一种海上风力发电机顺应式基础结构系统，采用由斜拉索系统形成的线性弹簧的支撑系统与由浮式铰接坐底桩腿形成的质量体的结构，组成有约束的两自由度的刚体运动体系，构建一种海上风力发电机顺应式的“超柔性”基础结构支撑系统。在外部载荷的作用下，海上风电机的顺应式基础结构的支撑系统会使浮式桩腿绕桩腿底部铰接点产生一定幅值的纵摇与横摇顺应性的简单摇摆，通过这种摇摆运动，由惯性力平衡浮式桩腿上巨大的环境载荷，大大减低通常需要通过结构的内力来进行的平衡。在水深适用范围扩大，桩体结构简化，降低支撑系统环境载荷响应，减小对地质条件的依赖，优化桩体系统的固有振动模态，简化风机控制策略和免动态电缆等方面明显降低相关成本。方面明显降低相关成本。方面明显降低相关成本。
【技术实现步骤摘要】
一种顺应式海上风力发电机基础结构系统
[0001]本专利技术属于海洋工程领域，尤其是一种顺应式海上风力发电机基础结构系统领域。
技术背景
[0002]海上风力发电正以非常迅猛的方式发展。目前我国海上风电领域中，单桩等固定式基础当前仍是主导海上风电项目的最具有经济性的基础方案，40米以下水深的成本接近平价的水平已经指日可待。风场资源向深远海开发，是必然的趋势。但随着水深的增加，由于单桩及各类固定式基础结构原理上都是采取悬臂结构，具有典型的杠杆特性。当水深增加时，相当于悬臂伸长时，各类作用在基础上的载荷会急剧地增大，还须将桩腿插入更深的海底，桩腿的成本由于桩长、桩径、壁厚等因素将大大提高。单桩基础40米水深(40米水深时桩腿长度可能将超过百米)、导管架基础60米水深是工程适应性和经济性的分界线。常规固定式基础存在无法在水深超过50米以上的区域仍保持经济性的局限，导致海上风电固定式基础风机的综合成本会急剧增高。通常，大于50米水深时，就会开始考虑使用浮式基础。与固定式基础相比，海上风机浮式基础可以移动，不受水深限制，并且便于拆除，可安装在风能资源更为丰富的深海海域。但是，现阶段海上浮式基础风力发电的发展尚未成熟，比如，海上风机浮式基础最大的特点就是在海上具有较大幅度的摇摆，由于其体积和质量巨大，结构复杂，在风浪中具有复杂的运动特性，其运动预报、载荷分析、系泊定位、结构强度、一体化设计方面还具有诸多的技术难点，在结构优化方面还有很多尚未解决的的难题，风电转换效率也会受到影响，需要采取复杂的控制策略来进行应对。并且，浮式基础风机会因平台摇晃导致电缆连接必须采用动态电缆布置，就会造成结构疲劳使系统可靠性受到严重影响。这些都将直接导致浮式风力发电机综合成本大幅度的提高。浮式风力发电机虽然是固定式风力发电机的替代和升级方式的重要研究方向，但是，至少在10年以内无法达到与固定式海上风电相似的经济性的水平。目前还有一种半固定式海上风电基础理论，就是水深超过40米，风机桩腿底部通过铰接方式与海底连接并通过拉索将风机桩腿进行固定，但这种半固定式风电基础仍是在追求以固定桩的特征(桩腿结构挠度变形在百毫米左右)来限制风机桩腿的运动，导致其拉索将承受巨大的拉力，按现有的工程材料的水平，单靠斜拉索的所的能力，在工程上是不可实现的。因此，开发一种“过度水深”(60—150米级别)的低成本海上风力发电机基础结构系统，具有非常重大的现实意义。
技术实现思路
[0003]一种海上风力发电机顺应式基础结构系统，采用由斜拉索系统形成的线性弹簧的支撑系统与由浮式铰接坐底桩腿形成的质量体的结构，组成有约束的两自由度(纵摇与横摇)的刚体运动体系，构建一种海上风力发电机顺应式的“超柔性”基础结构支撑系统。在外部载荷的作用下，所述海上风电机的顺应式基础结构的支撑系统会使浮式桩腿绕桩腿底部铰接点产生一定幅值的纵摇与横摇顺应性的简单摇摆，通过这种摇摆运动，由惯性力平衡
所述浮式桩腿上巨大的环境载荷，大大减低了通常需要通过结构的内力(极高的刚度和强度)来进行的平衡。在水深适用范围扩大，桩体结构简化，降低支撑系统环境载荷响应，减小对地质条件的依赖，优化桩体系统的固有振动模态，简化风机控制策略和免用动态电缆等方面明显降低相关成本。
[0004]一种海上风力发电机顺应式基础结构系统，包括风力发电机下部的浮式桩腿系统及具有呈线性延伸特性的斜拉索系统，所述浮式桩腿系统的上部系泊连接点与风力发电机系统连接；所述浮式桩腿系统包括浮式桩腿、铰接连接装置，桩腿锚定装置和系泊连接点，所述浮式桩腿为倒椎型筒形钢结构，所述系泊连接点位于海面附近或高于海面并与风机扇叶不发生干涉的位置，所述桩腿锚定装置与海床固定连接，所述浮式桩腿下部设置的所述铰接连接装置与所述桩腿锚定装置相连接；所述具有呈线性延伸特性的斜拉索系统包括3条以上以系泊连接点为中心放射状均匀布置的具有呈线性延伸特性的高强度的斜拉索(缆索)，每条斜拉索均配有斜拉索锚固装置和张紧连接装置，所述斜拉索的下端通过所述斜拉索锚固装置与海床固定，所述斜拉索的上端通过所述张紧连接装置与系泊连接点连接，所述斜拉索的延伸率不大于在可使用载荷(破断强度的30％)时的4％，由此控制所述浮式桩腿系统绕所述铰接连接装置作顺应式刚体运动摇摆的幅度。所述斜拉索配有消除其自重的浮力系统,使所述斜拉索尽可能减少自重下垂量。
[0005]在所述系泊连接点上设置有与所述斜拉索数量相同的斜拉索张紧连接装置，所述斜拉索张紧连接装置一端与浮式桩腿连接，另一端与所述斜拉索连接。由斜拉索承受由风作用在风机和塔筒上以及波浪和水流作用在桩腿上所共同产生的水平方向的载荷，并通过缆索刚度(延伸率)的调整，使桩腿在水平方向有一定“柔性”的摇摆运动。
[0006]铰接连接装置的铰接连接方式不传递弯矩，与刚性连接(如深度插桩)相比，结构用钢量大幅度减小，同时浮式桩腿对海床地质条件的要求可以有所降低。铰接连接配合斜拉索的结构体系与底部刚性连接的(插桩)悬臂梁桩腿结构体系的固定形态相比较，本专利技术由于斜拉索具有一定弹性，并且桩腿固定是采用交接方式，因此是一种顺应式结构形态，它相当与具有一定柔性，相同外部载荷作用产生的内力分布如弯矩和剪力等将发生较大变化，外部作用力的能量通过一定幅度的运动会被惯性力平衡，传递到斜拉索结构上的力就会相应减小，另外，桩腿与海底的连接采用铰接连接方式，使风机的支撑结构系统仅在有限方向运动(纵摇和横摇)，简化风机的运动轨迹和姿态的预报难度(相对浮式风机支撑结构)，减小了运动对风机适用性和发电效率的影响。风机支撑结构系统在水平方向的运动，采用张紧斜拉索的限制，实现将风机的运动幅值控制在风机可适应的范围，保障风机的安全有效运营。风机和支撑结构组成的结构系统在风浪流环境载荷和工作载荷下，表现为小幅度的刚体运动方式，使风浪流载荷作用在桩腿上的巨大能量得以转移和释放，而是被转移到上部系泊连接点处，主要由斜拉索来承担。不同于传统固定刚性桩基结构系统会在桩腿根部产生巨大的集中弯矩，该新系统大幅度地减小了桩腿结构上的集中弯矩载荷，优化了桩腿结构设计。另外，斜拉索还能通过张紧力及系泊刚度的配置，结合压载水调整(总质量)，进而调整全系统的固有运动周期，大大提升对风机的适配能力和对环境的适应能力。进一步的，使所述斜拉索尽可能减少自重下垂量。使所述斜拉索在初步张紧状态时,尽可能减少由自重导致的下垂量。这有利于通过减小斜拉索的附加延伸率提高斜拉索延伸率的线性。这种顺应性的摇摆运动是简单、微幅、受控的，对搭载的风力发电机有较强的适应性，减
化了复杂的控制策略(相对浮式平台基础)。本专利技术开创了一种海上风力发电基础结构系统原理，大幅优化了海上风力发电基础结构系统各部件对环境载荷响应,从而大幅度降低了结构的用钢量。采用结构一体化的方法,可实现基础结构的自我安装,可大大降低安装成本。在过度水深条件下(60米
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150米)，预计采用本原理系统的风电基础结构的综合成本,可比固定式桩腿减少50％。
[0007]如前所述，进一步的，在所述浮式桩腿的上部一定范围设有浮体结构，所述浮体本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种顺应式海上风力发电机基础结构系统，其特征在于：包括风力发电机下部的浮式桩腿系统及具有呈线性延伸特性的斜拉索系统，所述浮式桩腿系统的上部系泊连接点与风力发电机系统连接；所述浮式桩腿系统包括浮式桩腿、铰接连接装置，桩腿锚定装置和系泊连接点，所述浮式桩腿为倒椎型筒形钢结构，所述系泊连接点位于海面附近或高于海面并与风机扇叶不发生干涉的位置，所述桩腿锚定装置与海床固定连接，所述浮式桩腿下部设置的所述铰接连接装置与所述桩腿锚定装置相连接；所述具有呈线性延伸特性的斜拉索系统包括3条以上以系泊连接点为中心放射状均匀布置的具有呈线性延伸特性的高强度的斜拉索，每条斜拉索均配有斜拉索锚固装置和张紧连接装置，所述斜拉索的下端通过所述斜拉索锚固装置与海床固定，所述斜拉索的上端通过所述张紧连接装置与系泊连接点连接，所述斜拉索的延伸率不大于在可使用载荷时的4％。所述斜拉索配有消除其自重的浮力系统,使所述斜拉索尽可能减少自重下垂量。2.根据权利要求1所述的顺应式海上风力发电机基础结构系统，其特征在于，在所述浮式桩腿的上部一定范围设有浮体结构，所述浮体结构内部为压载水舱,所述浮体结构的浮力等于风机总质量的60％至80％和浮式桩腿的总质量之和。3.根据权利要求1所述的顺应式海上风力发电机基础结构系统，其特征在于，所述浮式桩腿在其根部一定高度范围设有配重，使浮式桩腿的重心位于浮心的下方。4.根据权利要求1所述的海上风力发电机顺应式基础结构系统，其特征在于，所下半部分的长度不小于上半部分的长度。5.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：袁小荣，杨宇婷，
申请(专利权)人：袁小荣，
类型：发明
国别省市：
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