用于海上风力涡轮机的半潜式浮动平台的制作方法

本发明适用于海洋风力发电领域，并且适用于浮动风力发电领域。本发明的对象是一种用于支撑海上风力涡轮机的半潜式浮动平台。

背景技术：

1、海洋风能是当前向更可持续的发电系统过渡的主要技术。海洋风力发电是基于在海洋中设置风力涡轮机的，在海洋中风力资源比陆地上更大、更恒定，并且还具有降低与在陆地上实施风力涡轮机相关的视觉和环境影响的附加优点。随着海样风力发电的开发，风力涡轮机的功率正在增加，这已经远远高于陆地上使用的风力涡轮机的功率。

2、直至最近，海洋风力发电领域中已知的解决方案还涉及在海底固结的平台上支撑风力涡轮机，从而将其安装限制在深度小于约50米的海洋区域。然而，最近，已经开发了多种解决方案，以允许将风力涡轮机布置在浮动平台上。浮动风能技术的一个重要优点在于，消除了对于深度的限制，这能够将风力涡轮机安装在距离海岸更远的海域，那里的风力资源更丰富，同时减少了视觉环境影响和对海洋土壤的影响。

3、在浮动风能安装的设计中，该平台的配置是一个关键方面。一种或另一种类型浮动平台的选择将取决于海洋和海底条件、该地区的风力、风力涡轮机的功率、港口的深度、制造设施或材料和装备的可用性和价格。在这种情况下，目前有四种主要的浮动平台技术：驳船、船柱(spar)、tlp(张紧支腿平台)和半潜式。以下简要描述四种中的每一种的主要特征(参见图1)：

4、-驳船技术

5、就尺寸而言，该概念与驳船的概念相似。也就是说，长度和梁尺寸(长度和宽度)明显大于吃水深度(高度)的长度和梁尺寸。浮动平台具有很多水接触表面，这正是其稳定性所在。也就是说，在这种类型的平台中，稳定性是由其形式给出的，其使用所谓的“每个船体的稳定性”。与船舶一样，这些平台被制成能够移动，并且避免结构上的过度用力和应变。为了使这些运动最小化，该平台还可以配备有起伏板，该起伏板是位于吃水线以下的表面。在这种解决方案中，风力涡轮机的塔架、机舱和叶片可以安装在港口设施中，然后一起被拖到最终位置。

6、-spar技术

7、在该模型中，使用了一个大的竖直元件，该竖直元件的大部分重量位于尽可能低的点处，以提供稳定性。例如，如果使用呈柱或圆柱体形式的竖直构件，则该柱的一端将具有远大于其长度的其余部分的重量。由于该柱的重心非常靠近所述重端，因此柱在水中的自然位置将是竖立的，其中，重端处于最低位置。风力涡轮机固定在柱的上端处，这与所述较低的重端相对。总之，在该解决方案中，柱的几何形状提供了可浮动性，同时将重量放置在最低点处提供了稳定性。这就是所谓的“重量稳定性”。随着涡轮机越来越大，这种解决方案使用了很长的圆柱体来补偿重量，这使得这种解决方案很难制造、运输和安装。

8、-tlp(张紧支腿平台)技术

9、在这个概念中，平台本身并不是真正稳定的。为了实现使尺寸最小化以降低制造成本的目的，结构在水上的体积尽可能小，并且在水下的体积足以具有正可浮动性，并且整体的稳定性是由锚定线的张力和漂浮本身给出的。因此，通过这种方式，平台的体积和其质量尽可能小。三臂、四臂或五臂星形几何结构使每个臂的体积最小化。

10、-半潜式技术

11、这种设计力求使暴露于水中的表面最小化，但始终使该体积最大化，这才是真正改变水体并且提供可浮动性的设计。为了做到这一点，赋予可浮动性的体积被构造成几个可浮动性元件，这些元件通过结构元件接合在一起，以产生在其上安装涡轮机的表面。这种类型的平台的稳定性由形式及柱之间的距离决定。如之前的几种解决方案一样，使用半潜式技术，风力涡轮机的塔架、机舱和叶片可以在港口设施中安装，然后一起被拖到最终位置。

12、现有的半潜式浮动平台存在许多缺点，这些缺点对其制造、运营和维护成本产生负面影响。

13、首先，半潜式平台经常需要大量材料，这大大增加了其制造成本。此外，大多数为海洋风能设计的半潜式平台由柱形成，这些柱必须通过相对复杂的梁和撑杆结构相互连接。这意味着实现非常困难的连接，如例如在一些柱和其他柱之间的非垂直接合的情况下，从而阻止了构成平台的元件和接头的标准化。us2020391834a1是这种半潜式平台的示例。

14、此外，目前的趋势是使用最小数量的柱，这自然意味着非常大的柱尺寸。因此，在由三个或四个柱构成的平台上，正如今天常见的那样，对于高功率风力涡轮机(超过10mw的风力涡轮机)而言，每个柱的高度可以是大约30米。这种尺寸由于最终导致成本增加的多个实际问题而使平台的制造极为复杂。

15、例如，制造这种类型平台的港口的吃水深度可能不足以容纳这种尺寸的柱，这迫使该平台具有允许调整其吃水深度的压舱系统。另一方面，柱的很大高度要求在平台的制造期间需要使用复杂的起重、加工和脚手架系统。与柱的大尺寸相关的另一个缺点是需要柱的下部分具有机械强度，该机械强度除了支撑放置在柱上的重量之外，还能够支撑与在其使用寿命期间将达到的更大深度相对应的静水压力。文献es2728322t3描述了这样的平台的示例，其中，该柱具有35米的高度。

16、目前由几个柱，例如三个或四个柱构成的半潜式平台的另一个缺点在于，稳定性要求需要这些柱彼此分开很大的距离，或者这些柱需要较大的直径。例如，参照以上提及的文献es2728322t3，柱之间的距离约为45米，结构的整个直径约为92米。使用这种长接合元件需要特定加强件的布置(附加的5个元件、增加的厚度或其他)，以确保其结构完整性。此外，制造平台的港口的空间的非常有限，可能会构成附加的实际问题，这限制了甚至使概念的可扩展性在技术或经济上不可行。在这种情况下，可扩展性指的是增加平台尺寸的能力，从而使其能够保持更强大、因此更重的风力涡轮机。由于所描述的原因，当前的设计在特定尺寸以上是不可扩展的。

17、另一方面，在由一组互连柱形成的半潜式平台的许多概念中，风力涡轮机塔架被布置在中心柱上，或者在任何情况下被布置在中心支撑结构上。这意味着，布置有风力涡轮机的点和平台的最靠近码头的点(通常是两个柱之间的接合元件的中心点)之间的最短距离非常大。举例来说，继续使用文献es2728322t3，该距离可能约为30米。这使得将高功率风力涡轮机组装在平台上变得极其困难，因为其需要使用配备有非常大转弯半径的复杂提升装置。

18、目前存在的许多半潜式平台的另一个缺点与风力涡轮机在平台的点处的布置有关，该点通常位于平台的中心，该点不位于给予机组可浮动性的柱中的一者上。因此，有必要安装甲板来支撑风力涡轮机，该风力涡轮机的机械强度必须足以将载荷传递到通常位于周边上的柱。这需要甲板使用特定的技术和材料来确保这种强度，这增加了整个平台的成本。文献wo2014163501a1是这种浮动平台的示例。

19、另一方面，目前已知的平台的巨大尺寸使检查和维护人员的出入变得复杂，这些人员通常乘船到达平台。事实上，这些平台上的高干舷高度阻碍了通过通常包含在船上的停泊方式(例如，可延伸舷梯)直接进入。此外，这种类型的平台的柱之间的巨大距离要求在舷梯中使用钢筋和辅助结构，从而允许所述人员在一些柱和其他柱之间通过。同样，文献es2728322t3是这种缺点的示例。

20、简言之，在该技术领域中仍然需要一种新颖的半潜式浮动平台，该浮动平台充分解决了所有这些缺点。

技术实现思路

1、本发明公开了一种半潜式浮动平台，该半潜式浮动平台因为具有至少六个柱的基本三角形设计而解决了上述问题，其中，风力涡轮机搁置在位于所述边中的一个边的中心处的柱上。相对于现有技术文献具有更多数量的柱，并且将其定位在精心选择的三角形配置中，这允许减小柱和接合元件的尺寸，同时保持良好的浮力、稳定性和在海上的行为、浮动中的高惯性、减小的尺寸以及伴随重量减小的高结构效率。所提出的设计呈现出将在整个本技术中描述的多个附加的优点。

2、以下简要描述在整个本说明书中将使用的一些术语。

3、柱：向半潜式平台提供可浮动性的细长元件中的每一者。所述柱可以具有任何形状，例如圆柱形、多边形底棱柱形或者通常由母线沿着构成准线的平坦闭合曲线并垂直于该平坦闭合曲线的位移所形成的任何实心形状。在半潜式平台上，所述柱在竖直方向上(也就是说，垂直于水面)布置有其主要轴线。

4、接合元件：根据给定的平台配置而将一个柱机械连接到另一个柱的臂中的每一者。所述接合元件可以具有任何形状，其包括一个或多个臂，该一个或多个臂可以通过格栅或任何其他结构连接。所述臂可以具有任何形状，包括圆柱形、多边形底棱柱形或者通常由母线沿着构成准线的平坦闭合曲线并垂直于该曲线的位移形成的实心形状。所述接合臂也可以具有任何合适横截面的梁的形状。

5、起伏板：这些通常是包含在平行于水面并且位于水面下方的平面中的平板。当所述平台移动时，所述起伏板拖曳周围的水，从而增加所述平台的水动力质量系数项，使得所述平台的周期增加。这些板的另一个重要功能是旨在阻尼所述平台的运动，这是由于当水在平台的边缘周围流动时通过由水的湍流引起的所述水对所述平台的拖曳所耗散的能量。

6、压舱物：这是一种被布置在柱内部的储存罐中的类型的载荷，其目的是调整所述平台的重心，以提高其稳定性并且校正倾侧和/或吃水差。该载荷可以是被容纳在布置在所述柱中的储存罐中的流体，例如海水或淡水(通常称为“技术水”)，或者所述柱可以包括其他重型材料，例如混凝土。当所使用的载荷是流体时，其可以在闭合回路中传输，也就是说，通过将水从一个储存罐传输到另一个储存罐，或者在开路中传输，也就是说，通过将水与外部交换。与海水的使用相比，技术水的使用是有利的，因为其对所经过的设备、管道和仓库的腐蚀较小。此外，使用海水需要在所述储存罐中使用更多的保护措施(油漆、印刷电流或牺牲阳极)来防止腐蚀，这增加了维护成本。

7、竖直方向：在本发明中的上下文中，当所述半潜式平台处于其自然位置时，所述柱的主轴线的方向与所述竖直方向一致，也就是说，其垂直于水面。自然地，这里，所述水面被认为是水平的。因此，在整个文献中，诸如“上部”、“下部”、“上方”和“下方”等术语应根据该标准进行解释。

8、本发明涉及一种海上风力涡轮机的半潜式浮动平台，该半潜式浮动平台包括基本上被布置成形成三角形的六个柱，使得三个顶点柱被布置在所述三角形的顶点处，并且三个边柱被布置在所述三角形的边的中心处。每个柱均通过相应的接合元件连接到相邻柱中的每一者。在这种情况下，只有位于在所述顶点处会聚的边上的所述两个边柱被认为与每个顶点柱相邻。类似地，只有属于该边的所述两个顶点柱和其余的两个边柱被认为与每个边柱相邻。也就是说，该配置由六个柱和在它们之间的九个接合元件构成，使得所述顶点柱通过接合元件与另外两个柱连接，并且所述边柱经由接合元件与其他四个柱连接。

9、原则上，这个新平台的所述接合元件可以采用任何配置。例如，每个接合元件均可以包括具有任意横截面的一个或多个臂，该一个或多个臂被水平地或倾斜地布置，其包括该领域中常用的栅格和其他结构。在这些情况中的任何一种情况下，所有接合元件在其长度方面将都是相等的，从而有助于所述平台的制造和组装操作的标准化。

10、另一方面，应当理解，所述三角形涵盖了三角形类的形状，该三角形类的形状通过所述边柱的小位移来获得，以将它们与属于所提及的所述边柱所在的所述边的顶点柱之间的接合线分离。类似地，所述边柱可能不是精确地位于所述边的中心，其在任一方向上略微偏移。

11、附加地，在所描述的平台中，特定的边柱被配置成支撑所述风力涡轮机。这意味着，所述边柱准备安装用于所述风力涡轮机安置在其上的必要装置，例如专用的过渡结构或件。如上所述，由于每个边柱均与四个其他柱连接，因此这种配置有助于以特别分布的方式沿着整个结构传递所述载荷。

12、最后，除了被配置成支撑所述风力涡轮机的所述边柱之外，所述平台的那些柱具有配置成将由所述平台和风力涡轮机形成的机组的质心带入到所述平台的船体中心的竖直位置的重量。在这种情况下，所述平台的“船体中心”是指由所述平台排开的水的体积的质心。例如，在均质结构的三角形平台的特定情况下(即，柱和接合元件都彼此相等)，所述船体中心的竖直位置将与所述三角形的重心重合。因此，当以这种方式设计所述柱，使得所述平台加上风力涡轮机组件的质心在所述船体中心的竖直位置，或者在任何情况下尽可能靠近所述船体中心的竖直位置(当然，在所述船体中心下方)，由于所讨论的柱中的所述风力涡轮机的重量引起的不平衡而产生的倾斜度减小。为此，如将在本文件稍后描述的，以上提及的柱可以具有用于容纳水的储存罐，以用于平衡所述平台的目的。

13、这种结构赋予了本发明的所述半潜式浮动平台相对于现有技术的已知半潜式平台的许多重要优点，其中一些优点将在下面进行描述。

14、较短的柱

15、随着柱的数量增加，可以使用较小的柱，也就是说，小柱。因此，作为第一结论，这使得本发明的所述平台的吃水深度相对于由三个或四个柱形成的传统平台所需的吃水深度显著降低。因此，在对深度没有特别要求的情况下，制造所述平台和安装所述风力涡轮机的操作可以在港口中进行。此外，所述柱的高度降低以及因此所述平台本身的高度也降低，都减少了对施工装置、脚手架、支架、工具和提升装置的需求。

16、通过具有较低操作的吃水深度，本发明的所述平台还允许选择使用港口中可用的装置而用技术水来填充所述压舱储存罐，从而能够省去压舱系统并且降低所述平台的成本。

17、此外，通过减小到达所述柱的下端的深度，还降低了对支撑所述静水压力所需的机械强度的要求。

18、更短、更轻、更简单的接合元件

19、随着柱的数量增加，在不需要所述接合元件像现有技术的平台中那样长的情况下可以确保浮动中的惯性。因此，所述接合元件可以比这种已知平台中的短。

20、此外，所述风力涡轮机被布置在位于所述三角形的一边的中心处的柱上，该柱通过四个接合元件与四个相邻的柱连接。因此，在所述平台的操作期间产生的载荷的分布发生在长度减小的更多数量的接合元件之间，并且因此，所述接合元件的结构要求被放宽。在所述接合元件中不再需要复杂的加强件和大的厚度，使得它们能够在所述平台的使用寿命期间承受机械应力。

21、压舱系统的简单性

22、采用大型柱的传统平台可能具有的吃水深度大到以至于其无法使用某些港口。因此，与确保其在使用寿命期间的稳定性所需的吃水深度相比，这种平台在其制造期间的吃水深度可能更低。随后，一旦它们被拖到最终位置，海水就被用于使所述平台稳定，从而增加其吃水深度，直到达到其操作值。提供压舱系统是一种附加的复杂性，这意味着更长的制造和安装时间以及与安装和维护相关的经济成本。

23、在本发明中，在所述平台的制造、拖曳、安装或操作期间不需要改变吃水深度。由于柱数量增加，即使其吃水深度减小，所述平台也完全稳定。因此，可以避免使用压舱系统。

24、高标准化潜力

25、本发明的所述半潜式浮动平台基本上由两个在设计中重复的等同元件形成：柱和接合元件。反之，这些元件中的每一者均可以由相互连接的构造块构成。原则上，所述柱的尺寸和所述接合元件的尺寸都是相等的。与现有技术的许多所述平台设计中发生的情况不同，这使得在所述平台的制造和组装操作方面具有高度的标准化。本发明中提出的设计的简单性允许用很少的参数从根本上限定它，这允许在不影响生产手段或物流或供应要求的情况下使所述平台的特征适应每个场地的条件。

26、风力涡轮机的易于组装

27、在本发明的所述半潜式浮动平台中，所述风力涡轮机被布置在基本上位于所述三角形的边的中心的柱上。因此，通过将所述柱所在的柱的所述边平行地布置在码头旁边，使所述码头和所述风力涡轮机之间的距离最小，这通过避免对过于复杂的起重机和特殊装备(特别是对于大功率风力涡轮机)的需要而有助于将所述风力涡轮机组装在所述平台上。

28、结构行为

29、相对应由几个柱(三个或四个)的配置构成的现有平台，其最大优点在于，通过将应力分布在被布置得更近的更多浮动元件中来对所述应力进行反作用，这简化了所述接合元件和所述柱本身的结构要求，并且在柱数量减少的情况下避免了浮筒、接合元件和配置的罩的过大尺寸。

30、同样，由周围水的拖曳引起的所述载荷位于所述结构的坚固元件中，当处于具有水下浮筒的配置中时，其特征在于其较长的长度，其必须将引起的力传递到所述浮动元件。此外，所述柱的总重量和体积低于当前的技术构思。

31、原则上，所述接合元件可以位于所述柱的任何高度处，只要它们以足够的抵抗方式将所述柱彼此连接并且同时确保足够的稳定性即可。例如，在本发明特别优选的实施方式中，所述接合元件和所述柱之间的连接位于所述柱的下部分中。因此，所述接合元件不仅完全相同，而且通常在所述平台的使用寿命期间被浸没。

32、这种配置是有利的，因为其增加了所述半潜式浮动平台的可浮动性。此外，由于所述接合元件是被浸没的，所以对所述平台的倾斜提供了更大的阻力。另一个优点在于，通过将所述接合元件布置在相对于所述柱的下端降低的高度处，有助于所述组装任务，从而减少了诸如脚手架、支架、工具和提升装置之类的构造装置的需要。

33、每个接合元件均可以包括一个或多个不同形状(例如，正方形、矩形、多边形底棱柱形状或任何合适横截面的梁形状(例如h-、t-、l-梁等))的臂。优选地，所述接合元件可以是简单的接合元件，也就是说，由单个臂形成。例如，根据本发明特别优选的实施方式，每个接合元件均包括具有矩形横截面的单个臂。

34、这种配置是有利的，因为其提供了很大的抗弯曲性，同时有助于与所述柱的连接，从而有助于组装操作。

35、另一方面，如上所讨论，本发明的所述平台的柱可以具有任何形状，例如圆柱体形状。然而，根据本发明另一个优选实施方式，所述柱具有多边形底棱柱的形状，该多边形底棱柱被选择成使得接合元件和柱之间的每个连接均垂直于所述柱的侧面而进行。例如，根据特别优选的实施方式，所述平台具有等边三角形的形状，并且所述柱具有六边形底棱柱的形状。

36、这种配置是有利的，因为所述接合元件的所有连接都是抵靠所述柱的平坦表面并且与之垂直而进行的。这有利于施工，并且降低了供应链的容量和培训需求。此外，这允许减少组成所述平台的块的物流需求，因为使用了标准的平板格式而不是弯曲的板形状，对于所述柱的尺寸来说，弯曲的板形状会降低供应能力并且需要更大的物流能力。

37、另一方面，本发明的所述平台可以包括允许人员在柱之间通过的通道，便于维修和维护任务。原则上，这些通道可以被布置在任何位置并且具有任何配置，尽管根据本发明另一个优选实施方式，所述接合元件的内部包括被配置成用于人在一些柱和其他柱之间通过的通道。

38、这种配置是有利的，因为其避免了在柱之间安装复杂且昂贵的空中舷梯的需要，正如在这种类型的平台的许多已知设计中发生的那样。在本发明中，在所述接合元件内部包括允许柱之间通过的人行通道，这简单得多且更经济。此外，还降低了在检查和维护操作期间跌落水中的风险。

39、原则上，除了由所述风力涡轮机支撑的所述柱之外，所述平台的柱可以具有任何配置，只要它们设法将由所述平台加上风力涡轮机形成的机组的质心定位在所述平台的船体中心的竖直方向上即可。例如，这样的柱可以具有较厚的壁或者包含混凝土以将其重量增加所需的量值。

40、然而，在本发明特别优选的实施方式中，除了支撑所述风力涡轮机的那些柱之外，柱包括由技术水或海水形成的压舱物。这些技术水或海水将被容纳在布置在这些柱中的仓库中。例如，不属于支撑所述风力涡轮机的那个边的三个柱可以具有内部储存罐，以容纳足以平衡由所述平台加上风力涡轮机形成的机组的质心的水量。可选地，支撑所述风力涡轮机的所述柱所在的所述平台的边上的两个顶点柱也可能具有内部储存罐，该内部储存罐旨在容纳水以平衡机组的质心。同样可选地，支撑所述风力涡轮机的所述柱可以具有储存罐，以在所述平台的质心平衡方面提供更大的灵活性。

41、这种配置是有利的，因为其构成了对于平衡所述柱的重量的问题的简单解决方案，因为水可以用所述港口装置而被直接供应。

42、根据本发明又一优选实施方式，所述平台可以包括主动压舱系统，以用于在所述平台的使用寿命期间将来自所述储存罐的水从一个柱转移到另一个柱，以减小所述平台的倾斜。

43、根据本发明又一优选实施方式，该平台还包括起伏板。该起伏板可以固定到所述接合元件或所述柱，以在不需要使用专用结构或支撑件的情况下提高其机械强度。

44、根据本发明特别优选的实施方式，所述平台包括布置在连续的接合元件的延伸段之间的内起伏板，其中，所述延伸段与两个接合元件都连接到的所述柱相邻。此外，所述内起伏板未延伸到所述平台的三角形外部。例如，所述内起伏板可以是三角形的，这视情况而定，以填充它们所连接的公共柱附近区域中的连续接合元件的延伸段之间的空间。

45、根据本发明可替代上述方案的优选实施方式，所述平台包括基本上在所有方向上从所述顶点柱径向突出的外起伏板。因此，所述外起伏板的至少一部分延伸到所述平台的三角形外部。例如，所述外起伏板具有多边形或圆形形状。