CN111140440A - 一种半潜漂浮式风机基础及风机 - Google Patents

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Abstract

一种采用转子系泊系统的半潜漂浮式风机基础及风机，包含：半潜漂浮式平台，其固定连接风机主体，用于使风机主体浮在海平面上；转子系泊系统，其包含可相对转动的转子部分和定子部分，所述转子部分固定连接所述半潜漂浮式平台，所述定子部分通过锚链系泊于海底，所述转子部分带动所述半潜漂浮式平台一起绕所述转子系泊系统的中心轴线自由转动。本发明适用于我国常规50m左右水深范围，具备能够根据风机基础所受环境载荷调整基础方位角的风向标效应，以满足目前国内海上风电场开发的实际需求。

Description

一种半潜漂浮式风机基础及风机
技术领域
本发明涉及漂浮式风机基础，特别涉及一种半潜漂浮式风机基础及风机。
背景技术
近年来，在人类对可再生能源中风能的开发利用过程中，风机逐渐从陆上转向近海，又逐步从近海走向深远海。这个过程中，涌现了多种海上漂浮式风机基础的形式，这当中，又以单立柱式(SPAR)、半潜式(Semi-Submersible)、张力腿式(TLP)以及船型(Barge)四种类型的漂浮式风机基础最为常见。
目前，西方国家尤其是欧洲国家在漂浮式风机基础的研发能力和投入上都远远领先于我国。其中，最具有代表性的几类浮式风机基础，例如，挪威国家石油公司(Statoil)研发的Hywind(单立柱式基础)，该基础由一根直径为14.4m的下浮体及直径为7.5m的过渡段所构成，过渡段上部承载着塔架和风机，整体结构形式简单，其系泊系统采用了MacGregor公司的提供的总计三根半张紧多点分布式系泊系统进行定位。美国的Principle Power研发的WindFloat(半潜式基础)，该基础由三个直径约10m的立柱构成，立柱间通过横撑和斜撑进行连接和加强，立柱底部有六边形的薄板结构作为垂荡板，其系泊系统采用了Dyneema公司DM20系列的Gama98缆绳，总计三根，并使用悬链线形式的多点分布式系泊方式进行定位。法国的SBM Offshore研发的用于PGL海上风电场项目中的漂浮式基础(张力腿式基础)，其整体结构形式为桁架式，其中用于连接系泊系统的部分是三个圆形截面立柱，立柱上安装有锚链锁紧装置，该漂浮式基础主要通过锚链张紧装置和锚链锁紧装置使得其系泊系统处于张紧状态进行风机基础的定位(该基础的重力远小于浮力)。法国IDEOL公司研发的Damping-Pool(船型风机基础)，该漂浮式风机基础由“回字形”的浮筒所构成，它采用了阻尼池技术来实现减摇功能，该基础也采用了传统形式的分布式多点系泊系统进行定位。
综上，就目前欧洲的海上漂浮式风电场项目而言，均沿用了传统海洋油气开发中使用到的平台形式的变种搭配常规形式系泊系统的传统方式，应该说是将来发展中远海漂浮式风电的主流方式。
我国在海上风电场的开发上，相比于欧洲国家，暂时还处于落后地位，且海上风电场所采用的基础形式主要还是以单桩、导管架以及高桩承台等固定式基础为主，暂时并没有漂浮式基础投入使用。另外，如果采用直接引进欧洲在漂浮式风机基础的相关设计和技术，不但成本高，且对于我国目前开发的近按海域的水深来讲，这些形式并非最为合适的。
发明内容
本发明提供一种半潜漂浮式风机基础及风机，适用于我国常规水深范围(50m左右)，具备能够根据风机基础所受环境载荷(风、浪、流等)调整基础方位角的风向标效应，以满足目前国内海上风电场开发的实际需求。
为了达到上述目的，本发明提供一种半潜漂浮式风机基础，用于支撑风机主体，包含：
半潜漂浮式平台，其固定连接风机主体，用于使风机主体浮在海平面上；
转子系泊系统，其包含可相对转动的转子部分和定子部分，所述的转子部分固定连接所述半潜漂浮式平台，所述定子部分通过锚链系泊于海底，所述转子部分带动所述半潜漂浮式平台一起绕所述转子系泊系统的中心轴线自由转动。
所述的半潜漂浮式平台包含：垂荡板，所述的垂荡板固定设置在半潜漂浮式平台下方，用于降低半潜漂浮式平台在垂荡方向上的运动加速度。
所述的半潜漂浮式平台还包含：中央主立柱和至少三个围绕中央主立柱设置的侧立柱，所述的中央主立柱的上部固定连接风机主体，下部固定连接垂荡板。
所述的中央主立柱的顶端具有过渡段圆台，所述的过渡段圆台的顶部固定连接风机主体，所述的过渡段圆台的垂直方向截面形状为梯形。
所述的中央主立柱的底部设置至少三根桁架式支撑立柱，所述的桁架式支撑立柱连接垂荡板和转子系泊系统。
所述的中央主立柱和侧立柱之间通过浮筒和斜撑相连接。
所述的中央主立柱、侧立柱、以及浮筒内部均设置若干分舱。
所述的垂荡板的截面为圆形，垂荡板的直径与中央主立柱一致，垂荡板的高度小于等于1m。
所述的转子部分和定子部分之间通过滚珠轴承实现相对转动。
本发明还提供一种风机，包含：所述的半潜漂浮式风机基础，以及固定设置在半潜漂浮式风机基础上的风机主体。
本发明主要通过转子系泊系统作为单点对半潜漂浮式风机基础进行定位，使得半潜漂浮式风机基础可以在风、浪、流等外部环境载荷联合作用下绕转子系泊系统的中心轴线进行自由转动，使得半潜漂浮式风机基础上的风机整体可以自动地调整朝向，实现风机整体的风向标效应，也即是，半潜漂浮式风机基础具有自动调整受载方向的能力，配合常规风机上的偏航系统，使得风机主体总能捕捉到风能效率最高的角度，能够最大程度的捕捉和利用风能。同时由于风向标效应的存在，通过方位角的自动调整使得半潜漂浮式风机基础受到的环境载荷能够大大降低，这对半潜漂浮式风机基础的整体结构强度有积极影响，这将实现半潜漂浮式风机基础的轻量化以及减小转子系泊系统的布置半径，并采用较低强度和较小尺寸的系泊锚链，这对于在我国近岸过渡水深海域(浅水海域)的使用将变得非常友好，且整套系统的技术成熟度高，成本低，从而最终实现低度电成本的推广应用。还因为在中心主立柱下方区域配备了垂荡板，使得半潜漂浮式风机基础整体在垂荡方向上的运动及加速度相比于常规风机基础形式的风机将大大降低，对结构的强度要求也将降低。
附图说明
图1是本发明提供的一种采用转子系泊系统的半潜漂浮式风机基础的结构示意图。
图2是半潜漂浮式风机基础的结构示意图。
图3是转子系泊系统的剖面示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，是本发明一个实施例中的一种风机结构，该风机结构包含风机主体和半潜漂浮式风机基础。风机主体包含固定设置在半潜漂浮式风机基础上的风机塔架102、固定设置在风机塔架102顶端的机舱104、以及多个与机舱104连接的风轮叶片103。如图1和图2所示，所述的半潜漂浮式风机基础包含与风机塔架102固定连接的半潜漂浮式平台、以及连接半潜漂浮式平台的转子系泊系统114。
如图2所示，所述的半潜漂浮式平台半潜半浮在海平面106上，该半潜漂浮式平台进一步包含中央主立柱108、以及至少三个围绕中央主立柱108设置的侧立柱109，所述的侧立柱109与中央主立柱108之间通过浮筒111和斜撑110相连接。所述的中央主立柱108的上部具有过渡段圆台118，该过渡段圆台118的垂直方向截面形状为梯形，所述的过渡段圆台118的顶部固定连接风机塔架102，所述的过渡段圆台118的底部与中央主立柱108的主体连接，该过渡段圆台118主要用于承载风机及塔架的重量。在本发明的一个实施例中，位于中心位置的中央主立柱108的整体高度为14～18m，其中过渡段圆台的高度约为3～5m。所述的侧立柱109的横截面为圆形，其直径约为6～8m，高度约为10～12m，侧立柱109与中央主立柱108之间的中心距离约为20～25m。在另一个实施例中，侧立柱109与中央主立柱108之间通过横截面为矩形的浮筒111进行连接，浮筒111的横截面的宽和高分别约为4～6m和2～3m。在另一个实施例中，侧立柱109与中央主立柱108之间还通过斜撑110相连接，斜撑110的横截面为圆形，直径约为2～4m。
在另一个实施例中，所述的半潜漂浮式风机基础的整体吃水不超过8m，整体排水量不超过3000t。中央主立柱108、侧立柱109、以及浮筒111内部均设置一定数量的分舱，分舱均起到存放压载物(压载水或其他液体、固体压载)的作用，通过调整压载使得整个半潜漂浮式风机基础能够承受所搭载的风机主体的重量。
如图2所示，在另一个实施例中，半潜漂浮式风机基础还包括垂荡板112，其固定设置在半潜漂浮式平台下方。具体的，所述的垂荡板112设置在中央主立柱108下方，使得半潜漂浮式平台在垂荡方向(即半潜漂浮式平台中心轴线方向)上的运动加速度相比于常规风机基础形式的风机将大大降低，对结构的强度要求也将降低。该垂荡板112的截面为圆形，直径与中央主立柱108保持一致，垂荡板112的高度不超过1m，通常为薄板型结构，垂荡板112上布置一定数量的梁和筋，以提高其结构强度。
如图2所示，在另一个实施例中，所述的中央主立柱108的底部还设置至少三根桁架式支撑立柱113，用于连接垂荡板112和转子系泊系统114。如图2所示，在另一个实施例中，所述的转子系泊系统114设置在垂荡板112下方，与桁架式支撑立柱113固定连接。如图1和图3所示，所述的转子系泊系统114包括通过轴承117连接的转子部分115和定子部分116。在该实施例中，转子系泊系统114为外转子、内定子形式，但在其他实施例中也可以是内转子、外定子形式。所述的转子部分115固定连接半潜漂浮式平台，定子部分116通过锚链系泊于海底。具体的，转子部分115固定连接桁架式支撑立柱113，图3所示的实施例中，整个转子部分115的外径可以和中央主立柱108的直径保持一致或相对更大，具体视风机大小(重量)及需要的压载大小所决定，转子部分115与半潜漂浮式平台形成一个整体结构，半潜漂浮式平台随着转子部分115的运动而运动。所述的定子部分116可固定连接多个悬链线形式的锚链105，锚链105锚固在海底107，用于限定整个漂浮式风机的位移，因此定子部分116是相对固定不动的。转子部分115和定子部分116之间通过多排滚珠式轴承实现相对转动，实现转子和半潜漂浮式平台绕定子转动，最终通过转子系泊系统和偏航系统配合形成风向标效应。
本发明旨在开发一款采用转子系泊系统–的半潜漂浮式风机基础，使其适用于我国常规水深范围(50m左右)，具备能够根据风机基础所受环境载荷(风、浪、流等)调整基础方位角的风向标效应，以满足目前国内海上风电场开发的实际需求。
本发明主要通过转子系泊系统作为单点对半潜漂浮式风机基础进行定位，使得半潜漂浮式风机基础可以在风、浪、流等外部环境载荷联合作用下绕转子系泊系统的中心轴线进行自由转动，使得风机整体可以自动地调整朝向，实现风机整体的风向标效应使得半潜漂浮式风机基础具有自动调整受载方向的能力，配合常规风机上的偏航系统，使得风机主体总能捕捉到风能效率最高的角度，能够最大程度的捕捉和利用风能。同时由于风向标效应的存在，通过方位角的自动调整使得半潜漂浮式风机基础受到的环境载荷能够大大降低，这对半潜漂浮式风机基础的整体结构强度有积极影响，这将实现半潜漂浮式风机基础的轻量化以及减小转子系泊系统的布置半径，并采用较低强度和较小尺寸的系泊锚链，这对于在我国近岸过渡水深海域(浅水海域)的使用将变得非常友好，且整套系统的技术成熟度高，成本低，从而最终实现低度电成本的推广应用。还因为在中心主立柱下方区域配备了垂荡板，使得半潜漂浮式风机基础整体在垂荡方向上的运动及加速度相比于常规风机基础形式的风机将大大降低，对结构的强度要求也将降低。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种半潜漂浮式风机基础，用于支撑风机主体，其特征在于，包含：
半潜漂浮式平台，其固定连接所述风机主体，用于使所述风机主体浮在海平面上；
转子系泊系统，其包含可相对转动的转子部分和定子部分，所述转子部分固定连接所述半潜漂浮式平台，所述定子部分通过锚链系泊于海底，所述转子部分带动所述半潜漂浮式平台一起绕所述转子系泊系统的中心轴线自由转动。
2.如权利要求1所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，还包含垂荡板，所述的垂荡板固定设置在半潜漂浮式平台下方，用于降低半潜漂浮式平台在垂荡方向上的运动加速度。
3.如权利要求2所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的半潜漂浮式平台包含：中央主立柱和至少三个围绕中央主立柱设置的侧立柱，所述的中央主立柱的上部固定连接风机主体，下部固定连接垂荡板。
4.如权利要求3所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的中央主立柱的顶端具有过渡段圆台，所述的过渡段圆台的顶部固定连接风机主体，所述的过渡段圆台的垂直方向截面形状为梯形。
5.如权利要求3所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的中央主立柱的底部设置至少三根桁架式支撑立柱，所述的桁架式支撑立柱连接垂荡板和转子系泊系统。
6.如权利要求3所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的中央主立柱和侧立柱之间通过浮筒和斜撑相连接。
7.如权利要求3-6中任意一项所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的中央主立柱、侧立柱、以及浮筒内部均设置若干分舱。
8.如权利要求7所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的垂荡板的截面为圆形，垂荡板的直径与中央主立柱一致，垂荡板的高度小于等于1m。
9.如权利要求1所述的半潜漂浮式风机基础，其特征在于，所述的转子部分和定子部分之间通过滚珠轴承实现相对转动。
10.一种风机，其特征在于，包含：如权利要求1-9中任意一项所述的半潜漂浮式风机基础，以及固定设置在半潜漂浮式风机基础上的风机主体。
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