一种非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台的制作方法

1.本发明属于海上浮式风力发电装置技术领域，具体为一种非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台。


背景技术：

2.风能是一种清洁无公害的可再生能源，其具有可持续性，取之不竭等优点。在所有绿色能源中，风能是开发技术最成熟，应用最广泛的绿色清洁能源。我国沿海风能资源丰富，且距离经济发达的电力负荷中心很近，回输距离短，后期并网及电力消纳更为有利。
3.中国海岸线绵长，沿海风能资源丰富地区在海岸50km之内。这片区域平均水深皆浅，大部分区域水深在60米以内。因此我国目前海上风电场开发建设主要采取固定式风机。我国海上风电造价约在13000
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20000元/kw内，并随离岸以及水深的增加而增加，大约是陆上风机造价的两倍。与陆上风电相比，海上固定式风机建设主要不同点在于需要安装船进行打桩以及运输风机部件，因此安装成本较高，占总成本的20%
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30%；另外基础、电缆及其他电力设施亦占到总成本的30%
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40%。随着风电技术的发展，大兆瓦风机是未来发展趋势，但固定式风机基础的建造和安装成本也随着风机功率的增加而急剧增大。因此固定式风机基础的建造和安装成本是影响固定式海上风机经济性的重要因素。
4.若采用漂浮式风机基础替代固定式风机，可省去固定式风机基础的建造和安装成本。传统的漂浮式风机基础通过系泊系统实现定位。现有的系泊系统主要采用悬链线式系泊、张紧式系泊和转塔式系泊。转塔式系泊价格高昂，不具有经济性。对于张紧式系泊，由于浅水水深的限制，系泊缆刚度增加，需要大大增加系缆的破断强度和锚基抗拔力。相应地，与设计要求相匹配的锚泊设备，如锚链，锚桩的等级及成本将大大提高，从而使系泊成本增加。另外张紧式系泊所能适用安装地地质条件要求也更苛刻，适用地域范围小。对于悬链线系泊，同样因为水深的限制，悬空长度相对较短。为满足系泊要求，锚泊半径需增大，使得系泊成本也随之增加，最不利的影响是单个浮式风机基础占海面积将非常大，风场面积利用率将随之大大降低。因此如何设计可靠且经济的浅水系泊对于浅水漂浮式风机是个十分棘手并不易解决的问题。
5.因此，为实现浅水环境漂浮式风机的使用，业界亟需开发一种有别于传统的系泊方法且与现有固定式风机相比能有更佳经济性的浮式风力发电装置，以达到降本增效的目的。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本发明提供了一种非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台，满足了风机基础正常工作所需的定位需求，同时避免了传统浅水系泊系统设计难题。所述系泊方式只允许绕固定基础铅直轴线的转动和漂浮式基础的升沉运动，避免了现有漂浮式风机基础与风机的耦合运动不利影响及浅水系泊设计的难题。
7.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台，其特征在于，包括多个基础浮式单元、系固连接机构、多台风力发电装置和固定结构，多台所述风力发电装置分别与浮式基础的顶端固定连接，多个基础浮式单元与系固连接机构固定连接，所述系固连接机构与固定结构连接，系固连接机构绕固定结构在水平面内自由转动和上下浮动，所述固定结构的下端固定于海底。
8.进一步的，多个所述基础浮式单元均包括两个浮力单元；所述系固连接机构包括一个系固装置和多个连接臂，多个所述连接臂的一端均与系固装置连接，另一端分别与一个浮力单元连接，多个连接臂呈扇形间隔设置；所述系固装置为带有中心孔的柱状封闭箱形结构，套设在固定结构上；所述系固装置中心孔尺寸与固定结构尺寸匹配；所述连接臂为箱型封闭空腔结构，封闭空腔内部无压载。
9.进一步的，所述浮力单元均包括一个下部浮力模块和一个上部立柱，所述上部立柱的下端面与下部浮力模块的上端面连接。
10.进一步的，所述下部浮力模块为整体式或组合式的大截面立柱，下部浮力模块的中心轴线垂直于水线面，下部浮力模块为封闭的空腔体结构，空腔体内设有压载舱。
11.进一步的，所述上部立柱由下段等截面立柱和上段变截面立柱组成，其截面形式为圆形、椭圆形或多边形；下段等截面立柱和上段变截面立柱的分界面位于下部浮力模块上表面以上，距下部浮力模块上表面高度为d，d的高度范围为：0m＜d≤风机塔筒下端高度；所述上段变截面立柱的横截面沿高度方向呈线性减小，在上部立柱的等截面立柱体部分的内部设有多个压载舱；下部浮力模块的截面尺寸大于上部立柱下端面的截面尺寸。
12.进一步的，所述上部立柱为倾斜立柱，所述浮力单元的两个上部立柱的中心轴线与下部浮力模块的中心轴线相交，夹角为锐角，两个上部立柱相对于两个下部浮力模块的中心连线的中垂线镜像对称分布，两个上部立柱向远离固定结构的方向倾斜。
13.进一步的，所述上部立柱为倾斜立柱，所述浮力单元的两个上部立柱的中心轴线相对于两个下部浮力模块的中心轴线组成的立面向外倾斜，同时两个上部立柱在两个下部浮力模块的中心轴线组成的立面内镜像对称设置，两个上部立柱向远离固定结构的方向倾斜。
14.进一步的，所述上部立柱为竖直立柱，上部立柱的中心轴线与下部浮力模块的中心轴线共线或平行。
15.进一步的，两个所述浮式单元之间均连接有一个桁架连接结构，所述桁架连接结构包括上横撑杆和下横撑杆，所述下横撑杆的两端分别与两个下部浮力模块连接，所述下横撑杆的两端分别与两个上部立柱连接，在上横撑杆和下横撑杆之间间隔设有若干个垂直于上横撑杆和下横撑杆的竖直撑杆和若干斜撑杆，若干所述斜撑杆设于竖直撑杆的两侧。
16.进一步的，多个所述风力发电装置均包括风机塔筒、风机叶片和发电机，在所述上部立柱的上端和风机塔筒的下端均设有法兰盘，上部立柱和风机塔筒通过螺栓和法兰盘紧密连接；所述发电机的下端与风机塔筒的上端固定连接，所述风机叶片与发电机可转动连接；所述风机塔筒的中心轴线垂直于上部立柱的上端面，与上部立柱的上端面中心点相交，或塔筒中心轴线与上部立柱的中心轴线重合；所述固定结构为单桩、导管架、吸力筒、多桩式固定装置中的一种。
17.本发明的非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台，通过在系固连接结构上设置系固装
置，系固装置安装在固定结构上，通过系固装置限制浮式基础在环境载荷作用下的横荡，纵荡及横摇、纵摇运动，只允许浮式基础绕固定结构的竖直中心轴线垂荡运动和艏摇运动。大兆瓦风力发电装置安装于浮式基础之上；浮力单元为风力发电平台提供在海上漂浮所需的浮力，其中下部浮力模块为大体积浮力模块，为主要浮力结构，其为风力发电平台提供了充足的浮力和垂荡阻尼；两个上部立柱的中心轴相对于两个下部浮力模块中心轴线所组成的立面，既在面内倾斜，同时也有面外倾斜，即上部立柱的顶端以上部立柱中心轴与下部浮力模块的中心轴交点为转动中心，先在所述立面内向远离两个下部浮力模块中心连线的中垂线向外偏离，同时向远离固定结构的方向偏离，通过调整上部立柱面外倾斜角度，可使整个漂浮式风力发电平台的重心与浮心保持在一铅垂线上；所述连接臂为箱型粱腔体结构，内部电缆从风力发电装置接出，经连接臂内部通道汇合至系固装置，再经过系固装置外接海底电网回输岸上并网。连接臂及系固装置可根据所开发风电场的实际环境及地质条件，调节在固定结构上的相对高度，其安装位置可以高于海平面，也可低于海平面；固定结构为安装于海底的固定基础，其形式可以是但不限于单桩、导管架、吸力筒、多桩式等，其主要提供抵抗所述浮式发电平台所需的系泊载荷。
18.与现有技术相比，本发明具有如下优点：1．本发明采用将漂浮式风力发电平台系固在固定结构的系泊方式，满足了风机基础正常工作所需的定位需求，同时避免了传统浅水系泊系统设计难题。所述系泊方式只允许绕固定基础铅直轴线的转动和漂浮式基础的升沉运动，避免了现有漂浮式风机基础与风机的耦合运动不利影响；2．本发明所述漂浮式风力发电平台搭载两台及两台以上的风机，但只需要一个固定基础作为系泊点。因此相比安装多台固定式单风机系统，减少了原有固定基础的数量，节省了固定基础的制造、运输及安装成本，降低海上风电造价。多风机系统提高了海上风电场的装机量，提高了发电量。多台风机安装在同一个浮式基础上，节省了风场内海上电缆铺设用量，节约了电缆成本。因此，此发明实现了降本增效的目的；3．所述漂浮式风力发电平台设计中包含了相当长度的风机支撑结构，减少了传统风机塔筒法兰盘和螺栓的成本；相比传统三段式风机塔筒的施工安装方法，减少了连接施工工作量，缩短了风机的安装时间。因而降低了风机的材料成本和施工安装成本。
附图说明
19.图1是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台第一实施实例的立体图；图2是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台俯视图；图3是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台侧视图；图4是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台第二实施实例的侧视图；图5是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台第三实施实例的立体图；图6是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台第四实施实例的立体图；图7是本发明非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台第五实施实例的立体图。
20.其中，1
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基础浮式单元，2
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系固连接机构，3
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风力发电装置，4
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固定结构，11
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浮力单元，12
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桁架连接结构，21
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连接臂，22
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系固装置，31
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风机塔筒，、32
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发电机，33
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风机叶片，111
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下部浮力模块，112
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上部立柱，121
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上横撑杆，122
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下横撑杆，123
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竖直撑杆，124
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斜撑杆。
具体实施方式
21.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
22.本发明提供一种非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台，该风力发电平台不需要锚泊系统，可搭载多台大兆瓦海上风机。该风力发电平台可抵抗恶劣海况和台风天气，特别适合近海的海上风电场开发建设。
23.如图1
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图3所示的非锚泊漂浮式大兆瓦风力发电平台，为漂浮式双风机风力发电平台，包括一个基础浮式单元1、系固连接机构2、两台风力发电装置3和固定结构4，所述基础浮式单元1均包括两个浮力单元11和一个桁架连接结构12，两个所述浮力单元11连接于桁架连接结构12两侧。
24.参阅图1所示，两个所述浮力单元11均包括一个下部浮力模块111和一个上部立柱112，所述下部浮力模块111为竖直立柱和上部立柱112为倾斜立柱，所述上部立柱112的下端面与上部浮力单元111的上端面固定连接，上部立柱112的中心轴线与下部浮力模块111的中心轴线相交，夹角为锐角，两个上部立柱112相对于两个下部浮力模块111中心连线的中垂线镜像对称分布；上部立柱112的顶端a以上部立柱112中心轴与下部浮力模块111上表面交点a
‘
为转动中心，向远离固定结构4中心轴线的方向倾斜；两个上部立柱112中心轴线的水平轴线间距呈上端大下端小。
25.所述上部立柱112以风力发电平台最大吃水线以上5米的高度位置为分界面，沿下部浮力模块111上表面至分界面为等截面圆柱体，分界面以上部分为倾斜圆台，其横截面尺寸沿高度方向呈线性减小，在上部立柱112等截面圆柱体的部分内部设有多个压载舱，用以调节浮式基础1的浮态；所述下部浮力模块111为等截面圆柱体，其中心轴线垂直于水线面，截面尺寸大于上部立柱112下端面的截面尺寸。下部浮力模块111为封闭的空腔体结构，空腔体内设有压载舱；下部浮力模块111和上部立柱112内部均设置压载舱，用以调节风力发电平台整体的浮态和吃水，满足风力发电平台在运输、安装过程和工作的需求。
26.在一些实施例中，上部立柱112亦可为竖直立柱，置于下部浮力模块111的上表面，与两个下部浮力模块111的中心轴向共线或平行。
27.下部浮力模块111设为大截面尺寸立柱，其排水体积较大，提供了基础浮式单元所需的大部分浮力，其大尺寸截面面积增大了风力发电平台垂荡阻尼，使得浮式基础1有良好的运动性能；下部浮力模块111的几何尺寸设计主要根据漂浮式发电平台所需浮力而定。
28.下部浮力模块111的压载舱压载内容物可以是海水，亦可是高密度压载填充物，用以降低整个风力发电平台重心高度。
29.所述桁架连接结构12包括上横撑杆121和下横撑杆122，所述上横撑杆121的两端与分别两个浮力单元11的上部立柱112连接，所述下横撑杆122的两端分别与两个浮力单元11的下部浮力模块111连接，在上横撑杆121和下横撑杆122之间设有一竖直撑杆123，所述竖直撑杆123的两端分别连接上横撑杆121和下横撑杆122的中点，在竖直撑杆123的两侧镜像对称设有两个斜撑杆124，两个所述斜撑杆124的上端与上横撑杆121的中点连接；上横撑杆121、下横撑杆122竖直撑杆123和斜撑杆124均为空腔结构，无压载且内部相互之间不连通；如图2所示，基础浮式单元1与系固连接机构2在水平面内的投影呈等腰三角形分布，基
础浮式单元1的两个浮力单元11以及分别安装在其上的两台风力发电装置3分别位于等腰三角形底边的两个端点，系固连接机构2的系固装置22位于等腰三角形的顶点，系固装置22安装在固定基础4上；在一些实施例中，其投影亦可为等边三角形。
30.在其他实施例中，桁架连接结构12的构件数量及形式可异于上述实施例，具体桁架连接结构12的构件尺寸及数量将根据实际浮式基础1的强度设计而定，其主要作用在于为两个浮力单元11提供有效的连接支撑。
31.两个所述风力发电装置3均包括风机塔筒31、风机叶片33和发电机32，在所述上部立柱112的上端和风机塔筒31的下端均设有法兰盘，上部立柱112和风机塔31筒通过螺栓和法兰盘紧密连接；所述发电机32的下端与风机塔筒31的上端固定连接，所述风机叶片33与发电机32可转动连接；所述风机塔筒31的中心轴线垂直于上部立柱112的上端面，与上部立柱112的上端面中心点相交，或与上部立柱112的中心轴线共线。风力发电装置3在风力的推动下，将风能转化为电能，所产生的电能通过电缆传输汇入电网，供能耗终端使用；两台风力发电装置3的风机叶片33的转动方相反，一台为顺时针转动，另一台为逆时针转动，以避免对浮式基础1产生额外扭矩的影响。
32.所述系固连接机构2包括系固装置22和两个连接臂21，两个所述连接臂21为箱型粱腔体结构，两个连接臂21的一端均与系固装置22连接，镜像对称置于系固装置22的两侧，两个连接臂21的另一端分别与两个浮力单元11的上部立柱112连接；所述系固装置22套设在固定结构4上，从而实现浮式基础1绕固定结构4的转动和上下滑动连接。
33.如图5和图6所示，在另一些实施例中，连接臂21的位置可以位于最大吃水线面以上，亦可位于最大吃水线面以下；连接臂21的位置根据具体项目情况而定，连接臂21将基础浮式单元1受到的环境载荷传递给固定基础4，以实现浮式基础1在海中的定位；连接臂21为箱型封闭空腔结构，内部无压载，连接臂21的内部设有电缆通道，两台风力发电装置3接出的电缆经电缆通道汇入系固装置22。
34.整个漂浮式风力发电平台通过系固装置22与固定基础4连接，系固装置22位柱状封闭箱型结构，其在水平面的投影为对称结构；系固装置22中心设有一圆柱孔，圆柱孔的尺寸与固定基础4的尺寸匹配并与其共轴，系固装置22经圆柱孔套入安装在固定基础4上；在风力发电平台正常工作时，系固装置22可绕桩基础4转动，并可以沿桩基础4上下滑动，从两台风力发电装置3汇入的内部电缆经过系固装置22接入海底电网，最终将所生产的风电回输到岸；两台风力发电装置3共用一个浮式基础1，减少了所开发风场内部的电缆铺设长度，降低了海上风场的开发建设成本。
35.如图1和图6所示，固定基础4为安装于海底的固定基础，其上端为圆柱形以匹配系固装置22。固定基础4的具体结构形式可以但不限于单桩形式、导管架形式、多桩形式等，其主要提供抵抗漂浮式风力发电平台所受的系泊载荷。根据所开发风场的实际地质和施工条件，固定基础4的形式和高度可以因地制宜地设计。
36.如图4所示，在一些实施例中，两个所述浮力单元11均包括一个下部浮力模块111和一个上部立柱112，所述上部立柱112为倾斜立柱。所述上部立柱112的底端面与下部浮力模块111的顶端面固定连接，两个上部立柱112在两个下部浮力模块111中心轴线组成的立面内镜像对称设置。上部立柱112的中心轴线以其与下部浮力模块111上表面交点a
‘
为转动中心，两个上部立柱112的中心轴线相对于两个下部浮力模块111的中心轴线组成的立面向
外倾斜，同时，两个上部立柱112在立面内向远离固定结构4的方向倾斜。上部立柱112的中心轴线在立面内的倾斜方向和角度与图1
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图3所示的实施例一致；上部立柱112向立面外的倾斜角度的设计与漂浮式风力发电平台的浮力、重量以及发电装置3的具体参数相关；上部立柱112增加向立面外倾斜设计可以调整整个浮力发电平台的重心与浮心保持在同一铅垂线上。
37.在一些实施例中，所述下部浮力模块111也可为等截面椭圆形柱体、等截面多边形柱体中的一种或多种形状立柱的组合体。
38.在一些实施例中，所述固定结构4为单桩、导管架、吸力筒、多桩式固定装置中的一种。
39.在一些实施例中，本发明的风力发电平台也可配备两台以上的风力发电装置，根据所需配置的风力发电装置的数量，将多个基本浮式单元1组合形成浮式基础。如图7所示给出了包括两个基础浮式单元1的实施例，所述系固连接机构2包括一个系固装置22和四个连接臂21，两个基础浮式单元1中的四个浮力单元11的上部立柱112呈扇形设置分别与四个连接臂21连接，四个连接臂21交点处的系固装置22套设在固定基础4上。
40.以上所述仅为本发明的部分实施例，并不用于限制本发明。以本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，对于本领域的普通技术人员而言，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应视为本发明的保护范围。