本實用新型屬于風(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)，可以實現(xiàn)用電就近消化，降低輸送成本，發(fā)展?jié)摿薮?。?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)。

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。

單柱型基礎(chǔ)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(fù)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(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。本實用新型利用液體壓載提供的回復(fù)力矩，能夠克服立柱式基礎(chǔ)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(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，而目前已建造 運(yùn)營的浮式海上風(fēng)機(jī)其中部分采用了立柱式半潛基礎(chǔ)，包括有挪威的SWAY及Hywind 2.3MW，以及日本Fukushima Forward項目中的Hamakaze 5MW。

SWAY是一臺1:6的測試風(fēng)機(jī)，2011年3月安裝于挪威卑爾根沿海，基礎(chǔ)由一根立柱組成，全尺寸SWAY風(fēng)機(jī)能夠承受26米高巨浪，而該縮尺風(fēng)機(jī)僅可經(jīng)受4米高海浪。當(dāng)年11月，一次超過6米的波浪導(dǎo)致風(fēng)機(jī)沉沒。

Statoil公司的Hywind立柱式風(fēng)機(jī)2009年9月安裝于挪威離岸10公里的西南沿海，基礎(chǔ)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(diǎn)懸鏈系泊保持風(fēng)機(jī)不發(fā)生漂移。自2010年以來，已發(fā)電32,5GWh。基于該測試風(fēng)機(jī)的設(shè)計，英國蘇格蘭海域正在籌劃建立5臺6MW的30MW的浮式風(fēng)機(jī)風(fēng)場。

日本Fukushima Forward項目第二階段(2014-2015)包括建造一臺5MW的漂浮式風(fēng)機(jī)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(wěn)性，在水線面附近也設(shè)置了相同截面的艙室。

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)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)實現(xiàn)要素：

為了解決水深50米以上的海上風(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)。采用現(xiàn)澆高強(qiáng)混凝土制造基礎(chǔ)構(gòu)件，養(yǎng)護(hù)成型后張拉預(yù)應(yīng)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(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。

本實用新型中浮式基礎(chǔ)包括一個或多個混凝土裝配式構(gòu)件和一個混凝土裝配式壓載物艙，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在立柱頂部，立柱的各個預(yù)制裝配式構(gòu)件通過預(yù)應(yīng)力鋼筋和密實砂漿相連。與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)立柱式基礎(chǔ)相比， 本實用新型的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土基礎(chǔ)的優(yōu)勢和原創(chuàng)性包括：1)材料使用更省，造價更低；2)能通過混凝土裝配式構(gòu)件數(shù)量對柱身的長度進(jìn)行控制；3)采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，能使建造施工工藝更加簡化；4)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

除此之外，作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)混凝土現(xiàn)澆建造單個構(gòu)件，其中預(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，立柱的裝配式構(gòu)件及其翼緣板可采用圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形截面。

作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，立柱構(gòu)件底部設(shè)置的圓形翼緣板可起到消波消能，增加阻尼，抑制渦激振動。

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

圖1是本實用新型——Spar型裝配式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土浮式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的等軸視圖；

圖2是本實用新型——混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件的等軸視圖；

圖3是本實用新型——混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件的剖面圖；

圖4是本實用新型——混凝土壓載物裝配構(gòu)件的剖面圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明，以5MW水平軸風(fēng)機(jī)為例，詳述本實用新型的一個實施例。

本實用新型提出了一套水深50米以上的海上風(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是本實用新型——Spar型裝配式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土浮式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的等軸視圖，圖2是本實用新型——混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件的等軸視圖，圖3是本實用新型——混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件的剖面圖，圖4是本實用新型——混凝土壓載物裝配構(gòu)件的剖面圖。

本實用新型的Spar型裝配式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土浮式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)包括由多個鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件和一個鋼筋混凝土壓載物裝配構(gòu)件。立柱的總長度為60米～100米。

在立柱頂部與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒(4)相連，風(fēng)機(jī)還包括機(jī)艙(5)及葉片(6)等關(guān)鍵部件。立柱水下底端通過一個或者多個混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件(1)拼裝而成，最底端與混凝土壓載物裝配構(gòu)件(2)相連接。

本實用新型中采用的混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件(1)的形狀為一個底部帶圓形翼緣板(8)的中空圓柱(7)，高度15-20米。翼緣板中空，中部與柱體交接處設(shè)置防水層(10)。

本實用新型中采用的混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件(1)開設(shè)圓形翼緣板(8)，可避免規(guī)則旋渦脫落現(xiàn)象的發(fā)生，同時可起到消波消能，抑制渦激振動，增加阻尼，減小基礎(chǔ)的蕩動和搖擺。

本實用新型中采用的混凝土標(biāo)準(zhǔn)裝配構(gòu)件(1)在翼緣板的底部中心設(shè)置一個與中空圓柱外直徑等大的圓形凹槽(9)，以便于加強(qiáng)裝配后整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。并且在圓形柱身處預(yù)留了鋼筋孔道，通過后張預(yù)應(yīng)力鋼絞線一體成型，加強(qiáng)了立柱整體強(qiáng)度。

基礎(chǔ)采用懸鏈系泊(3)，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。

在作業(yè)狀態(tài)下，由于海洋環(huán)境是高度腐蝕性的氯化物環(huán)境，通過比較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)，前者具有非常好的耐久性，能顯著減少檢查和維護(hù)任務(wù)。同時普通混凝土具有低滲性，但如使用如硅灰、填料和外加劑等某些額外的材料，可以提高密實度。

同時，由于混凝土幾乎不提供抵抗拉應(yīng)力，而該結(jié)構(gòu)在外部作用下會產(chǎn)生一定的彎曲應(yīng)力，對裝配整體式混凝土體必須使用預(yù)應(yīng)力以防止混凝土的減壓，防止由于牽引力或者可能影響系統(tǒng)密封性的裂縫而出現(xiàn)的故障。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式構(gòu)件，可有效控制建造成本，減少造價。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)選實施方式對本實用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術(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)視為屬于本實用新型的保護(hù)范圍。