CN112855455A - 一种浮式基础及风机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮式基础及风机系统，包括具有容置空间的立柱，其中，所述立柱的上端面用于安装风机组件；当所述立柱漂浮于水上时，水自所述立柱的下端面进入所述容置空间内，位于所述容置空间内的水形成阻尼池。在系统防垂荡、转动、旋转等方面，具有良好的效果，并对漂浮式系统的控制与偏航也有一定的辅助作用。中空的立柱更具有结构可设计性，对不同环境的适应性更强。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电装置领域，具体涉及一种浮式基础及风机系统。
背景技术
截止2019年底，全球海上风机总装机容量已达29.1GW，多布置在近海浅水。但随着近海风资源开发将尽，海上风场建设必将延伸至深远海。由于欧洲海上风场开发较早，目前已经全面开启深远海风场开发。对于这一海域，漂浮式风机是唯一的技术选择形式。为此，欧洲早在15年前就开始较为深入的研制和小功率样机工程。中国在这方面起步较晚，目前海上风场开发处于近海与远海之间。为了布局后续几年即将全面出现的深远海风场，我国目前也在加速漂浮式风机的研制与样机工作。从能源分布上看，海上风资源储量丰富，主要分布于深远海区域。例如，欧洲、美国、日本等国，超过80％的海上风资源位于水深超过60米的深水区域，我国也有类似的储量情况。目前，全球范围内已建成九个漂浮式样机项目，其中六个项目安装在欧洲，三个项目在亚洲，总容量为70MW。
现有典型的立柱式风机系统，基础结构是一个圆柱形筒型结构，垂直树立于海水，支撑上部的风机与塔架。现有的立柱式风机系统，整体结构形式简单，便于建造。目前行业多采用一个大直径圆柱形浮筒，即单立柱漂浮式基础。风机系统通过锚链或缆绳等系泊结构，固定于海床。立柱式风机系统，上端通过塔架与风机机组相连。
现有的立柱式风机系统，结构形式简单，便于建造等工艺，但在性能方面也存在一些不足。由于立柱结构在垂向尺度较大，加上高塔架，使得系统在垂直方向的尺度严重大于水平方向。这种结构上的特点直接导致系统的柔性增加，带来一系列的安全隐患。如系统振动及其诱发的共振、水动力载荷与气动载荷的耦合效应引发的立柱横截面弯矩应力激增。为了最大程度降低这些系统问题，需要在基础结构设计方面提出很高的要求。
同时，对于柱状体结构，无论上部气动风载荷，还是下部波浪载荷，都容易导致系统旋转效应强烈，这对风机偏航系统的设计带来难度。所以，对于立柱漂浮式风机，在保持其结构设计的优点同时，如何提升其杆件构件在气动与波浪等复杂环境载荷作用下运动性能，成为提升系统稳定性与发电量的一个关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浮式基础及风机系统，目的在于克服传统立柱在复杂气动与波浪载荷作用下，容易出现急剧的升沉、旋转运动所带来的系统不稳定风险，以及由此引发的偏航控制问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术发明如下：
一种浮式基础，包括：
具有容置空间的立柱，具有上端面、与所述立柱的上端面相对立的下端面以及连接所述立柱的上端面和所述立柱的下端面的侧面，其中，所述立柱的上端面用于安装风机组件；
当所述立柱漂浮于水中时，水自所述立柱的下端面进入所述容置空间内，位于所述容置空间内的水形成阻尼池。
进一步地，所述容置空间为贯通所述立柱的上端面和所述立柱的下端面的柱形腔体。
进一步地，所述容置空间内安装有至少一阻尼网。
进一步地，所述立柱还包括环形的液压舱，所述液压舱用于填充液体，所述液体可在所述液压舱内流动。
进一步地，所述立柱还包括位于所述液压舱上的浮力舱，所述浮力舱用于提供浮力。
进一步地，所述立柱还包括位于所述液压舱下的固压舱，所述固压舱用于填充固体以降低所述立柱的重心。
进一步地，所述液压舱的内壁设有若干竖直的隔板，所述若干竖直隔板将所述液压舱的内腔分隔成若干腔室；所述竖直的隔板为非密封板，一所述腔室内的流体可穿过所述密封板流至相邻的另一所述腔室内。
进一步地，所述风机组件安装于塔架，所述塔架安装于过渡段，所述过渡段安装于所述立柱的上端面。
进一步地，所述立柱的上端面安装有作业平台，所述过渡段安装于所述作业平台。
另一方面，本发明还提供了一种风机系统，包括风机组件、塔架、过渡段、作业平台以及如上述的浮式基础。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：
本发明设计的一种新型漂浮式风机系统型式，在系统防垂荡、转动、旋转等方面，具有良好的效果，并对漂浮式系统的控制与偏航也有一定的辅助作用。中空的立柱更具有结构可设计性，对不同环境的适应性更强。
本发明设计的中空的立柱，自我形成阻尼池；立柱内置液压舱不仅能自我调节系统运动中的重量平衡，还能起到液体阻尼效果；立柱内置的阻尼网，能进一步增加系统结构的阻尼，对提升系统稳定性具有明显效果。
附图说明
图1为本发明一实施例中浮式基础的结构示意图；
图2为本发明一实施例中液压舱处的俯视图；
图3为本发明一实施例中液压舱隔板的结构示意图；
图4为本发明一实施例中阻尼网处的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图1～4和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、浮式基础、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、浮式基础、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、浮式基础、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1～4所示，本实施例提供的一种浮式基础，包括：
具有容置空间的立柱1，立柱1为环形的空心结构，其具有上端面、与所述立柱1的上端面相对立的下端面以及连接所述立柱1的上端面和所述立柱1的下端面的内、外侧面，其中，所述立柱1的上端面用于安装风机组件7；
当所述立柱1漂浮于水中时，立柱1对风机组件7进行支撑，水自所述立柱1的下端面进入所述容置空间内，位于所述容置空间内的水形成阻尼池，该阻尼池可以增加该浮式基础的稳定性，有效地降低浮式基础在复杂气动与波浪载荷作用下急剧升沉、旋转的程度，有效避免由此引发的偏航问题。
本实施例中，所述容置空间为贯通所述立柱1的上端面和所述立柱1的下端面的柱形腔体。立柱1及柱形腔体的横截面可为内外都是圆形的圆环，也可以是外圆内方、外方内圆、内外都是方形或内外都是多边形的各种型式，具有一定的可设计性。
本实施例中，所述容置空间内水平安装有至少一阻尼网2(立柱1与阻尼网2之间可采用可拆卸地连接方式，具体为，阻尼网2边缘上的若干钩体分别与立柱1内壁上的若干圆环连接)，该阻尼网2配合容置空间内形成的阻尼池可有效减缓立柱1在水上的垂荡运动。
请参阅图4所示，阻尼网2的结构可以为类渔网结构，该类渔网结构上可安装鳞片，鳞片可为叶片状。类渔网与鳞片多为金属材料，鳞片为片状结构，两者可通过焊接方式连接。鳞片一个边与类渔网连接，并覆盖网中间一个空隙单元。阻尼网上设置若干个鳞片，可增加阻尼网与水面的接触面积，大幅度提升阻尼效果。
本实施例中，所述立柱1还包括环形的液压舱102，所述液压舱102用于填充液体，所述液体可在所述液压舱102内流动。液压舱102不仅提供压载重量，可起到提高系统稳定性作用。舱室里充满的液体，可以自由流动，起到平衡系统转动和旋转的效果。
本实施例中，所述立柱1还包括位于所述液压舱102上的环形的浮力舱101，所述浮力舱101用于提供浮力，使浮式基础可浮于水并支撑上部的风机、塔架等结构。浮力舱101为空腔，提供整个系统的浮力，以平衡系统重量。
本实施例中，所述立柱1还包括位于所述液压舱102下的环形的固压舱103，所述固压舱103用于填充固体以降低所述立柱1的重心，进而提升浮式基础的稳定性，该固压舱103可填充碎石或混凝土等高密度固体物质，装载的重量根据环境载荷条件、风机重量、系统总重量等综合条件进行设计，一个典型的压载重量可以设计为系统总重量的一半到两倍。
本实施例中，立柱1内部沿垂直方向分段，上面数段为浮力舱101，其下为液压舱102(即液体压载舱室)，最下面为固压舱(即固体压载舱室)。浮力舱、液压舱、固压舱自上而下依次增重，起到过渡作用，在保证浮力的同时，尽可能地降低了重心，增加该浮式基础的稳定性。
本实施例中，浮力舱101和液压舱102、液压舱102和固压舱103之间均通过水平的隔板分隔而成，该水平的隔板为密封板。
请参阅图2和图3所示，液压舱102的内壁均布若干个竖直的隔板，若干个竖直的隔板将液压舱的环形内腔分隔成若干个舱室，相邻两个舱室相互连通，该竖直的隔板为非密封板，可为带有孔洞或格栅的阻尼板，该竖直的隔板允许液压舱内的流体从一个舱室流淌到相邻的另一个舱室，该液压舱可作为本浮式基础的一个平衡系统，该平衡系统内的液体转动可使浮式基础的重量再分布，另外，该平衡系统还具有一定的阻尼效果，这对缓解浮式基础在纵摇或横摇时引发转动以及艏摇引发的旋转。
本实施例中，所述风机组件7安装于塔架6，所述塔架6安装于过渡段4，所述过渡段4安装于所述立柱1的上端面，过渡段4的底面外径尺寸大于空心立柱1内径，过渡段4与其上部的塔架6、下部的立柱5均可通过法兰等方式连接。
本实施例中，所述立柱1的上端面安装有作业平台5，所述过渡段4安装于所述作业平台5，作业平台5在立柱1顶面铺设建造而成，用于运维人员行走与作业。
本实施例中，所述立柱1的侧面上安装有至少一系泊3。
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种风机系统，包括风机组件7、塔架6、过渡段4、作业平台5以及如上述的浮式基础，组成一个完整的水上浮式风机系统；通过设计新的浮式基础结构、各层分舱压载以及阻尼器，实现在复杂气动与波浪等环境载荷作用下，提升漂浮式系统运动稳定性，尤其是垂荡、转动、旋转等运动的减缓，并有助于提升风机的控制系统在漂浮式系统中的性能。
立柱1竖直设置于水，水不仅四面环绕立柱1，还从中间空心处浸入。通过设计立柱1内径与外径尺寸，可以得到不同的立柱1水动力性能与稳定性能。对于同等排水量的立柱1，空心立柱1具有更好的结构稳定性和强度特性。同时，立柱1的中空部分进入水，在水平方向相对封闭情况下，自然形成阻尼池效果，这对整个漂浮式系统在抵抗波浪作用起到很好的效果。不仅在防垂荡运动方面有非常明显的效果，对其他几个方向的运动，也有一定的减缓效果。
现以欧洲某深远水域为例，水深超过100米，年平均风速9米/秒，50年一遇有义波高12米，漂浮式系统采用6MW功率的水上风机。该条件下，如果用常规单立柱1，水线面立柱1直径也将达到10米左右，立柱1高度超过70米，立柱1重量将达到3500吨。但如果采用本方案中空的立柱1，配合液压阻尼与阻尼网2等方式，不仅可降低立柱1钢材设计用钢量，初步预估节省用钢量10％左右。同时，漂浮式系统运动性能将更稳定，风机控制系统将更容易实现对各种环境条件的适应性，发电量也会所有增加。
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)
1.一种浮式基础，其特征在于，包括：
具有容置空间的立柱，其中，所述立柱的上端面用于安装风机组件；
当所述立柱漂浮于水中时，水自所述立柱的下端面进入所述容置空间内，位于所述容置空间内的水形成阻尼池。
2.如权利要求1所述的浮式基础，其特征在于，所述容置空间为贯通所述立柱的上端面和所述立柱的下端面的柱形腔体。
3.如权利要求1或2所述的浮式基础，其特征在于，所述容置空间内安装有至少一阻尼网。
4.如权利要求1所述的浮式基础，其特征在于，所述立柱包括环形的液压舱，所述液压舱用于填充液体，所述液体可在所述液压舱内流动。
5.如权利要求4所述的浮式基础，其特征在于，所述立柱还包括位于所述液压舱上的浮力舱，所述浮力舱用于提供浮力。
6.如权利要求4或5所述的浮式基础，其特征在于，所述立柱还包括位于所述液压舱下的固压舱，所述固压舱用于填充固体以降低所述立柱的重心。
7.如权利要求4所述的浮式基础，其特征在于，所述液压舱的内壁设有若干竖直的隔板，所述若干竖直隔板将所述液压舱的内腔分隔成若干腔室；所述竖直的隔板为非密封板，一所述腔室内的流体可穿过所述密封板流至相邻的另一所述腔室内。
8.如权利要求1所述的浮式基础，其特征在于，所述风机组件安装于塔架，所述塔架安装于过渡段，所述过渡段安装于所述立柱的上端面。
9.如权利要求8所述的浮式基础，其特征在于，所述立柱的上端面安装有作业平台，所述过渡段安装于所述作业平台。
10.一种风机系统，其特征在于，包括风机组件、塔架、过渡段、作业平台以及如权利要求1至9任一权利要求中所述的浮式基础。
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