本實(shí)用新型屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種海上漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。

背景技術(shù)：

陸地風(fēng)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(fēng)電。海上風(fēng)電具有風(fēng)速高、電量大、運(yùn)行穩(wěn)定、適合大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，且海上風(fēng)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(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，可以實(shí)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(fēng)能資源的能量效益比陸上風(fēng)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性更好。與海上風(fēng)機(jī)的固定基礎(chǔ)相比，漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的優(yōu)勢包括：

(a)受水深限制小，風(fēng)場地址選取更靈活；

(b)遠(yuǎn)海上風(fēng)資源量更足、質(zhì)更高；

(c)風(fēng)機(jī)、浮式基礎(chǔ)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(yuǎn)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(shù)，主要存在三種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)：單柱型(Spar)、張力腿型(Tension-Leg Platform,TLP)、半潛型 (Semi-Submersible)。

單柱型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，但為了提供足夠回復(fù)力矩和穩(wěn)性，需降低重心及較大的吃水深度，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(xiàn)橫搖及縱搖兩個方向的穩(wěn)性，風(fēng)機(jī)的傾覆力矩將降低基礎(chǔ)穩(wěn)定和風(fēng)機(jī)效率。

張力腿型的浮式基礎(chǔ)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(fù)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(shè)計與施工。

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(fù)力矩，在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，平臺穩(wěn)定性最好。此外，該基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)的施工安裝均可在港口完成，拖航至海上風(fēng)場下錨固定。

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

Windfloat是由Principle Power公司設(shè)計海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)品。在2011年建造了全尺寸原型機(jī)安裝在離海岸5km的葡萄牙海域，其上安裝了一臺2MW風(fēng)機(jī)，試運(yùn)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(shè)置了壓水板，與桁架式立柱平臺類似。風(fēng)機(jī)安裝在一個立柱上，每個圓立柱底部設(shè)置了恒定的壓水艙用來降低浮體中心，提高穩(wěn)性。當(dāng)來流風(fēng)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(xiàng)目第一階段(2011-2013)包括建造一臺2MW的半潛式四柱漂浮風(fēng)機(jī)。Fukushima Mirai采用全鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑80 m，輪轂高度離水面65m，基礎(chǔ)平臺高度為32m，吃水約16m，采用6根懸鏈?zhǔn)降匿撝葡挡此?。改基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中四根立柱均為圓柱，外圍圓柱底部向外擴(kuò)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(xiàng)目第二階段(2014-2015)包括建造一臺7MW的漂浮式風(fēng)機(jī)Fukushima Shimpuu，采用鋼材制造，V型三柱式平臺，立柱截面為矩形。

海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計并不能完全按照成熟的油氣海洋平臺設(shè)計方法進(jìn)行。一方面，一部5MW風(fēng)機(jī)的重量(700ton)約為一般海洋平臺上部結(jié)構(gòu)重量的十分之一甚至更小，因此浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在波浪力作用下的動力響應(yīng)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(yùn)動的抑制至關(guān)重要，而搖擺對平臺的安全運(yùn)營影響較小。海上風(fēng)機(jī)對浮式基礎(chǔ)平臺的水動力特性要求恰恰相反，垂蕩運(yùn)動對于風(fēng)機(jī)采能影響不大，只有足夠小的縱搖及橫搖自由度動態(tài)響應(yīng)才能保證風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決40米-200米水深的海上風(fēng)能利用問題，本實(shí)用新型提供了一種三立柱半潛式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式簡練，傳力路徑清晰，可采用高強(qiáng)度鋼材或者現(xiàn)澆高強(qiáng)混凝土建造，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(fēng)機(jī)，保證正常作業(yè)、極限自存下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率。

本實(shí)用新型中浮式基礎(chǔ)包括三個呈三角形排列的垂向立柱，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在主立柱頂部，主立柱水下底端通過浮筒分別與外圍兩個次立柱相連。與風(fēng)機(jī)安裝于幾何中心的四立柱式基礎(chǔ)相比，本實(shí)用新型的偏心三立柱半潛式基礎(chǔ)優(yōu)勢和原創(chuàng)性包括：a)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更簡單，材料使用更省，造價更低；b)針對于目前主流的5MW風(fēng)機(jī)所需的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征尺寸，垂蕩周期顯著增加，避開了17秒左右的波浪周期，提高了系統(tǒng)的極限自存能力； c)當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝在三柱式基礎(chǔ)的某一根立柱上時，結(jié)構(gòu)的非對稱性將使不同方向下的穩(wěn)性差別較大，但合理的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)重心，依靠風(fēng)氣象資料選擇安裝角度，可使基礎(chǔ)提供更大的抗傾覆力矩；d)本實(shí)用新型設(shè)計的一套外部壓載物調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠在風(fēng)向改變時及時連續(xù)的調(diào)整結(jié)構(gòu)重心，控制風(fēng)機(jī)的傾斜角度，保證發(fā)電效率。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，三個不共線排列的垂向立柱，立柱水上高度約占總高1/3～1/4；

在主立柱(1)頂部與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒(8)相連，主立柱(1)水下底端通過浮筒(3)分別與外圍兩個次立柱(2)相連，兩浮筒(3)夾角在 60°～90°之間；

立柱(1)和兩個次立柱(2)及浮筒(3)截面為圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形，表面設(shè)置凹槽，內(nèi)部中空且設(shè)置加勁肋、壓載物艙室；

立柱(1)和兩個次立柱(2)中放置內(nèi)部固體和/或液體壓載物；

立柱(1)和兩個次立柱(2)的甲板上設(shè)置錨機(jī)(12)，柱身固定導(dǎo)纜器(11)，張力筋(5)與海底的外部壓載物(4)相連；此外，

基礎(chǔ)采用懸鏈系泊(6)，其海底端與固定在海床上的拖曳式錨連接。立柱及浮筒采用圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形截面，立柱之間僅通過水下的浮筒連接。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，立柱及浮筒采用圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形截面，立柱之間僅通過水下的浮筒連接。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，風(fēng)機(jī)安裝于主立柱上，而非三立柱的幾何中心位置，風(fēng)機(jī)-基礎(chǔ)系統(tǒng)有明顯的不對稱性。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，在作業(yè)狀態(tài)下，不同風(fēng)速引起的風(fēng)機(jī)推力不同，風(fēng)機(jī)的傾斜角度也不同，通過實(shí)測來流風(fēng)速及風(fēng)向，利用錨機(jī)及導(dǎo)纜裝置，實(shí)時控制三立柱懸掛的外部壓載物與海床的接觸程度，主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量分布、重心及浮心位置，以達(dá)到抑制系統(tǒng)整體傾斜的目的。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，在極限自存狀態(tài)下，依據(jù)風(fēng)向，使外部壓載物完全脫離或者沉落在海床上，降低系統(tǒng)重心，抑制基礎(chǔ)的蕩動及搖擺，提高系統(tǒng)安全性。

除此之外，作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可采用高強(qiáng)度鋼材或者現(xiàn)澆高強(qiáng)混凝土建造，采用混凝土材料時，預(yù)留孔道，通過后張法為結(jié)構(gòu)提供預(yù)應(yīng)力。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，基于浮體穩(wěn)性及水動力學(xué)基本原理，立柱及浮筒可采用圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形截面。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，立柱表面設(shè)置了豎向凹槽，浮筒表面設(shè)置了水平向凹槽，可起到消波消能，增加阻尼，抑制渦激振動。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，在立柱及浮筒中設(shè)置有多個艙室，用于存放內(nèi)部固/液體壓載物。調(diào)節(jié)內(nèi)部壓載物的初始質(zhì)量及初始位置，使風(fēng)機(jī)傾角在風(fēng)速氣象統(tǒng)計的大概率值附近為零。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，主次立柱分別設(shè)置了維護(hù)船舶?？奎c(diǎn)及上甲板扶梯。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，作業(yè)狀態(tài)下，基礎(chǔ)在水面上的高度大于10米，避免上浪造成風(fēng)機(jī)設(shè)備浸水破壞。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，系泊系統(tǒng)采用懸鏈狀系泊，保證系統(tǒng)的位置保持，不發(fā)生漂移。

附圖說明

結(jié)合以下附圖及實(shí)施例的描述，可使本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及原創(chuàng)性更加清晰和易于理解，其中：

圖1是本實(shí)用新型——三立柱半潛式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的等軸視圖；

圖2是本實(shí)用新型——三立柱半潛式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的側(cè)視圖；

圖3是本實(shí)用新型中平衡控制系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明，以5MW水平軸風(fēng)機(jī)為例，詳述本實(shí)用新型的實(shí)施例。

本實(shí)用新型提出了一套40米-200米水深的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，充分應(yīng)用了空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及水動力學(xué)原理，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，傳力清晰，施工方便，材料可因地選取，工作狀態(tài)穩(wěn)定，自存能力強(qiáng)。

圖1是本實(shí)用新型——三立柱半潛式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的等軸視圖，附圖2是本實(shí)用新型——三立柱半潛式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的側(cè)視圖。本實(shí)用新型的三立柱半潛式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)包括三個不共線排列的垂向立柱(1)和(2)，立柱總高度約為30米-40米。

如圖1至3所示，在主立柱(1)頂部與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒(8)相連，風(fēng)機(jī)還包括機(jī)艙(9)及葉片(10)等關(guān)鍵部件。主立柱(1)水下底端通過浮筒(3)分別與外圍兩個次立柱(2)相連，而兩立柱并不直接相連。兩浮筒(2)夾角在60°～90°之間，可依據(jù)目標(biāo)海域的風(fēng)浪長期氣象觀測資料，優(yōu)化設(shè)計該夾角的大小。

立柱(1)和(2)及浮筒(3)截面為圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形，截面的選取需在水動力荷載及結(jié)構(gòu)抗力間取得平衡。其中立柱采用圓形截面水動力荷載較小，但可能會引起渦激共振破壞。本實(shí)用新型中采用圓柱壁面開設(shè)豎向凹槽，可避免規(guī)則旋渦脫落現(xiàn)象的發(fā)生。浮筒(3)設(shè)置為帶圓倒角的矩形截面，提高截面的抗彎性能，表面設(shè)置水平向凹槽，可起到消波消能，抑制渦激振動，增加阻尼，減小基礎(chǔ)的蕩動和搖擺。

立柱(1)和(2)及浮筒(3)內(nèi)部中空且設(shè)置加勁肋，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生局部失穩(wěn)。設(shè)置壓載物艙室，用于存放內(nèi)部固/液體壓載物，保證艙室間的水密性，確保意外事故導(dǎo)致破艙時的整體穩(wěn)性。通過調(diào)節(jié)內(nèi)部壓載物的初始質(zhì)量及初始位置，使風(fēng)機(jī)-基礎(chǔ)的整體傾角在風(fēng)速氣象統(tǒng)計的大概率值附近為零，使在不調(diào)用外部壓載平衡控制系統(tǒng)的情況下，風(fēng)機(jī)依然能最大效率工作。

立柱(1)和(2)的甲板上設(shè)置錨機(jī)(12)，柱身固定導(dǎo)纜器(11)，張力筋(5)與海底的外部壓載物(4)相連。通過統(tǒng)一的平衡控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)測來流風(fēng)速及風(fēng)向，實(shí)時控制三立柱懸掛的外部壓載物與海床的接觸程度，主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量分布、重心及浮心位置，控制系統(tǒng)整體傾斜盡可能小。

在作業(yè)狀態(tài)下，盡量使外部壓載物完全沉落在海床上，單獨(dú)控制某一立柱上的壓載物，使基礎(chǔ)平衡，避免張力筋(5)的疲勞破壞。

在極限自存狀態(tài)下，依據(jù)風(fēng)向，使外部壓載物完全脫離或者沉落在海床上，降低系統(tǒng)重心，抑制基礎(chǔ)的蕩動及搖擺，提高系統(tǒng)安全性。

主次立柱(1)和(2)上分別設(shè)置了維護(hù)船舶停靠點(diǎn)及上甲板扶梯(7)，便于風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)運(yùn)營設(shè)備的維修和保養(yǎng)。水上高度約占總高1/3～1/4，一般大于10米，避免上浪造成風(fēng)機(jī)設(shè)備浸水破壞。

基礎(chǔ)采用懸鏈系泊(6)，其海底端與固定在海床上的拖曳式錨連接，保證系統(tǒng)的位置保持，不發(fā)生漂移。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可因地制宜的采用高強(qiáng)度鋼材或者現(xiàn)澆高強(qiáng)混凝土建造，采用混凝土材料時，預(yù)留孔道，通過后張法為結(jié)構(gòu)提供預(yù)應(yīng)力。在干船塢中施工養(yǎng)護(hù)完畢后，拼裝風(fēng)機(jī)，放水并拖航至目標(biāo)場地。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。