[发明专利]海上漂浮式风机基础及其定位系统

说明书

技术领域

本发明属于海上风力发电领域，具体地讲，涉及一种海上漂浮式风机基础及其定位系统。

背景技术

与陆地风电场建设相比，海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件更复杂，技术开发难度更大，面临许多新的挑战。目前，潮间带、潮下带滩涂风电场及近海风电场，这些水深不超过50米的海上风电场通常采用固定式基础结构形式，主要包括重力式基础、单桩或多桩基础、导管架基础、负压桶式基础等。

2011年，国家能源局与国家海洋局联合制定并出台了《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》，根据该细则，海上风电场原则上应在离岸距离不少于10公里、滩涂宽度超过10公里时海域水深不得少于10米的海域布局，可见，未来海上风电的发展方向是向远离岸边的深海发展。在远离大陆的深海区域，可开发利用的风资源更多更优质，市场前景也更广阔。要开发这些水深超过50米的深海风电场，按照目前近海风电场普遍采用的用各种贯穿桩结构固定在海底的做法将不具备优势，主要表现为：

1、采用固定式基础的近海风机选址受限制

由于沿海功能区划密集，海上风电场选址往往跟渔业、军管区、环境保护区、港航通道冲突，这给近海风电场选址带来了很大的困难。而深海风电场选址由于离岸距离相对较远，可以有效避开这些功能区，风电场选址自由度更大。

2、随着水深的增加，固定式基础的成本直线上升，不适合在水深50米以上海域开发海上风电

未来几年内，大型海上风电场将向深海区域发展，尤其是德国、北海、日本海区域，随着海域深度的增加，固定式基础(例如，钢制导管架基础)的用钢量及建造和安装成本会成比例地增加，其综合成本将明显高于漂浮式风力发电机。已知传统的固定式基础(例如，钢制导管架基础)的建造和安装成本与水深成正比，而漂浮式基础的建造和安装成本对水深不敏感。固定式基础和漂浮式基础两者的成本分水岭在50米水深左右，如果水深大于50米，则固定式基础的造价将大大高于漂浮式基础的造价。对于水深大于50米这种深度范围的风电场，固定式基础不再具备经济优势。

3、采用固定式基础的深海海上风机的载荷随着单机容量的增加会快速增加

风机大型化是海上风电开发的趋势之一，随着风机越来越巨型化，风机载荷势必越来越大，传统的钢制固定式基础是通过结构将载荷传递到海底，机头传递的能量通过海床提供的阻尼以及基础系统阻尼消耗掉。这要求基础的刚度很大。而漂浮式风机的载荷传递路径与固定式基础的载荷传递路径完全不同，它主要是通过缆索实现定位，整个系统是柔性的，风机基础可以在许可范围内运动。从风机传递来的载荷通过缆索阻尼、海水作用在基础上的附加阻尼消耗掉。通过水消耗能量有两个优点：一方面水与结构紧密联系在一起，因此载荷传递路径较短，那么相对于固定式基础而言，整个漂浮式风机的载荷峰值要低得多；另一方面水体是顺应式，吸能效果比土体要好很多。实际上，从初步仿真计算的结果也验证了这一点：采用漂浮式基础的整机载荷要比固定式基础小很多。降低风机载荷会直接降低巨型风机的设计难度，并提高风机部件的可靠度。

4、固定式海上风机施工成本比漂浮式海上风机施工成本高

要降低海上风电开发成本，需要考虑两个非常关键的因素：一个是慎用大型浮吊或者其他大型安装设备，另一个是尽量杜绝大部件的更换。减少使用大型浮吊是因为大型浮吊的使用成本相当高，一个海上风电场如果使用浮吊船过于频繁，则会造成整个风电场建造成本大幅增加；而大部件的更换，一是需要大型施工船舶，另外停机更换大部件也会影响发电收益。采用传统固定式基础的风机很难规避这两个问题，这两个问题也是近海风电场开发成本居高不下的重要原因。而采用漂浮式基础可以很好地解决这两个问题。漂浮式风机的安装方法与传统固定式风机的安装方法完全不同：首先可以在港口或者船坞内将基础建造好，再将其与风机整体拼装好，然后整体通过拖船拖至目标海域抛锚定位。整个施工过程不需要任何大型船舶，大大降低了施工成本。另外，遇到大部件的更换，也可以收缆拖至船坞内检修，运行维护成本相对于固定式风机也会大大降低。

基于以上因素，需要研发一种经济实用的漂浮式风机，以克服在海床底部安装基础结构造价受水深影响的缺点，使海上风电场的建设可以向深海区域发展，充分利用我国广阔的海洋风能资源。如何开发性能优异、结构紧凑、经济实用的漂浮式风机基础成为研发海上漂浮式风机最为关键的课题，而设计系固性能良好的定位系统则是提高漂浮式基础运动性能的最直接的手段。