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漂浮式基础
漂浮式基础型式:是漂浮在海面上的平台,利用系泊或锚针在海底进行位置的固定,通过三力的平衡来维持海上风电机组基础结构的稳定性。其中,三力是指自身重力、系缆回复力、结构浮力,并且还能够精准控制海流影响产生的摇晃角度。
发展历史:自20世纪70年代,美国马萨诸塞大学的Heronemus教授提出了世界上第一个漂浮式风电机组的概念以来,漂浮式风电机组经历40多年的发展,从概念研发到样机实验,现在已经走向了实际应用。荷兰的Blue H Technologies公司在2008年夏,用离岸油井的技术开发出世界第一台漂浮式风电机组,安装在意大利南部Puglia外海的风电场。世界上第二台单桩漂浮式基础海上风电机组在2009年挪威Karmoy海域安装完成,命名为Hywind。
应用现状:目前,全球已有9个漂浮式风电机组样机或商业化风电场运行。6个位于欧洲:挪威、葡萄牙、瑞典、英国、西班牙、法国各1个;3个位于日本。由PPI公司开发的Windfloat半潜式漂浮基础,由Ideol公司开发的阻尼池驳船式漂浮基础,也是即将应用于小规模商业化的项目。
适用条件:适用于水深大于50m的水域。漂浮式风电机组开发成本较固定式昂贵,但受海洋地形的限制,在欧洲、日本、韩国、中国台湾、美国夏威夷等处由于近岸无浅水区,海上风电不得不采用漂浮式风电机组,中国沿海某些海域由于地质不适宜打桩施工,亦不得不考虑使用漂浮式风电机组。因此,开发适用于更深海域的漂浮式海上风电技术是未来的必然趋势。
优势:漂浮式基础结构机动性好、易拆卸,服役期满可进行回收再利用。
难点:漂浮式基础的主要挑战在于如何维持基础稳定性、限制基础位移、高效的锚链系统,以及降低设计、安装、维护成本。此外,相较于固定式基础,漂浮式基础的设计难度甚大而尚未成熟,仍处在快速发展变化的阶段。分类:漂浮式海上风电基础主要有四类,张力腿式(TLP)、立柱式(Spar)、驳船式 (Barge)、半潜式(Semi)。其中,根据锚链的受力状态,又可将张力腿归为张紧式基础,后三种归为悬链式基础。其中立柱式、半潜式漂浮式基础技术最为成熟,应用最为广泛。
张力腿式(TLP)基础
张力腿式基础是一种垂直系泊的顺应式漂浮式基础结构。通常张力腿式基础由悬浮的矩形水平浮筒和圆柱体结构组成,通过刚度较大的张力腿直接连接至海底锚固结构。由于预张紧的锚泊系统作用,使得张力腿式基础的运动近乎刚性运动,保证了非常好的稳定性。
从理论上说,张力腿式基础所承受锚泊系统的预张紧力越大,越能够实现平台的平稳。但在设计基础时,要综合考虑各种规范和工程需求,来实现对预张紧力的确定。同时,由于高频振动对漂浮式风电机组的性能影响比较大,在基础设计时,要避开环境中与漂浮式基础重合的固有周期。
适用条件:张力腿式基础设计及施工工艺成熟,适用于对风电机组运动性能要求较低的工程。
优点:风电机组适应性好、结构自重轻。
缺点:筋腱承受载荷较大,张力系泊系统安装工艺复杂、费用高。
代表工程:PelaStar(由Glosten公司开发)、Blue H TLP(由Blue H Group 公司开发)、Eco TLP(由DBD Systems 公司开发)、GICON- SOF(由GICON 公司开发)等。
立柱式(Spar)基础
立柱式基础主体是一个大型的圆柱,其作用是支撑塔架和机舱以及系泊缆绳的重量,通过底部压载使得漂浮式基础的浮心高于重心,进而提高漂浮式平台的平稳性。漂浮式基础底部包括定压载舱和临时浮舱两部分。其中,定压载舱提供漂浮式基础较大一部分压载,产生较大的复原力臂以及惯性阻力,达到减小平台横摇和纵摇运动的目的,保证平台的稳定。临时浮舱的作用是在浮体结构运达至指定海域后,将压载水注入临时浮舱,从而使漂浮式基础自行扶正竖立。
通常情况下,立柱式基础的吃水深度要大于等于轮毂和海平面之间的平均距离,才能达到稳定性要求。立柱式基础的锚泊定位系统通常采用张紧式或悬链式的钢缆或合成纤维等。
适用条件:水深较深的海域。
优点:结构简单、垂向波浪激励力小、稳定性优异。
缺点:立柱长度过大导致制造、安装及运维难度大。
代表工程:Hywind(由Statoil 公司开发)、Sway(由Sway 公司开发)、Advanced Spar(由Japan Marine United 公司开发)等。
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