CN114715341B - 一种柔性连接的驳船型漂浮式风电系统及浮式平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性连接的驳船型浮式风电系统及浮式平台，该浮式平台包括外围浮体、内浮体和柔性连接件；所述外围浮体中央设有贯穿其顶面及底面的月池，所述内浮体位于月池的中心位置，所述柔性连接件连接外围浮体和内浮体，并提供张紧力。本发明基于柔性连接件将风机塔筒的荷载由内浮体传递到外浮体，实现荷载的合理分配，且柔性连接件在变形时可提供部分阻尼，可降低内浮体和风电机组的运动响应，此外，开口月池的设计有助于改善浮式平台整体的运动性能。

Description

一种柔性连接的驳船型漂浮式风电系统及浮式平台
技术领域
本发明涉及海上风力发电领域，尤其涉及一种柔性连接的驳船型漂浮式风电系统及浮式平台。
背景技术
风能是一种清洁可再生能源，为了缓解能源危机，许多国家都建立起风力发电系统，目前陆上风力发电技术已经非常成熟。相比于陆上风能，海上风能资源更加丰富、稳定、受干扰程度小，这种特性在远离陆地的深海区表现得更加明显。为了开发这部分位于水深超过50m处的风能，漂浮式风机应运而生。目前应用较为广泛的漂浮式风机基础形式有：单立柱式、张力腿式、半潜式、驳船式。
2006年，W.Vijfhuizent设计了一个基于驳船式平台的5MW的风力发电机系统，平台为水线面面积较大的方形结构，并且可以结合其他形式海洋能源进行发电。2007年，Jason Jonkman对其进行了改进，在原有基础上增加了月池，便于放置波浪能发电装置，使得浮式基础的整体结构呈现口字形框架结构。法国Ideol公司设计了一种带有月池的驳船型漂浮式风机，采用中空环形阻尼池技术实现类似减摇液舱的功能，并于2018年在SEM-REV海上试验场进行样机测试。
驳船型漂浮式风机通常具有较大的占海面积，浮力分布均匀，依靠巨大的水线面面积产生回复力矩实现平衡；吃水深度浅，可以应用于水深较浅的海域；并且具有结构简单，加工方便，安装和运维较为便利等优点。但是，结构的浅吃水导致垂荡稳定性较差，对所在海域环境十分敏感，往往难以抵抗复杂的风浪荷载。
综上所述，为了提高驳船型浮式风机抵抗复杂风浪荷载的能力，增加浮式基础的稳定性，需要对常规的驳船型漂浮式风机基础的结构进行优化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述背景技术的不足，提供一种柔性连接的驳船型浮式风电系统和浮式平台，以解决驳船型漂浮式风电系统抵抗复杂风浪荷载的能力低、浮式基础稳定性较差的问题。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种浮式风电系统的浮式平台，包括外围浮体、内浮体和柔性连接件；所述外围浮体中央设有贯穿其顶面及底面的月池，所述内浮体位于外围浮体月池的中心位置，所述柔性连接件连接外围浮体和内浮体，并提供张紧力。
在一些实施例中，所述外围浮体具有圆形边缘，或者方形边缘，或者齿轮形边缘。
在一些实施例中，所述外围浮体的外侧壁面下端设有阻尼垂荡板，所述阻尼垂荡板沿着所述浮式平台的外周设置。
在一些实施例中，所述阻尼垂荡板的表面设有格栅。
在一些实施例中，所述阻尼垂荡板与所述外围浮体连接处设有三角形加强筋板。
在一些实施例中，当所述外围浮体为齿轮形边缘时，多个矩形齿轮沿着所述外围浮体的周向等距分布。
在一些实施例中，所述月池为圆形通孔或者方形通孔。
在一些实施例中，所述外围浮体的内部通过舱壁划分为多个舱室，所述舱室包括位于上部的活动压载水舱及位于下部的固定压载舱。
在一些实施例中，所述内浮体为圆柱形浮筒，内浮体高度大于等于外围浮体高度。
在一些实施例中，所述柔性连接件为若干根完全相同的钢丝绳，每根钢丝绳一端固定在所述外围浮体的内侧壁面，另一端固定在内浮体外侧壁面上。
在一些实施例中，所述钢丝绳与外围浮体和内浮体的连接处做防水处理。
在一些实施例中，所述柔性连接件以所述内浮体中轴线为中心呈放射状等间距分布，与所述内浮体底面保持平行。
在一些实施例中，所述柔性连接件具备足够大的预张紧力，在所述外围浮体和内浮体的运动过程中始终保持张紧状态。
本发明还提供一种柔性连接的驳船型浮式风电系统，包括风电机组、塔筒、浮式平台和系泊系统，所述风电机组安装在所述塔筒的顶部，所述塔筒固定在所述浮式平台的内浮体顶板上，所述系泊系统一端固定在所述浮式平台的外围浮体的外侧壁面，另一端与海床连接；所述浮式平台采用上述任一项所述的浮式平台。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)浮式平台采用内外浮体柔性连接的设计，由于内浮体上方安装高耸的风电机组和塔筒，在海洋环境下处于极度不稳定的状态，柔性连接件一方面可以将内浮体所受荷载传递给相对稳定的外围浮体，降低内浮体和风电机组的运动响应，另一方面柔性连接件在发生扭转、弯曲、拉伸变形时会产生一部分内阻尼并吸收一部分振动能量，进一步提高系统的稳定性。
(2)浮式平台中央设有月池，月池内液柱振荡提高了浮体运动时的附加质量和阻尼，可改善浮式系统的运动响应；外围浮体底部的阻尼垂荡板可改善平台的运动固有周期、增加阻尼，从而使浮式基础呈现出良好的运动性能。
(3)浮式平台结构形式简单，容易建造，且吃水深度小，可以应用于水深较浅海域。当应用于水深较浅海域时，该浮式平台可以增加内浮体的吃水深度，从而降低整个浮体的质心，来提高垂荡稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的柔性连接的驳船型浮式风电系统示意图。
图2是本发明实施例的浮式平台结构示意图。
图3是本发明实施例的阻尼垂荡板示意图。
图4是本发明实施例的新型浮式基础纵荡RAO示意图。
图5是本发明实施例的新型浮式基础垂荡RAO示意图。
图6是本发明实施例的新型浮式基础纵摇RAO示意图。
图7是本发明实施例中的ITI Energy Barge(驳船式)漂浮式风电机组示意图。
附图标记说明如下：
1-风电机组，2-塔筒，3-浮式平台，4-系泊系统，31-外围浮体，32-内浮体，33-钢丝绳，34-月池，311-阻尼垂荡板，312-加强筋板，313-格栅。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实施例和简化描述，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供的柔性连接的驳船型漂浮式风电系统及浮式平台，基于柔性连接件将风机塔筒的荷载由内浮体传递到外围浮体，实现荷载的合理分配，降低内浮体和风电机组的运动响应，同时，柔性连接件提供了部分阻尼，因为柔性连接件在发生扭转、弯曲、拉伸变形时会产生一部分内阻尼并吸收一部分振动能量，进一步提高浮式风电系统的稳定性。此外，浮式平台中央设有月池，月池内液柱振荡提高了浮体运动时的附加质量和阻尼，可改善浮式系统的运动响应；外围浮体底部的阻尼垂荡板可改善平台的运动固有周期、增加阻尼，从而使浮式基础呈现出良好的运动性能。而且，浮式平台结构形式简单，容易建造，且吃水深度小，可以应用于水深较浅海域；当应用于水深较浅海域时，该浮式平台可以增加内浮体的吃水深度，从而降低整个浮体的质心，来提高垂荡稳定性。
如图1和图2所示，本发明实施例的柔性连接的驳船型浮式风电系统，从上至下包括风电机组1、塔筒2、浮式平台3和系泊系统4。浮式平台包括外围浮体31、内浮体32和若干柔性连接件(钢丝绳33)，外围浮体31中央设有贯穿其顶板及底板的月池34，内浮体32位于月池34的中心位置，若干柔性连接件(钢丝绳33)连接外围浮体31和内浮体32，并提供张紧力。风电机组1安装在塔筒2的顶部，塔筒2固定在浮式平台3的内浮体32顶板上，系泊系统4一端固定在外围浮体31的外侧壁面，另一端与海床连接，例如，系泊系统4上端通过导缆孔与外围浮体31连接，下端通过锚固装置与海床连接，系泊系统的锚链可以使用钢索、尼龙绳等材料。如图3所示，外围浮体31的外侧壁面下端设有阻尼垂荡板311，阻尼垂荡板311沿着浮式平台3的外周设置，其表面设有格栅313，阻尼垂荡板311与外围浮体31连接处设有三角形加强筋板312。
柔性连接件也可以是柔性连杆，例如抗弯刚度较小但拉伸刚度较大的钢管，还可以采用尼龙、聚酯、聚丙烯和聚乙烯等材料制成的高强度复合纤维缆，柔性连接件应能承受较大的轴向拉压力，同时其保持一定的柔度，因此，其抗弯刚度和拉压刚度之比不能超过0.6。柔性连接件以内浮体32中轴线为中心呈放射状等间距分布，与内浮体32底面保持平行；柔性连接件具备足够大的预张紧力，在外围浮体31和内浮体32的运动过程中始终保持张紧状态，例如，如果柔性连接件是钢丝绳，当外围浮体31和内浮体32发生最大程度的相对运动时，钢丝绳始终保持张紧状态，因此预张力应足够大，防止钢丝绳松弛。
进一步地，上述的外围浮体31截面外边缘可以为圆形、方形、齿轮形，外围浮体31中间的月池34可以为圆形或者方形通孔。此外，在外围浮体31内部设置多个舱室，包括位于上部的活动压载水舱及位于下部的固定压载舱，从而降低结构重心。
在其中一个实施例中，外围浮体31采用六柱齿轮形截面，中间月池34为圆形通孔，内浮体32为圆柱形浮筒，内浮体32高度大于等于外围浮体31高度，六根完全相同的钢丝绳33沿内浮体圆周方向等间距分布，一端连接外围浮体31内侧壁面，另一端连接内浮体32外壁，两端等高，以内浮体中轴线为中心呈放射状，钢丝绳33与外围浮体31和内浮体32的连接处均做防水处理。钢丝绳根数是根据柔性连杆的承载能力，以及浮式系统所处海域的海况确定的，需要保证钢丝绳及其连接部位在一定的使用年限内不损坏，除了六根之外，沿周向均匀分布四根、八根、十二根等等都是可以的；此外，还可以根据情况沿轴向设计多组钢丝绳，例如，在现有钢丝绳下方一定距离处再安装同样的一组六根钢丝绳。钢丝绳33是直接连接内浮体32和外围浮体31的构建，因此其长度应不小于内浮体32和外围浮体31中间留有的间距；对于本发明实施例中一个排水量在6000t，且具有六根钢丝绳作为连接部件的浮式系统而言，在钢丝绳弹性模量E为210GPa时，其截面直径应不小于1m。此外，钢丝绳33通过钢丝绳卡扣与内浮体32和外围浮体31上焊接的安装耳连接；连接部位的应力集中不可避免，但可以通过增加内浮体32和外围浮体31间的钢丝绳数量(如增加单周的钢丝绳数目，沿轴向设计多组钢丝绳)来减轻单根钢丝绳的受力。
当风电机组1在风荷载驱动下工作时，产生的推力和转矩荷载作用在塔筒2的顶部，并对底部固连的内浮体32产生较大的作用力和弯矩，而波浪荷载的作用会加剧内浮体32及其上部风电机组1的运动响应。由于内浮体32尺寸较小，无法生成充足的回复力矩，将所受荷载通过钢丝绳33传递给外围浮体31，外围浮体31则凭借较大的水线面面积维持稳定。其机理为：外围浮体由于所占据的水线面面积较大，所产生的回复力矩也较大，因此抗倾覆能力较强；而内浮体上方安装高耸的风电机组和塔筒，本身质心较高，加上内浮体所占据的水线面面积小，因此抗倾覆能力较差；将内浮体与外围浮体通过张紧的钢丝绳连接为一体相当于增大了整体的水线面面积，也就增强了浮式系统的回复力矩、降低了整个浮式系统的运动响应，自然也就降低了内浮筒和上部风电机组的运动响应；而多出来的这部分回复力矩是由外围浮体所提供的，也就相当于将内浮体所受的荷载部分传递到外围浮体上，外围浮体利用其自身较大的水线面面积和较大的回复力矩(较强的稳定性)去分担掉内浮体的一部分运动能量。而且，浮式平台中央设有月池，月池内液柱振荡提高了浮体运动时的附加质量和阻尼，可改善浮式系统的运动响应，月池内液体振荡机理为：由于垂向运动形成的“活塞效应”和水平运动形成的“晃荡效应”，月池内液柱通常会随浮体运动出现垂向的“活塞运动”和水平方向的“晃荡运动”，增加了附加质量和辐射阻尼，同时液体运动对浮体壁面产生了一部分粘性阻尼，可以起到优化浮体运动的效果。此外，当浮式平台在水中运动时，阻尼垂荡板表面的格栅会捕捉一部分水体，同时底部的阻尼垂荡板周围会形成漩涡，强化了阻尼垂荡板边缘的流动分离，从而增加浮式平台的附加质量和阻尼，使得浮式基础固有周期避开波浪能量集中范围，同时减小风机运动响应。
此外，本发明实施例采用柔性连接件的原因是：在实际工程中，为节约成本，连接部件无法做到完全刚性，且连接部件相对于内浮体和外围浮体而言是一细长部件，将其视为柔性是较为合理的做法；另一方面，柔性连接件允许内浮体和外围浮体的相对运动，相比于完全刚性的连接，可以起到一定的缓冲作用，且柔性连接件可以通过变形提供一部分阻尼，以及吸收耗散一部分振动能量。
当浮体遭受波浪冲击时，整个稳定过程为：浮式基础在风、浪、流荷载的联合作用下发生六自由度的运动，浮体依靠其水线面提供的回复力矩实现平衡，同时系泊系统对平台运动也具有约束作用。
以下通过数值模拟验证本发明实施例的有益效果：
图4、图5和图6为使用Openfast(一种基于FAST v8的风力涡轮机仿真工具)模拟本发明实施例和ITI Energy Barge(驳船式)漂浮式风电机组(图7)在白噪声波浪下的幅值相应算子(RAO)的示意图,两个模型采用相同的风电塔筒结构，浮体部分具有相同质量、惯性、质心、吃水、排水体积。从图中可以看出，本发明实施例显著降低了结构在纵荡、纵摇方向的运动响应，降低了主要波浪频率范围内(0.17-0.5Hz)的垂荡运动响应。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (12)

1.一种浮式风电系统的浮式平台，其特征在于，包括外围浮体、内浮体和柔性连接件；所述外围浮体中央设有贯穿其顶面及底面的月池，所述内浮体位于所述月池的中心位置，所述柔性连接件直接连接外围浮体和内浮体，并提供张紧力,所述柔性连接件在发生扭转、弯曲、拉伸变形时产生一部分内阻尼并吸收一部分振动能量，进一步提高系统的稳定性；所述外围浮体的外侧壁面下端设有阻尼垂荡板，所述阻尼垂荡板沿着所述浮式平台的外周设置，所述阻尼垂荡板的表面设有格栅。
2.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述外围浮体具有圆形边缘，或者方形边缘，或者齿轮形边缘。
3.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述阻尼垂荡板与所述外围浮体连接处设有三角形加强筋板。
4.根据权利要求2所述的浮式平台，其特征在于，当所述外围浮体为齿轮形边缘时，多个矩形齿轮沿着所述外围浮体的周向等距分布。
5.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述月池为圆形通孔或者方形通孔。
6.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述外围浮体的内部通过舱壁划分为多个舱室，所述舱室包括位于上部的活动压载水舱及位于下部的固定压载舱。
7.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述内浮体为圆柱形浮筒，内浮体高度大于等于外围浮体高度。
8.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述柔性连接件为若干根完全相同的钢丝绳，每根钢丝绳一端固定在所述外围浮体的内侧壁面，另一端固定在内浮体外侧壁面上。
9.根据权利要求8所述的浮式平台，其特征在于，所述钢丝绳与外围浮体和内浮体的连接处做防水处理。
10.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述柔性连接件以所述内浮体中轴线为中心呈放射状等间距分布，与所述内浮体底面保持平行。
11.根据权利要求1所述的浮式平台，其特征在于，所述柔性连接件具备足够大的预张紧力，在所述外围浮体和内浮体的运动过程中始终保持张紧状态。
12.一种柔性连接的驳船型浮式风电系统，其特征在于，包括风电机组、塔筒、浮式平台和系泊系统，所述风电机组安装在所述塔筒的顶部，所述塔筒固定在所述浮式平台的内浮体顶板上，所述系泊系统一端固定在所述浮式平台的外围浮体的外侧壁面，另一端与海床连接；所述浮式平台采用如权利要求1-11中任一项所述的浮式平台。
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