

图7中，止荡板420的中部均设有第一通孔421，第一通孔421可以是圆形通孔或方形通孔，多个止荡板420呈间隔上下固定在止摇板410上，俯视角度看，能够看到一个中部的通孔。第一通孔421的设置，使横向设置的止荡板420的中部呈镂空结构，而竖向设置的止摇板410绕第一通孔421的孔轴线方向均布在第一通孔421的外周，如可以设置八个止摇板410，相邻止摇板410之间呈45°夹角设置，使每个方向或每个方位均设有该止摇板410。第一通孔421的设置不仅能够有效降低整体的重量，而且也保留了较大的阻尼力臂；进一步地，第一通孔421也便于输出电缆等线缆的布置，且对线缆形成保护，避免外部波浪直接作用，不再赘述。

具体地，参照图7，八个止摇板410围成的中部镂空结构与止荡板420的第一通孔421相互对应(如半径可以相等或相当或一致)，八个止摇板410和止荡板420之间形成矩形的桁架结构，因此，八个止摇板410的长度相当，宽度存在差异，不再赘述。

请参照图1、图2和图4，海上基础结构还包括第二压载舱500，第二压载舱500设于止摇板410的底部。

第二压载舱500设在止摇板410的底部，也即，止摇板410的顶部固定在浮体100的底部，止摇板410的底部与第二压载舱500的顶部固定。第二压载舱500可以是矩形结构设置(如方形)，第二压载舱500内填充固定压载，可以选用混凝土、矿砂或砂石等，使第二压载舱500形成重力压载舱，有利于降低海上基础结构的重心，提高浮体100的静稳性，不再赘述。

具体实施时，第二压载舱500可以是正方体结构，边长和浮体100(筒状)的直径相当或相等，高度约为边长的一半。

浮体100上的第一压载舱和止摇板410的底部的第二压载舱500的联合设置，有效增加了海上基础结构的重心与浮心之间的距离，增大了海上基础结构倾斜时的回复力矩。

请参照图1至图3，锚链200设有至少两个，锚链200均布于浮体100的外周。

锚链200可以设有一个以上，一方面可以限定海上基础结构的漂浮范围，另一方面，也可以使海上基础结构的浮动更加平稳，不再赘述。

请参照图1、图2、图4和图6，锚链200包括第一锚绳210、第二锚绳220和锚接件230，一个第二锚绳220对应至少两个第一锚绳210，浮体100设有锚接部130，锚接部130呈间隔设有多个、并与第一锚绳210对应设置，第一锚绳210的两端分别与锚接部130和锚接件230连接，第二锚绳220的两端分别与锚接件230和海底连接。

如图6所示，第一锚绳210设有两条，第二锚绳220设有一条，第二锚绳220的一端固定在海底，而第二锚绳220的另一端通过锚接件230与两个第一锚绳210的一端固定，而两个第一锚绳210的另一端固定在浮体100的锚接部130上，两个第一锚绳210与浮体100固定，也即，锚链200采用Y字型结构，可以提高海上风机基础(浮体100)的首摇运动刚度，有效限制海上风机基础及安装于其上的风机装置的首摇运动响应。

锚接部130可以是设在浮体100上的锚接孔，如第一锚绳210的端部可以通过该锚接孔(如可以是导缆孔)实现浮体100与锚链200的连接，本领域技术人员可根据实际的装配需要在浮体100上布置具体的锚接部130，以便于与第一锚绳210连接固定。

需要注意的是，两个第一锚绳210在浮体100上的安装位置不相同，如图1中，锚链200设有三个，每个锚链200均包括两个第一锚绳210，从而由六个第一锚绳210的另一端固定在浮体100上，此时，六个锚接部130呈间隔均布环绕设在浮体100上，不再赘述。

锚接件230可以是能够使第一锚绳210和第二锚绳220在该结点位置实现连接固定的配套构件，本领域技术人员可基于实际需要进行选用，不再赘述。

进一步地，第一锚绳210和第二锚绳220可以采用张紧式聚酯缆或重力式钢链，不再赘述。

请参照图1和图4，浮体100呈筒状设置，浮体100的一端设有呈圆台状的过渡段110。

请参照图1和图4，浮体100的一端还设有用于安装风机的安装结构120。

圆台状的过渡段110起到连接浮体100和安装结构120的作用，能够有助于减少静水面附近的波浪流载荷。

如图4所示，浮体100可以是圆柱状的浮筒结构，圆台状的过渡段110的上端半径小而下端半径大，上端半径与风机装置的塔筒610(或安装结构120的圆柱支撑筒121)的直径相当，以实现用于安装风机的安装结构120与浮体100之间的过渡。

进一步地，安装结构120包括圆柱支撑筒121和护栏122，圆柱支撑筒121的底端固定在过渡段110的上部小径端，护栏122固定在圆柱支撑筒121的外侧，风机装置的塔筒610的底端可以通过法兰等与圆柱支撑筒121固定连接，不再赘述。

当然，安装结构120也可以对应设有爬梯、防碰撞保护等附属构件，不再赘述。

请参照图1，一种海上风机系统，包括风机装置；及如上述任一个实施例所述的海上基础结构，风机装置安装于海上基础结构。

该海上风机系统，采用前述的海上基础结构，使风机装置的工作环境更加稳定，从而利于风机装置的正常运行。

风机装置是海上风力发电的主体装置之一，可以采用能够完成风力发电的风机装置，以安装在本实施例所提供的海上基础结构上，进行风力发电。现有的海上基础结构一方面由于水线面较小，当风机装置运转受到气动推力和力矩时，海上基础结构容易产生较大的纵摇和首摇，严重影响风机装置的正常发电。而本申请由于采用前述的海上基础结构，能够提供较为平稳的支撑，使得风机装置能够获得良好的工作环境。

本申请提供的海上基础结构，属于立柱式(Spar)风力发电的海上基础结构，由于海上基础结构中，锚链200可以和浮体100及螺旋侧板分离安装，且风机装置也可以分离式安装。因此，安装时：海上基础结构(不包括锚链200)可以是在陆地如船坞等地方完成制造和安装；之后，通过拖船(湿拖方式)将海上基础结构(不包括锚链200)拖到指定的海域，并通过第一承载舱调整吃水深度并扶正；由于锚链200可以预先在该指定的海域安装完毕，这时，只需将海上基础结构与锚链200装配完成即可；后续，再将风机装置安装在海上基础结构上，即可完成海上风机系统的整体安装，不再赘述。

请参照图1和图5，风机装置包括塔筒610及设于塔筒610的风机组件，塔筒610的一端固定于海上基础结构，风机组件的另一端设于塔筒610的另一端。

风机组件通过塔筒610固定在海上基础结构上，风机组件包括主机621和转子622，转子622固定在主机621伸出的转轴上，有风时，转子622转动，从而带动转轴转动，以使主机621进行发电，不再赘述。

进一步地，塔筒610包括至少两个筒段，相邻筒段之间可拆卸对接。塔筒610便于拆装，安装时，能够在海上基础结构上进行塔筒610的分段安装，也便于其上的风机组件如主机621和转子622等的安装，安装完成后通过调整浮体100上的第一压载舱实现预定的吃水深度，不再赘述。

更进一步地，主机621与塔筒610转动连接，主机621可以在塔筒610的顶端绕塔筒610的塔轴线方向进行转动，以实现风机组件的偏航运动，寻找更好的风向进行发电，不再赘述。

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 (10)

1.一种海上基础结构，其特征在于，包括：

浮体，所述浮体内设有第一压载舱，所述第一压载舱用于调节所述浮体的吃水深度；

锚链，所述锚链的一端连接于所述浮体，所述锚链的另一端用于固定在海底；及

螺旋侧板，所述螺旋侧板设有多个，所述螺旋侧板呈螺旋排布于所述浮体的外壁，使所有的所述螺旋侧板在所述浮体的外壁形成螺旋结构；

所述海上基础结构还包括止摇板和止荡板，所述止摇板设有至少两个并呈间隔纵向设在所述浮体的底部，所述止荡板的端部固定于所述止摇板并与所述止摇板呈夹角设置；

所述止荡板呈间隔设有至少两个，所述止荡板呈横向固定于所述止摇板；所述止荡板的中部设有第一通孔，所述止摇板均布于所述止荡板的外周；

所述海上基础结构用于深度大于100m的海域，所述浮体内设有分隔板，所述分隔板将所述浮体内的舱室空间分隔为至少两个所述第一压载舱。

2.根据权利要求1所述的海上基础结构，其特征在于，所述分隔板和所述浮体的内壁之间设有加强板或加强肋。

3.根据权利要求1所述的海上基础结构，其特征在于，所述螺旋侧板设在所述浮体的中部以下的位置。

4.根据权利要求1所述的海上基础结构，其特征在于，所述第一通孔为圆形通孔，所述止摇板设有八个，相邻的所述止摇板之间呈45°夹角设置，八个所述止摇板绕所述第一通孔的孔轴线呈间隔分布在所述止荡板上。

5.根据权利要求1所述的海上基础结构，其特征在于，所述海上基础结构还包括第二压载舱，所述第二压载舱设于所述止摇板的底部。

6.根据权利要求1-5任一项所述的海上基础结构，其特征在于，所述锚链设有至少两个，所述锚链均布于所述浮体的外周。

7.根据权利要求6所述的海上基础结构，其特征在于，所述锚链包括第一锚绳、第二锚绳和锚接件，一个所述第二锚绳对应至少两个所述第一锚绳，所述浮体设有锚接部，所述锚接部呈间隔设有多个、并与所述第一锚绳对应设置，所述第一锚绳的两端分别与锚接部和所述锚接件连接，所述第二锚绳的两端分别与所述锚接件和海底连接。

8.根据权利要求6所述的海上基础结构，其特征在于，所述浮体呈筒状设置，所述浮体的一端设有呈圆台状的过渡段；

所述浮体的一端还设有用于安装风机的安装结构。

9.一种海上风机系统，其特征在于，包括：

风机装置；及

如权利要求1-8任一项所述的海上基础结构，所述风机装置安装于所述海上基础结构。

10.根据权利要求9所述的海上风机系统，其特征在于，所述风机装置包括塔筒及设于所述塔筒的风机组件，所述塔筒的一端固定于所述海上基础结构，所述风机组件的另一端设于所述塔筒的另一端。

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