[发明专利]适于近海区域的海上风电单桩基础及海上风电装置

说明书

本发明提供了一种适于近海区域的海上风电单桩基础及海上风电装置，包括单柱基础本体，所述单柱基础本体包括外部钢管、内部钢管以及中空夹层钢管混凝土，其中：所述外部钢管包括自上而下依次设置的上部段、过渡段以及下部段，所述上部段、过渡段以及下部段同轴设置，上部段的直径小于下部段的直径；所述内部钢管设置在所述上部段内，并与上部段同轴设置；所述中空夹层钢管混凝土设置在上部段和内部钢管之间。本发明减少了位于海水中单桩基础的直径，通过中空夹层钢管混凝土代替纯钢管结构，保证结构足够的强度和刚度同时，不用更多增加材料费用，相比纯钢管结构，具有抗弯刚度大、阻尼大、抗海上浮冰或船只的撞击能力强的特点。

技术领域

本发明涉及海上风电领域，具体地，涉及适于近海区域的海上风电单桩基础及海上风电装置。

背景技术

近些年，海上风电在国内外得到快速的发展，并逐步由浅海(0-30m)向近海(30-50m)和深海(>50m)扩展。但是目前海上风电发展遇到一个严峻的挑战是建造成本昂贵而导致电价远高于市场上火电、水电和陆上风电等电价，并随着海水深度增加而更加突出，如果没有政府财政补贴，很难持续发展下去。因此，降低电价成为全球海上风电发展面临的一个关键问题。在海上风电建设总投资中，基础成本约占20-35％，故通过创新海上风电基础，降低其建造成本是降低海上风电电价的有效手段之一，对促进海上风电可持续发展具有十分重要的意义。

目前，在已建成的国内外海上风电场中，由于传统单桩基础结构形式简单、加工和安装方便，可适用于不同地质条件，被广泛应用于海上风电建设中。其基本结构主要由大直径钢管桩和连接段组成，桩和连接段一般采用灌浆连接，连接段与上部塔架采用法兰连接。目前，全球约75％的海上风电选用单桩基础，大都位于浅海区域，直径一般约3-8m，桩入土深度为20-40m，由波浪和风引起的长期水平循环荷载一般是主控设计荷载。近些年，随着海上风电由浅海向近海区域的扩建，海水深度增加导致桩径和入土深度进一步加大，其材料、制造和安装成本都会大幅增加。海水深度从10-20m增加到40-50m，基础造价大约增加两倍。

海上风电单桩基础承受的外部环境荷载主要包括风荷载和波浪荷载。其中，风荷载由风场环境条件和风机参数确定，与海水深度没有直接关系。而波浪荷载不仅与风场环境条件有关，且与单桩基础的直径有直接的关系。如按照海上风电设计规范DNV中波浪力计算方法可知，波浪力由惯性力和拖曳力两部分组成，其中惯性力与桩径的平方成正比，拖曳力与桩径的一次方成正比，且惯性力往往占有较大比重。

式中F_M为惯性力，F_D为拖曳力，D为单桩直径，ρ为海水密度，为波浪速度，为波浪加速度，d为海水深度；C_M和C_D分别为惯性力和拖曳力系数。

因此，随着海水深度增加，为了满足海上风电整体结构强度、刚度和动力特性的要求，就势必会增加桩基础的直径，导致基础结构承受的波浪的荷载会迅速增大。荷载增大后，就会导致单桩直径、长度和壁厚都要增大，大大提高了传统单桩基础的材料、加工和安装等费用。

因此，传统观点认为单桩基础不适合建造在水深大于30m的风场中。