CN111483564A - 一种海上漂浮式风力机多浮体平台 - Google Patents

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CN111483564A CN202010362084.9A CN202010362084A CN111483564A CN 111483564 A CN111483564 A CN 111483564A CN 202010362084 A CN202010362084 A CN 202010362084A CN 111483564 A CN111483564 A CN 111483564A
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李春
丁勤卫
杨阳
闫阳天
刘青松
张立
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Abstract

本发明涉及一种海上漂浮式风力机多浮体平台，包括上浮体和下浮体，所述上浮体和下浮体之间通过处于拉伸状态的张力筋腱连接，所述上浮体包括从上到下依次设置的固定浮舱、可变浮舱、基础压载，所述固定浮舱用于提供浮力，所述可变浮舱包括第一腔体和第一压载泵，所述下浮体包括压载物。与现有技术相比，本发明在外界载荷作用下，上浮体发生位移，下浮体的拉力通过与之相连的张力筋腱传递至上浮体，一方面减小了上浮体运动，另一方面加快了上浮体恢复至平衡位置的速度，提高了系统的稳定性，不仅减小了纵荡、纵摇及首摇响应，且继承了Spar平台良好的运动特性。

Description

一种海上漂浮式风力机多浮体平台
技术领域
本发明涉及一种海上风力机漂浮式基础，尤其是涉及一种海上漂浮式风力机多浮体平台。
背景技术
能源是人类生存和发展的基础保障。随着我国经济快速增长，工业化进程不断加快，能源短缺与环境污染等问题日益突出，作为清洁能源的风能受到了广泛关注。较之陆上风能，海上风能具有风速高、湍流度低、储量丰富且不占用土地资源等优点，未来风电发展的主要方向是“由陆地向海洋”已成为学术界和企业界的共识。
目前，近海浅水区域漂浮式风力机多采用固定式基础，但随着水深增加，经济性效益表明漂浮式平台能较好的满足成本和环境要求。现阶段，广泛使用的漂浮式平台有张力腿平台(Tension Leg Platform)、驳船式平台(Barge Platform)、半潜式平台(Semi-Submersible Platform)以及单柱式平台(Spar Platform)，如图1所示。其中，Spar平台通过压载舱降低自身重心以保证结构稳定性，同时配合悬链线系泊使平台整体稳性显著提高，加之六个自由度固有周期远离深海波浪频率集中区域，故具有良好的运动特性，但其跨度较大，安装不便，导致造价过高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海上漂浮式风力机多浮体平台。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种海上漂浮式风力机多浮体平台，包括上浮体和下浮体，所述上浮体和下浮体之间通过处于拉伸状态的张力筋腱连接，所述上浮体包括从上到下依次设置的固定浮舱、可变浮舱、基础压载，所述固定浮舱用于提供浮力，所述可变浮舱包括第一腔体和第一压载泵，所述下浮体包括压载物。
优选的，所述固定浮舱中充有气体。
优选的，所述气体为空气。
优选的，所述张力筋腱连接在所述基础压载和下浮体之间。
优选的，所述基础压载采用结构钢。
优选的，所述下浮体还包括第二腔体和第二压载泵。
优选的，所述下浮体为实心结构。
优选的，所述上浮体与系泊系统的一端连接，所述系泊系统的另一端固定于海底。
优选的，所述系泊系统的一端固定在所述上浮体的基础压载处。
优选的，所述压载物采用混凝土。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、与上浮体和下浮体相连的张力筋腱在上浮体拉力及下浮体重力作用下始终处于拉伸状态，以保证系统相对稳定；在外界载荷作用下，上浮体发生位移，下浮体的拉力通过与之相连的张力筋腱传递至上浮体，一方面减小了上浮体运动，另一方面加快了上浮体恢复至平衡位置的速度，提高了系统的稳定性。
2、环境条件较为恶劣时，上浮体和下浮体可通过注入海水的方式增加平台质量，降低系统重心，以提高平台稳定性，此外，亦可调整张力筋腱长度改变下浮体位置以适应外界恶劣环境。
3、随海水深度变化，下浮体可选用不同材料作为压载物，以改变其质量、位置等，从而保证系统稳定性，适用水深范围进一步增加。
4、相较于现有的Spar平台，本新型多浮体平台纵荡、纵摇及首摇运动响应均减小，平台稳定性显著提高。
5、本多浮体平台尺寸跨度较小，减小了制造和安装难度，提高了平台的灵活性，同时降低了成本。
附图说明
图1为现有不同形式的漂浮式风力机；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明结构局部放大图；
图4为基于本发明多浮体平台的漂浮式风力机结构示意图；
图5为漂浮式平台六自由度运动示意图；
图6为Spar平台和本多浮体平台的纵荡方向功率谱图；
图7为Spar平台和本多浮体平台的纵摇方向功率谱图；
图8为Spar平台和本多浮体平台的首摇方向功率谱图。
图中标注：1、叶片，2、机舱，3、塔架，4、海面，5、上浮体，6、固定浮舱，7、可变浮舱，8、基础压载，9、张力筋腱，10、下浮体，11、系泊连接点，12、悬链线系泊，13、第一压载泵，14、第一腔体，15、第二压载泵，16、第二腔体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图2所示，本申请提出一种海上漂浮式风力机多浮体平台，包括上浮体5 和下浮体10，上浮体5和下浮体10之间通过处于拉伸状态的张力筋腱9连接。上浮体5上设置风力机。本申请采用压载舱与平台主体分离的结构，采用张力筋腱9 将两者连接，当平台发生运动时，分离后的压载舱(下浮体10)在惯性力作用下，通过相连的张力筋腱9向平台主体(上浮体5)施加反方向作用力，进而抑制平台运动。较之Spar平台，此平台不仅减小了纵荡、纵摇及首摇响应，且具有Spar平台良好的运动特性。此外，在设计阶段，下浮体10可根据水深范围的选取，采用不同压载物，以适应不同海况，增加了平台水深的适用范围。
上浮体5包括从上到下依次设置的固定浮舱6、可变浮舱7、基础压载8。固定浮舱6位于上浮体5顶部，内部中空，充有气体，本实施例中，固定浮舱6充满空气，为风力机提供浮力。可变浮舱7位于上浮体5中部，内部中空，包括第一腔体14和第一压载泵13，可根据外界环境条件的不同，通过控制系统打开阀门，利用第一压载泵13将海水注入或排出，以适应不同的环境条件。基础压载8位于上浮体5底部，本实施例中，基础压载8材质为结构钢。上浮体5通过“上轻下重”的质量分布，使得系统重心较低，稳定性较好。
下浮体10位于上浮体5下方，包括压载物。压载物一般采用混凝土。下浮体 10可采用实心结构，随平台服役水深变化，设计阶段可选用不同材料作为压载物，以适应不同的环境载荷，提高平台对于不同水深的适应能力。此外，随环境载荷变化，下浮体10亦可包括第二腔体16和第二压载泵15，如图3所示，通过第二压载泵15注入或排出海水，以提高系统对环境的适应能力。在设计阶段，根据平台服役区域环境条件，下浮体10可设计多种压载，以适应不同海况。
张力筋腱9位于上浮体5与下浮体10之间，具体连接在基础压载8和下浮体 10之间，在上浮体5拉力与下浮体10重力的作用下，始终处于拉伸状态。当上浮体5在环境载荷作用下产生运动时，张力筋腱9将下浮体10的拉力传递至上浮体 5，进而减小上浮体5运动响应，缩短其恢复至平衡位置的时间，提高了系统稳定性。此外，随外界环境条件变化，可通过控制系统延长或缩短张力筋腱9，调整上浮体5受到的拉力，以提高系统对不同环境的适应能力。
如图4所示，系泊系统一端通过系泊连接点11固定于上浮体5的基础压载8 处，另一端固定于海底。环境载荷作用下，漂浮式风力机运动至最大位移处，在悬链线系泊12拉力作用下逐渐恢复至平衡位置，最终处于相对稳定状态。
在平台安装阶段，通过绞车缩短张力筋腱9长度使下浮体10紧贴上浮体5底部，采用船舶将本多浮体平台运输至服役海域；到达指定海域后，通过上浮体5 的第一压载泵13将海水逐渐注入，使其由水平状态变为竖直状态，后通过绞车将张力筋腱9逐渐放出，使下浮体10下沉至指定位置。较之Spar平台，本多浮体平台跨度较小，降低了制造安装难度，造价大幅减少。
在运行阶段，随环境条件改变，本平台可通过压载泵将海水注入上浮体5或下浮体10，降低系统重心，保证风力机平稳运行；当使用压载泵注入海水的方法不能保证平台平稳运行时，可通过更换压载物的方法，对系统重心进行调整。
研究发现，纵荡、纵摇及首摇运动对风力机平稳运行及发电效率影响较大，如图6所示。Spar平台和本新型多浮体平台在纵荡、纵摇及首摇方向的功率谱分别如图6、7、8所示。相较于Spar平台，在水深为320m的深水区域，当本多浮体平台上浮体5的高度为98m，下浮体10(采用混凝土作为压载)高度为8m、直径为16m，上浮体5与下浮体10间距为33m时，本新型多浮体平台的纵荡、纵摇以及首摇运动响应均明显小于Spar平台。

Claims (10)

1.一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，包括上浮体(5)和下浮体(10)，所述上浮体(5)和下浮体(10)之间通过处于拉伸状态的张力筋腱(9)连接，所述上浮体(5)包括从上到下依次设置的固定浮舱(6)、可变浮舱(7)、基础压载(8)，所述固定浮舱(6)用于提供浮力，所述可变浮舱(7)包括第一腔体和第一压载泵，所述下浮体(10)包括压载物。
2.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述固定浮舱(6)中充有气体。
3.根据权利要求2所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述气体为空气。
4.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述张力筋腱(9)连接在所述基础压载(8)和下浮体(10)之间。
5.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述基础压载(8)采用结构钢。
6.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述下浮体(10)还包括第二腔体和第二压载泵。
7.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述下浮体(10)为实心结构。
8.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述上浮体(5)与系泊系统的一端连接，所述系泊系统的另一端固定于海底。
9.根据权利要求8所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述系泊系统的一端固定在所述上浮体(5)的基础压载(8)处。
10.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风力机多浮体平台，其特征在于，所述压载物采用混凝土。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112761893A (zh) * 2021-01-22 2021-05-07 上海理工大学 一种分形结构的新型双体漂浮式风力机平台
CN114715341A (zh) * 2022-04-14 2022-07-08 清华大学深圳国际研究生院 一种柔性连接的驳船型漂浮式风电系统及浮式平台
CN117360709A (zh) * 2023-11-28 2024-01-09 上海勘测设计研究院有限公司 一种张力腿式海上风力发电基础

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