联合波浪能和风力发电的筒型基础结构及其施工方法

1.本发明涉及一种新型海上基础结构，更具体的说，是涉及一种联合波浪能和风力发电的筒型基础结构及其施工方法。


背景技术：

2.碳排放与国家的经济发展密切相关，温室气体的增加会对生命系统形成威胁，优化能源结构可以实现从源头上减碳、控碳。大力发展海上新能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的主要手段之一。近年来，海上风电发展迅速，据世界海上风电论坛(wfo)最新发布的《2020年全球海上风电报告》统计，2020年，全球海上风电新增容量仍然超过2019年，为5206mw，年新增装机容量再创历史新高，截止2020年年底，全球海上风电累计装机容量为 32510mw。
3.海上风电基础结构的形式多种多样，其中筒型基础具有可整体拖航、安装和回收方便的优点；波浪能发电是继潮汐发电之后发展最快的一种海洋能源，而振荡水柱式波浪能发电装置具有性能稳定和结构形式简单的优点。据国际海洋能组织ocean energy system(oes)调查显示，海洋能开发潜力巨大，世界波浪能储量为29500twh/年，资源总储量约为全球现阶段用电量2倍以上。目前海洋能发电装置总装机容量约535mw，不到全球总电力装机的0.4％，大多数海洋能技术仍处开发阶段。据国际可再生能源署irena预测，全球海洋能装机容量预计未来5年可达3.0gw，到2030年和2050年分别实现70gw和350gw。


技术实现要素：

4.基于充分开发并利用海上新能源、降低度电成本的设计要求，本发明提出了一种联合波浪能和风力发电的筒型基础结构及其施工方法，可利用筒型基础吸力下沉的优点，在提高结构综合发电效率的同时降低了施工周期和施工成本。
5.本发明的目的可通过以下技术方案实现。
6.本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构，包括下部分舱型筒型基础和上部分舱型振荡水柱式波浪能转换装置；
7.所述分舱型筒型基础设置为一体结构，包括外筒体，所述外筒体上端设置有盖板，所述外筒体内部由分舱板分为中间舱和边舱；所述中间舱和每个边舱的舱室顶部均设置有用于进排水排气的球阀，基础结构在安装时通过球阀向外抽水抽气，使舱室内气压低于大气压强，从而使分舱型筒型基础贯入地基中，回收时通过向舱室内注水打气，从而将分舱型筒型基础顶出泥面；
8.所述分舱型振荡水柱式波浪能转换装置设置为一体结构，包括中央立柱、振荡外筒、加劲板；所述振荡外筒下部悬空，且同轴嵌套设置于中央立柱外部，所述加劲板设置于中央立柱和振荡外筒之间，将中央立柱和振荡外筒之间环空划分为n个振荡水柱式发电舱室；所述加劲板与分舱型筒型基础中的分舱板一一对应，所述加劲板下端延伸至振荡外筒外部，使得分舱型振荡水柱式波浪能转换装置和分舱型筒型基础之间有一定的间隙，从而
使得海浪进入舱室内部；每个振荡水柱式发电舱室顶部均设置有气动涡轮发电机，所述气动涡轮发电机在双向气流的作用下同向转动，在海浪的作用下，压缩舱室内空气，带动气动涡轮发电机发电。
9.所述外筒体、内筒体、分舱板的轴向长度均相等。
10.所述中央立柱上部设置有法兰盘，用于安装风力发电机的塔筒和机头。
11.本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
12.本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构的施工方法，包括以下步骤：
13.第一步：在陆地上，分别预制分舱型筒型基础和分舱型振荡水柱式波浪能转换装置，其中气动涡轮发电机所在舱顶的高程大于20年一遇的极端高水位，以保证上部的气动涡轮发电机不被海水淹没，而振荡水柱式发电舱室侧壁的下边缘高程应该保证在安装到位后海浪能够进入舱室内部；
14.第二步：将上部的分舱型振荡水柱式波浪能转换装置与分舱型筒型基础进行组装，分舱型振荡水柱式波浪能转换装置的加劲板与分舱型筒型基础内部的分舱板的位置相对应，从而增强结构的整体性并优化结构的传力性能；组装完成后检查上部分舱型振荡水柱式波浪能转换装置内部的气密性以及分舱型筒型基础的气密性；
15.第三步：确保气密性符合要求之后，在分舱型筒型基础各分舱顶部的球阀上装抽水抽气装置，在分舱型振荡水柱式波浪能转换装置的顶部安装气动涡轮发电机，之后将联合波浪能和风力发电的筒型基础结构整体吊装到驳船上并进行固定，最后将上部风力发电机的塔筒和机头与中央立柱上部的法兰盘进行连接；
16.第四步：将驳船和联合波浪能和风力发电的筒型基础结构运输至指定的设计施工位置；
17.第五步：将联合波浪能和风力发电的筒型基础结构整体吊装离开驳船，打开分舱型筒型基础分舱顶部的球阀，使得联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在自重作用下下沉；当联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在自重作用下沉放到位后，打开分舱型筒型基础舱顶的抽水抽气装置，抽出舱内的水气，使得舱内压强小于大气压强，从而使联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在压差的作用下沉放到位；
18.第六步：联合波浪能和风力发电的筒型基础结构沉放到位之后将球阀上部的抽水抽气装置拆卸，施工完毕。
19.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
20.(1)本发明可以实现波浪能和风能同时发电，提高了海洋能源利用率，降低了综合成本以及度电成本，提升了基础结构的综合利用效率。
21.(2)本发明上部波浪能发电装置中的分舱板对下部筒型基础的过渡段起到了加强的作用，优化了基础结构的整体性和传力性能。
22.(3)本发明综合了分舱型筒型基础以及振荡水柱式波浪能发电装置的优点，具有成熟的建造以及施工技术，结构具有良好的经济性和可行性。
附图说明
23.图1为本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构安装示意图；
24.图2为本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构主视图；
25.图3为本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构俯视图；
26.图4为本发明中分舱型振荡水柱式波浪能转换装置主视图；
27.图5为本发明中分舱型振荡水柱式波浪能转换装置俯视图；
28.图6为本发明中分舱型振荡水柱式波浪能转换装置轴侧图；
29.图7为本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在位状态示意图。
30.附图标记：1-机头，2-塔筒，3-法兰盘，4-加劲板，5-振荡水柱式发电舱室，6-球阀，7-分舱型筒型基础，8-分舱板，9-中央立柱，10-水面，11-海床，12-振荡外筒，13-气动涡轮发电机，14-外筒体，15-盖板，16-边舱，17-中间舱；18-分舱型振荡水柱式波浪能转换装置。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作进一步的描述。
32.如图1至图3所示，本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构，包括下部分舱型筒型基础7和上部分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18。
33.所述分舱型筒型基础7设置为一体结构，包括外筒体14，所述外筒体14上端设置有盖板15，所述外筒体14内部由分舱板8划分为一个中间舱17和n个边舱16，优选n取3～8。所述外筒体14和分舱板8的轴向长度均相等。所述中间舱17和每个边舱16的舱室顶部均开设有一个孔，安装用于进排水排气的球阀 6，基础结构在安装时通过球阀6向外抽水抽气，使舱室内气压低于大气压强，从而使分舱型筒型基础7贯入地基中；回收时通过向舱室内注水打气，从而将分舱型筒型基础7顶出泥面。
34.如图4至图6所示，所述分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18设置为一体结构，包括中央立柱9、振荡外筒12、加劲板4。所述中央立柱9上部设置有法兰盘3，用于安装风力发电机的塔筒2和机头1。所述振荡外筒12下部悬空，且同轴嵌套设置于中央立柱9外部，所述加劲板4设置于中央立柱9和振荡外筒12 之间，将中央立柱9和振荡外筒12之间环空划分为n个振荡水柱式发电舱室5。所述加劲板4与分舱型筒型基础7中的分舱板8一一对应，使得上部结构受到的力可以有效的通过加劲板4传递都分舱型筒型基础7之上，提高结构整体性的同时优化结构传力，具有加强中央立柱9上部过渡段和将分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18进行分舱的双重功能。所述加劲板4下端延伸至振荡外筒12外部，使得分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18和分舱型筒型基础7之间有一定的间隙，从而使得海浪可以进入舱室内部。每个振荡水柱式发电舱室5顶部均开设一个孔，用于安装气动涡轮发电机13，所述气动涡轮发电机13在双向气流的作用下可以同向转动，在海浪的作用下，海浪上下波动，压缩舱室内空气，带动气动涡轮发电机13发电。
35.本发明联合波浪能和风力发电的筒型基础结构的施工方法，包括以下步骤：
36.第一步：在陆地上预制分舱型筒型基础7，包括外筒体14、盖板15、分舱板 8、舱室顶部的球阀6，分舱型筒型基础7整体直径为20～40m，筒体高度为10～20m。在陆地上预制分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18，包括中央立柱9、加劲板4、振荡外筒12以及顶部的气动涡轮发电机13。其中气动涡轮发电机13所在舱顶的高程应该大于20年一遇的极端高水位，以保证上部的气动涡轮发电机13不被海水淹没，而振荡水柱式发电舱室5侧壁的下边缘高程应该保证基础结构在安装到位后海浪能够进入舱室内部，从而保证上部的分舱型振荡水柱式波浪能转换装置 18内部存在上下波动的液面以达到压缩舱内空气带动气动涡轮发电
机13转动的目的。
37.第二步：将上部的分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18与分舱型筒型基础7 进行组装，使得分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18的加劲板4与分舱型筒型基础7内部的分舱板8的位置相对应，从而使得上部结构所受到的力能够传到分舱型筒型基础7上，增强结构的整体性以及传力性能，达到优化结构传力的目的。组装完成后检查上部分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18内部的气密性以及分舱型筒型基础7的气密性。
38.第三步：确保气密性符合要求之后，在分舱型筒型基础7各分舱顶部的球阀 6上装抽水抽气装置，在分舱型振荡水柱式波浪能转换装置18的顶部安装气动涡轮发电机13，之后将联合波浪能和风力发电的筒型基础结构整体吊装到驳船上并进行固定，最后将上部风力发电机的塔筒2和机头1与中央立柱9上部的法兰盘 3进行连接。
39.第四步：将驳船和联合波浪能和风力发电的筒型基础结构运输至指定的设计施工位置。
40.第五步：将联合波浪能和风力发电的筒型基础结构整体吊装离开驳船，打开分舱型筒型基础7分舱顶部的球阀6，使得联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在自重作用下下沉；当联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在自重作用下沉放到位后，打开分舱型筒型基础7舱顶的抽水抽气装置，抽出舱内的水气，使得舱内压强小于大气压强，从而使联合波浪能和风力发电的筒型基础结构在压差的作用下沉放到位，如图7所示。
41.第六步：联合波浪能和风力发电的筒型基础结构沉放到位之后将球阀6上部的抽水抽气装置拆卸，施工完毕。
42.尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。