一种半固定式海上风机基础的制作方法

本发明涉及海上风力发电技术领域，涉及一种介于固定式与漂浮式基础之间的半固定式海上风机基础形式。

背景技术：

目前为止，我国的漂浮式风机研究还处于起步阶段。而海上风电场的发展，目前多位于0-30米水深的浅海，距离海岸在20km以内，如响水风电场、东海大桥风电场等，风机均采用固定式基础。而根据最新的中国气象局海上风资源调查结果显示，我国5m到25m水深线以内的近海区域、海平面以上50m高度风电可装机容量约为2亿kW，25m到50m以内的过渡区域、海平面以上70m以上可装机容量约为5亿kW，而100m以上的深海区域风能资源更为丰富。30米水深以上的海域，风能尚未被开发利用，为了进一步开发远海海域的风能发展漂浮式基础已经成为必然，然而漂浮式基础稳定性不足。

漂浮式基础一般适用于远海海域，或海水深度超过50m以上的海域，由于固定式与漂浮式都有自身的水域适用范围，50m左右的水深海域是采用固定式基础与漂浮式基础的一个分界点，在这部分水域不管是采用固定式基础还是漂浮式基础，基础造价相对较高，采用固定式基础施工较为困难。

与浅海固定式基础结构形式相比，对于深海海域漂浮式基础具有明显的优势。目前漂浮式基础形式有Spar式、张力腿式、半潜式等，但各种漂浮式基础都有自身的优缺点。

Spar式浮式基础由中央柱、浮力舱、压载舱、系泊系统组成由于重心低于浮心，可以保证基础的稳定性。优点：水线面积小受波浪荷载影响小；缺点：水下结构吃水深、耗材多、不经济、同时悬链线对横摇纵摇纵荡横荡的刚度不够，此结构仅适用于120米以上水域风能的开发，适用水深受到限制。

半潜式浮式基础主要由立柱、横梁、斜撑、浮箱和系泊系统组成。优点：此形式基础具有较大的水线面面积，回复力矩大，稳定性好；缺点：大尺度浮筒结构遭受较大波浪载荷，基础结构体积巨大不经济。

张力腿式浮式基础主要通过张力筋腱将浮于海面的平台基础固定在海底的基座，通过收紧张力筋键，使浮体的吃水比静平衡时大，因此浮力大于浮体重力，该剩余浮力由筋键的张力予以平衡，保持整个风机结构的稳定。优点：张力腿式浮式基础具有良好的垂荡和摇摆特性；缺点：张力腿结构复杂，价格昂贵，安装成本高。

目前世界范围内已有不少漂浮式基础应用到风力发电当中，却因技术限制、造价昂贵、漂浮式基础受荷复杂等原因，未能像固定式基础那样得到大力的推广。

目前我国正在大力的开发海上风能，深海领域还未开始涉及，随着对海上分能的开发，必定会走向深海，如何吸取国外经验，开发一种能够保证风机稳定的海上基础形式是目前要解决的一个重大技术难题。

因此，为了充分利用我国广阔的海洋风能资源，建设可以向深海区域发展的优良基础形式，需要结合各种漂浮式基础的优点摒弃缺点，研发一种经济适用、受波浪荷载小、动力响应小等优异的海上新型风机基础。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种半固定式海上风机基础，能有效减少整机运动幅值，解决了在过渡海域采用固定式基础施工困难、造价高、基础不稳定等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种半固定式海上风机基础，包括风机、塔筒、浮筒、张紧线和底部半固式基础，所述风机与套筒的上端竖直方向设置，所述套筒的下端与浮筒的上端竖直方向设置，所述塔筒与浮筒处于一直线上；所述浮筒的下端与底部半固定式基础竖直方向上设置，若干所述张紧线的一端与浮筒的顶部连接，若干所述张紧线的另一端分别以浮筒为中心与海床均匀分布连接。

进一步的，所述底部半固定式基础为中心吸力沉箱基础，所述中心吸力沉箱基础与浮筒底部采用铰接设置或者万向接头设置。

进一步的，四根所述张紧线的另一端分别通过周边吸力式沉箱基础以浮筒为中心与海底床均匀分布连接。

进一步的，所述底部半固定式基础为桁架基础，所述桁架基础包括中心三角锥桁架底座以及周边吸力式沉箱基础，所述浮筒与三角桁架底座垂直固定设置，且所述浮筒的底部位于三角桁架底座的底面中心，所述三角桁架底座的三个端角的延长出来的延伸架分别对应连接周边吸力式沉箱基础，三角桁架底座与周边吸力式沉箱基础采用铰接，所述周边吸力式沉箱基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心均匀的设置在海床。

进一步的，所述桁架基础底部设置有中心吸力沉箱基础。

进一步的，所述周边吸力式沉箱基础上设置有铰节点和导缆孔，所述三角桁架底座的三个端角延长出来的延伸架与铰节点连接，所述张紧线的另一端与周边吸力式沉箱基础之间通过导缆孔连接。

进一步的，下部浮筒结构截面尺寸可以大于塔筒横截面积。

有益效果：1、本发明提供的一种半固定式海上风机基础，综合了固定式与漂浮式基础的优点，很好的解决水深为50米至100米之间海域风机基础选型问题。

2、半固式风机基础，风机体系下部浮筒与吸力式沉箱采用铰接，保证风机的竖向稳定性，避免了漂浮式基础发生的纵荡、纵摇、艏摇、垂荡等平面外运动。并通过系泊系统保证风机的水平稳定性，保障风机正常运行发电。

3、所述半固定式风机基础类似Spar式风机基础，Spar式风机基础适用于水深为120米以上水深海域，该风机基础不设压载舱，浮筒入水深度根据海水深度可做调节，适用于50米至100米之间海域。下部浮筒所受浮力可以与风机体系自重相平衡，也可以略大于风机体系自重或略小于风机体系自重。

4、为了进一步保证风机的稳定性在浮筒下部设置桁架，桁架充当风机的基座，再通过至少三根张紧线保证风机的稳定性。风机的稳定性由桁架基座与张紧的系泊缆共同提供，所以风机的稳定性可以得到很好保证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的第一种半固定式风机基础的结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的第二种半固定式风机基础的结构示意图；

图2b是本发明实施例提供的第三种半固定式风机基础的结构示意图；

图3为图1的周边吸力式沉箱基础的结构示意图；

图4为图2的周边吸力式沉箱基础的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种半固定式海上风机基础，包括风机11、塔筒12、浮筒13、张紧线21和底部半固式基础，所述风机11与套筒12的上端竖直方向设置，所述套筒12的下端与浮筒13的上端竖直方向设置，所述塔筒12与浮筒13处于一直线上；所述浮筒13的下端与底部半固定式基础竖直方向上设置，若干所述张紧线21的一端与浮筒13的顶部连接，若干所述张紧线21的另一端分别以浮筒13为中心与海床均匀分布连接。

如附图1，所述底部半固定式基础为中心吸力沉箱基础231，所述中心吸力沉箱基础231与浮筒13底部采用铰接设置或者万向接头设置。

如附图2a，所述张紧线21的另一端分别通过周边吸力式沉箱基础232以浮筒13为中心与海底床均匀分布连接，所述张紧线21为四根。进一步的，所述底部半固定式基础为桁架基础24，所述桁架基础24包括中心三角锥桁架底座以及周边吸力式沉箱基础232，所述浮筒13与三角桁架底座垂直固定设置，且所述浮筒13的底部位于三角桁架底座的底面中心，所述三角桁架底座的三个端角的延长出来的延伸架分别对应连接周边吸力式沉箱基础232，所述周边吸力式沉箱基础232沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心均匀的设置在海底。

如附图2b，所述桁架基础24底部设置有中心吸力沉箱基础231。

如附图3和4，所述周边吸力式沉箱基础232上设置有铰节点22和导缆孔25，所述三角桁架底座的三个端角延长出来的延伸架与铰节点22连接，所述张紧线21的另一端与周边吸力式沉箱基础22之间通过导缆孔25连接。

具体实施例：如图1所示，根据本发明的示例性实施例的半固定式海上风机基础由风机11、塔筒12、浮筒13、张紧线21和中心吸力式沉箱基础231组成。风机下部浮筒13与吸力式沉箱基础23铰接，可以保证风机的竖向稳定性。定位系统采用四根张紧线21，所述四根张紧线21的一端分别连接到浮筒13顶部，所述四根张紧线的另一端分别通过周边吸力式沉箱基础232连接到海床，使风机基础受力平衡，保持风机的稳定性。

根据本发明的上述示范性实施例的半固定式海上风机基础，其浮筒13底部与中心吸力式沉箱231采用铰接，综合了风机采用完全固定式与完全漂浮式这两种基础形式，该铰节点22，也可为万向接头形式(图中省略，未示出)。

上述本发明的示例性实施例的半固定式海上风机基础，所述风机基础类似Spar式风机基础，但该风机基础不设压载舱，下部浮筒13所受浮力可以与风机体系自重相平衡。其中浮筒所受浮力可略大于风机体系自重，也可略小于风机体系自重，过剩的浮力或浮力不足时可由浮筒与吸力式沉箱连接处的铰节点22来提供竖向反力。

根据本发明的示例性实施例的半固定式海上风机基础，所述四根张紧线21的一端分别连接到浮筒13顶部，所述四根张紧线21的另一端分别通过周边吸力式沉箱基础232连接到海床，使风机基础受力平衡，保持风机的稳定性。

进一步的，风机底部与中心吸力式沉箱231采用铰接，抑制风机发生的垂荡运动，风机在无系泊缆定位时，风机的运动仅为绕铰接点发生的转动，避免漂浮式基础所发生的纵荡、纵摇、艏摇等运动，风机定位系统采用四根张紧线，能够有效地避免漂浮式基础的六个自由度的运动响应，保证风机的正常运行。

图1中示出的示例性实施例的半固定式海上风机基础，下部浮筒13潜入海底与中心吸力式沉箱基础231连接，浮筒13入水深度根据海水深度可做适当调整。适用水深范围为50到100米。

与图1中示出的半固定式基础不同的是，图2a中示出的根据本发明的另一示例性实施例的半固定式海上风机基础，包括风机11、塔筒12、浮筒13、张紧线21、桁架基座24和周边吸力式沉箱基础232组成。桁架基座24充当风机的下部支座，桁架基座最外侧与周边吸力式沉箱基础232相连，内侧与下浮筒13固定连接。定位系统采用至少三根张紧线21，所述至少三根张紧线21的一端分别连接到浮筒13顶部，所述至少三根张紧线21的另一端分别通过周边吸力式沉箱基础232连接到海床，张紧线21同桁架基座24共同作用，保证风机的稳定性。

与图2a中示出的半固定式基础不同的是，图2b中示出的半固定式海上风机基础，浮筒下部多设了一个中心吸力式沉箱基础231。

根据图2a中示出的示例性实施例的半固定式海上风机基础，其桁架基座24最外侧与吸力式沉箱基础采用铰接连接，内侧与下浮筒固定式连接。

根据图2a中示出的示例性实施例的半固定式海上风机基础，至少三根张紧线21的一端分别连接到浮筒13顶部，所述至少三根张紧线的另一端分别通过周边吸力式沉箱基础232连接到海床，所述周边吸力式沉箱232基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心均匀的设置在海底。

所述风机下部浮筒类似Spar式风机基础，但该风机基础不设压载舱，下部浮筒所受浮力可以与风机体系自重相平衡。下部浮筒结构截面尺寸可以略大于塔筒横截面积，起到一定的助浮作用，浮筒入水深度根据实际工况做适当调整。

根据图2b中示出的示例性实施例的半固定式海上风机基础，风机底部设有桁架基座24，充当风机的底部支座，为进一步保证风机的稳定性，同时采用三根张紧式的系泊缆定位，完全避免了风机所发生的纵荡、纵摇、艏摇等运动，保证风机的正常运行。尽管本发明以铰接式与桁架基座式为例描述了半固定式海上风机基础，但是半固定式海上风机基础的型式不限于铰接式与桁架基座式两种型式。另外，张紧线的数目不限于三根，可以根据实际情况对它们进行调整。

综上所述，根据本发明的半固定式海上风机基础结构简单可靠、成本低、能够有效地避免海上漂浮式风机所发生的面外运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。