[發(fā)明專利]一種浮式風機的移動壓載調(diào)平控制裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611056252.1
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN107472474A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設計）人: 李朝;肖儀清;周盛濤;韓喜雙;劉海濤;王曉璐
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院
• 主分類號: B63B39/02
• 分類號: B63B39/02;B63B35/44
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產(chǎn)權(quán)事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 嚴涓逢

技術領域

本發(fā)明屬于風力發(fā)電領域，涉及一種海上漂浮式風機基礎。

背景技術

陸地風資源的逐步枯竭將人類的視線轉(zhuǎn)移到了清潔能源的新方向——海上風電。海上風電具有風速高、電量大、運行穩(wěn)定、適合大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，且海上風能資源最豐富的東南沿海地區(qū)，毗鄰用電需求大的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，可以實現(xiàn)用電就近消化，降低輸送成本，發(fā)展?jié)摿薮蟆?jù)估算，海上風能資源的能量效益比陸上風電要高20％至40％。

對于水深大于40米的深水海洋環(huán)境，漂浮式的風機基礎經(jīng)濟性更好。與海上風機的固定基礎相比，漂浮式風機基礎的優(yōu)勢包括：

(a)受水深限制小，風場地址選取更靈活；

(b)遠海上風資源量更足、質(zhì)更高；

(c)風機、浮式基礎及系泊錨的海上安裝工藝簡單，大部分施工可在港口完成；

(d)受海床地基條件的影響小，成型方案可移植性高；

(e)可安裝在遠海消除對近海景觀的視覺污染。

目前，依托于石油工業(yè)的海洋平臺技術，主要存在三種浮式風機基礎：單柱型(Spar)、張力腿型(Tension-Leg Platform,TLP)、半潛型 (Semi-Submersible)。

張力腿型的浮式基礎具有非常好的垂蕩和轉(zhuǎn)動穩(wěn)性，但張力腿造價高、安裝復雜，潮汐變化也會影響系泊腿中張力大小，且上部結(jié)構(gòu)與張力腿系統(tǒng)的同頻耦合振動都使得此類系統(tǒng)難于設計與施工。

單柱型基礎結(jié)構(gòu)簡單，通過降低重心及較大的吃水深度，可提供足夠回復力矩和穩(wěn)性，其在豎向波浪外激力較小，具有較好的垂蕩穩(wěn)性。但較小的水線面面積無法貢獻橫搖及縱搖兩個方向的穩(wěn)性，風機的傾覆力矩將降低基礎穩(wěn)定和風機效率。本發(fā)明利用固體壓載提供的回復力矩，能夠克服立柱式基礎大傾角穩(wěn)性不足的問題。

此外，依靠分散柱體穩(wěn)定的半潛式多柱平臺水線面積較小(材料省) 卻能提供較大的回復力矩，在保證經(jīng)濟性的前提下，平臺穩(wěn)定性最好。此外，該基礎和風機的施工安裝均可在港口完成，拖航至海上風場下錨固定。

基于以上分析，國際上提出的浮式風機概念設計很多，但目前已建造運營的浮式海上風機多數(shù)采用了柱穩(wěn)式半潛基礎，包括由Principle Power 公司的Windfloat及日本Fukushima Forward項目中2MW Mirai及7MW Shimpuu。

如圖1所示，Windfloat是由Principle Power公司設計海上浮式風機基礎產(chǎn)品。在2011年建造了全尺寸原型機安裝在離海岸5km的葡萄牙海域，其上安裝了一臺2MW風機，試運行一年后的發(fā)電量為3GWh。該平臺由對稱的三個圓立柱及連接的桿件組成，三個圓立柱底部設置了壓水板，與桁架式立柱平臺類似。風機安裝在一個立柱上，每個圓立柱底部設置了恒定的壓水艙用來降低浮體中心，提高穩(wěn)性。當來流風向改變時，通過主動控制的閉環(huán)水泵調(diào)節(jié)三個浮筒的壓艙水重也可提高系統(tǒng)的穩(wěn)性，抑制振動。

Fukushima Forward項目第一階段(2011-2013)包括建造一臺2MW的半潛式四柱漂浮風機。Fukushima Mirai(見圖2)采用全鋼結(jié)構(gòu)設計，采用了高品質(zhì)鋼材以提高平臺防腐蝕和抗疲勞特性，其上安裝的2MW風機轉(zhuǎn)子直徑80m，輪轂高度離水面65m，基礎平臺高度為32m，吃水約16 m，采用6根懸鏈式的鋼制系泊索。改基礎結(jié)構(gòu)中四根立柱均為圓柱，外圍圓柱底部向外擴展，起到了垂蕩板的作用，底部浮筒截面較大，提供浮力并降低重心。

Fukushima Forward項目第二階段(2014-2015)包括建造一臺7MW的漂浮式風機Fukushima Shimpuu(見圖3)，采用鋼材制造，V型三柱式平臺，立柱截面為矩形。

此外，已建造運營的浮式海上風機還有部分采用了立柱式半潛基礎，包括有挪威的SWAY及Hywind 2.3MW，以及日本Fukushima Forward項目中的Hamakaze 5MW。

如圖4所示，SWAY是一臺1:6的測試風機，2011年3月安裝于挪威卑爾根沿海，基礎由一根立柱組成，全尺寸SWAY風機能夠承受26米高巨浪，而該縮尺風機僅可經(jīng)受4米高海浪。當年11月，一次超過6米的波浪導致風機沉沒。