專利名稱：懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，尤其涉及一種懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和■石出。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的海上風(fēng)電場沿用了海上探油鉆井平臺技術(shù)，諸如采用重力式的樁基或沉井。但對于水深在IOOm以上的深海，采用上述方法的造價太過昂貴，在實際應(yīng)用中是不現(xiàn)實的。雖然現(xiàn)在歐洲已研發(fā)了多種浮動式海上風(fēng)塔，但所有開發(fā)的方案都是將單個風(fēng)機塔置于浮式平臺上，并由多根拉索使其平衡。其中，拉索有的直接通過錨固定于海底，也有的拉索采用重力塊并通過錨固定于海床。上述結(jié)構(gòu)的缺陷在于，若其中一根拉索被折斷，整個風(fēng)機塔即失去平衡，繼而翻倒，從而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。即使拉索沒有被折斷，但當(dāng)遭遇特大海浪時，例如在7米高的巨浪下，風(fēng)機塔將位于海浪的谷底，此時拉索中的張拉力隨之消失，風(fēng)機塔將失去平衡力，或失穩(wěn)翻倒，或傾斜過大，導(dǎo)致海上風(fēng)機損壞，這些都是現(xiàn)有海上獨立風(fēng)機基礎(chǔ)安全性不足的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)電場安裝成本高、在惡劣天氣條件下無法確保風(fēng)機塔的安全和穩(wěn)定的缺陷，提供一種能夠增加風(fēng)能發(fā)電機的發(fā)電效率以及使得風(fēng)能發(fā)電機運行穩(wěn)定且安全的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，包括鋼管筏和豎直安裝在所述鋼管閥上的可裝風(fēng)能發(fā)電機的風(fēng)機塔；所述鋼管筏包括水平放置的由多根鋼管臂通過節(jié)點連接構(gòu)成的閉合網(wǎng)狀平臺，所述閉合網(wǎng)狀平臺包括至少一個等邊三角形結(jié)構(gòu)；所述鋼管筏還包括分別豎直設(shè)置在每個節(jié)點上的連接管，以用于安裝所述風(fēng)機塔。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)還包括通過控制鋼管筏內(nèi)填充的氣體量來控制所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)在海水中升、降的升降調(diào)節(jié)裝置。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述鋼管筏的網(wǎng)狀平臺包括多個獨立的等邊三角形結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述鋼管筏的網(wǎng)狀平臺為多個等邊三角結(jié)構(gòu)聯(lián)合構(gòu)成的多邊形結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，每個所述風(fēng)機塔上設(shè)有浮子，用于浸在海水中與所述鋼管筏配合以增強所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述連接管與所述網(wǎng)狀平臺之間設(shè)有用于加強所述鋼管筏穩(wěn)定性的桁架。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述鋼管臂由多根鋼管依次通過連接頭連接構(gòu)成，并在連接處設(shè)有密封件；所述節(jié)點為空心球體；所述鋼管臂與所述節(jié)點的連接端為開口端，以使所述鋼管臂與所述節(jié)點聯(lián)通。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述鋼管臂的管壁上設(shè)有通水孔和對應(yīng)的電控閥門以控制所述鋼管臂通過所述通水孔與外界聯(lián)通；所述風(fēng)機塔的上半部的管壁上設(shè)有排氣孔和進氣孔以及對應(yīng)的電控閥門，以控制所述風(fēng)機塔通過所述排氣孔或進氣孔與外界聯(lián)通。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述升降調(diào)節(jié)裝置包括電動空氣壓縮機和用以控制所述電動空氣壓縮機啟動或停止的電控機構(gòu)；所述電動空氣壓縮機的壓縮空氣輸出端與所述風(fēng)機塔上設(shè)置的進氣口聯(lián)通。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述電控機構(gòu)分別電連接或通信連接所述電控閥門以控制所述電控閥門的開啟或關(guān)閉。在根據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中，所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)通過鋼索和錨碇固定在海床上。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是因為支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)為鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)，方便運輸和安裝，可以避免深海安裝作業(yè)和特殊船舶運輸；因為鋼管筏包含至少一個等邊三角形結(jié)構(gòu)，因此支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)可平穩(wěn)地懸浮在海水中；因為鋼管筏是半潛式懸浮在水中，可通過在水中所受到的海水阻力來減緩風(fēng)浪沖擊，同時不會影響行船和漁業(yè)操作。因此，通過支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，風(fēng)電發(fā)動機可在深海區(qū)運行，從而提高發(fā)電效率。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1是依據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)以及風(fēng)能發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明實施例的具有單個菱形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明實施例的具有由多個等邊三角形單元構(gòu)成的五角星結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明實施例的具有多個獨立等邊三角形單元的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明實施例的具有多個獨立菱形的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明實施例的鋼管臂和連接管與節(jié)點連接處的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是依據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)以及風(fēng)能發(fā)電機在正常懸浮時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是依據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)以及風(fēng)能發(fā)電機在深度下沉懸浮時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是依據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)以及風(fēng)能發(fā)電機在不啟用升降功能時的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參見圖1，依據(jù)本發(fā)明實施例的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)用于安裝風(fēng)能發(fā)電機13，其中，風(fēng)能發(fā)電機13豎直固定在支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)上。風(fēng)能發(fā)電機13用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，可選用現(xiàn)有技術(shù)中已有的水平軸風(fēng)力發(fā)電機或豎直軸風(fēng)力發(fā)電機。支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)包括風(fēng)機塔6、鋼管筏和升降調(diào)節(jié)裝置，其中，風(fēng)能發(fā)電機13安裝在風(fēng)機塔6上，風(fēng)機塔6的底端豎直固定在鋼管筏上，升降調(diào)節(jié)裝置用于通過控制鋼管筏內(nèi)填充的氣體量來控制支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)在海水中升、降，從而固定在支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)上的風(fēng)能發(fā)電機13可以隨支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)一起升降。鋼管筏包括由多根大口徑空心鋼管組合構(gòu)成閉合網(wǎng)狀平臺，操作中，鋼管筏平放在海面上，使得風(fēng)電場能夠平衡且穩(wěn)定地懸浮在海中。在本發(fā)明的實施例中，網(wǎng)狀平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)選為等邊三角形，因為等邊三角形結(jié)構(gòu)相比于正方形等其它形狀而言較為穩(wěn)定，因此支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)可以穩(wěn)定地懸浮在海水中；風(fēng)機塔6豎直固定在該等邊三角形的每個角的頂點處。當(dāng)然，也可以將一個等邊三角形結(jié)構(gòu)作為鋼管筏的一個結(jié)構(gòu)單元，網(wǎng)狀平臺由多個結(jié)構(gòu)單元組合構(gòu)成其它多邊形，或者網(wǎng)狀平臺包括多個獨立的結(jié)構(gòu)單元，因此網(wǎng)狀平臺根據(jù)需要有多種設(shè)置。例如，圖2示出的網(wǎng)狀平臺采用兩個等邊三角形構(gòu)成菱形結(jié)構(gòu)。圖3示出的網(wǎng)狀平臺采用多個等邊三角形構(gòu)成五角星結(jié)構(gòu)，此時網(wǎng)狀平臺上可以安裝37臺風(fēng)機。圖4示出的網(wǎng)狀平臺包括多個獨立的三角形結(jié)構(gòu)。圖6示出的網(wǎng)狀平臺包括多個獨立的菱形結(jié)構(gòu)，其它結(jié)構(gòu)依次類推。總而言之，從以上示例可以看出，每個懸浮海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)可支承3臺至37臺3. 0兆瓦至6. 0兆瓦海上風(fēng)機機組。一般而言，鋼管筏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組合程度越高，即包含的結(jié)構(gòu)單元越多，鋼管筏結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性越高，因此，從穩(wěn)定性和安全性角度而言，組成程度越高越好。但是從經(jīng)濟角度而言則不同，以圖2為例，三角形結(jié)構(gòu)中，三條鋼管臂即可支撐三個風(fēng)能發(fā)電機，但是菱形結(jié)構(gòu)中，五條鋼管臂組成的鋼管筏上只能支撐四臺風(fēng)能發(fā)電機。依次類推，每增加一臺風(fēng)能發(fā)電機需要增加兩條鋼管臂。因此，鋼管筏中雖然可以無限增加結(jié)構(gòu)單元，但是成本也相應(yīng)增加，單純從經(jīng)濟角度而言，單個等邊三角形結(jié)構(gòu)的鋼管筏是最佳的，因此可選用包括多個獨立三角形結(jié)構(gòu)的設(shè)置。下面將以單個等邊三角形構(gòu)成的鋼管筏為例來詳細(xì)描述鋼管筏結(jié)構(gòu)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，以下舉例討論僅用于描述本發(fā)明，并不是對本發(fā)明的限制，因此在此基礎(chǔ)上的各種等同和替代均在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。再如圖1所示，鋼管筏包括閉合網(wǎng)狀平臺和連接管，操作中網(wǎng)狀平臺平放在海面上。此處，網(wǎng)狀平臺為等邊三角形，即只包含一個等邊三角形。網(wǎng)狀平臺包括多條鋼管臂1和多個節(jié)點2，鋼管直徑可選為4. 5m，厚度約38mm至40mm。其中，每條鋼管臂1的長度相等，且鋼管臂1的兩端分別與節(jié)點2連接從而形成等邊三角形結(jié)構(gòu)，因此在該結(jié)構(gòu)中，鋼管臂1為等邊三角形的邊，節(jié)點2為等邊三角形的角的頂點。因為鋼管筏可將許多單獨的風(fēng)能發(fā)電機連接成風(fēng)能發(fā)電機群組，但是由于風(fēng)能發(fā)電機間的距離要有5D-7D的距離，才可避免下風(fēng)能發(fā)電機受上風(fēng)機的尾氣影響。其中D是風(fēng)能發(fā)電機的槳葉直徑，一般槳葉直徑是70m至100m，則風(fēng)能發(fā)電機的間距離約是400m至700m之間。具體到本發(fā)明的實施例中，假如風(fēng)能發(fā)電機的間距離約為500m，鋼管臂的直徑為4. 5m,則鋼管臂的跨/深比為500/4. 5=111。此時鋼管臂相當(dāng)于懸索橋中的主梁，在橋梁設(shè)計中，主梁約為3. 5m，跨度在IOOOm以上，跨/深比在250以上。因此從橋梁設(shè)計角度而言，本發(fā)明實施例中的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的跨/深比遠小于250，因此從結(jié)構(gòu)角度而言是穩(wěn)定的。又因為構(gòu)成鋼管筏中每條邊的鋼管長度最少為400m，實際生產(chǎn)中很難生產(chǎn)這種長度的鋼管，而且這種長度的鋼管也難于運輸和安裝。因此，實際應(yīng)用中鋼管筏的網(wǎng)狀平臺的鋼管臂1由多根長度較短的鋼管通過連接頭依次連接形成，鋼管與連接頭之間設(shè)有密封件，從而使得鋼管臂1為密封結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的實施例中，節(jié)點2優(yōu)選為空心球體，當(dāng)然也可以是其它形狀的空心體。每根鋼管臂1的兩端分別與節(jié)點2固定連接，例如可將鋼管臂1焊接在節(jié)點2上。如圖7所示，鋼管臂1與節(jié)點2連接的兩端為開口端，并且確保連接后的鋼管臂1的每端都與所連接的節(jié)點2的空心空間聯(lián)通，從而使得整個網(wǎng)狀平臺中的鋼管之間是相互聯(lián)通的。另外，鋼管臂1上至少設(shè)有一個通水孔和與該通水孔對應(yīng)的電控閥門。通水孔為設(shè)置在鋼管臂1的管壁上的通孔，電控閥門可以密封或打開該通水孔，當(dāng)電控閥門打開通水孔時，鋼管臂1內(nèi)的空心將與外界海水聯(lián)通，從而海水可以涌入到鋼管臂1的空心內(nèi)，相比于空氣填充，此時海水填充的鋼管臂1的自重將顯著增加。從以上可以看出，可以通過改變鋼管筏的鋼管臂1中的填充物來改變鋼管筏以及整個風(fēng)電場的自重，使得鋼管筏開始下沉，從而使得整個支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)或風(fēng)電場在海面上開始下降。連接管3豎直固定在等邊三角形的每個角的頂點處，在本發(fā)明的實施例中，連接管3的直徑約為4. 5m,厚度約38mm至40mm，連接管3的一端焊接在節(jié)點2上以確保連接管3與網(wǎng)狀平臺豎直；另一端通過連接環(huán)5與風(fēng)機塔6連接。連接管3的兩端均為開口端，并且確保當(dāng)連接管3與節(jié)點2連接后是聯(lián)通的，具體如圖7所示，從而連接管3與整個網(wǎng)狀平臺是聯(lián)通的。為了加強鋼管筏在海上的穩(wěn)定性，可在網(wǎng)狀平臺和連接桿3之間設(shè)置桁架4。在本發(fā)明的實施例中，該桁架由三根直徑較小的鋼管構(gòu)成，可以呈品字形或倒品字形，三者之間以桿系連接。但鋼管直徑不宜過小，要以人能走在其中為主，便于維修。例如可采用三根直徑為2. 2m的鋼管。在海浪和風(fēng)力的沖擊作用下，連接管3與風(fēng)機塔6的連接處所受應(yīng)力的彎矩最大，在該位置處設(shè)置斜撐結(jié)構(gòu)的桁架，能夠減少應(yīng)力，使得設(shè)置在支撐裝置上的風(fēng)能發(fā)電機的傾斜率減低，有利于風(fēng)能發(fā)電機的運作。風(fēng)機塔6為大口徑空心鋼管，其中，風(fēng)能發(fā)電機13設(shè)置在支撐桿5的頂端，風(fēng)機塔6的底端設(shè)為開口端并與連接管3固定連接，例如通過焊接方式連接，連接后確保風(fēng)機塔6與連接管3內(nèi)部是聯(lián)通的，且風(fēng)機塔6與連接管3 —起豎直于鋼管筏。風(fēng)機塔6的上半部設(shè)有進氣孔和排氣孔、以及與該進氣孔或排氣孔分別對應(yīng)的電控閥門。進氣孔和排氣孔為設(shè)置在風(fēng)機塔6的管壁上的通孔，電控閥門可以密封或打開該進氣孔或排氣孔，其中，當(dāng)電控閥門打開排氣孔時，風(fēng)機塔6內(nèi)的空心將與外界空氣聯(lián)通。另外，進氣孔和排氣孔在風(fēng)機塔6上的位置設(shè)置要確保其在風(fēng)電場的升降過程中始終位于海平面8以上。一般情況中，風(fēng)電場在海中，由于具有鋼管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的鋼管筏平放，所以支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)及風(fēng)電場是穩(wěn)定的，而體系的浮力大于自身重力。當(dāng)風(fēng)電場下沉至特定的位置時，雖然浮力能夠克服自重而使風(fēng)電場平衡并懸浮于水中，但是當(dāng)遭遇極端惡劣天氣時，如遭遇巨浪和大風(fēng)時，風(fēng)電場所受外力過大，使得風(fēng)電場的浮力不足以抵消自重和外力，則在這樣的條件下，可在風(fēng)機塔6設(shè)置浮子7，用以在下沉過程中與鋼管筏配合工作。仍如圖1所示，浮子7中心套設(shè)在風(fēng)機塔6上，在本發(fā)明的實施例中，浮子7優(yōu)選為倒轉(zhuǎn)圓錐體，當(dāng)然也可以是其它形狀，例如倒轉(zhuǎn)金字塔體等。浮子7在風(fēng)機塔6上的位置設(shè)置要使得風(fēng)電場在下沉過程中，浮子7能夠浸到海平面8上。具體而言，一方面浮子7與水面接觸的是斜面，因此在下沉過程中，浮子7所受浮力逐漸增大，在該過程中，浮子7的作用類似于非線性彈簧，在下沉過程中提供不斷增大的回復(fù)力；另一方面，浮子7中可填充輕質(zhì)材料，例如硬質(zhì)泡沫，相比于灌裝水的情況所受浮力更大。從以上可以看出，通過該浮子7在下沉過程中所受到的漸增浮力，可以減少一部分風(fēng)浪的沖擊作用，使得風(fēng)電場更加穩(wěn)定。因為浮子7的體積非常大，因此浮子7中具有較大截面積的上平面還可用作操作平臺。升降調(diào)節(jié)裝置包括電動空氣壓縮機和電控機構(gòu)，其中電控機構(gòu)與電動空氣壓縮機電連接，從而控制電動空氣壓縮機開始或停止工作。電動空氣壓縮可設(shè)置在密封艙體內(nèi)，該密封艙體漂浮在海面上并通過錨碇10固定的海床11上。電動空氣壓縮機用于產(chǎn)生壓縮空氣，其輸出壓縮空氣的輸出口分別與風(fēng)機塔6上設(shè)置的進氣孔聯(lián)通，從而可以通過進氣孔輸入壓縮空氣。如果輸入的壓縮空氣的壓力足夠大，可以將與之聯(lián)通的鋼管筏的鋼管臂1內(nèi)的海水排出，當(dāng)鋼管臂1中的海水排出而只剩下輸入的壓縮空氣時，鋼管筏及風(fēng)電場的自重減少，風(fēng)電場開始上升。電控結(jié)構(gòu)還與設(shè)置在風(fēng)機塔6和鋼管臂1上的所有電控閥門電連接或通信連接，從而通過電信號或無線信號控制閥門的開啟或關(guān)閉，使得電控閥門對應(yīng)的進氣孔、排氣孔或通水孔打開或密封。如圖7和8所示，風(fēng)電場通過錨碇10和鋼索固定在海床11上，使得風(fēng)電場不會隨著水波漂走。其中，鋼索的一端固定在錨碇上，另一端焊接在鋼管筏的節(jié)點2上，因此當(dāng)鋼管筏的三個頂點被牽制住后，鋼管筏以及風(fēng)電場將被穩(wěn)定地牽制該固定區(qū)域中。當(dāng)風(fēng)電場下沉到較深深度時，與錨碇10連接的鋼索長度過長，因此可增設(shè)附加錨碇12。其中，選用長度較短鋼索連接附加錨碇12，該長度較短的鋼索的另一端焊接固定在節(jié)點2上。采用錨碇和鋼索固定，免去了在海床底動工的基礎(chǔ)，唯一對海床產(chǎn)生影響的是它的錨錠，但是不像基礎(chǔ)般要在海床作破壞性的工程，對海洋生態(tài)的影響較微。它的鋼管網(wǎng)，更可為魚類提供一棲息場地，對保育有幫助。它的施工物料是鋼，由于浮動，可以完全拖走循環(huán)再用。實際操作中，在正常天氣下，通過對風(fēng)電場自重的設(shè)計，使得當(dāng)風(fēng)電場的自重與海水產(chǎn)生的浮力平衡時，風(fēng)電場不是如現(xiàn)有的風(fēng)電場一般漂浮在海面上，而是半潛式懸浮在水中，此時鋼管筏的鋼管臂1中填充的是空氣。在本發(fā)明的實施例中，風(fēng)電場的下沉深度優(yōu)選為15m到22m。當(dāng)風(fēng)電場在風(fēng)浪的作用下發(fā)生移動時，例如隨風(fēng)電場中一起移動的鋼管
臂在海水中以速度ν移動時，海水對鋼管臂產(chǎn)生的阻力為/ = \ρζν2 ，其中ρ為水的密度，
ζ為阻尼系數(shù)，ν是鋼管臂的移動速度，D是鋼管臂的直徑。因此，鋼管臂在水中受到的阻力可以看作時整個風(fēng)電場所收到的阻力，該阻力能夠很好地吸收強風(fēng)和海浪對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動，形成理想的減振結(jié)構(gòu)，從而減少金屬疲勞。由此可以看出，半潛式懸浮在水中的結(jié)構(gòu)與漂浮在水面上的結(jié)構(gòu)相比，可以通過水中所受到的阻力來抵消外界風(fēng)浪的作用，使得風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。因為風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，所以可設(shè)置此時風(fēng)能發(fā)電機的高度高于現(xiàn)有的風(fēng)能發(fā)電機的高度，例如高30m左右，因此，風(fēng)能發(fā)電機可以捕捉更大的風(fēng)速，從而提高發(fā)電量。另外，因為是半潛式懸浮在水中，因此也不會對行船和漁業(yè)造成影響。當(dāng)遭遇惡劣天氣時，例如臺風(fēng)來襲時，電控機構(gòu)開啟鋼管臂1和風(fēng)機塔6上對應(yīng)通水孔和排氣孔設(shè)置的電控閥門，一方面使得鋼管臂1內(nèi)的空間通過通水孔與海水聯(lián)通，海水從該通水孔涌入到鋼管臂1內(nèi)；另一方面，鋼管臂1內(nèi)的空氣在涌入海水的排擠下從風(fēng)機塔6上的排氣孔進入外界的空氣中。此時，因為海水的涌入使得風(fēng)電場的自重增加，風(fēng)電場開始下沉，當(dāng)下沉到預(yù)定深度時，例如60m時，電控機構(gòu)關(guān)閉所有電控閥門，這樣風(fēng)電場在更深的深度處懸浮。這樣就能夠減少風(fēng)機的暴露面積，減少風(fēng)載，從而減少損失。該下沉深度是可以調(diào)節(jié)的，例如當(dāng)風(fēng)浪較大時，可下沉較深的深度；風(fēng)浪較小時，可下沉較淺的深度。當(dāng)惡劣天氣結(jié)束后，為了捕捉更大的風(fēng)能，風(fēng)電場需要上升一定的高度，這時，電控機構(gòu)開啟鋼管臂1和風(fēng)機塔6上對應(yīng)通水孔和進氣孔設(shè)置的電控閥門，并同時啟動電動空氣壓縮機。一方面，壓縮空氣從進氣孔進入風(fēng)機塔6，繼而進入與之聯(lián)通的鋼管臂1，當(dāng)輸入的壓縮空氣的氣壓足夠高時，可以將鋼管臂1內(nèi)填充的水從通水孔排出。例如，當(dāng)風(fēng)電場下沉到60m時，如果輸入的壓縮空氣大于6個大氣壓即可將水從鋼管臂1中排出。隨著水的排出，風(fēng)電場的自重不斷減少，風(fēng)電場也隨之不斷上升，當(dāng)上升的預(yù)設(shè)深度時，電控機構(gòu)控制相應(yīng)的電控閥門關(guān)閉以及電控關(guān)閉電動空氣壓縮機，從而使得風(fēng)電場到達新的平衡點，用以捕獲更大的風(fēng)能。當(dāng)然，雖然依據(jù)本發(fā)明實施例的風(fēng)電場是可升降的，但是也可以在實際使用中不啟用該升降功能，比如在氣象條件較好的海域不需要用到升降功能時，只要求具有支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的風(fēng)電場半潛式懸浮在海水中即可，這樣就可以簡化操作。但是為了能夠抵抗可能遇到的風(fēng)浪，還是有必要在風(fēng)機塔上設(shè)置浮子，只不過浮子的位置相對具有升降功能的情況要更低。具體如圖9所示，為了讓浮子發(fā)揮作用，不啟用升降功能時風(fēng)機塔的長度縮短，浮子位置下調(diào)至與連接管處于桁架接觸。而且，支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)中不需要設(shè)置與升降功能有關(guān)的部件，包括升降調(diào)節(jié)裝置、進氣孔、排氣孔、通水孔以及對應(yīng)的電控閥門。綜上所述，因為依據(jù)本發(fā)明實施例的風(fēng)電場是可升降的，因此一方面在正常天氣時風(fēng)電場的高度比現(xiàn)有的其它風(fēng)電場高，例如當(dāng)高30m時，風(fēng)速可增加6 8%，風(fēng)電的功率輸出與風(fēng)速平方成正比，則增加的風(fēng)電功率輸出為12. 4%到16. 6 %，對全壽命約25年的風(fēng)電輸出增加12 16%的經(jīng)濟收益；另一方面，當(dāng)遭遇惡劣天氣時，可以下降風(fēng)電場以避免惡劣天氣帶來的損失。另外，依據(jù)本發(fā)明實施例的風(fēng)電場為鋼架結(jié)構(gòu)，特別是鋼管筏為鋼管可拆卸地安裝構(gòu)成，因此雖然用鋼量比一般近岸風(fēng)電場多，但全是鋼管等容易加工的構(gòu)件，且免去海上基礎(chǔ)施工的風(fēng)險，和免于采用特殊船只安裝的風(fēng)險，兼且可以整個在海邊碼頭預(yù)制，浮運至現(xiàn)場，安裝錨錠即成。其造價初步估計與現(xiàn)在的近岸風(fēng)電場差不多，但隨著基礎(chǔ)與采用特殊船只的風(fēng)險減少，此結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟效益。綜合以上可以看出，當(dāng)海上風(fēng)電場采用依據(jù)本發(fā)明的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)時，造價成本低，且安裝中可以實現(xiàn)岸上預(yù)制以及施工模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，而現(xiàn)有的深海風(fēng)電場不僅造價成本高，還需要在深海中進行安裝作業(yè)，難度大，不易實現(xiàn)；而且，依據(jù)本發(fā)明的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)是半潛入地懸浮在海水中且可調(diào)節(jié)升降，因此與現(xiàn)有的固定安裝的風(fēng)電場相比，更為靈活，從而抗擊風(fēng)浪沖擊的能力更強，因此，在安裝和穩(wěn)定性兩個方面性能的提升彌補了現(xiàn)有技術(shù)的不足，使得依據(jù)本發(fā)明的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)不僅可用于淺海，也可用于深海，應(yīng)用范圍非常廣，從30m到300m的深度。如果實際中能夠解決錨碇固定的技術(shù)問題，依據(jù)本發(fā)明的支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)還可應(yīng)用于更深的海域。從經(jīng)濟效益角度而言，目前全球風(fēng)能估計有72TW，對比現(xiàn)時全球發(fā)總電量約為2TW，技術(shù)受限使得當(dāng)前風(fēng)能開發(fā)非常有限，如果可以將風(fēng)電場設(shè)置在深海中，則可以更加充分地應(yīng)用風(fēng)能，提高發(fā)電效率。與此同時，還能減少近海風(fēng)能風(fēng)電場對環(huán)保、行船以及漁業(yè)的影響。 應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，包括鋼管筏和豎直安裝在所述鋼管閥上的可裝風(fēng)能發(fā)電機的風(fēng)機塔；所述鋼管筏包括水平放置的由多根鋼管臂通過節(jié)點連接構(gòu)成的閉合網(wǎng)狀平臺，所述閉合網(wǎng)狀平臺包括至少一個等邊三角形結(jié)構(gòu)；所述鋼管筏還包括分別豎直設(shè)置在每個節(jié)點上的連接管，以用于安裝所述風(fēng)機塔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)還包括通過控制鋼管筏內(nèi)填充的氣體量來控制所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)在海水中升、降的升降調(diào)節(jié)裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述鋼管筏的網(wǎng)狀平臺包括多個獨立的等邊三角形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述鋼管筏的網(wǎng)狀平臺為多個等邊三角結(jié)構(gòu)聯(lián)合構(gòu)成的多邊形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，每個所述風(fēng)機塔上設(shè)有浮子，用于浸在海水中與所述鋼管筏配合以增強所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述連接管與所述網(wǎng)狀平臺之間設(shè)有用于加強所述鋼管筏穩(wěn)定性的桁架。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述鋼管臂由多根鋼管依次通過連接頭連接構(gòu)成，并在連接處設(shè)有密封件；所述節(jié)點為空心球體；所述鋼管臂與所述節(jié)點的連接端為開口端，以使所述鋼管臂與所述節(jié)點聯(lián)通。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述鋼管臂的管壁上設(shè)有通水孔和對應(yīng)的電控閥門以控制所述鋼管臂通過所述通水孔與外界聯(lián)通；所述風(fēng)機塔的上半部的管壁上設(shè)有排氣孔和進氣孔以及對應(yīng)的電控閥門，以控制所述風(fēng)機塔通過所述排氣孔或進氣孔與外界聯(lián)通。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述升降調(diào)節(jié)裝置包括電動空氣壓縮機和用以控制所述電動空氣壓縮機啟動或停止的電控機構(gòu)；所述電動空氣壓縮機的壓縮空氣輸出端與所述風(fēng)機塔上設(shè)置的進氣口聯(lián)通。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述電控機構(gòu)分別電連接或通信連接所述電控閥門以控制所述電控閥門的開啟或關(guān)閉。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，其特征在于，所述支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)通過鋼索和錨碇固定在海床上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種懸浮式可升降海上風(fēng)電場支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)，包括鋼管筏和可裝風(fēng)能發(fā)電機的風(fēng)機塔；鋼管筏包括水平放置的由鋼管臂通過節(jié)點連接構(gòu)成的包括至少一個等邊三角形結(jié)構(gòu)的閉合網(wǎng)狀平臺，鋼管筏還包括分別豎直設(shè)置在每個節(jié)點上的連接管，以用于安裝所述風(fēng)機塔。因為主體結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀鋼管結(jié)構(gòu)，因此易于拆卸和安裝，實現(xiàn)岸上預(yù)制以及施工標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化；可以安裝3臺以上的風(fēng)機組群；因包含至少一個等邊三角形結(jié)構(gòu)，可平穩(wěn)地半潛式懸浮在海水中；半潛式設(shè)計，可通過水的阻力減緩風(fēng)浪沖擊。因此可用于深海。本發(fā)明能大幅降低海上風(fēng)電場建設(shè)成本，對大規(guī)模海上風(fēng)電場的開發(fā)與建設(shè)意義重大。
文檔編號B63B35/44GK102390494SQ20111024055
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者陳立強, 黃燦光 申請人:陳立強, 黃燦光