深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的制作方法
【專利摘要】一種深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒、塔筒過渡結(jié)構(gòu)、上周向立柱組、下周向立柱組、周向立柱過渡結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、硬艙、垂蕩板結(jié)構(gòu)、軟艙和系泊系統(tǒng)，其中，風(fēng)輪和機(jī)艙安裝在塔筒上部，塔筒下部與塔筒過渡結(jié)構(gòu)上部相連，塔筒過渡結(jié)構(gòu)下部與上周向立柱組相連，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)用以連接上周向立柱組上部，上周向立柱組位于水線面處，硬艙連接于上周向立柱組與下周向立柱組之間，軟艙連接于下周向立柱組的底部，垂蕩板結(jié)構(gòu)等間距地布置在下周向立柱組上，系泊系統(tǒng)的上端與硬艙相連接且下端與海底連接。本發(fā)明不僅具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能，又能較好地傳遞風(fēng)機(jī)工作載荷，有效地降低了建造成本，能夠滿足外海深水區(qū)域的海上風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的需要。
【專利說明】深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種海洋新能源利用設(shè)備的安裝基礎(chǔ)，具體涉及一種適用于海上風(fēng)力機(jī)的深吃水多立柱浮動(dòng)式基礎(chǔ)。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能是目前發(fā)展最迅速、最具潛力的可再生能源，全球可利用的風(fēng)能資源非常豐富，風(fēng)能總量比地球上可開發(fā)利用的水能總量大10倍以上，其中大部分高品質(zhì)的風(fēng)能資源集中在海上深水區(qū)域。海上風(fēng)能大國如:美國、中國、日本、挪威等的風(fēng)能資源都集中在水深超過30m的非淺水區(qū)域。深水浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)作為一種替代傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)的新裝備具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為國外海上風(fēng)能研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。美國、歐洲和日本等對(duì)此進(jìn)行了比較廣泛的研究，紛紛提出了新型的浮式風(fēng)機(jī)概念，目前處于不同的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段。
[0003]浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)主要由三部分組成，即位于頂部的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、底部的浮式基礎(chǔ)和用以連接二者的塔筒結(jié)構(gòu)。底部的浮式基礎(chǔ)與海洋石油平臺(tái)下浮體相似，可劃分為三種主要類型:單柱式平臺(tái)，半潛式平臺(tái)和張力腿式平臺(tái)。單柱式平臺(tái)通過壓載使重心高度遠(yuǎn)低于浮心高度以獲得穩(wěn)性和優(yōu)良的垂蕩性能，但由于水線面面積慣性矩過小，其縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)不佳。半潛式平臺(tái)通過合理布置水線面以取得較大的水線面慣性矩，從而獲得穩(wěn)性和較好的運(yùn)動(dòng)性能。張力腿式平臺(tái)通過設(shè)置張力腿預(yù)張力以獲得穩(wěn)性和優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能。
[0004]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國國家新能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)于2010年5月發(fā)布的研究報(bào)告NREL/TP-500-47535中公開了一種5MW海上單立柱浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)，其單立柱浮動(dòng)基礎(chǔ)主體型深120m，直徑9.4m,排水量8235m3，平臺(tái)重量包括固定壓載約為7466t，浮心位置位于水面下約60m處，重心位置位于水面下約90m處。該技術(shù)目前處于技術(shù)驗(yàn)證階段，若實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用，則發(fā)電成本較高，因此實(shí)用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有海上風(fēng)力機(jī)浮動(dòng)基礎(chǔ)的上述不足和缺陷，提供一種深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，不僅具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能，又能較好地傳遞風(fēng)機(jī)工作載荷，進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)重量，從而有效降低建造成本，更好地滿足處于外海深水區(qū)域的海上風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的需要。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是:
[0007]一種深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒、塔筒過渡結(jié)構(gòu)、上周向立柱組、下周向立柱組、周向立柱過渡結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、硬艙、垂蕩板結(jié)構(gòu)、軟艙和系泊系統(tǒng)，其中，風(fēng)輪連接于機(jī)艙的前部，風(fēng)輪和機(jī)艙安裝在塔筒的上部，塔筒的下部與塔筒過渡結(jié)構(gòu)的上部相連，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)用以連接上周向立柱組的上部，上周向立柱組位于水線面處，其上部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)連接于塔筒過渡結(jié)構(gòu)的下部，硬艙的上部和下部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)分別連接于上周向立柱組的下部和下周向立柱組的上部，軟艙通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)連接于下周向立柱組的底部，垂蕩板結(jié)構(gòu)上下等間距地布置在下周向立柱組上，系泊系統(tǒng)的上端與硬艙相連接且下端與海底連接。
[0008]進(jìn)一步地，所述的上周向立柱組和下周向立柱組各包括若干周向立柱，該周向立柱為空心圓柱或空心方柱形結(jié)構(gòu)，沿環(huán)周均勻布置。
[0009]進(jìn)一步地，所述的周向立柱的內(nèi)部設(shè)置有浮力儲(chǔ)存艙。
[0010]進(jìn)一步地，所述的垂蕩板結(jié)構(gòu)為數(shù)層板式結(jié)構(gòu)，上面均勻開設(shè)有減輕孔。
[0011]進(jìn)一步地，所述的塔筒為圓錐形殼體式結(jié)構(gòu)，塔筒過渡結(jié)構(gòu)為圓轉(zhuǎn)方形殼體式結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步地，所述的硬艙為圓柱形殼體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有浮力儲(chǔ)存艙。
[0013]進(jìn)一步地，所述的軟艙為殼體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有固定壓載。
[0014]進(jìn)一步地，所述的系泊系統(tǒng)為懸鏈?zhǔn)交驈埦o式。
[0015]進(jìn)一步地，所述的風(fēng)輪包含葉片和輪轂，機(jī)艙的內(nèi)部設(shè)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
[0016]本發(fā)明通過吸收和融合現(xiàn)有海洋工程深吃水多立柱式浮動(dòng)基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合風(fēng)力機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)型式，優(yōu)化浮動(dòng)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地降低了建造成本，并能更好地滿足海上風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的需要，尤其適用于外海深水區(qū)域。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]I)塔筒過渡結(jié)構(gòu)將塔筒與上周向立柱組相連接，有效地傳遞了塔筒根部的彎矩和剪力，避免了應(yīng)力集中，提高了該處結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；2)設(shè)置了周向立柱結(jié)構(gòu)，有效地減小了水線面面積，從而減小了波浪載荷，同時(shí)又能提供部分穩(wěn)性回復(fù)力矩；3)設(shè)置了垂蕩板結(jié)構(gòu)，有效地增加了浮動(dòng)基礎(chǔ)的垂蕩附加質(zhì)量和垂蕩阻尼，從而有效地抑制了浮動(dòng)基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的主視圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的側(cè)視圖。
[0021 ] 圖3是本發(fā)明的俯視圖。
[0022]圖4是本發(fā)明的立體圖。
[0023]圖中，I—風(fēng)輪,2一機(jī)艙,3一塔筒,4一塔筒過渡結(jié)構(gòu)，5—加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，6—周向立柱，7 一周向立柱過渡結(jié)構(gòu)，8—硬艙,9 一垂蕩板結(jié)構(gòu)，10 一軟艙,11 一系泊系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，本實(shí)施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0025]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)施例所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)包括:風(fēng)輪1、機(jī)艙2、塔筒3、塔筒過渡結(jié)構(gòu)4、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)5、上周向立柱組、下周向立柱組、周向立柱過渡結(jié)構(gòu)7、硬艙8、垂蕩板結(jié)構(gòu)9、軟艙10和系泊系統(tǒng)11。
[0026]連接關(guān)系為:
[0027]風(fēng)輪I連接于機(jī)艙2的前部，風(fēng)輪I和機(jī)艙2通過法蘭安裝在塔筒3的上部，塔筒3的下部與塔筒過渡結(jié)構(gòu)4的上部通過法蘭相連；上周向立柱組位于水線面MSL處，其上部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)7連接于塔筒過渡結(jié)構(gòu)4的下部，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)5用以連接上周向立柱組的上部；硬艙8連接于上周向立柱組與下周向立柱組之間，即硬艙8的上部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)7連接于上周向立柱組的下部，硬艙8的下部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)7連接于下周向立柱組的上部；軟艙10通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)7連接于下周向立柱組的底部；垂蕩板結(jié)構(gòu)9上下等間距地布置在下周向立柱組上；系泊系統(tǒng)11的上端與硬艙8相連接且下端與海底G連接。
[0028]所述的風(fēng)輪I包含3組葉片和輪轂，其中葉片直徑為126m，葉片安裝在輪轂上。
[0029]所述的機(jī)艙2內(nèi)部設(shè)有一組5麗風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及傳動(dòng)系統(tǒng)，風(fēng)輪I與5麗風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過傳動(dòng)系統(tǒng)相連。
[0030]所述的塔筒3為圓錐形殼體式結(jié)構(gòu)，其底部直徑6m，頂部直徑4m，塔筒3的頂部與機(jī)艙2通過法蘭相連。
[0031]所述的塔筒過渡結(jié)構(gòu)4為圓轉(zhuǎn)方形殼體式結(jié)構(gòu),頂部圓形直徑為6m,底部為正方形，邊長為8.8m。
[0032]所述的上周向立柱組和下周向立柱組各包括若干周向立柱6，本實(shí)施例中，各包括四個(gè)周向立柱6,該周向立柱6為空心圓柱或空心方柱形結(jié)構(gòu)；本實(shí)施例中，周向立柱6為空心圓柱，其直徑為3.5m,長度為100m,沿環(huán)周均勻布置,各周向立柱6之間間距約為8.8m ；所述的周向立柱6的內(nèi)部設(shè)置有浮力儲(chǔ)存艙。
[0033]所述的周向立柱過渡結(jié)構(gòu)7為圓轉(zhuǎn)方形殼體式結(jié)構(gòu),頂部圓形直徑為3.5m,底部為正方形，邊長為3.5m,共16組。
[0034]所述的硬艙8為圓柱形殼體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有浮力儲(chǔ)存艙，該硬艙8的高度為15m，硬艙8的外側(cè)設(shè)置有8組系泊眼板。
[0035]所述的垂蕩板結(jié)構(gòu)9為數(shù)層板式結(jié)構(gòu)，上面均勻開設(shè)有減輕孔并設(shè)置有加強(qiáng)筋；本實(shí)施例中，垂蕩板結(jié)構(gòu)9共兩層，上下等間距地布置在下周向立柱組的四個(gè)周向立柱6上。
[0036]所述的軟艙10為殼體式結(jié)構(gòu)，高度為7m，內(nèi)部設(shè)有固定壓載。
[0037]所述的系泊系統(tǒng)11為懸鏈?zhǔn)交驈埦o式，本實(shí)施例中為張緊式系泊系統(tǒng)，共8組，沿周向布置，下端固定連接或錨接于海底G。
[0038]本實(shí)施例的工作過程如下:當(dāng)風(fēng)力作用在風(fēng)輪I上時(shí)，風(fēng)輪I開始旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)設(shè)置于機(jī)艙2內(nèi)的5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電。風(fēng)輪I和機(jī)艙2通過塔筒3和塔筒過渡結(jié)構(gòu)4支撐于所述多立柱浮式基礎(chǔ)上。上下周向立柱組的作用是為整個(gè)浮式基礎(chǔ)提供浮力、穩(wěn)性和強(qiáng)度。硬艙8內(nèi)設(shè)置的浮力儲(chǔ)存艙為整個(gè)浮式基礎(chǔ)提供大部分浮力。當(dāng)浮式基礎(chǔ)晃動(dòng)時(shí)，垂蕩板結(jié)構(gòu)9的作用是提供垂向附連水質(zhì)量和阻尼。8組張緊式系泊系統(tǒng)11的作用是控制浮式基礎(chǔ)的水平位置和運(yùn)動(dòng)。軟艙10內(nèi)的固定壓載為浮式基礎(chǔ)工作時(shí)提供壓載。通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)置，整個(gè)浮式基礎(chǔ)的重心位于浮心之下，從而有效地保證了浮式基礎(chǔ)穩(wěn)性。
[0039]本實(shí)施例所提供的5麗深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)與美國國家新能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)于2010年5月發(fā)布的研究報(bào)告NREL/TP-500-47535中公開的一種5MW海上單立柱浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)相比，其水線面面積減少了約31m2，從而有效地減小了波浪載荷，其水線面慣性矩增加了約362m4，從而增加了整體穩(wěn)性；垂蕩板結(jié)構(gòu)9增加了垂向附連水質(zhì)量和阻尼，從而有效地抑制了浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)，保證了風(fēng)力機(jī)正常工作。
【權(quán)利要求】
1.一種深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述基礎(chǔ)包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒、塔筒過渡結(jié)構(gòu)、上周向立柱組、下周向立柱組、周向立柱過渡結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、硬艙、垂蕩板結(jié)構(gòu)、軟艙和系泊系統(tǒng)，其中，風(fēng)輪連接于機(jī)艙的前部，風(fēng)輪和機(jī)艙安裝在塔筒的上部，塔筒的下部與塔筒過渡結(jié)構(gòu)的上部相連，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)用以連接上周向立柱組的上部，上周向立柱組位于水線面處，其上部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)連接于塔筒過渡結(jié)構(gòu)的下部，硬艙的上部和下部通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)分別連接于上周向立柱組的下部和下周向立柱組的上部，軟艙通過周向立柱過渡結(jié)構(gòu)連接于下周向立柱組的底部，垂蕩板結(jié)構(gòu)上下等間距地布置在下周向立柱組上，系泊系統(tǒng)的上端與硬艙相連接且下端與海底連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于，所述的上周向立柱組和下周向立柱組各包括若干周向立柱，該周向立柱為空心圓柱或空心方柱形結(jié)構(gòu)，沿環(huán)周均勻布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述的周向立柱的內(nèi)部設(shè)置有浮力儲(chǔ)存艙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述的垂蕩板結(jié)構(gòu)為數(shù)層板式結(jié)構(gòu)，上面均勻開設(shè)有減輕孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述的塔筒為圓錐形殼體式結(jié)構(gòu)，塔筒過渡結(jié)構(gòu)為圓轉(zhuǎn)方形殼體式結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述的硬艙為圓柱形殼體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有浮力儲(chǔ)存艙。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述的軟艙為殼體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有固定壓載。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于:所述的系泊系統(tǒng)為懸鏈?zhǔn)交驈埦o式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，其特征在于，所述的風(fēng)輪包含葉片和輪轂，機(jī)艙的內(nèi)部設(shè)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
【文檔編號(hào)】F03D11/04GK103925171SQ201410131508
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】趙永生, 何炎平, 楊建民, 顧敏童 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)