[發明專利]一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎

在審

• 申請號: 201611109374.2
• 申請日: 2016-12-06
• 公開（公告）號: CN106741689A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 李朝;肖儀清;溫宇鵬;韓喜雙;劉海濤;王曉璐
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: B63B35/44
• 分類號: B63B35/44;E02D27/42
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 李利

技術領域

本發明屬于風力發電領域，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、運行穩定、適合大規模開發等優勢，且海上風能資源最豐富的東南沿海地區，毗鄰用電需求大的經濟發達地區，可以實現用電就近消化，降低輸送成本，發展潛力巨大。據估算，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米的深水海洋環境，漂浮式的風機基礎經濟性更好。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動穩性，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，且上部結構與張力腿系統的同頻耦合振動都使得此類系統難于設計與施工。

單柱型基礎結構簡單，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性，其在豎向波浪外激力較小，具有較好的垂蕩穩性。但較小的水線面面積無法貢獻橫搖及縱搖兩個方向的穩性，風機的傾覆力矩將降低基礎穩定和風機效率。本發明利用液體壓載提供的回復力矩，能夠克服立柱式基礎大傾角穩性不足的問題。

此外，依靠分散柱體穩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，在保證經濟性的前提下，平臺穩定性最好。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，而目前已建造運營的浮式海上風機其中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1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。

如圖2所示，Statoil公司的Hywind立柱式風機2009年9月安裝于挪威離岸10公里的西南沿海，基礎的立柱由鋼材制造，底部填入了壓艙水和石塊，水下長度為100米，通過三點懸鏈系泊保持風機不發生漂移。自2010年以來，已發電32,5GWh。基于該測試風機的設計，英國蘇格蘭海域正在籌劃建立5臺6MW的30MW的浮式風機風場。

如圖3所示，日本Fukushima Forward項目第二階段(2014-2015)包括建造一臺5MW的漂浮式風機Fukushima Hamakaze，采用鋼材制造，吃水33米，立柱底部有一邊長為30米的正六邊形截面柱體。為了提高穩性，在水線面附近也設置了相同截面的艙室。

海上浮式風機基礎的設計并不能完全按照成熟的油氣海洋平臺設計方法進行。一方面，一部5MW風機的重量(700ton)約為一般海洋平臺上部結構重量的十分之一甚至更小，因此浮式風機基礎在波浪力作用下的動力響應將更大。另一方面，海洋平臺的鉆井及輸油升管無法承受較大的豎向變形，因此對垂蕩運動的抑制至關重要，而搖擺對平臺的安全運營影響較小。海上風機對浮式基礎平臺的水動力特性要求恰恰相反，垂蕩運動對于風機采能影響不大，只有足夠小的縱搖及橫搖自由度動態響應才能保證風機的高效運轉。

發明內容

為了解決水深50米以上的海上風機基礎，充分應用了空氣動力學、結構力學及水動力學原理，其特點是結構簡單，傳力清晰，施工方便，材料可因地選取，工作狀態穩定，自存能力強。采用現澆高強混凝土制造基礎構件，養護成型后張拉預應力，灌注防水砂漿保證水密性，適合在岸邊淺水港口碼頭施工拼裝，可支撐目前主流5MW級別以上的風機，保證正常作業、極限自存下的結構強度和風能轉化效率。