[实用新型]一种三立柱半潜式海上风机基础

说明书

技术领域

本实用新型属于风力发电领域，涉及一种海上漂浮式风机基础。

背景技术

陆地风资源的逐步枯竭将人类的视线转移到了清洁能源的新方向——海上风电。海上风电具有风速高、电量大、运行稳定、适合大规模开发等优势，且海上风能资源最丰富的东南沿海地区，毗邻用电需求大的经济发达地区，可以实现用电就近消化，降低输送成本，发展潜力巨大。据估算，海上风能资源的能量效益比陆上风电要高20％至40％。

对于水深大于40米的深水海洋环境，漂浮式的风机基础经济性更好。与海上风机的固定基础相比，漂浮式风机基础的优势包括：

(a)受水深限制小，风场地址选取更灵活；

(b)远海上风资源量更足、质更高；

(c)风机、浮式基础及系泊锚的海上安装工艺简单，大部分施工可在港口完成；

(d)受海床地基条件的影响小，成型方案可移植性高；

(e)可安装在远海消除对近海景观的视觉污染。

目前，依托于石油工业的海洋平台技术，主要存在三种浮式风机基础：单柱型(Spar)、张力腿型(Tension-Leg Platform,TLP)、半潜型 (Semi-Submersible)。

单柱型基础结构简单，但为了提供足够回复力矩和稳性，需降低重心及较大的吃水深度，其在竖向波浪外激力较小，具有较好的垂荡稳性，但较小的水线面面积无法贡献横摇及纵摇两个方向的稳性，风机的倾覆力矩将降低基础稳定和风机效率。

张力腿型的浮式基础具有非常好的垂荡和转动稳性，但张力腿造价高、安装复杂，潮汐变化也会影响系泊腿中张力大小，且上部结构与张力腿系统的同频耦合振动都使得此类系统难于设计与施工。

依靠分散柱体稳定的半潜式多柱平台水线面积较小(材料省)却能提供较大的回复力矩，在保证经济性的前提下，平台稳定性最好。此外，该基础和风机的施工安装均可在港口完成，拖航至海上风场下锚固定。

基于以上分析，国际上提出的浮式风机概念设计很多，但目前已建造运营的浮式海上风机多数采用了柱稳式半潜基础，包括由Principle Power 公司的Windfloat及日本Fukushima Forward项目中2MW Mirai及7MW Shimpuu。

Windfloat是由Principle Power公司设计海上浮式风机基础产品。在2011年建造了全尺寸原型机安装在离海岸5km的葡萄牙海域，其上安装了一台2MW风机，试运行一年后的发电量为3GWh。该平台由对称的三个圆立柱及连接的杆件组成，三个圆立柱底部设置了压水板，与桁架式立柱平台类似。风机安装在一个立柱上，每个圆立柱底部设置了恒定的压水舱用来降低浮体中心，提高稳性。当来流风向改变时，通过主动控制的闭环水泵调节三个浮筒的压舱水重也可提高系统的稳性，抑制振动。

Fukushima Forward项目第一阶段(2011-2013)包括建造一台2MW的半潜式四柱漂浮风机。Fukushima Mirai采用全钢结构设计，采用了高品质钢材以提高平台防腐蚀和抗疲劳特性，其上安装的2MW风机转子直径80 m，轮毂高度离水面65m，基础平台高度为32m，吃水约16m，采用6根悬链式的钢制系泊索。改基础结构中四根立柱均为圆柱，外围圆柱底部向外扩展，起到了垂荡板的作用，底部浮筒截面较大，提供浮力并降低重心。

Fukushima Forward项目第二阶段(2014-2015)包括建造一台7MW的漂浮式风机Fukushima Shimpuu，采用钢材制造，V型三柱式平台，立柱截面为矩形。

海上浮式风机基础的设计并不能完全按照成熟的油气海洋平台设计方法进行。一方面，一部5MW风机的重量(700ton)约为一般海洋平台上部结构重量的十分之一甚至更小，因此浮式风机基础在波浪力作用下的动力响应将更大。另一方面，海洋平台的钻井及输油升管无法承受较大的竖向变形，因此对垂荡运动的抑制至关重要，而摇摆对平台的安全运营影响较小。海上风机对浮式基础平台的水动力特性要求恰恰相反，垂荡运动对于风机采能影响不大，只有足够小的纵摇及横摇自由度动态响应才能保证风机的高效运转。

实用新型内容

为了解决40米-200米水深的海上风能利用问题，本实用新型提供了一种三立柱半潜式海上风机基础，结构形式简练，传力路径清晰，可采用高强度钢材或者现浇高强混凝土建造，适合在岸边浅水港口码头施工拼装，可支撑目前主流5MW级别以上的风机，保证正常作业、极限自存下的结构强度和风能转化效率。