CN111372843A - 浮标及浮标的安装方法 - Google Patents

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Abstract

一种浮标(10)，包括中心柱(12)、外部框架(14)，该外部框架附接到中心柱，其中浮力可以由外部框架和/或由附接的浮力单元(16)提供。中心柱是负浮力的，且通常一端是开放的，以允许水流入，并产生由波浪引起的振荡水柱。这个水柱减弱了波浪或其他力对浮标的影响，从而为风力发电机提供了更稳定的基础。可以提供另外的发电机来从振荡水柱提取能量。浮标通常通过一个或更多个张力腿系绳附接到锚，以保持浮力件在水面以下，也发现这增加了稳定性。锚可以是模块化重力基座锚。

Description

浮标及浮标的安装方法
本发明涉及浮标，特别是用作海上风力发电机(offshore wind poweredgenerator)的基础的浮标。
随着各政府和各行业努力于去碳化能源生产，诸如风能和波浪能之类的可再生能源变得越来越重要。然而，如果要增加这些可再生能源的产量，还需要应对许多工程和环境方面的挑战。
对于风力，在陆地上安装大型风电场的空间有限。因此，焦点越来越多地转向海上场地。这些海上场地解决了陆上场地的一些缺点，但在过去都需要在海岸附近的浅水区，并且具有适合于必要基础的海床土壤，以便风力发电机的基座能够立在海床上。
海上深水场地将风力发电机移离海岸，但风力发电机通常不能立在海床上。使用退役的(decommissioned)石油和天然气平台被认为是一种可能的解决方案，但其他解决方案还需要探索。
根据本发明的一个方面，提供了一种浮标，包括：
中心柱；和
外部框架，其附接到中心柱；
其中浮力由外部框架提供和/或由附接到外部框架和中心柱中的至少一个的浮力件(buoyancy)提供；和
其中中心柱是负浮力的。
本发明的发明人已经认识到，当浮标在使用中并在水中时，保持浮力件低于水面，并且特别是低于最低水位，提高了浮标的稳定性，因此也提高了附接或安装到浮标的任何物体的稳定性。
在使用中，浮力件保持在水中，在水面以下，且特别是在最低水位以下。相反，中心柱通常从水面以下特别是最低水位以下延伸到水面以上。
浮标可以是或可以被称为张力腿浮标。
在使用中，外部框架可以是或可以被称为下部框架和/或水下框架。这通常是相对于中心柱而言的。
已知张力腿浮标的浮力通常由中心结构提供。当提供一定浮力(通常是显著的浮力)的中心结构暴露于波浪和/或涌浪(swell)时，中心结构的总浮力随着水位相对于中心结构的变化而变化。这导致下面系绳的张力随着浮力值的变化而波动，浮力值的变化是由于与潮汐效应和/或波浪相关的水位变化引起的，并且增加了设计必须满足的系绳的峰值张力。
当本发明的浮力件附接于外部框架和中心柱中的至少一个时，浮力件可以包括一个或更多个罐。罐可以是加压罐。罐可以是高于环境压力(通常是海水压力)约1.5巴的加压罐。
全部或基本上全部的浮力可以由外部框架的管状构件提供。
结构支撑件可用于将外部框架附接到中心柱。结构支撑件可以是钢丝绳和/或张紧钢丝绳。
浮标和/或浮标的部件(例如中心柱)可以由钢筋混凝土制成。
浮标通常是闭口(dumb)的，即(除了通常在中心柱的下端开口外)其没有水下开口(sub-surface opening)和/或当浮标在水中和/或水下时可以操作的开口；无可调压载；并且没有绞盘(winch)。本发明的一个优点可以是，当浮标是闭口的时，浮标的可靠性在安装期间和/或在浮标安装在水中的寿命期间得到了提高。
在另一方面，本发明还提供了一种浮标系统，该浮标系统包括如本文所述的浮标，该浮标通过一个或更多个张力腿系绳附接到锚，并且其中浮力件位于水面以下。
浮标通常通过一个或更多个系绳附接到锚。浮标系统可以包括锚和/或可以包括一个或更多个张力腿系绳。一个或更多个系绳通常附接到外部框架和锚。本发明的一个优点可以是，可以选择外部框架的尺寸和/或直径，以便优化外部框架和锚之间的系泊偏移。一个或更多个系绳可以被称为一个或更多个腿，和/或一个或更多个张力腿。在使用中，附接到外部框架和锚的一个或更多个系绳通常是竖直的。
本发明的发明人已经认识到，当浮标在水中使用时，保持浮力件低于水面，且特别是低于最低水位，可以具有在风暴条件下保持最小所需系绳张力的优点。反过来，这通常提高了浮标的稳定性，因此也提高了附接或安装到浮标的任何物体的稳定性。
中心柱通常具有第一端和第二端。第一端通常在最上面，并且在使用中，在水面之外。第二端通常是最低的，并且在使用中，在水中。第一端和/或第二端可以是开放的。通常第二端是开放的。第一端可以是开放的或封闭的或部分开放的。
中心柱可以是可浸的。在使用中，当第二端是开放的时，水可以进行以下中的一项：流入中心柱、流出中心柱和在中心柱内移动。中心柱内的水位通常将匹配或至少基本匹配柱外的水位。这通常会降低峰值张力，且还会将浮标的系绳张力波动最小化。柱的第一端可以是开放的或封闭的或部分开放的，以便提供阻尼效应。这种模式下的中心柱提供了一个振荡水柱(OWC)，该振荡水柱可通过波浪能转换(WEC)用于发电。额外的OWC，WEC设备可以安装在中心柱的外部周围。
中心柱可以包括空间框架。中心柱可以具有中心支撑柱。中心支撑柱可有助于加强中心柱和/或减少波浪荷载对中心柱的影响。中心柱空间框架在平面上可以是三角形的。
中心柱是负浮力的，且因此空间框架通常降低峰值张力和/或将浮标的系绳张力波动最小化。本发明的一个优点可以是，在使用中，浮标至少保持基本竖直，和/或不滚动。
中心柱的直径可以最小化，以减少海洋气象(metocean)对浮标的影响和/或减少一个或更多个系绳上的系泊载荷和/或张力。这也可以减小所需的锚的尺寸。
当还考虑附接或安装到柱的一个或多个设备的质量时，由外部框架提供的和/或由附接到外部框架和中心柱中的至少一个的浮力件提供的正浮力的量通常被选择成在一个或更多个系绳上提供所需的张力。
可以有一个或更多个系绳，通常有至少三个系绳，且一般有四个或更多个系绳。
浮标且典型地浮标的中心柱可以容纳一个或更多个设备，这些设备包括：风力发电机；波浪发电机；水流涡轮机；警告信号，例如光线或信标；雷达反射器；雷达桅杆；雷达天线；主动雷达目标增强器(RTE)；LIDAR信标，风力涡轮机，例如水平或竖直轴风力涡轮机；太阳能发电机，例如太阳能电池板；波浪能转换器(WEC)；振荡水柱(OWC)波浪能转换器；水下电流能量转换器；记录装备；海洋气象记录设备；电池室；和通道。
一个或更多个设备，例如风力发电机和/或波浪发电机，通常附接到浮标，并且通常附接到浮标的中心柱。容纳通常包括附接到。一个或更多个设备通常附接到中心柱的第一端。中心柱的第一端可以被称为一个或更多个设备的平台。
可选地，浮标可以包括利用一个或更多个系绳中的张力波动的压电系统。
浮标以及因此还有附接到或安装到浮标上的任何物体的稳定性的提高允许浮标和一个或更多个设备(在此情况中是测量风速和风向的一个或更多个仪器)测量水位(通常为平均海平面(MSL))以上不同高度处(例如在150米、50米和10米处)处的风向和风速。
浮标可以包括用于电力和/或信号传输的连接件。连接件可以用于水下脐带缆(subsurface umbilical)。
在使用中，浮标的浮力件且一般为外部框架通常保持完全和/或永久潜入水中且在设计暴雨中的Hmax波谷(Hmax wave trough)之下。这旨在确保系绳张力得以保持，并且因为浮标的浮力件总是完全潜入水中，所以由波浪引起的系绳张力波动被最小化。在使用中，通过保持浮标的浮力件在水下，减小了波浪的一个或更多个影响，减小了一个或更多个系绳上的系泊载荷，并且减小了所需锚的尺寸。这通常与比较设计相关。
在使用中，本发明的一个优点可以是，消除波浪引起的浮力变化，从而减少系绳张力波动，并进而这提高了一个或更多个系绳的疲劳寿命。降低一个或更多个系绳的峰值张力便降低了一个或更多个系绳的成本，因为一个或更多个系绳是针对峰值张力加上安全系数而指定的。
在使用中，浮标的浮力件通常保持潜入水中，且因此浮力件的总排水体积保持恒定或至少基本恒定，且因此由浮力件提供的正浮力保持恒定。因此，所需浮力件的尺寸和/或数量可以减小。
在使用中，中心负浮力柱、附接到中心柱的外部框架、以及由外部框架和中心柱中的至少一个提供或附接到外部框架和中心柱中的至少一个的浮力件的布置意味着，在使用中，中心柱和附接到中心柱的设备保持稳定和/或没有覆浪(green water)和/或任何滚动和/或起伏极小。
锚的重量通常被设计成在考虑安全因素的情况下适应来自浮标的对系绳的垂直载荷。锚可具有裙部，在使用中，该裙部在锚自身重量的作用下穿透海床和/或抵抗来自海洋气象影响的横向载荷。
锚通常是开放的结构，即水可以流过锚。本发明的一个优点可以是，如果水能够穿过锚，则锚和下面的表面之间的水就能够逸出，以允许裙部穿透表面。该表面通常是海床。
安装时，中心柱通常从最低海平面以下延伸到最高海平面以上。
本发明的一个优点可以是，在使用中，波浪发电机将从水中传递到浮标的一些能量消除。能量可以源于波浪、涌浪和/或水流。消除了从水中转移到浮标的能量，通常意味着在使用中，浮标以及因此的风力发电机相对于水面移动较少。如果风力发电机相对于水面移动较少，则风力发电机就可以更稳定和/或更节能，即更多的风能可以转换成电能。通过以这种方式抑制系统，系绳张力的变化速率通常被减缓，从而提高了系绳疲劳寿命并潜在地降低了设计峰值系绳张力。降低一个或更多个系绳的峰值张力便降低了一个或更多个系绳的成本，因为一个或更多个系绳是针对峰值张力加上安全系数而指定的。
与单独的风力和波浪发电机相比，风力和波浪发电的组合提升了附接到浮标的系统的发电能力，这也可以是本发明的优点。此外，当风力发电机没有风或风很小时，波浪能发电机可以继续发电。这可以提高系统的商业可行性。
风力发电机通常是翼型发电机。风力发电机可以是水平轴风力涡轮机(HAWT)或竖直轴风力涡轮机(VAWT)。
波浪发电机通常是振荡水柱(OWC)设备。振荡水柱(OWC)设备通常通过水的上升和下降(一般以波浪的形式)来产生能量。波浪发电机可以是油井涡轮机。波浪发电机可以被称为波浪能转换器(WEC)。
风力发电机和波浪发电机通常用于发电。
本发明的一个优点可以是浮标可以安装在深水中。
锚可以是模块化重力基座锚(modular gravity base anchor)。
浮标可以与安装框架匹配。安装框架可以重复使用。安装框架可用于帮助将浮标从陆地运输到海上安装场地。安装框架可以在港口/近海岸安装活动期间、在被牵引期间和在海上安装期间提供稳定性。安装框架可以具有一个或更多个绞盘和/或绞缆千斤顶。安装框架可以包括压载物。压载物可以是流体，通常是水，一般是海水。压载物可以储存在附接到安装框架的一个或更多个罐中。当压载物是流体(通常是水，一般是海水)时，压载物可以泵入一个或更多个罐和/或从一个或更多个罐泵出，以控制安装框架以及因此还有浮标的浮力中心，和/或控制安装框架和/或浮标在水中的位置。可替代地，压缩的气体(如空气)可用于从一个或更多个罐中排出水。
因此，根据本发明的另一个方面，提供了一种如前述权利要求中任意一项所述的安装浮标的方法，包括
-使用可选地具有一个或更多个绞盘和/或绞缆千斤顶以及至少一个压载罐的安装框架，
-将浮标布置在安装框架上；
-将压缩的气体、流体、水或海水泵入和/或泵出至少一个压载罐，以控制安装框架以及因此还有浮标的浮力中心，和/或控制安装框架和/或浮标在水中的位置；
-将框架和浮标运输到海上安装场地。
通常，在运输到海上安装场地之前，风力发电机被添加到浮标(浮标设置在安装框架上)。
本发明的实施例的优点在于，浮标和安装框架的投放可以在浅水中实现，轻载吃水(light draft)优选低于10米，更优选地低于2米。安装涡轮机到框架和/或浮标可以通过在相对较浅的水中向下压载来完成，例如在海况4下。
在安装期间，系缆张力通常被调节和/或优化，以提供浮标的稳定性和典型的最佳稳定性。因此，系绳通常在浮标和附接的风力发电机从安装框架移除之前被附接。
安装框架的压载可在海上安装场地再次使用，以便于从安装框架移除浮标(以及通常地附接的风力发电机)。因此，安装方法可以包括将压缩的气体、流体、水或海水泵入至少一个压载罐和/或从至少一个压载罐泵出至将框架降至水中，并从框架释放浮标。
本发明的一个优点可以是，浮标通常是闭口的(除了通常在中心柱的下端开口外)，没有水下开口和/或当浮标在水中和/或水下时可以操作的开口；无可调压载；并且没有绞盘。以这种方式，浮标的制造成本被降低，并且安装浮标所需的机械部件和/或可维修部件可作为安装框架的一部分被移回到码头或陆地，而不是留在水下和暴露在浮标上。
事实上，在没有支撑的情况下，某些实施例的浮标通常将自身定位在水中，相对于正常使用位置处于倒置位置。使用时，浮标由系绳保持在正确的定向上，且安装时由安装框架保持。因此，与其他浮标不同，不需要增加其他特征就可使浮标独立地以合适的方向定向，因此可以降低成本。
现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是浮标的示意图；
图2是浮标和锚的示意图；和
图3是浮标、锚和安装框架的示意图。
图1示出了浮标10，其具有中心柱12和附接到中心柱的外部框架14。浮力件16附接到外部框架14。中心柱12是负浮力的并且是可浸的。
图1是浮标10的示意图。实际上，中心柱12比图1所示的更远离外部框架14延伸。中心柱12具有第一端13a和第二端13b。第一端13a是最上面的，并且在使用中，在水面(未示出)之外。第二端13b是最低的，并且在使用中，在水(未示出)中。为了便于安装，中心柱13可以分段组装。
中心柱12的第一端13a和第二端13b是开放的。在使用中，水(未示出)可以流入中心柱的内部和从中心柱的内部流出。中心柱内的水位与柱外的水位基本匹配。
中心柱的第一端具有平台18。一个或更多个设备(未示出)，通常是风力发电机(通常也称为风力涡轮机)，附接到该平台。
六个系绳20被示出为附接到外部框架14。
图2示出了浮标10和锚22。浮标10由六个系绳20附接到锚22。系绳20附接到外部框架14和锚22。锚22是模块化重力基座锚。
锚22的重量被设计成适应竖直载荷和来自浮标的系绳的安全系数。锚22是开放的结构，即水可以流过锚。
在使用中，附接到外部框架14的浮力件16保持在水面32下方的水30中。相反，中心柱12从水面32下方延伸到水面上方。
风力发电机24安装在柱12的顶部上。风力发电机24是翼型发电机。风力发电机24是水平轴风力涡轮机(HAWT)。风力发电机24用于发电。
在使用中，浮标的浮力件在水30的表面32下方，并且中心柱是可浸的。这减少了系绳张力波动；降低了峰值系绳张力；并改善了阻尼特性。这又提高了浮标10的稳定性，因此也提高了附接到浮标的风力发电机24的稳定性。
模块化重力基座锚大且重。风力发电机24具有等于或大于6MW的输出。因此，重力基座锚可具有超过一千吨的总水下重量。
模块化重力基座锚24是可重复使用的，并且包括容纳多个钢筋混凝土块的钢基座。钢基座有许多立柱，用来引导混凝土块就位。模块化重力锚24安装在海上，并且在锚的使用寿命结束时，将块体从基座提升，并将基座提回到地面，以便退役和/或重新使用。
模块化重力锚24被设计成便于安装大型锚，而不需要重型起重船。根据所选安装船起重机的起重重量限制定制单独的升降机，使得任何水下重量的锚24可以在安装起重机的尺寸限制内建立。
锚24的基座设有裙部。裙部在基座下方延伸，并有助于减轻锚24相对于海床移动和/或在海床上滑动的可能性。裙部的深度设计考虑了当地的岩土和海洋气象条件。锚24可以在没有潜水员介入的情况下安装。
锚24上的连接器为系绳20提供附接点。系绳20使用遥控潜水器(ROV)附接到连接器。连接器铰接以提供系绳20相对于锚24的运动。
图3是浮标10、锚22和安装框架40的示意图。浮标10可以与安装框架40匹配。安装框架40用于提供稳定性并帮助将浮标10运输到海上安装场地。安装框架40包括能够充有海水的压载罐。海水可泵入罐和从罐泵出，以控制安装框架40以及因此还有浮标10的浮力，并因此控制安装框架40和浮标10在水中的位置。压缩的空气可用于排水罐。系绳长度和张力经过优化，以为浮标提供最佳稳定性。
在使用中，带有压载罐的安装框架40可以在港湾里潜在水下，且浮标10滑动到那里。风力发电机24然后被安装在浮标10上，之后整个系统被拖到海上。系绳20然后可以被附接，且然后压载物再次用于从浮标系统释放框架，从而安装风力发电机。
浮标10是闭口的，没有下表面开口，也没有自己的可调压载。在被用于将浮标定位在水下之后，安装框架与浮标10分离，并被带回码头用于安装另一个浮标。
修改和改进可以在不背离本发明的范围的情况下并入本文。

Claims (17)

1.一种浮标，其包括：
中心柱；和
外部框架，其附接到所述中心柱；
其中浮力由所述外部框架提供和/或由附接到所述外部框架和所述中心柱中的至少一个的浮力件提供；并且
其中所述中心柱是负浮力的。
2.根据权利要求1所述的浮标，其中所述中心柱为可浸的。
3.根据权利要求2所述的浮标，其中所述中心柱具有第一端和第二端，所述第一端在使用中在水之外，所述第二端在使用中处于水中，并且所述第二端是开放的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的浮标，其中所述中心柱形成振荡水柱(OWC)。
5.根据权利要求4所述的浮标，包括波浪能转换器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的浮标，其中所述浮标具有中心支撑柱以接纳所述中心柱。
7.根据前述权利要求中任一项所述的浮标，其中所述浮力由附接到所述外部框架和所述中心柱中的至少一个的一个或更多个罐提供。
8.一种浮标系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的浮标，所述浮标系统通过一个或更多个张力腿系绳附接到锚，并且其中所述浮力件位于水面以下。
9.根据权利要求8所述的浮标系统，包括附接到所述浮标的风力发电机。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的浮标系统，其中，所述外部框架是潜入水中的。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的浮标系统，其中所述中心柱从水面以下延伸至水面以上。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的浮标系统，其中所述锚是模块化重力基座锚。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的浮标系统，其中所述浮标包括利用一个或更多个系绳上的张力波动的压电系统。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的浮标系统，其中所述浮标包括用于可选地经由地下脐带缆进行电力和/或信号传输的连接件。
15.一种安装浮标的方法，所述浮标是根据前述权利要求中任一项所述的浮标，所述方法包括
-使用具有至少一个压载罐的安装框架，
-将所述浮标布置在所述安装框架上；
-将压缩的气体、流体、水或海水泵入所述至少一个压载罐和/或从所述至少一个压载罐泵出，以控制所述安装框架以及因此还有所述浮标的浮力中心，和/或控制所述安装框架和/或所述浮标在水中的位置；
-将所述框架和所述浮标运输到海上安装场地。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在运输到海上安装场地之前，风力发电机被添加到布置在所述安装框架上的所述浮标。
17.根据权利要求15和16所述的方法，包括将压缩的气体、流体、水或海水泵入所述至少一个压载罐和/或从所述至少一个压载罐泵出，使所述框架降入水中，并分离所述浮标和所述框架。
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