1.技术领域：本专利从技术角度，涉及对船舶及海洋工程技术的综合应用，属于船舶及海洋工程类技术领域。该专利主要应用于风力发电，故也可属于风力发电工具类技术领域。2.
背景技术：
风力发电完全利用大自然的能源，没有污染物排放，是当今理想的能源。尤其在海上建立风电场，具有风力资源丰富、利用率高的特点。大力开发海上风电，已成为当今风电开发的趋势。我国已经在中国沿海建立了大量的风电场。目前海上风电发展技术有两个瓶颈，其一，靠近地面(或海面，下同)的空间，由于受地表或海面波浪等“粗糙元”的影响，风速较小，而在高空风速较大，风力大小与距地面高度一般呈对数或指数率变化。为了充分利用高空风力资源，就要把风轮放置很高，塔架高度随之增大。而塔架在海上的固定，需要建造海上桩基，其建造成本与安装成本将大幅提高；其二，在一定风速下风力发电的功率大约与风轮直径的平方成正比，因而尽可能加大风轮直径有利于获得较大的风电功率。如果在海上趸船上设置大功率的风电装置，就要求风电趸船的尺度增大，以保持稳性，另要求风电船的结构很强，才能抵御海上风浪的破坏，由此也造成海上风电船成本高昂。在“外海”开发风电，具有很大的经济价值，首先，外海的水域辽阔，可以充分利用风力资源；例如，福建沿海属于台湾海峡的多风地带，风浪很大，灾害频发，但风力资源丰富，而本专利具有很强的抗风浪能力，正好变害为“宝”；其次，采用本专利，可以在造船厂内就把大型风电装置与风电船一次性安装调试完成，下水后即可拖至预定海域现场锚泊定位，可以大幅度降低风电装置的建造与现场安装的投资成本。3.
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有的海上风电高空化、大型化的两个“瓶颈”，提出了采用铰接式环形船舶作为远海大型风电装置浮动基础的有关技术。3.1本专利技术方案的基本思路(1)大型船舶“铰接”方式的启示船舶原理的常识告诉我们，在大海上航行的船舶在波浪上的总纵弯矩很大，结构易遭破坏，又要求很高的稳性。如果把船舶做成环形，且分成几段“铰接”起来，既不易翻沉、又可使结构强度得以保证，就可兼顾性能与强度的矛盾。(2)关于远海最大设计风级本专利提出的风电船要求具有很强的抗风浪能力，在不需要使用防波堤的条件下，应适用于除了“极区”(南北极附近)以外的“无限海区”，尤其适用于水深30-150m的中国沿海“大陆架”浅水海域。中国沿海水域的特点之一是：台风等灾害性天气出现较为频繁。例如福建沿海，根据近海观测站(1985-2012)的资料，每年都会出现热带风暴或大台风。在大台风等重灾害性天气出现时，10分钟最大风速就可达46.7m/s，相当于蒲福风级15级，造成的危害极为严重。由此，本专利风电船“安全性设计风级”定为蒲福16级，即距海面10m高度的风速达53.52m/s。相当于“百年一遇”。本专利风电船要求在“安全性设计风力”作用下有足够的稳性及结构强度。其结构材料拟采用钢材或钢筋混凝土。3.2关于远海风电场本专利所指的所谓“远海”，是指离大陆较远的海域。在“远海”从事“风力发电”作业的人们，需要解决诸如补给、管理人员的生活与工作条件、设备维护等等问题。一般应采用集约化的管理方式。本专利所指的“铰接式风电船”称为海上风电场的一个“标准模块”。可以在造船厂进行批量建造。将若干“标准模块”组合成一个群体，就形成了一个海上风电场或称为一个“基地”。这种“基地”一般应设在风力资源较为丰富的远海水域。在“基地”内，还可以设置一定数量的波浪能发电站、潮汐能发电站、太阳能发电站、渔业养殖网箱、直升机停机坪、旅游景点等。3.3一种远海抗浪型铰接式风电船“标准模块”的构成(1)关于铰接式风电船“标准模块”本专利所指的一种远海抗浪型铰接式风电船“标准模块”(参见附图1)，是由五大部分构成：其一是设置在海面上的风电船本体；它包括由若干“环形船舶单元”①和被称为“中心岛”②的中央浮体所组成；本例的风电船主体选用圆形，也可以是其它形状；其二是将它们连接成整体的“铰接式连接件”；其三是设置在高空的风力发电设备，包括前后风轮、轮毂及轮毂内的发电机舱；其四是连接风电船本体与高空风力发电设备的塔架与转盘；其五是将风电船本体与海底连接起来的锚泊系统及海底电缆系统。(2)关于风电船本体(参见附图1)风电船本体外围部分的一个环形箱型浮体，称为“环形船舶单元”①，若干个“环形船舶单元”用“铰接式连接件”连成一个整体，统称为“风电船单元”。整个风电船单元在半径方向可分割为数块(本专利的实例为1块)，在圆周方向也可分割为数瓣(本专利的实例为8瓣)，形成数个“单元”(本例为8个单元)。风电船本体的中央部分称为中心岛②，它也用“铰接式连接件”与各“环形船舶单元”连成一个整体。中心岛可以视为是一艘船。船体的主甲板上设有“上层建筑”③，其内设置人员住舱、办公室、会议室、研究室及信号设备等。船舶主甲板之下设机舱。机舱内的设备有柴油发电机组、舱底泵、总用泵、总配电板、控制室、燃油舱、全船管系、以及有关船舶及风电的各种辅助设备等。(3)风电船“铰接”式连接件结构船舶结构力学的理论与实践都已证明：对置于波浪上的船舶，如果波长λ远小于船长L，即λ/L<<1，那么在一个船长L的范围内会有若干个波峰与波谷出现，其波高H1/3较小，船舶的浮力相对于静水状态变化不大，不会产生较大的波浪附加弯矩；反之，若波长λ远大于船长L，即λ/L>>1，虽然波高很大，但在一个船长L范围内，波面也与静水面相差不大，也不可能出现较大的波浪附加弯矩。针对于16级的特大强台风，如果采用本专利的铰接方式，将风电船最大模块的特征长度L变小，即λ/L>>1，故产生的附加波浪力矩也不大(参见本专利的实例计算)。本专利设置的“铰接”式连接件的一种具体结构可参见附图3。以中心岛①与风电船模块②之间的连接为例，在主甲板上以短缆③连接，在下方以系柱和短缆构成的连接装置④、⑤、⑦、⑧连接，加上各单元之间的橡胶垫⑨，组成一种组合式、可拆卸的柔性连接系统。本专利将其简称为“铰接”，即允许风电船单元在一个小范围内自由运动，但又不能相互脱开。本专利风电船单元之间的“铰接”连接方式，是船与船、船与岸之间常用的连接方式，但本专利所用的短缆可采用铰车液压卷筒予以系紧，系柱可采用液压油缸控制的插销予以锁紧。(4)关于高空风力发电设备(参见附图1)为充分利用高空风力资源，远海风电机的塔架高度较高，往往会大于150m，风电设备包括风轮机、传动系统、发电机等，其设计与选型的特点是高效率、高可靠性、和轻型化；本例的风电设备包括风轮机、超长型轮毂⑨；其中设有传动系统、发电机等设备；其风轮机采用设有前后叶轮⑦⑩的串列式风轮机，每组叶轮采用对转变螺距式；在超长型轮毂的尾部设有大型导向尾翼另设有风向传感器。(5)关于的塔架与转盘塔架与转盘是支撑风机并将风电船本体与高空风力发电设备相连接的装置；塔架有二种形式：其一，塔架⑤设在一个大转盘④之上，称为旋转式塔架，该转盘与风电船本体牢固连接，在转盘上设有承载塔架的圆形轨道，塔架下端的导轮可以在自动控制系统控制下，由液压马达驱动，使塔架连带风轮能够适应风向转动(参见附图1、2)；其二，这种转动盘，也可以设置在塔架的上端，其上设置承载高空风力发电设备的圆形轨道及转动导轮，而塔架本身与风电船本体牢固连接，不随风向转动。这二种方式各有利弊，由设计者选用。(6)关于锚泊系统(参见附图1、2)根据风电船所在海域的水深与水底情况决定采用何种锚泊方式。对于水深30―150m左右的一般浅海，可按船舶常规方式设计锚泊系统⑥，包括锚、锚链、锚链舱、锚机等设备；适用的锚可采用混凝土构成的重力式锚；对水深达数百米，甚至千米以上的深海海域，可采用动力定位系统。4.附图说明图1是：一种远海抗浪型铰接式风电船侧视图图1的图例是：①远海抗风浪型铰接式风电船本体；②风电船“中心岛”；③风电船“上层建筑”④风电装置与转动盘的连接装置⑤风电装置塔架立柱⑥风电船的锚泊系统⑦风电装置前风轮⑧风电装置塔架立柱横梁图2是：图1的正视图图2的简要说明本图主要表示支撑风机的塔架设置在一个大转盘上，该转盘应与风电船本体牢固连接，应设计一种转动机构(例如液压马达或齿轮传动装置)使风轮能够适应风向(由自动控制系统控制)，转动的动力由专门的电动机提供。图3是：一种远海抗浪型铰接式风电船铰接式连接件示意图图3的图例：①中心岛②风电船模块单元③短缆及系柱④锁紧钢缆绞车(或用液压系统)⑤系紧缆索⑥水密围壁⑦导向轮⑧带液压缸的系柱⑨防撞橡胶垫块5.具体实施方式下面根据船舶设计原理，给出一个直径为200m的铰接式风电船的粗略设计与计算实例：5.1设计依据：(1)本风电船使用的海区：本风电船适用于台湾海峡福建平潭—泉州的“外海”，位置大约为东径118°-120°，北纬22°-26.5°(计算实例取为25°N，地球自转柯氏力系数：f＝0.22)的广大海域。此海域为台湾海峡多台风水域。(2)设计风级：取2个设计风级。对要求船舶及其设备处于安全状态而言，取16级台风为“安全设计风级”；对计算风力发电机的功率而言，取外海正常出现的5级风为“适用设计风级”。5.2特大台风时“安全设计风级”的海浪要素计算(1)计算条件：取蒲福风级16级的特大台风(海面上10m风速，Urmax＝53.52m/s)作为海浪要素的计算条件。取某气象站对一次特大台风的测定数据作为设计依据，如下：当地平均大气压Pa＝1013.6百帕(hPa)台风中心风压：Po＝914百帕气压差：ΔP＝Pa-Po＝99.6百帕最大风速半径(距台风中心的距离)：R＝27海里＝50公里台风移动速度：Uf＝20节＝37.0km/h＝13.37m/s(2)台风区域的波浪要素：这里所指的“波浪要素”是指波高H1/3、波长λ与周期T1/3。采用较为通用的Bretschneider(1957)下列经验公式计算16级台风时波浪要素的最大值如下：海面上10m处最大梯度风速(Ug)max为：(Ug)max＝0.868×[73×0.1718×(ΔP)1/2-0.575R×0.22]＝105.23(节)＝54.14m/s海面上10m处最大持续风速Ur(节)，由下式得出：对于移动台风：Urrmax＝0.865×(Ug)max+0.5Uf＝104.02节＝53.52m/s此值相当于蒲福风级16级，求得Urrmax之后，再利用下列二式可以求得该台风形成的深水最大有效波高H1/3max和周期T1/3max。H1/3max＝5.03exP(0.000295×R×ΔP)×(1+0.208×Uf/(Ur)^(1/2))＝17.02mT1/3max＝8.6exP(0.000148×R×ΔP)×(1+0.104*Uf/(Ur)^(1/2))＝16.2s根据深水波浪的周期与计算波长的关系表，可以查得(参见《海岸工程中的海浪推算方法》附录1)，对应于此波浪周期的波长如下：λmax＝545.5m台风形成后，在台风中心10km范围内称为“台风眼”，几乎无风。在距离台风中心大约40-50km范围(用r表示)之内，风速与r成正比增加，此范围称为“台风内域”。距台风中心40-50km的外缘，往往出现风速的最大值Urmax，称为“最大风速半径R”(本例R＝50km)；在此距离之外，直至半径500km，称为“外域区”，风速大致上按1/r^(1/2)的比例减小；距离r再增大，到800km，可视为“台风圈外”，风速将比例于2/r减小。海上台风引起的波浪也有一个产生、发展、稳定、到逐渐减弱、消失的过程。在此过程中，各种波长、波高及周期的成份波均有可能出现。对船舶(包括本例的“风电船”)而言，对结构产生破坏力最大的是波长λ与船长L之比接近于1.0的成份波。因而，在计算风电船稳性的风压取值时，应按最大风速考虑；而在计算结构受力时，应按波长λ与风电船单元的特征长度L之比λ/L≈1.0考虑。(3)选取3个风电船特征长度，计算波浪要素其一，取整个风电船“船长”(直径)L1＝200m；其二，取风电船中心岛的“船长”(直径)L2＝80m；其三，取风电船外环单元长度L3＝75m，试计算其波浪负荷最大情况的波浪要素：经笔者回归分析，得出按常规风速Ur与浪高H1/3的关系如下式：H1/3＝0.08×Ur1.55再套用其他研究者提出的风速与风级的回归公式：Ur＝0.836×B1.5可得：H1/3＝0.08×(0.836×B1.5)1.55＝0.0606×B2.325在“台风内域”，假定波高H1/3、周期T1/3大致上也按1/r^(1/2)的比例减小，由此也可以推知对应于其波长的波高H1/3、周期T1/3如下表：(计算过程参见附表2)特定海域台风区风浪要素计算表(4)整体结构与铰接结构受力情况的比较：按研究台风学者们提供的经验公式，由以上的粗略计算可以看出：在一个台风形成并稳定之后，对海洋工程结构物的结构强度危害最大的并不是在风速最大的区域，因为此时的最大波长λmax往往远大于结构物的特征长度L。但是在台风中心移动离开结构物一定距离(如本例的r＝102.5km处)时，正好处于λ1＝L1(在本例中L1＝风电船直径D＝200m)的情况，此时的波高H1/3较高，达到12.52m，本例风电船单元的型深仅为6.5m，如果将整体结构中心置于波高为H1/3＝12.52m、波长为200m的坦谷波上时，附加波浪弯矩是比较大的(此例说明，如果按船舶常规计算方法，取波高为1/20船长，即取计算波高为10m，是偏于危险的)；但是如果将结构铰接起来，最危险状态的波长与波高均会降低下来，例如取λ2＝80m，此时，波高H1/3＝7.92m，则船舶的结构强度就要安全得多(波浪所包含的能量一般与波高的2次方成正比)。按船舶的波浪附加总纵弯矩与船长的平方成正比、波浪附加切力与船长成正比的规律，若以风电船整体为一艘船，把“中心岛”单独视为一艘船，把外环单元单独视为一艘船，这样3种情况的波浪附加总纵弯矩之比是：100％:16％:14.1％；其波浪附加切力比是：100％:40％:37.5％。说明相差是很大的。5.3关于10000kW风电船“双风轮”发电系统为了充分利用远海及高空风力的资源，本专利设想采用“双风轮发电系统”。所谓“双风轮”，是指在一个风轮轴毂的前后端均设置一对风轮；所谓“一对”，是指两个对转式的变螺距风叶。在风力作用下各带动1组发电机转动，但不产生侧斜扭矩。由于前后风叶间距较大，虽有干扰，但总可较一个单轮产生较多的功率。(1)额定总功率：本专利“双风轮发电系统”实例的额定总功率取为10000kW(2)风力发电的型式：采用水平轴风力发电机型，按常规选用。(3)风力发电设计风速：海面上10m高度的风速取为蒲福5级，即9.35m/s；按高度指数率公式求得海面上130m高度的额定风速为12.56m/s。(4)设计最大安全风速：在进行稳性核算及结构计算时，按常规，取重现期为50年，取距海面10m高度的风速为53.52m/s(即为16级风)；在进行稳性核算及风轮部分结构计算时，应取距海面130m高度高空的风速72.81m/s进行计算。(5)风轮直径及功率：本例在轴毂的前后端均设置风轮。取前风轮直径D1＝106m，后风轮直径D2为165m。由下列公式可初步计算风轮的输出功率(参见附件的附表4)：前风轮P1＝1/8×ρa×Ur3×π×D12Cp×η1×η2其中：ρa——空气密度，取为ρa＝1.225kg/m3在使用工程单位制时，ρa＝0.125kgf×s2/m4Ur——额定风速：取为Ur＝12.72m/sD1——风轮直径：取为D1＝106mCp——功率系数，一般取0.43-0.45，本例取0.43η1——传动系统效率，取η1＝0.92η2——发电机效率，取η2＝0.95由此：前风轮扫掠面积A1＝8825m2前风轮输出功率为：P1＝4178kW后风轮按同样方法，取后风轮直径D2＝165m后风轮扫掠面积A2＝21383m2后风轮输出功率为：P2＝10123kW风轮总功率P0＝P1+P2＝4178+10123＝14301kW考虑前后飞轮相互干扰及其它未考虑的因素，取折扣系数K＝70％，则本例风轮总功率为：ΣP＝K×P0＝70％×14301＝10011kW≈10000kW5.4本专利实例风电船稳性的初算(供参考)(注：船舶的稳性问题是船舶设计与送审的必要文件，在此仅粗略估算该船的初稳性情况，给出一个大致的数量概念。)从设计与计算方法来看，本专利提出的“风电船”，实际上是一种中间部分挖空的“趸船”，完全符合船级社规范所定义的“船舶”的特征。因而，有关船舶设计与建造的成熟理论与方法、规范及法规等均可套用，具有很强的实用性。但即使如此，在设计时，仍必须以严格的船模试验加以验证。(1)计算假定条件：为简化计算，在以下计算中采用了偏于安全的假定。①假定“铰接”装置经浮态调整后全部“锁紧”，风电船的“中心岛”与其周围的单元牢固地连接在一起，即在船舶倾斜时视为是一个刚性体，即从稳性的意义上，整个风电船视为一个整体。采用船舶原理中的常规方法进行计算；②在计算单位风压时，采用最大设计风速(16级)，并从上到下均按高空130m高度的风速计算，不考虑梯度风；③将风轮扫掠面积视为受风面积(即假定风轮扫掠的面是一块“刚性板”)；④通过外环单元压载水的调整，可以使外环结构少量“上翘”，达到甲板不入水，且不计由此对线型的影响。(2)计算原理计算公式如下：h＝Zc+r-Zg式中：h——船舶的初稳性高度，m；Zc——船舶的浮心高度(距基线)，m；r——船舶水线惯性矩，m4Zg——船舶的重心高度船舶在最大风力Pf作用下产生的静倾角θmax可利用下式计算：风压动倾力矩Mf＝Pf*Zf船舶倾斜恢复力矩Mq＝Δ·l0＝Δ*h*sinθ由此可求得：θ＝arcsin(Pf·Zf/Δ·h)式中Pf——最大倾复风力，kgf；Zf——风压作用中心距水面的高度，m；△——船舶排水量,t。(3)直径200m风电船的稳性要素的计算：结论：本例采用“环形”单元设计，选取较大的外形尺寸(直径200m)，水线惯性矩值很大。在如此苛刻的“偏于安全”的计算条件下，本船仍然具有很高的初稳性高度值，风力所产生的静倾角很小，从而确保风电船的安全。由此可以推知，在正常气候时静倾角更小，可以确保风电船上的风力发电系统正常运行。5.假定风电船外环直径变化时的稳性状况经计算，下表可以说明风电船在外环直径变化时的稳性情况：由上表的计算结果可以看出，在“安全适用”的设计风速下，本例风电船，其外环的直径应选择为180-200m，此直径若小于180m以下，就有稳性不足的风险。6.关于本专利“风电船”的甲板入水问题本专利风电船为了充分利用高空风力，塔架做得较高，为了产生较大的功率，风轮的直径也必须很大，这两个因素均导致对船舶的稳性要求较高，尤其是对初稳性要求高，即在风压及波浪作用下，船舶的静倾角要求为较小的值，从而保证风轮在较小的摇摆幅度范围(例如2°以下)运转。但这又要求船宽(对本例则是风电船的直径)取较大值，在干舷一定时其甲板入水角较小。在大风浪中，为使船舶甲板不上浪，又要求“甲板入水角”大，使最外环单元的甲板不浸入水中，对于常规船舶是很难做到的。但对于本“铰接式”船舶而言，这却不是一个难题，因为可以调整“铰接”连接件的松紧程度及外环单元的压载重量分布，使外环单元“上翘”，即可改变甲板入水状况。附件：附表1：“一种远海抗浪型铰接式风电船”实例主要参数总结表NO主要参数符号单位数值备注1风电船总长Loam2002风电船总宽Bmaxm2003风电船直径Dmaxm2004中心岛直径Φm805风电船单元型深Hom6.56风电船单元吃水Tom4.07中心岛型深Hm8.08中心岛吃水Tm5.510-->9风电船覆盖水域总面积Amaxm23141610风电船单元部分覆盖水域面积Aom21158711风电船水域面积Sm21982912风电船排水量Δt5523413中心岛排水量Δot2833714风电船整体初稳性高度hm278.3515在16级风条件下风电船静倾角θo度2.8616甲板入水角θ度1.4317风电船前风轮直径D1m10618风电船后风轮直径D2m16519风电船常规输出功率PkW10000附表2：附表3：附表4：