[发明专利]一种Spar型装配式预应力钢筋混凝土浮式海上风机基础

说明书

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种海上漂浮式风机基础。

背景技术

陆地风资源的逐步枯竭将人类的视线转移到了清洁能源的新方向——海上风电。海上风电具有风速高、电量大、运行稳定、适合大规模开发等优势，且海上风能资源最丰富的东南沿海地区，毗邻用电需求大的经济发达地区，可以实现用电就近消化，降低输送成本，发展潜力巨大。据估算，海上风能资源的能量效益比陆上风电要高20％至40％。

对于水深大于40米的深水海洋环境，漂浮式的风机基础经济性更好。与海上风机的固定基础相比，漂浮式风机基础的优势包括：

(a)受水深限制小，风场地址选取更灵活；

(b)远海上风资源量更足、质更高；

(c)风机、浮式基础及系泊锚的海上安装工艺简单，大部分施工可在港口完成；

(d)受海床地基条件的影响小，成型方案可移植性高；

(e)可安装在远海消除对近海景观的视觉污染。

目前，依托于石油工业的海洋平台技术，主要存在三种浮式风机基础：单柱型(Spar)、张力腿型(Tension-Leg Platform,TLP)、半潜型(Semi-Submersible)。

张力腿型的浮式基础具有非常好的垂荡和转动稳性，但张力腿造价高、安装复杂，潮汐变化也会影响系泊腿中张力大小，且上部结构与张力腿系统的同频耦合振动都使得此类系统难于设计与施工。

单柱型基础结构简单，通过降低重心及较大的吃水深度，可提供足够回复力矩和稳性，其在竖向波浪外激力较小，具有较好的垂荡稳性。但较小的水线面面积无法贡献横摇及纵摇两个方向的稳性，风机的倾覆力矩将降低基础稳定和风机效率。本发明利用液体压载提供的回复力矩，能够克服立柱式基础大倾角稳性不足的问题。

此外，依靠分散柱体稳定的半潜式多柱平台水线面积较小(材料省)却能提供较大的回复力矩，在保证经济性的前提下，平台稳定性最好。此外，该基础和风机的施工安装均可在港口完成，拖航至海上风场下锚固定。

基于以上分析，国际上提出的浮式风机概念设计很多，而目前已建造运营的浮式海上风机其中部分采用了立柱式半潜基础，包括有挪威的SWAY及Hywind 2.3MW，以及日本Fukushima Forward项目中的Hamakaze 5MW。

如图1所示，SWAY是一台1:6的测试风机，2011年3月安装于挪威卑尔根沿海，基础由一根立柱组成，全尺寸SWAY风机能够承受26米高巨浪，而该缩尺风机仅可经受4米高海浪。当年11月，一次超过6米的波浪导致风机沉没。

如图2所示，Statoil公司的Hywind立柱式风机2009年9月安装于挪威离岸10公里的西南沿海，基础的立柱由钢材制造，底部填入了压舱水和石块，水下长度为100米，通过三点悬链系泊保持风机不发生漂移。自2010年以来，已发电32,5GWh。基于该测试风机的设计，英国苏格兰海域正在筹划建立5台6MW的30MW的浮式风机风场。

如图3所示，日本Fukushima Forward项目第二阶段(2014-2015)包括建造一台5MW的漂浮式风机Fukushima Hamakaze，采用钢材制造，吃水33米，立柱底部有一边长为30米的正六边形截面柱体。为了提高稳性，在水线面附近也设置了相同截面的舱室。

海上浮式风机基础的设计并不能完全按照成熟的油气海洋平台设计方法进行。一方面，一部5MW风机的重量(700ton)约为一般海洋平台上部结构重量的十分之一甚至更小，因此浮式风机基础在波浪力作用下的动力响应将更大。另一方面，海洋平台的钻井及输油升管无法承受较大的竖向变形，因此对垂荡运动的抑制至关重要，而摇摆对平台的安全运营影响较小。海上风机对浮式基础平台的水动力特性要求恰恰相反，垂荡运动对于风机采能影响不大，只有足够小的纵摇及横摇自由度动态响应才能保证风机的高效运转。

发明内容

为了解决水深50米以上的海上风机基础，充分应用了空气动力学、结构力学及水动力学原理，其特点是结构简单，传力清晰，施工方便，材料可因地选取，工作状态稳定，自存能力强。采用现浇高强混凝土制造基础构件，养护成型后张拉预应力，灌注防水砂浆保证水密性，适合在岸边浅水港口码头施工拼装，可支撑目前主流5MW级别以上的风机，保证正常作业、极限自存下的结构强度和风能转化效率。