TWI737878B - 浮動離岸平臺 - Google Patents

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Abstract

一種用於支承至少一個風力渦輪機的半潛式浮動平臺(1)，平臺包括：四個浮力柱(3)，每個浮力柱附接至環形浮橋(2)；構造成支承一個風力渦輪機的過渡件(4)，其佈置在浮力柱(3)上；以及組裝到環形浮橋(2)的內周緣的起伏板(5)。環形浮橋(2)包括形成了四邊形形狀的環形浮橋(2)的四個浮橋部分，每個柱(3)的第一端部附接到所述四邊形形狀的環形浮橋(2)的相應拐角。起伏板(5)位於環形浮橋(2)的內周緣，這二者限定中空部。浮橋(2)優選地被劃分成可以用固定壓載物比如混凝土填充的多個隔室或者構造塊。過渡件(4)具有以星形構型佈置並且從風力渦輪機所在的中心點處突出的四個臂，過渡件(4)與柱(3)之間的連接部被設計成位於海飛濺區上方。每個浮力柱(3)包括至少一個壓載艙，壓載艙構造成用於分配海水以調節吃水深度並補償平臺(1)的傾斜，包括在每個柱中的所述至少一個壓載艙獨立於其他柱(3)的所述至少一個壓載艙。

Description

浮動離岸平臺
本發明涉及浮動離岸結構。更特別地，本發明涉及用於支承風力渦輪機的半潛式浮動離岸結構。
存在各種各樣的離岸結構。這些離岸結構通常具有根據它們的應用而容納不同設備的頂側結構。這種設備的示例為管道設備、鑽探設備、儲存和能量生產設備。整個結構的設計通常受其預期應用的制約。
US8418640B2中公開了一種用於油和氣體提取的半潛式離岸平臺的示例。在US2007224000A1、US7963241B2和US8807874B2中公開了這種類型的離岸結構的其他示例。
還存在構造成用以支承風力渦輪機的半潛式浮動離岸結構。設計用於油氣行業的結構比那些設計用於離岸風的結構更大、更重，因為設計考慮/限制是顯著不同的。油氣結構支承更大、更重的設備，是人工操縱的結構，其應用性質導致更高的安全水準，以避免漏油。因此，穩定性標準必須借助於設計安全因素、額外的加強元件和更大的元件來確保，以提供可浮動性並使平臺運動最小化。設計是由安全考慮驅動的。例如，通常考慮雙殼體(hull)並且甲板空間被最大化。
另一方面，離岸風力結構是無人操縱的，其中，洩漏或對環境影響的風險非常低。設計是由成本降低驅動的，所以必須減小結構的尺寸，但確保適當的風力渦輪機操作的穩定性。此外，由於應用的性質，油氣結構就俯仰和滾轉固有週期而言沒有限 制，而這是離岸風力結構所面臨的情況。
WO2014/031009中描述了一種配置成支承風力渦輪機的半潛式浮動離岸結構的示例，其公開了具有以星形構型佈置的浮橋結構的這種結構中的一種。離岸結構具有四個豎向柱：所述四個豎向柱中的三個豎向柱佈置在浮橋結構的相應端部上，並且第四個豎向柱位於浮橋結構的中央。這個中央柱支承風力渦輪機。這種配置導致柱間距較大的設計，這意味著連接它們的浮橋更大、更昂貴。
接著，WO2014013098A1公開了一種用於支承風力渦輪機的離岸結構。該離岸結構具有四個外柱和設計成用於支承風力渦輪機第五個內柱。在這種情況下，結構材料是混凝土，這導致大的排水量和更大的平臺重量。五柱式構型在穩定性方面具有優勢，但是該結構具有較大的浮動面積，使得其對水流更敏感，從而增加了錨碇系統的複雜性和成本。
在EP2271547B1中公開了另一種用於支承風力渦輪機的離岸平臺。該平臺具有三個穩定柱，所述三個穩定柱具有用於容納壓載流體的內部體積。借助於壓載物控制系統，壓載流體在柱的內部容積之間移動，以調整柱的豎向對齊。三柱式構型導致柱之間更大的距離，以確保穩定性。將風力渦輪機安裝在其中一個柱的頂部導致非對稱構型，從而使穩定性更加複雜。需要在柱之間傳輸壓載物以保持風力渦輪機的豎直性，這使得系統更加複雜並且需要冗餘來確保其在失效或緊急情況下的操作。
因此，需要開發一種克服了上述缺點、同時使成本降至最低的新的半潛式浮動離岸平臺。
本發明試圖藉由一種新的用於支承風能設備的浮動離岸平臺來解決上述缺點。該平臺具有四個豎向浮力柱，所述四個豎向浮力柱與佈置在所述四個柱的底部處的浮橋以及佈置在柱的頂部處的甲板或過渡件一起形成平臺的主要結構。浮動平臺借助於錨碇系統固定至海底。在操作中，風力渦輪機以及用於產生風能所需的任何輔助設備都位於過渡件的頂部。該平臺旨在藉由提供優化的技術方案來支承浮動式離岸風力設備，該優化的技術方案在限制昂貴的離岸集成和維護程式的同時使大型風力渦輪機(例如5MW至10MW)的能源產量最大化。
在本發明的第一方面，提供了一種用於支承至少一個風力渦輪機的半潛式浮動平臺。該平臺包括：四個浮力柱，所述四個浮力柱中的每個浮力柱在第一端部處附接至環形浮橋；過渡件，過渡件構造成支承至少一個風力渦輪機，過渡件在浮力柱的與所述第一端部相反的端部處佈置在浮力柱上；以及起伏板(heave plate)，起伏板組裝到環形浮橋的內周緣。環形浮橋包括形成四邊形形狀的環形浮橋的四個浮橋部分，其中，每個柱的所述第一端部附接到所述四邊形形狀的環形浮橋的相應拐角。起伏板位於環形浮橋的內周緣，浮橋和起伏板限定中空部。過渡件具有四個臂，所述四個臂以星形構型佈置並且在所述平臺使用時從風力渦輪機所在的中心點突出，過渡件與所述四個柱的上端部之間的連接部被設計成位於海飛濺區上方。浮力柱中的每個浮力柱包括至少一個壓載艙，壓載艙被構造成用於在所述平臺使用時分配海水，以調節吃水深度並補償平臺的傾斜，包括在每個柱中所述至少一個壓載艙獨立於其他柱的所述至少一個壓載艙。
在本發明的實施方式中，起伏板由位於環形浮橋的內周緣中的四個部分形成，起伏板的所述四個部分形成為三角形形狀部分或矩形形狀部分。
在本發明的實施方式中，所述平臺還包括主動壓載系統，主動壓載系統構造成將海水泵送到所述柱的每個壓載艙，對每個壓載艙的所述海水泵送是獨立於對其他壓載艙的海水泵送而進行的。
在本發明的實施方式中，每個柱在內部由桁梁和縱梁加強。
在本發明的實施方式中，每個柱在內部被劃分成多個部段。
在本發明的實施方式中，所述四個柱具有相同的直徑，兩個相鄰柱之間的距離與所述柱直徑之間的比率被選擇成使得平臺起伏的固有週期和所述平臺俯仰/滾轉的固有週期被保持為等於或大於20s，所述比率根據所述風力發電機的功率而變化。
在本發明的實施方式中，由浮橋和起伏板限定的中空部的表面與由浮橋所佔據的表面加上由起伏板佔據的表面加上由浮體和起伏板限定的中空部的表面(S3)之和之間的比率被選擇成使得平臺起伏的固有週期被保持為等於或大於20s，所述比率根據所述風力渦輪機的功率而變化。
在本發明的實施方式中，所述浮橋被劃分成多個隔室，所述多個隔室構造成要用混凝土壓載物填充。
在本發明的實施方式中，所述浮橋在內部包括具有桁梁和縱梁的加強結構。
在本發明的實施方式中，所述起伏板在內部包括具有桁梁和縱梁的加強結構。
在本發明的實施方式中，起伏板由懸臂梁支承，從而確保柱的增固件和浮橋的增固件的結構連續性。
在本發明的實施方式中，平臺還包括安置在過渡件的所述中心點上的風力渦輪發電機。
在本發明的實施方式中，在平臺的使用中，過渡件保持在波浪區上方。
在本發明的實施方式中，平臺還包括懸鏈錨碇系統，懸鏈錨碇系統包括構造成將平臺固定到海床的多個懸鏈錨碇纜索。
在本發明的實施方式中，四邊形形狀的環形浮橋是方形形狀的環形浮橋。
本發明的其他優點和特徵將從下面的詳細描述中變得明顯，並且將在所附請求項中特別指出。
1:平臺
2:浮橋
3:浮力柱
4:過渡件
5:起伏板
6:懸鏈錨碇系統
21:桁梁
22:縱梁
23:分隔壁
31:內部加強結構
32:殼體
33:環形框架
34:豎向桁梁
35:甲板
36:甲板的部段
51:桁梁
52:縱梁
為了完成描述以及為了更好地理解本發明，提供了一組附圖。所述附圖形成說明書的組成部分，並且示出了本發明的實施方式，其不應被解釋為限制本發明的範圍，而僅僅作為如何實現本發明的示例。附圖包括以下圖示：
圖1A和圖1B示出了根據本發明的實施方式的半潛式浮動離岸式平臺的側視圖。
圖2A和圖2B示出了每個柱的內部結構的兩種方案。
圖3示出了圖1A和圖1B的平臺的俯視圖，其中，可以更詳細地觀察到甲板或過渡件。
圖4A、圖4B和圖4C詳細示出了形成浮橋的兩個相鄰部分的內部結構。圖4A示出浮橋的一個部分(構造塊)的橫截面。圖4B和4C詳細示出了浮橋的內部結構、其如何連接到四個柱中的一個柱的最下端以及起伏板的一部分的內部結構(由圖4B中的三角形部分以及圖4C中的矩形部分構成)。
圖5A和圖5B示出了示出根據本發明的實施方式的平臺的起伏板的可能實現形式中的一種實現形式的內部結構的不同視圖。
圖6A示出了根據本發明的實施方式的半潛式浮動離岸平臺的俯視圖，該半潛式浮動離岸平臺包括浮橋、起伏板和四個柱。未示出過渡件。圖6B示出了根據本發明的替代性實施方式的半潛式浮動離岸平臺的俯視圖，其中，起伏板的實施方式以與圖6A中的起伏板不同的方式實施。
圖7示出了表示對於兩種不同類型的風力渦輪機而言，起伏固有週期的不同值對於浮橋的表面、起伏板的表面以及由起伏板和浮橋限定的中空部的表面的不同比率的圖表。
圖8A示出了根據本發明的實施方式的半潛式浮動離岸平臺的 俯視圖，該半潛式浮動離岸平臺包括過渡件、浮橋、起伏板和四個柱。圖8B示出了根據本發明的實施方式的半潛式浮動離岸平臺的側視圖。圖8C示出了根據本發明的實施方式的半潛式浮動離岸平臺的軸側視圖。
圖9A和圖9B分別示出了根據本發明的實施方式的平臺的豎立浮動位置和橫傾位置。
圖10示出了表示對於5MW風力渦輪機而言，起伏固有週期和旋轉固有週期(俯仰、滾轉)的不同值對於柱之間的距離/柱直徑的不同比率的圖表。
圖11示出了表示對於10MW風力渦輪機而言，起伏固有週期和旋轉固有週期(俯仰、滾轉)的不同值對於柱之間的距離/柱直徑的不同比率的圖表。
在本文中，術語“包括”及其派生詞(例如“包含”等)不應被理解為排他性意義，也就是說，這些術語不應被解釋為排除了所描述和所限定的方面可以包括其他的元素、步驟等的可能性。
在本發明的上下文中，術語“大約”及其族的術語(比如“近似”等)應被理解為指示非常接近於跟在前述術語之後的值的值。也就是說，應當接受在精確值的合理範圍內的偏差，因為本領域的技術人員將會理解，由於測量不準確性等原因，這樣的偏離所指示的值是不可避免的。同樣的情況適用於術語“大致”和“在...周圍”和“基本上”。
以下描述不應被理解為是限制性的，而僅僅是為了描述本發明的寬泛的原理而給出的。下面將參照上面提到的示出了根據本發明的裝置和結果的附圖以舉例的方式描述本發明的實 施方式。
圖1A和圖1B示出了根據本發明實施方式的半潛式浮動離岸平臺1的側視圖。該半潛式浮動離岸平臺1是旨在支承離岸式風力渦輪機的柱穩定式浮動平臺。半潛式浮動離岸平臺1一般包括浮橋2、四根浮力柱3、甲板或過渡件4和起伏板5。通常設置在離岸結構上的標準頂側設備佈置在過渡件4的頂部。在這種情況下，風力渦輪機和可選的用於風力渦輪機的輔助設備安裝在過渡件4上。在本發明的上下文中，表述“風力渦輪機”用於表示風力渦輪機組和獲得離岸式風能所需的任何相關設備，比如風力渦輪發電機、葉片、塔架、機艙等。浮橋2是環形浮橋。在本文中，術語“環”是指無論其採用何種形狀都限定中空部分的結構。這意味著根據本發明的環形浮橋不一定呈圓形形狀。事實上，本發明的環形浮橋2優選地為方形形狀的環形浮橋。換句話說，浮橋2限定了居中的空間或居中的井。如圖1A和1B所示，環形浮橋2的每個拐角接納四個柱3中的一個柱的底部部分。換句話說，每個柱3的底部部分連接到或一體地形成在環形浮橋2的四個拐角中的一個拐角中。 如此，柱3剛性附接到浮橋2。
起伏板5被組裝或嵌入至浮橋2。起伏板5是大致平坦的。起伏板5位於環形浮橋2的內周緣。在圖1A和圖1B中所示的實施方式中，起伏板5由大致呈直角三角形形狀的四個部分構成。對於每個部分而言，形成直角的兩個側部以部分地填充由浮橋2形成的中空空間的方式佈置在一個拐角中。也就是說，如圖1A和1B所示，浮橋2的每個內拐角都設有(起伏板4的)一個部分。換句話說，每個三角形板位於浮動柱3的基部的前方。圖6A示出具有如同上所述的起伏板(由大致呈直角三角形形狀的四個部分構成)那樣的起伏板的浮動平臺的俯視圖。圖6B示出了根據本發明另一實施方式的浮動平臺的俯視圖，其中，起伏板是由四個基本相等的部分構成的方形形狀的環形起伏板。每個部分由限定了直角的兩個平的片材構成。所述四個部分放在一起，從而形成設置在由浮橋2限定的居中空間的外部區域處的呈方形形狀的環。在兩個實施方式中，起伏板5界 定了平臺的中央孔。因此，起伏板5限定大致呈方形的中空部分，如稍後詳細解釋的。起伏板5的表面可以具有桁梁和增固件，並且被設計為在提供剛度的同時保持水。平臺1還具有懸鏈錨碇系統6。如可以觀察到的，平臺1不具有沿著柱3的長度連接成對的柱3的加固支撐杆、橫杆或縱梁。也沒有將柱與浮橋連接或將起伏板(或形成起伏板的部分)與浮橋或柱連接的支撐杆。
柱3的橫截面優選地呈圓形，但替代性地，也可以使用柱3的其他形狀的橫截面，比如矩形橫截面。浮橋2、起伏板5和柱3的組合限定了浮體(buoyant body)。四個柱提供了用以支承風力渦輪機的浮力和用於穩定性的足夠的水線面慣量。圖2A和圖2B示出了根據本發明的實施方式的柱3的內部結構的兩種方案，其中，使用了具有圓形橫截面的柱。換句話說，在所示的實施方式中，柱3呈圓柱形形狀。柱3是至少部分中空的。如可以觀察到的，每個柱可以具有為柱提供剛性的內部加強結構31。如圖2A和圖2B所示，柱的殼體32優選地利用豎向桁梁34(比如，“T”型材或球頭扁鋼)和環形框架33(比如，平板)加強以提供充分的局部和整體屈服和屈曲強度。桁梁和框架優選地有規律地間隔開。每個柱在平臺使用時受到的壓力從柱的頂部到底部增大。換句話說，每個柱的下部部分比每個柱的上部部分受到更高的壓力。由於殼體32的較深的(下部)部段在平臺使用時受到更大的壓力載荷，因此每個柱優選地在水準方向上被劃分成由加強甲板35劃分的多個部段或構造塊，部段或構造塊的尺寸根據其最大水頭來設定。圖2A還示出了甲板的部段36。這意味著所有相同類型的構件具有相同的尺寸。構成每個柱的殼體32優選地是金屬的。在特定實施方式中，殼體32由鋼製成。金屬片材的厚度根據這些片材佈置在柱中的高度而變化(高度越低，厚度越厚)。
四個柱3提供了用以支承風力渦輪機的浮力和用於穩定性的足夠的水線面慣性。環形浮橋2也提供了浮力和穩定性。為此目的，平臺1包括兩種類型的壓載物以確保穩定性：固定的壓載物、優選為混凝土壓載物，固定的壓載物為被動式壓載物；以及對於每個柱而言可移除並且獨立的主動式水壓載物。 因此，這種水壓載物是可變的，也就是說，每個柱中用作壓載物的水的量不是固定的並且對於各個柱而言通常是不同的。關於被動或固定的壓載物，環形浮橋2可以被分隔並且部分地填充有固定的混凝土壓載物。因此，這種固定壓載物在平臺的操作壽命期間就位。就主動式水壓載物而言，壓載艙位於每個柱的底部部段中。每個柱優選地設有一個壓載艙。每個柱的優選地一個壓載艙獨立於其它柱的壓載艙。在平臺使用時，主動壓載系統將海水泵送到每個壓載艙以調整吃水深度並補償由風力載荷在渦輪機上產生的平均傾斜度。每個水壓載艙都獨立於其他的壓載艙，因此在柱之間不存在水壓載物的傳遞。壓載艙被分隔，並且每個隔室在操作中完全充滿水，以避免攪動效應。在特定的實施方式中，每個艙被劃分成多個--優選在2至8之間、更優選在2至5之間變化的--隔室。換句話說，填充每個壓載艙的水不會從一個柱移動到另一個柱。作為示例，在每個柱中，與浮橋2的高度基本匹配的第一(最低)隔室可以填充有固定壓載物、優選地混凝土壓載物，而第二隔室可以填充有海水(可變壓載物)。柱的其餘部分被劃分成附加的、優選在2至6之間變化的附加隔室。柱優選地由金屬製成、更優選由鋼製成。
圖3示出了佈置在四個柱3的頂部並設計成支承風力渦輪機的甲板或過渡件4。特別地，示出了分解圖，使得能夠觀察到過渡件4的內部結構。過渡件4優選為大致平坦的件。過渡件4由四個優選地為矩形形狀的連接件構成，所述四個連接件將四個柱3中的每個柱的上端部與部件4的中央區域連接，用於接納渦輪機塔架的最下端。因此，四個柱3的上端部位於過渡件4的各個臂的遠端部處。換言之，過渡件4具有以星形構型佈置並從中心點突出的四個臂。該中心點是連接渦輪機塔架的底端部的點。優選地，形成過渡件4的四個臂中的每一對相鄰的臂以90°的角度分開，即，兩個相鄰的臂形成90°的角度。過渡件4與四個柱3的端部之間的連接被設計成位於飛濺區上方，其中，在100年的重現週期的情況下，在最大波峰上方具有間隙(也就是說1%概率在一年內遭受到最大波峰)。風力渦輪機被設計成相對於柱居中定位。過渡件4優選由金屬製成，更優選由鋼製成。
返回參照圖1A和1B，平臺1具有環形浮橋2--即，在其內部部分中限定有中空部的浮橋--以在柱的下端部處使柱相互連接。在將平臺用作支承一個或多個風力渦輪機的離岸結構時，浮橋2被浸沒。浮橋2優選地呈方形的環形形狀。如示出了浮橋2的內部結構的圖4A中所示，浮橋2優選地被分隔壁23分成可以用固定壓載物比如混凝土填充的多個隔室或者構造塊。如圖4B和4C所示，浮橋外殼優選地用環形框架或縱梁22和桁梁21(水準桁梁)加強。框架22和桁梁21優選地有規律地間隔開。浮橋2可以由四個大致平坦的部分構成。成對的部分兩兩對準，並且相鄰的部分彼此之間形成90°的角度，四個部分形成具有內部中空部的大致平坦的部分。因而，每個浮橋部分被附接至成對的相鄰柱的底部。每個浮橋部分在成對的相鄰柱的基部之間延伸。浮橋2的外部輪廓不超出柱3的輪廓。圖4B詳細示出了兩個相鄰部分的內部結構的另一視圖以及它們如何連接到平臺的四個柱3中的一個柱的最下端。還示出了沿著形成浮橋2的部分的桁梁21以及相對於桁梁21橫向地佈置的縱梁22。所示出的柱3的最下端可以焊接到浮橋2的加強增固件(桁梁和縱梁)。優選地，浮橋的加強增固件與每根柱的加強增固件匹配，以便更好地傳遞作用力。
圖4B還示出了起伏板5的一部分的內部結構，在此情況下，起伏板5是具有三角形形狀的部分的起伏板。值得注意的是，儘管圖4B涉及具有三角形形狀的部分的起伏板5，但起伏板的內部結構以相似的方式應用於由四個矩形構成的起伏板(如關於圖4C和圖6B所述)。起伏板5(更確切地說，形成起伏板的四個部分中的每個部分)可以在內部由桁梁51和相對於桁梁51橫向地佈置的縱梁52加強。桁梁51和/或縱梁52優選地佈置成規則地間隔開。優選地，浮橋的加強增固件(桁梁21和縱梁22)與起伏板的各個部分的加強增固件(桁梁51和縱梁52)匹配，以便更好地傳遞作用力。如圖4B和4C所示，起伏板5優選為單個部件，也就是說，每個部分(比如三角形形狀或矩形形狀部分)被連接到相鄰的部分，並且其內部結構也被連接。起伏板5優選由金屬製成，更優選由鋼製成。
圖5A和圖5B還示出了根據本發明的實施方式的起伏板5的內部結構以及起伏板相對於平臺的浮橋2和柱3的位置。在此實施方式中，起伏板5由四個三角形構成，但是在替代實施方式中，其可以由矩形構成。起伏板--也就是說形成起伏板5的四個部分--位於結構的底部處並且在柱3之間並附接至浮橋浮橋2的內周緣。起伏板優選地由懸臂梁支承，從而確保了柱加固件和浮橋加固件的結構連續性。沒有用於支承形成起伏板的部分的支撐杆。形成起伏板的部分位於由浮橋限定的周緣的內部。如可以從圖5A和圖5B以及圖6A和圖6B中看出的，每個柱(精確地說，每個柱的基部)被佈置為靠近浮橋的相應拐角的外徑。起伏板5從浮橋2的內周緣朝向由浮橋2限定的中空部的內部部分延伸(換言之，朝向平臺的內部)。
圖6A和圖6B示出了根據本發明的兩個可能的實施方式的浮體的相應俯視圖。沒有顯示過渡件(在操作中，它未被浸沒)。在該圖中，平臺的三個重要的設計區域或表面被標識為：代表由浮橋2和四個柱3佔據的表面的第一表面S1；代表由起伏板5佔據的表面的第二表面S2；和佈置在結構中央並由起伏板和浮橋限制的開口表面S3。在本發明的優選實施方式中，開口面積S3與總面積(S1+S2+S3)之間的比率被設計成使得平臺的起伏的固有週期被保持為等於或者大於20s，如接下來所解釋的。該比率可以至少取決於風力渦輪機的額定功率，如接下來所解釋的。該比率也可以根據部署位置的情況而改變。
整個平臺的固有頻率必須在海週期範圍(sea range period)以外以避免共振。這意味著包括浮動平臺、風力渦輪機和錨碇系統的組的剛體特徵週期必須超出在5s至19s之間(其對應於海週期)變化的範圍。
對於半潛式平臺，根據DNV-RP-C205(2014年4月)-表7.1，起伏自由度(上/下)的固有週期在20s左右。因此，在起伏中，激發力的週期接近平臺的典型固有週期，這意味著有進入共振的危險。為了避免這種現象，面向起伏運動(豎向運動)的表面是關鍵參數，如下面所解釋的。
起伏的固有週期由下式給出：
Figure 106146061-A0305-02-0015-1
其中，M為整個結構(鋼結構、壓載物、風力渦輪機、錨確系統等)的品質。
A 33 為起伏添加品質。在豎向運動期間，平臺被增加慣量，因為當起伏加速或減速時，平臺在移動藉由周圍流體時使周圍流體的體積移動(或偏轉)。起伏中添加的品質與S1+S2成正比，或者換句話說，與表面S3成反比。
ρ為海水密度。
g為重力加速度。
S為水線面面積。即為四個柱在水線面處的封閉面積。
將前述公式應用到當前的平臺設計中，考慮不同孔徑、起伏板類型和不同風力渦輪機功率特性，得到了如圖7所示的圖表。圖7示出了對於兩個不同風力渦輪機--即，5MW風力渦輪機和10MW風力渦輪機--而言，固有起伏週期T3對於S3/(S1+S2+S3)的不同比率，其中，10MW風力渦輪機更大並且更重，因此浮動平臺必須支承更大的負荷。對於5MW風力渦輪機，為了使起伏的固有週期高於20s(也就是說，超出通常在5至19s之間變化的海週期)，S3/(S1+S2+S3)的比率必須至多為12%。百分比越低，則成本越高，因為需要更多的金屬(即，鋼)結構。對於10MW的風力渦輪機，為了使起伏固有頻率週期高於20s(也就是說，超出海週期)，S3/(S1+S2+S3)的比率必須至多為45%。比例越低，則成本越高，因為需要更多的鋼結構。儘管圖7中未示出，但是如果使用功率在5MW至10MW之間(例如6MW、7MW、8MW或9MW)的風力渦輪機，則起伏的固有週期T3曲線將顯示出：S3/(S1+ S2+S3)的比率必須在12%至45%之間。因此，平臺優選地設計成使得平臺起伏的固有週期T3被保持為等於或大於20秒。比率S3/(S1+S2+S3)的能夠使平臺起伏的固有週期T3為等於或大於20s的特定值取決於風力發渦輪機的類型(特別地，取決於其功率，這對其尺寸和重量有影響)。在最優選的實施方式中，致力於結構最小成本，平臺起伏的固有週期T3被保持為盡可能接近20秒而不低於20s，以便超出通常在5s至19s之間變化的海週期。
在本發明的特定實施方式中，考慮到風力渦輪機在5MW至10MW之間變化，開口面積S3與總面積(S1+S2+S3)之間的比率保持在12%至45%之間。
現在參照平臺的柱，在本發明的一些實施方式中，比率“柱直徑D/柱中心之間的距離L’被保持如下：3<L/D<6.75
這在圖8B中示出，其中，示出了柱中心之間的距離L和柱直徑D。在圖8A中，還示出了柱的高度H、吃水深度T和平均海平面MSL。接下來解釋選擇3<L/D<6.75的原因。
在本發明的優選實施方式中，柱中心之間的距離L與柱直徑D之間的比率被設計成使得平臺的起伏的固有週期和平臺的俯仰/滾轉(旋轉)的固有週期被保持為等於或大於20s，如下面所解釋的。此比率可以至少根據風力渦輪機的額定功率。
為了在減小抵抗由於風力渦輪機載荷引起的傾覆的橫傾/縱傾角度的同時提高穩定性，平臺優選設計成具有總是大於6m的穩心高度(
Figure 106146061-A0305-02-0016-2
)。圖9A和圖9B分別示出了根據本發明的實施方式的平臺的直立浮動位置和橫傾位置。
穩心高度(
Figure 106146061-A0305-02-0016-3
)可以計算為：
Figure 106146061-A0305-02-0016-4
其中，
Figure 106146061-A0305-02-0016-5
為浮力中心(高度高於龍骨(keel)，龍骨被認為是平臺的最 低點)，其中，在圖9A和圖9B中示出了K和B。B為由於傾斜而引起的可移動點。
Figure 106146061-A0305-02-0017-14
為浮力中心與穩心之間的距離並且可以認為對於小的橫傾/縱傾角度而言是固定的。圖9A和圖9B中也示出了M和G。
Figure 106146061-A0305-02-0017-6
其中，I是水線面的區域的第二面積矩並且▽是排出容積(displaced volume)。
對於當前的平臺，假設穩定性主要由柱提供，則可以認為：
Figure 106146061-A0305-02-0017-7
Figure 106146061-A0305-02-0017-8
其中，根據圖8A和圖8B，D為柱直徑，T為吃水深度並且L為柱中心之間的距離。
Figure 106146061-A0305-02-0017-13
為重心與龍骨之間的距離，如圖9A和圖9B所示。
將等式3和等式4帶入到等式2中：
Figure 106146061-A0305-02-0017-9
考慮到對於當前平臺而言
Figure 106146061-A0305-02-0017-11
、
Figure 106146061-A0305-02-0017-12
>6並且將等式5帶入等式1，獲得以下運算式：
Figure 106146061-A0305-02-0017-10
4(L)2+(D)2>96 D 等式7
Figure 106146061-A0305-02-0018-15
Figure 106146061-A0305-02-0018-16
Figure 106146061-A0305-02-0018-17
Figure 106146061-A0305-02-0018-18
4L 2+D 2>96 T 等式12
在等式12中所表達的柱中心、吃水深度和直徑之間的關係已經從用於減小抵抗由於風力渦輪機載荷引起的傾覆的橫傾/縱傾角度而建立的
Figure 106146061-A0305-02-0018-20
>6前提中扣除。然而，這個值的最大值由旋轉運動、俯仰和滾轉的固有週期確定，以避免與海激發力共振。
旋轉運動的固有週期(T 0 )由等式13定義並且必須超出海激發力(5s至19s)。應當注意的是在當前的平臺設計中，由於橫向方向和縱向方向的對稱性，俯仰和滾轉的固有週期相等。
Figure 106146061-A0305-02-0018-19
其中，I為整個結構(鋼、壓載物、風力渦輪機、錨碇系統等)在滾轉/俯仰自由度中的慣量。
A 0 為滾轉/俯仰添加的慣量。該添加的慣量是由於當滾轉/俯仰加速或減速時，平臺在移動藉由周圍流體時使周圍流體的體積移動(或偏轉)而添加至平臺的慣量。
ρ為海水密度。
g為重力加速度。
S為水線面面積。即為四個柱在水線面處的封閉面積。
▽為移位的體積。
Figure 106146061-A0305-02-0019-21
為穩心高度。
如可以在等式13中看出的，GM的增大導致旋轉(俯仰和滾轉)週期的減小，從而導致落入海週期範圍內的風險。
將前述計算式(等式13)應用到當前平臺設計以用於計算旋轉(俯仰/滾轉)的固有週期，考慮已經討論過的用於避免起伏共振的表面之間的比率S3/(S1+S2+S3)並且分析不同的風力渦輪機功率特性，得到圖10和圖11。
圖10示出了對於5MW風力渦輪機而言，為了使起伏固有頻率(T3)和俯仰/滾轉固有頻率(T4)超出海週期(5至19s)，“柱之間的距離-柱直徑”的比率必須大於3且小於4.75，而圖11示出了對於10MW的風力渦輪機而言，為了使起伏固有頻率(T3)和俯仰/滾轉固有頻率(T4)超出海週期(5至19s)，“柱之間的距離-柱直徑”的比率必須大於4.75且小於6.75。
因此，在用於避免共振的特定實施方式中，“柱之間的距離-柱直徑”的比率必須大於3且小於6.75。對於每個特定的風力渦輪機而言，這個比率優選地被縮小(調整)。因此，儘管對5MW風力渦輪機而言3<L/D<4.75，並且對於10MW風力渦輪機而言4.75<L/D<6.75，但對於其他值的風力渦輪機(如6MW、7MW、8MW...)而言，這個比例可以是不同的。
總之，由於當前的浮動平臺設計所針對的應用(離岸式風能)的性質，平臺的設計必須考慮到關於起伏、俯仰和滾轉的固有週期的約束，這些約束例如為油氣結構所不具有的。因此，針對當前浮動平臺所提出的特定幾何關係完全不同於可能用於油氣應用的幾何關係。
返回到圖1A和1B，浮動平臺1具有懸鏈錨碇系統6。平臺1使用常規錨碇纜索和拖曳嵌入式錨而被錨固到海床。錨 碇纜索6可以使用導纜器在操作水線之下附接到柱。優選地，錨碇纜索的數量對於所有的柱3是相同的。借助於平臺(特別是由佈置在過渡件上的風力渦輪機和輔助設備)產生的能量藉由動態線纜而排除，其中，動態線纜在一端處連接浮動平臺，並且另一端連接至其他浮動平臺或其他線纜，這取決於風電場的構型。
接下來，描述如同參照圖1A至圖8描述的平臺那樣的平臺的製造和安裝過程。
首先，可以由塊(柱、浮橋和過渡件)製造結構。
然後組裝塊。組裝階段可以在不同的地點執行，例如(i)造船廠、(ii)乾船塢、(iii)港口碼頭或(iv)半潛式浮橋。
在此完成後，結構(平臺)被裝載入水中。根據製造設施，裝載操作可能需要(i)滑道、(ii)乾船塢注水、(iii)起重機、半潛式浮橋或同步提升機或(iv)浮橋注水。在所有情況下，裝載所需的吃水深度為大約6米。
然後，平臺被拖曳到需要大約15米的吃水深度的風力渦輪機組裝區(港口碼頭)。
在這個階段，被動混凝土壓載物被傾倒入浮橋。
在添加被動混凝土壓載物之後，風力渦輪機使用岸上起重機被安裝至浮動結構的頂部。
在乾船塢(ii)中進行組裝的情況下，可以在乾船塢中執行最後兩個步驟(將被動混凝土壓載物傾倒入浮橋中，以及使用岸上起重機將風力渦輪機組裝至浮動結構的頂部)。
整個結構被拖到深水(>50米)中的部署位置，其中，錨碇纜索和臍帶線纜被預先安裝。
主動壓載物系統藉由用海水填充艙來達到結構的操作吃水深度。
結構被鉤掛到錨碇裝置，並且臍帶線纜被附接至結構。
如果需要的話，整個結構可以與錨碇纜索和臍帶線纜斷開連接，並被拖到港口進行大修。
同樣的程式適用於停止運作：錨碇纜索和臍帶線纜的斷開連接以及將浮動結構包括風力渦輪機拖曳到拆除區域。
總之，已經公開了一種新的用於支承風能設備的浮動離岸平臺。該平臺旨在藉由提供優化的技術方案來支承浮動離岸風力設備，該技術方案在限制昂貴的離岸集成和維護程式的同時使大型風力渦輪機(例如5MW到10MW)的能源產量最大化，因為平臺的製造及其與風力渦輪機、發電機和其他輔助設備一起在海中的部署是非常簡單的。
另一方面，本發明顯然不限於本文所述的具體實施方式，而是還包括本領域技術人員在如在請求項中限定的本發明的總體範圍內可以考慮到的任何變型(例如關於材料的選擇、尺寸、部件、構型等)。
2:浮橋
3:浮力柱
4:過渡件
5:起伏板

Claims (15)

  1. 一種用於支承至少一個風力渦輪機的半潛式浮動平臺，所述半潛式浮動平臺包括：四個浮力柱，所述四個浮力柱中的每個浮力柱在第一端部處附接至環形浮橋；過渡件，所述過渡件構造成支承至少一個風力渦輪機，所述過渡件在所述柱的與所述第一端部相反的端部處佈置在所述浮力柱上；以及起伏板，所述起伏板組裝到所述環形浮橋的內周緣，所述環形浮橋包括形成四邊形形狀的環形浮橋的四個浮橋部分，其中，每個柱的所述第一端部附接到所述四邊形形狀的環形浮橋的相應拐角，所述起伏板位於所述環形浮橋的內周緣中，所述浮橋和所述起伏板限定中空部，所述過渡件具有四個臂，所述四個臂以星形構型佈置並且從所述風力渦輪機在所述平臺使用時所在的中心點突出，所述過渡件與四個柱的上端部之間的連接部被設計成位於海飛濺區上方，所述浮力柱中的每個浮力柱包括至少一個壓載艙，所述壓載艙被構造成用於在所述平臺使用時分配海水，以調節吃水深度並補償所述平臺的傾斜，包括在每個柱中的所述至少一個壓載艙獨立於其他柱的所述至少一個壓載艙。
  2. 如請求項1所述的平臺，其中，所述起伏板由位於所述環形浮橋的內周緣中的四個部分形成，所述起伏板的所述四個部分形成為三角形形狀部分或矩形形狀部分。
  3. 如請求項1或2所述的平臺，還包括主動壓載系統，所述主動壓載系統構造成將海水泵送到所述柱的每個壓載艙，對每個壓載艙的所述海水泵送獨立於對其他壓載艙的海水泵送進行。
  4. 如請求項1或2所述的平臺，其中，每個柱在內部由桁梁和縱梁加強。
  5. 如請求項1或2所述的平臺，其中，每個柱在內部被劃分成多個部段。
  6. 如請求項1或2所述的平臺，其中，所述四個柱具有相同的直徑，兩個相鄰柱之間的距離與所述柱直徑之間的比率被選擇成使得所述平臺起伏的固有週期和所述平臺俯仰/滾轉的固有週期被保持為等於或大於20秒，所述比率根據所述風力渦輪機的功率而變化。
  7. 如請求項1或2所述的平臺，其中，由所述浮橋和所述起伏板限定的所述中空部的表面與由所述浮橋佔據的表面加上由所述起伏板佔據的表面加上由所述浮橋和所述起伏板限定的所述中空部的表面之和之間的比率被選擇成使得所述平臺起伏的固有週期被保持為等於或大於20秒，所述比率根據所述風力渦輪機的功率而變化。
  8. 如請求項1或2所述的平臺，其中，所述浮橋被劃分成多個隔室，所述多個隔室構造成要用混凝土壓載物填充。
  9. 如請求項1或2所述的平臺，其中，所述浮橋在內部包括具有桁梁和縱梁的加強結構。
  10. 如請求項1或2所述的平臺，其中，所述起伏板在內部包括具有桁梁和縱梁的加強結構。
  11. 如請求項4所述的平臺，其中，所述起伏板由懸臂梁支承，從而確保所述柱的增固件和所述浮橋的增固件的結構連續性。
  12. 如請求項1或2所述的平臺，還包括安置在所述過渡件的所述中心點上的風力渦輪發電機。
  13. 如請求項1或2所述的平臺，其中，在所述平臺的使用中，所述過渡件保持在波浪區上方。
  14. 如請求項1或2所述的平臺，還包括懸鏈錨碇系統，所述懸鏈錨碇系 統包括構造成將所述平臺固定到海床的多個懸鏈錨碇纜索。
  15. 如請求項1或2所述的平臺，其中，所述四邊形形狀的環形浮橋是方形形狀的環形浮橋。
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