CN113619742A - 一种混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，所述风机平台由一个深吃水中心立柱（Spar）、若干复合材料边柱及桁架结构组成；所述复合材料边柱为半潜式，由钢质构件和复合浮力材料构成；所述桁架包括浮筒梁和撑杆，固定连接中心立柱与边柱。通过立柱式平台和半潜式平台结构型式融合，充分发挥各自平台优点、限制其缺陷，构造新型浮式风机平台，同时应用复合材料边柱，为平台提供额外浮力和稳定性，降低平台重心，减少平台排水量，大幅提升平台的水动力性能及承载能力，使得新型浮式风机平台在设计环境条件下具有更好性能，从而使特定风机单位质量风轮扫略面积最大化，保持或提高风机发电效率，降低海上风电开发成本。
Description
技术领域
本发明属于海上风力发电与海洋工程技术领域，尤其涉及一种混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法。
背景技术
浮式海上风机是安装于浮式结构基础上的海上风机，浮式结构使不适于固定式风机的深水海域风电开发成为可能。浮式风电场能够大幅增加海上风电开发海域，将风电场建在更远的海域可以更好地利用有限的陆地和近海水域资源，为渔业和航道提供有利条件，同时，也能够获得更好的稳定风能资源。
采用传统浮式海上风机平台技术的海上风电平准化度电成本（LCOE）约为0.15-0.18美元/kWh，高于目前陆上风电的成本（0.03-0.05美元/kWh）。高资本支出（CAPEX）是传统浮式海上风机平台技术向降低平准化度电成本（LCOE）发展的关键驱动力。
现有传统浮式海上风机平台的资本支出中很大一部分是平台建造所需的钢材和其他材料成本。浮式平台设计的尺度和重量较大，目的在于：能够参照陆上风机动力特性、尽可能保持系统稳定和最大限度地提高系统在诸如风暴等条件下的生存能力。研究表明，钢材成本占现有设计的浮式海上风机平台（FOWT）总资本支出的50%至70%。
随着海上风机大型化和上网电价的平价化，如何在降低成本的同时提升海上浮式风机平台的承载性能，是海上风电开发迫切需要解决的问题。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于构造一种混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，以及能够提供额外浮力及稳定性的半潜式复合材料周边立柱，使特定风机单位质量的风轮扫略面积最大化，从而保持或提高风机发电效率，并且降低资本支出。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱，浮式海上风机平台融立柱式平台和半潜式平台结构型式于一体，包括位于平台平面几何中心的深吃水的中心立柱（Spar）、位于所述中心立柱周围且对称布置的边柱及用于固定连接中心立柱与边柱的桁架结构；所述深吃水的中心立柱能够降低平台的重心，增加平台的稳性性能；所述边柱为半潜式立柱，由复合浮力材料和钢质构件构成，用于为浮式海上风机平台提供额外浮力和稳定性；所述桁架结构件包括浮筒梁和撑杆。
进一步的，复合材料的边柱包括位于中心位置的钢质结构和位于所述钢质结构周围并将其覆盖的复合材料模块，两者通过胶接连接，复合材料能够显著降低边柱的平均密度，从而使新型浮式平台减少排水量。
进一步的，所述复合材料模块的内部嵌有浮力材料，所述浮力材料由塑料、复合材料、泡沫或含孔隙的材料中的一种或多种构成，并通过环氧树脂或胶凝材料模铸在一起形成边柱结构的复合材料模块，为生产建造提供便利。
优选的，所述中心立柱（Spar）下端可包括1个或以上可伸缩段体，可向下延伸，其底部设置由垂荡板或垂荡压载舱，用以提供额外的垂向水动力阻尼或压载。
可选的，水面以下的中心立柱（Spar）与边柱之间设有浮筒梁，用于支撑中心立柱；每根边柱采用斜撑杆与中心立柱连接。
进一步的，所述中心立柱（Spar）上连接有系泊缆，用以降低系泊缆动力载荷和边柱的外载荷；每根系泊缆用锚链固定到与其邻近的浮筒梁或立柱上，以减小平台的艏摇运动，并使系泊缆与平台之间保持安全距离。
可选的，每个边柱的顶部通过斜梁连接至中心立柱，相邻的边柱通过水平横梁连接，用于为浮式海上风机平台的载荷传递提供额外稳定性。
进一步的，所述边柱为变截面或不变截面的圆形或矩形截面。
可选的，所述浮力材料的密度为海水密度的10-20%，使平台能更有效地支撑风机。
进一步的，所述边柱的数量为三个或以上。
本发明的混合型浮式海上风机平台至少具有如下有益效果：
本发明的新型浮式海上风机平台将立柱式平台和半潜式平台两种平台结构型式融为一体，充分发挥了每种平台各自的优点，同时，限制了其缺陷。周边立柱通过使用轻质、低成本的复合浮力材料，使得新型浮式海上风机平台在设计环境条件下具有同等甚至更好性能，同时，大幅减少浮式平台的排水量，降低钢材使用相关部分的成本。本发明结合深吃水中心立柱（Spar）和能够提供额外浮力及稳定性的半潜式复合材料周边立柱而组成的新型浮式海上风机平台，使特定风机单位质量的风轮扫略面积（m2/kg）最大化，从而保持或提高风机发电效率，并降低资本支出。
本发明除了新型的复合泡沫材料的创新之外，就将其作为海洋平台半潜式立柱和浮筒功能构件，也同时创造了海洋工程应用的新技术。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明的混合型浮式海上风机平台的边柱的结构示意图；
图2为具有三个边柱的混合型浮式海上风机平台的结构示意图；
图3为具有四个边柱的混合型浮式海上风机平台的结构示意图；
图4为具有五个边柱的混合型浮式海上风机平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
参照图1至图4，本发明的混合型浮式海上风机平台主要由一个深吃水的中心立柱（Spar）与若干复合浮力材料构造的、可以提供额外浮力和稳定性的半潜式周边立柱（边柱100）及连接结构件组成。
本发明的新混合型浮式海上风机（FOWT）平台，其周边立柱的复合材料由密度为海水密度10-20%的浮力材料构成，可使平台能更有效地支撑风机，例如，此种复合材料可以为泡沫塑料、或添加塑料的混凝土、或充气的轻质复合材料等。新混合型浮式海上风机平台的复合材料周边立柱可为其中心深吃水立柱（Spar）船体提供额外浮力和恢复力/力矩，由于采用了塑料或气体填充的轻质材料从而大幅降低了周边立柱的总密度。
如图1所示，边柱100的中心为钢质结构110，复合材料模块120由内嵌的浮力材料130制成。钢质结构110为钢结构件，被复合材料模块120覆盖。复合材料模块120可以由多个部分组合而成，并与钢质结构110连接。复合材料模块120可以采用能够形成任何形状边柱100的泡沫，如矩形、圆柱形等。复合材料模块120可以采用内嵌的浮力材料130，浮力材料130可包含大量尺寸不一、形状各异的物体，如轻质的球形、管状、方形或蜂窝结构。这些物体可以由塑料、复合材料、泡沫或含孔隙的材料构成，通过环氧树脂或胶凝材料模铸在一起。
在实施例中，浮力材料130中的物体可具有能够减小边柱100密度的空腔。浮力材料130的密度为海水的10-20%。边柱100的密度减小，可提供更大浮力，降低成本，并提升风机的静水力和水动力性能。浮力材料130为浮式海上风机（FOWT）平台提供浮力和恢复力/力矩，在保持相同或更好的静水力和水动力性能的同时，减少平台系统整体的浮力和质量。
如图2-4所示，每个平台200可包含多个边柱100，其位于水线面上的部分202和位于水线面下的部分204。边柱100的数量、相对于彼此的角度及偏移量取决于平台200的设计特征，其中包括风机210的尺寸、环境特点、系泊缆330的数量等。
平台200的中心立柱（Spar）底部设置垂荡板或垂荡压载舱220，用以提供额外垂荡阻尼和/或压载。
每个边柱100的顶部可通过梁315连接至中心立柱（Spar），通过梁310连接相邻边柱100，这样可为平台200的载荷传递提供额外稳定性。
每个边柱100的水下部分可采用斜撑杆、浮筒梁320与中心立柱（Spar）连接。此外，每根边柱100可采用斜撑杆410与中心立柱（Spar）连接。考虑到结构应力，设计时先确定每根斜撑杆410与边柱100的连接位置，然后以特定角度延伸至中心立柱（Spar）。
系泊缆330连接至平台200的中心立柱（Spar），以降低系泊缆动力载荷和边柱100所受载荷。每根系泊缆330可通过锚链固定至与其相邻的浮筒梁320或边柱100上，以减小平台200的艏摇运动，并使系泊缆330和平台200之间保持安全距离。
本发明的新混合型浮式海上风机（FOWT）平台，利用复合泡沫材料构成的周边立柱为平台提供浮力和恢复力/力矩，在减少了整个平台系统的浮力/质量的同时，使平台具有同等或更好的静水力和水动力性能。复合材料周边立柱可设计为变截面或不变截面的圆形或矩形，并通过浮筒梁和撑杆直接与深吃水中心立柱（Spar）结构连接。复合材料边柱的数量可根据需要设计为3个或以上，立柱的直径和相邻立柱间距可远小于相同容量的常规设计半潜式风机平台，将有利于降低平台的环境荷载。
在确定了应用海域的主风向后，可以有针对性地对立柱位置和尺寸进行定位、配置和设计，以更好的抵抗风机产生的倾覆力矩。外围复合浮力材料与中心钢质结构共同构成边柱的柱体。由于采用了固体复合浮力材料，平台设计时无需考虑结构破损进水问题。采用轻质复合浮力材料的周边立柱，在提供浮力的同时，大幅减少了平台中心立柱（Spar）的所需吃水，从而降低了整个平台的重心。并且使平台重心远低于浮心，使平台具有正的恒稳性，可提供较大的恢复力和力矩，以克服大型风机产生的倾覆力矩。
本发明的用于建造周边立柱的复合浮力材料可包含大量不同尺度的可具有空腔的轻质球形、管状、方形或蜂窝状封闭微结构体，这些微结构体可以由塑料、复合物、泡沫、含孔隙的材料构成，应用时将利用环氧树脂或胶凝材料将它们进行模铸而构成大型结构物。复合材料周边立柱可由填充浮力材料的轻质固体材料构成，以承受设计静水压力和波浪载荷。根据设计的几何形状及浮力，每个复合材料边柱可由多个模块组装而成。
本发明将深吃水中心立柱（Spar）与半潜式复合材料边柱、浮筒结构集成于一体，能够降低整个平台系统的重心，减小惯性半径。本发明的复合浮力材料周边立柱的中心钢质结构仅用作结构连接构件，不作为主要的浮力模块。边柱中心钢质结构由撑杆保持稳定，以传递复合浮力材料模块产生的浮力，并为风机提供支撑。深吃水中心立柱（Spar）可设计为包含1个或以上可伸缩的结构段体，其中，内部伸缩段通过向下延伸，增加吃水深度，其携带的液态或固态压载可降低平台重心。下端压载段在建造、安装、拆除作业时可以收回，以方便平台系统的集成和运输。中心立柱（Spar）可设计为双壳结构，以便于破损进水控制，并为下端压载段提供支撑。中心立柱（Spar）底部可设置垂荡板或垂荡压载舱，以提供额外的垂向水动力阻尼或压载。平台系统可包含水面以下或相邻立柱底部之间的水平、横向或斜向梁构件。水平梁可增加立柱的支撑作用并传递载荷。在水面以上，相邻立柱可通过水平横梁连接在一起。本发明中，中心立柱（Spar）的直径可以小至风机塔筒直径。
本发明还包括新混合型浮式海上风机（FOWT）平台的系泊系统设计与构造。系泊缆连接在平台中心立柱（Spar）上，以降低系泊缆动力和周边立柱上的载荷。系泊缆可用锚链固定到与其邻近的浮筒梁或边柱上，以减小平台的艏摇运动，并使系泊缆与平台之间保持安全的距离。在迁移或维护期间，也可以通过加装临时性复合浮力材料模块为平台提供额外的浮力和稳定性。
下表1罗列了混合型浮式海上风机（FOWT）平台200的一般设计特征。
本发明的新型浮式海上风机平台将立柱式平台（Spar）和半潜式平台（Semisubmersible）两种平台结构型式融为一体，充分发挥了每种平台各自的优点，同时，限制了其缺陷。周边立柱通过采用新型轻质、低成本的复合浮力材料，使得新型浮式海上风机平台在设计环境条件下具有同等甚至更好性能，同时，大幅减少浮式平台的排水量，降低钢材使用相关部分的成本。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，浮式海上风机平台包括一个深吃水的中心立柱，围绕中心立柱对称布置的若干半潜式复合材料的边柱（100），以及处于中心立柱和边柱（100）之间将两者固定连接的桁架结构，所述桁架结构包括浮筒梁和撑杆；边柱（100）为浮式风机平台提供额外浮力和稳定性，可根据需要设计为3个或以上。
2.如权利要求1所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述边柱（100）包括位于柱体中心轴的钢质结构（110）和位于所述钢质结构（110）周围并将其覆盖的复合材料模块（120），两者通过胶接连接。
3.如权利要求2所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述复合材料模块（120）的内部嵌有浮力材料（130），所述浮力材料（130）由塑料、复合材料、泡沫或含孔隙的材料中的一种或多种构成，并通过环氧树脂或胶凝材料模铸在一起形成立柱结构的复合材料模块（120）。
4.如权利要求1所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述中心立柱可设计为下端包括1个或以上的可伸缩段体，向下延伸，其底部设置垂荡板或垂荡压载舱（220），用以降低平台重心，提供额外的垂向水动力阻尼及压载。
5.如权利要求1所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，水面以下的中心立柱与边柱（100）之间设有梁或浮筒梁（320），用于中心立柱与边柱连接；
每个边柱（100）采用斜梁（410）与中心立柱连接。
6.如权利要求1所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述中心立柱上连接有系泊缆（330），用以降低系泊缆动力载荷和边柱的外载荷；
每根系泊缆（330）用锚链固定到与其邻近的浮筒梁（320）或边柱（100）上，以减小平台的艏摇运动，并使系泊缆（330）与平台之间保持安全距离。
7.如权利要求1所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，每个边柱（100）的顶部通过梁（315）连接至中心立柱，相邻的边柱（100）顶部通过水平横梁（310）连接，用于为浮式海上风机平台的载荷传递提供额外稳定性。
8.如权利要求1所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述边柱为变截面或不变截面的圆形或矩形截面。
9.如权利要求3所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述浮力材料（130）的平均密度为海水密度的10-20%，使平台能更有效地支撑风机。
10.如权利要求1至9任一项所述的混合型浮式海上风机平台及其复合材料边柱的设计构造方法，其特征在于，所述边柱的数量至少为三个。
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