CN113279918B - 一种模块化漂浮式基础及风机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化漂浮式基础，用于固定支撑风机的塔架，包含多个模块单元，依次连接并围成一多边形，所述塔架位于所述多边形的中心；每一所述模块单元包括：漂浮模块、模块连接结构以及塔架连接结构；所述模块连接结构连接相邻的两个所述漂浮模块，所述塔架连接结构连接所述漂浮模块与所述塔架。还提供一种风机，包含如上所述的模块化漂浮式基础、塔架以及风电机组，所述模块化漂浮式基础与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。本发明解决了现有的漂浮式基础采用整体设计，导致整体尺寸大，无法根据机型灵活调整基础尺寸，无法灵活运维，以及施工成本高的问题。

Description

一种模块化漂浮式基础及风机

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，特别涉及一种模块化漂浮式基础及风机。

背景技术

近年来，我国风电装机迅猛发展，尤其自2012年以来，我国风电装机容量一直处于世界前列。近年来海上风电发展迅猛，海上风电项目开发所用的基础主要为单桩式和导管架式，但它们对水深有着严格的要求，漂浮式基础则可以突破这种限制，有望成为下一代海上风电基础的主力类型。目前常见的漂浮式基础主要有三种型式，分别为Spar式(Spar-buoy)、半潜式(Semi-submersible)以及张力腿式(Tension Leg Platform，TLP)。

半潜式型式风机浮式基础主要由立柱、横梁、斜撑、压水板、系泊线和锚固基础组成，半潜式基础吃水小，在运输和安装时具有良好的稳定性，相应的费用比Spar和TLP型式的基础节省。近年来许多厂家以该种型式的基础研发为主。两种常见的半潜式基础如图1a及图1b所示。

然而，目前半潜式基础结构存在如下问题：

1.基础采用整体设计，设计时将所有功能融为一体，导致基础与风机间存在死耦合，因此无法根据机型灵活调整基础尺寸；

2.基础采用整体设计，加上海上风电机组多为大功率机组，基础设计输入载荷大，导致基础尺寸大；

3.基础采用整体设计，若局部出现问题，需整体运维整个基础，无法灵活运维；

4.由于海上风电机组基础过大，若在陆地上施工，无法运输，只能采用靠海施工，但靠海施工会增加额外的成本及人力成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型模块化漂浮式基础及风机，通过采用模块化设计，将整体大体积漂浮式基础化整为零，单个模块体积小，从侧面削弱了海上基础的体积制约，可根据机组要求灵活设计各模块尺寸及模块数量，当单个模块出现问题后，可对单个模块进行替换或维修，单个模块可在工厂加工制作并运输至岸边靠海拼装。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种模块化漂浮式基础，用于固定支撑风机的塔架，包含多个模块单元，依次连接并围成一多边形，所述塔架位于所述多边形的中心；

每一所述模块单元包括：漂浮模块、模块连接结构以及塔架连接结构；

所述模块连接结构连接相邻的两个所述漂浮模块，所述塔架连接结构连接所述漂浮模块与所述塔架。

进一步的，所述漂浮模块包含承力单元和浮力单元，所述浮力单元为空心结构，所述承力单元包括多个承力面板，所述多个承力面板限定出一空腔，所述浮力单元固定设置于所述空腔内。

进一步的，所述浮力单元为钢制结构，或者采用钢筋混凝土预制。

进一步的，所述承力单元为钢制结构。

进一步的，所述浮力单元与所述承力单元的对应面板之间通过连接板连接。

进一步的，所述浮力单元与所述承力单元之间的空间浇筑混凝土。

进一步的，所述浮力单元为六面体结构，所述空腔为六面体空腔。

进一步的，所述塔架连接结构与所述承力单元的内承力面板连接，所述内承力面板为靠近所述塔架的面板。

进一步的，所述模块连接结构连接相邻两个所述漂浮模块的所述承力单元的内承力面板，和/或连接相邻两个所述漂浮模块的所述承力单元的外承力面板，所述内承力面板与所述外承力面板分别为靠近和远离所述塔架的两个相对的面板。

进一步的，所述模块连接结构包括铰链组件，相邻两个所述漂浮模块之间铰链连接。

进一步的，所述模块连接结构还包括π型连接构件，连接在两个相邻的所述漂浮模块之间。

进一步的，所述塔架连接结构包括一塔架连接构件和一塔架支腿，所述塔架连接构件的一端与所述漂浮模块连接，所述塔架连接构件的另一端与所述塔架支腿的一端连接，所述塔架支腿的另一端与所述塔架连接。

进一步的，所述塔架连接构件的一端设有两个连接臂，分别与相邻的两个所述漂浮模块连接。

一种风机，包含：如上文所述的模块化漂浮式基础、塔架以及风电机组，所述模块化漂浮式基础与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、模块化设计实现了大体积基础化整为零，增加了基础设计的灵活性，增强了基础对多种机型的适应性；

2、模块化设计将基础变为可重复生产的小模块，从生产模式上降低成本；

3、单个模块可以在内陆工程加工制作，降低施工成本；

4、格构式结构作为承力的主体，加工简单，焊接连接可以逐步实现机械化；无需钢筋绑扎工作，显著降低施工周期；

5、格构式结构内部填充混凝土，可以增强基础刚度，同时为基础提供压载；

6、模块间连接简单，方便现场施工；

7、运维过程中可以对单个模块进行替换，减少运维成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1a、图1b为半潜式基础的两个示例图；

图2为本发明一实施例提供的一种新型模块化漂浮式基础的俯视图；

图3为本发明一实施例提供的一种新型模块化漂浮式基础的正等侧图；

图4为本发明一实施例提供的一种新型模块化漂浮式基础的结构示意图，为便于理解，图中省略了部分结构；

图5为本发明一实施例提供的一种新型模块化漂浮式基础中一个模块单元的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。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。

本发明提供的一种新型模块化漂浮式基础，基础型式可以为半潜式，也可适用于驳船式等新型基础。如图2-5所示，本发明所述的模块化漂浮式基础包含多个模块单元100，依次连接并围成一多边形，所述塔架200位于所述多边形的中心。每一模块单元100包含：漂浮模块110、模块连接结构120以及塔架连接结构130，其中，相邻两个漂浮模块110之间通过所述模块连接结构120连接，所述漂浮模块110通过所述塔架连接结构130与所述塔架200连接。由此形成的模块化漂浮式基础用于固定支撑风机的塔架200，由多个塔架连接结构130将塔架200与多个漂浮模块110连接为一体，多个漂浮模块110为塔架200提供浮力。

所述的模块化漂浮式基础中，模块单元100的数量至少为三个，可根据需要确定具体数量，如图2所示的模块化漂浮式基础，包含8个模块单元100，形成一个八边形，所述塔架200位于八边形的中心。

由此，本发明所述的模块化漂浮式基础，由于采用模块化设计，可根据机组要求灵活设计各模块单元尺寸及数量；将整体大体积漂浮式基础模块化后，化整为零，单个模块单元的体积小，从侧面削弱了海上基础的体积制约；单个模块单元可在工厂加工制作，然后运输至岸边，不需要靠海施工，仅需要靠海拼装；基础在工作中若出现问题，可将基础拖回岸边，将需要维修的模块单元进行替换或维修即可，运维灵活。

具体的，所述漂浮模块110包含承力单元111和浮力单元112，所述浮力单元112为一空心结构，所述承力单元111包括多个承力面板，所述多个承力面板限定出一空腔，所述浮力单元112固定设置于所述空腔内。可选的，所述浮力单元112为六面体结构，所述空腔为六面体空腔。

所述浮力单元112可以为钢制结构，由六块钢板进行拼接得到空心六面体，也可以采用钢筋混凝土预制。浮力单元112设计为空心可以提升整个基础的浮力。

所述承力单元111可以为钢制结构，由六块钢板拼接而成，六块钢板共同限定出所述六面体空腔。承力单元111与浮力单元112之间通过连接板113固定连接。例如，可在所述浮力单元112的六个面与承力单元111的六个面之间设置连接板113，通过连接板113可将浮力单元112稳固的固定在承力单元111内部。当然，也可以仅在浮力单元112和承力单元111的部分面板之间设置连接板113，只要能够使二者之间稳固连接即可。连接板113与承力单元111和浮力单元112三者形成格构式结构，由此形成所述漂浮模块110的主体结构。可选的，连接板113可以为钢板，其与承力单元111和浮力单元112的钢板优选采用焊接。当浮力单元112采用钢筋混凝土预制时，优选在浮力单元112外表面预设埋件以便于与连接板113进行连接。

此外，发明人发现，现有技术中漂浮式基础通常采用全钢结构的半潜式基础，由于钢材成本高，导致整个基础造价偏高，或者，如图1a所示的漂浮式基础采用钢筋混凝土结构，需要在岸边停靠施工，由于混凝土采用现浇混凝土，对模板、浇筑周期、养护等都有较高要求，而且海上基础对混凝土性能要求高于陆上基础，导致海上钢混基础造价较高、施工周期长。鉴于此，本发明优选在所述格构式结构内部(即所述浮力单元112与所述承力单元111之间的空间)浇筑混凝土，作为所述模块化漂浮式基础的主要压载。由此，本发明的模块化漂浮式基础采用钢板混凝土组合结构，可以降低钢材成本，其次，采用钢板混凝土结构与钢筋混凝土结构有较大不同，它不需配筋，施工快捷，混凝土在钢板体内包裹，不与海水直接接触，对混凝土性能要求不高，成本较低。

具体的，所述承力单元111的六块面板分别为内承力面板114、外承力面板115、上承力面板116、下承力面板117以及左、右两侧的承力面板，其中，内承力面板114和外承力面板115相对设置，分别位于靠近所述塔架200和远离所述塔架200的位置，上承力面板116和下承力面板117相对设置且沿竖直方向上分布，左承力面板和由承力面板为另外两个相对设置的面板。

所述塔架连接结构130与所述承力单元111的内承力面板114连接。具体的，所述塔架连接结构130包括一塔架连接构件131和一塔架支腿132，所述塔架连接构件131的一端与所述漂浮模块110连接，具体与所述内承力面板114连接，所述塔架连接构件131的另一端与所述塔架支腿132的一端连接，所述塔架支腿132的另一端与所述塔架200连接。优选的，所述塔架连接构件131的一端设有两个连接臂133，分别与相邻的两个所述漂浮模块110连接。由此，通过设置两个连接臂133，可使一个塔架连接构件131同时连接两个漂浮模块110，从而增加了基础的整体性。

所述模块连接结构120可以只连接相邻两个所述漂浮模块110的所述承力单元111的内承力面板114，或者只连接相邻两个所述漂浮模块110的所述承力单元111的外承力面板115。优选的，两个部位同时连接。所述模块连接结构120包括铰链组件121，相邻两个所述漂浮模块110之间铰链连接。优选的，相邻两个漂浮模块110之间在内承力面板114和外承力面板115处通过铰链连接形成整个基础的框架，可增加基础的整体性和刚度。

进一步的，所述模块连接结构120还包括π型连接构件122，连接在两个相邻的所述漂浮模块110之间。具体的，所述π型连接构件122包括一长连接板123和两个短连接板124，长连接板123的两端分别与相邻两个漂浮模块110的承力单元111的左承力面板或右承力面板连接，两个短连接板124均设于长连接板123的外侧，分别与相邻两个漂浮模块110的承力单元111的外承力面板115连接。由此，通过设置所述π型连接构件122可进一步提高基础的整体刚度。

此外，所述浮力单元112内部可用于安放设备，所述承力单元111的上承力面板116上可以设人孔118，方便人员进入浮力单元112进行设备检修。

本发明所述的模块化漂浮式基础的实施过程如下：

1、制作浮力单元，可由钢板制成空心六面体结构，或者采用钢筋混凝土预制得到，采用钢筋混凝土预制时需要在外表面预设埋件与便于与连接板进行连接；

2、在承力单元的下承力面板上设置连接板；

3、将浮力单元与下承力面板上的连接板连接，并在浮力单元的其他五个表面设置连接板；

4、将内外侧承力面板以及左右侧承力面板与连接板连接；

5、在格构式结构内部浇筑混凝土；

6、将上承力面板与内外侧承力面板以及左右侧承力面板连接，形成漂浮模块，上承力面板上可开设人孔；

7、将多个漂浮模块之间通过铰链连接；

8、安装π型连接构件；

9、在内承力面板侧安装塔架连接结构；

10、在基础上安装锚固点；

11、后续按照塔架施工工序，进行塔架吊装、机舱吊装、轮毂及叶片吊装；

12、将机组拖运至机位处；

13、对基础进行定位及锚固。

综上所述，本发明提供的模块化漂浮式基础，模块化设计实现了大体积基础化整为零，增加了基础设计的灵活性，增强了基础对多种机型的适应性；模块化设计将基础变为可重复生产的小模块，从生产模式上降低成本；单个模块可以在内陆工程加工制作，降低施工成本；格构式结构作为承力的主体，加工简单，焊接连接可以逐步实现机械化，无需钢筋绑扎工作，显著降低施工周期；格构式结构内部填充混凝土，可以增强基础刚度，同时为基础提供压载；模块间连接简单，方便现场施工；运维过程中可以对单个模块进行替换，减少运维成本。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种风机，包括上述的模块化漂浮式基础、塔架以及风电机组，所述模块化漂浮式基础与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。

本发明提供的一种风机，由于包含上文所述的模块化漂浮式基础，因此与其有着相同的技术效果，在此不做赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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 (13)

1.一种模块化漂浮式基础，用于固定支撑风机的塔架，其特征在于，包含多个模块单元，依次连接并围成一多边形，所述塔架位于所述多边形的中心；

每一所述模块单元包括：漂浮模块、模块连接结构以及塔架连接结构；

所述模块连接结构连接相邻的两个所述漂浮模块，所述塔架连接结构连接所述漂浮模块与所述塔架；

所述漂浮模块包含承力单元和浮力单元，所述浮力单元为空心结构，所述承力单元内为空腔，所述浮力单元固定设置于所述空腔内，所述浮力单元与所述承力单元之间的空间浇筑混凝土。

2.如权利要求1所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述承力单元包括多个承力面板，所述多个承力面板限定出所述空腔。

3.如权利要求1所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述浮力单元为钢制结构，或者采用钢筋混凝土预制。

4.如权利要求1所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述承力单元为钢制结构。

5.如权利要求2所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述浮力单元与所述承力单元的对应面板之间通过连接板连接。

6.如权利要求1所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述浮力单元为六面体结构，所述空腔为六面体空腔。

7.如权利要求2所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述塔架连接结构与所述承力单元的内承力面板连接，所述内承力面板为靠近所述塔架的面板。

8.如权利要求2所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述模块连接结构连接相邻两个所述漂浮模块的所述承力单元的内承力面板，和/或连接相邻两个所述漂浮模块的所述承力单元的外承力面板，所述内承力面板与所述外承力面板分别为靠近和远离所述塔架的两个相对的面板。

9.如权利要求1所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述模块连接结构包括铰链组件，相邻两个所述漂浮模块之间铰链连接。

10.如权利要求9所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述模块连接结构还包括π型连接构件，连接在两个相邻的所述漂浮模块之间。

11.如权利要求1所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述塔架连接结构包括一塔架连接构件和一塔架支腿，所述塔架连接构件的一端与所述漂浮模块连接，所述塔架连接构件的另一端与所述塔架支腿的一端连接，所述塔架支腿的另一端与所述塔架连接。

12.如权利要求11所述的模块化漂浮式基础，其特征在于，所述塔架连接构件的一端设有两个连接臂，分别与相邻的两个所述漂浮模块连接。

13.一种风机，其特征在于，包含：如权利要求1～12任一项所述的模块化漂浮式基础、塔架以及风电机组，所述模块化漂浮式基础与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。

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