用于支撑风力和/或海浪和/或洋流发电机组的浮动平台的制作方法

用于支撑风力和/或海浪和/或洋流发电机组的浮动平台
1.发明目的
2.如本发明标题所述，本发明的目的是一种浮动平台，用于支撑不同类型的发电机组，采用圆形或多边形外周的通常盘形施工，其设计方式使其能够以比现有方式更有利且可持续的方式收集风、海流和波浪能，并且浮动平台及其设备不发生倾覆或损坏。
3.本发明的特征在于其特殊、精心的施工和设计，尤其是其尺寸，因此平台在其尺寸和成本方面是最优结果；同样，由于其水动力特性，其稳定性得到了显著提高。
4.因此，本发明属于在海面上支撑和安装风力、波浪和海流能量发电机组的装置的领域。
技术背景
5.图1显示了支撑和稳定船用风力发电机的不同方法，其中描述了以下内容：
[0006]-(1)、(2)传统的固定平台；
[0007]-(3)自升式塔式平台；
[0008]-(4)、(5)张力腿浮动平台；
[0009]-(6)圆材平台；
[0010]-(7)、(8)半潜式平台；
[0011]-(9)钻井船上的平台；
[0012]-(10)支撑在水下搁板上并与海底提取设施相连的平台。
[0013]
图2描绘了“圆材”型张力腿半潜式平台(11)的不同系泊系统，而图3描绘了“驳船”型平台(12)(本发明所属的一组)。
[0014]
关于这些，美国著名技术人员杰森
·
琼克曼表示：
[0015]
‑“
圆材”型具有相当大的静态倾角，需要特殊的机械项目，
[0016]-由于风浪的组合，“驳船”型可承受风舱更大的运动；因此，有必要为涡轮机制定一个合适的项目，该项目的成本将更高，并且必须采用替代解决方案来消除移动。但是，当涌浪减小时，荷载会显著降低，
[0017]
‑“
砰地一声”的风险也应该铭记在心。
[0018]-圆材类型的移动较少；但是，非线性力出现了，这需要更先进的工具，
[0019]-这些浮动系统的制造可以优化，因为它们是批量生产的，
[0020]-必须设计控制装置，以使涡轮机/平台组合响应波浪随机运动，例如涡轮机叶片节距的智能变化，以减少前后摆动。
[0021]
但是，这些平台的执行和组装非常复杂，成本也非常高，极大地限制了它们的应用范围和未来的可用性。
[0022]
现有技术公开了专利es2650275 b1，该专利公开了一种用于支撑海上风力发电机和其他海上能源发电机的多用途盘形浮动平台，其是一种浮动平台，支撑风力发电机或由波浪和/或海流或潮汐驱动的发电机，其中该平台的高径比小于5％，说明其重量远低于其他平台。
[0023]
尽管所述平台满足了所寻求的要求，但它仍然提出了一些明显有待改进的方面。事实上，一方面，由于上述平台的高径比，其半径必须相对较大，从而导致更大的尺寸、更多的材料，从而产生更大的环境影响，因此，制造、测试和运输成本显著较高。此外，还未考虑其他因素，如波浪周期，这可能会导致平台发生共振，甚至倾覆。
[0024]
固体从静止位置受到干扰时，在受到激励时，往往会以特定频率振动，称为固有频率。对于每个固有频率，固体都会获得一个特定的形状，称为模态形状。频率分析计算固有频率和相关模态形状。当波发射源的频率与谐振器(振动的物体)的固有频率一致时，就达到了一种称为共振的条件。共振被定义为物理系统在某些频率下以更高振幅振动的趋势。如果平台以45度、60度或更大的角度放大其振动，所述运动甚至可能导致平台倾覆。
[0025]
因此，本发明的目的是克服es2650275 b1中所述浮动盘形平台的缺点，主要是其尺寸过大，因此成本和相关复杂性，以及与海浪运动发生共振甚至倾覆的可能性，通过开发一个平台，该平台克服了上述缺点，并考虑了所有可能的因素，这些因素在海洋表面的稳定性中发挥作用。该平台具有下述特征，其基本性质如权利要求1所述。


技术实现要素：

[0026]
本发明的目的是一种浮动平台，用于支撑任何类型和性质的船舶发电机，无论是风力涡轮机发电机，还是利用潮汐运动或波浪起伏运动的发电机。
[0027]
它将是盘状的，其外周可以是圆形或多边形，这种选择完全取决于施工的方便程度。
[0028]
它将通过锚定的方式定位，由于它是完全规则的，它将呈现一个与波相同的表面，无论它们来自哪里。但是，风舱(风力发电机所在的地方)将旋转，以便吸收来自任何方向的风能。
[0029]
由波浪和洋流驱动的发电机将由专门为此目的设计的设备组成，带有垂直轴转子(波浪)或水平轴(洋流)，或位于水线高度处平台外围的其他设备，能够收集预计要执行的能量。
[0030]
对于作为本发明目的的平台的设计，已经考虑了以下因素(如下所述)以及它们之间的相互关系。
[0031]-半径(m)，
[0032]-深度(盘的高度)(m)，
[0033]-舷墙(用作防波堤的非水密上部结构)。高度单位为米，
[0034]-龙骨(类似于围着海水的裙边的非水密下部结构)。高度单位为米，
[0035]-海面与舷墙之间的距离(m)，
[0036]-吃水深度(浸没在水中的盘的高度部分)(m)，
[0037]-叶片、轮毂和机舱的重量(mt)，
[0038]-塔的重量(mt)，
[0039]-舷墙和龙骨的重量(mt)，
[0040]-计算的盘的重量(mt)，
[0041]-不带龙骨的盘的体积(m3)
[0042]-固定压舱物(mt)，
[0043]-p＝排水量(mt)(所有重量之和)
[0044]-盘的惯性(π*r4)/4(m4)，
[0045]-(ig)，总成的惯性，作为相对于重心的所有惯性的总和，
[0046]-平台总重量(mt)(盘的重量加上固定压舱物的总和)。
[0047]-波浪的角度以弧度表示，等于波浪高度的弧位除以波浪长度的一半。
[0048]-倾斜角度(最大倾斜)，以度和弧度为单位。
[0049]
对于稳定性研究，考虑了以下因素：风力对发电机叶片的作用、对组件的涌浪，以及惯性、重心、浮动惯性、稳心高度、浮力中心等之间的相互关系。
[0050]
所有这些都在以下表达式中给出：
[0051]
推力横倾杆＝(距发电机重心的距离
–
距组件重心的距离x发电机轴上的推力(mtxm)，
[0052]
扶正杆＝排水量(p)x(距稳心的距离
–
距总成重心的距离)x(mtxm)，表示为px(r-a)。
[0053]
t＝周期，以秒为单位。
[0054]
它与质量(ig)和稳定性(px(r-a))有关，其表达式如下：
[0055]
t＝k*2*π*[ig/(p*(r-a)*g)]
1/2
[0056]
k＝通过各种水动力测试确定的系数，其中包括当漂浮物、船舶或平台在水中振荡时，由于与漂浮物、船舶或平台相关的水质量而产生的附加惯性。
[0057]
鉴于波浪的周期在8到20秒之间变化，已判定这些平台的周期至少必须大于15秒，因为这是比最小涌浪周期多50％的区域，并且是被认为是防止共振现象的最小比例。
[0058]
考虑到上述所有公式和参数，可以设计一个近似盘形的浮动平台，该平台满足所寻求的最小尺寸的条件，因此成本和复杂性也一样，安装的设备有一个可接受的风造成的清单，不会发生猛击，因为它始终“粘”在海面上，它防止了与海浪运动发生共振的可能性，因此不会损坏已安装的设备，也永远不会翻转。
[0059]
为了圆满解决上述条件，进行了稳定性计算和缩尺模型测试，由参考oti2460的水动力测试渠道中模型和原型(根据下表)中弗劳德数(将惯性力与重力联系起来，由速度与重力与长度乘积的平方根之间的商表示)的相等性定义，配备合适的锚固系统，并使用光学监测系统(氪)和入射波传感器、相对波传感器、加速计、称重传感器和摄像头，以便拍摄平台遭受的18种不同的规则和不规则浪涌。
[0060]
模型和原型之间的尺寸倾斜。
[0061]
说明原型模型比例128.57半径[m]20.0000.700深度[m]7.6200.267吃水深度[m]4.1400.145排水量[kg]5334254223.128kg[m]14.4700.506gm[m]11.7500.411cdg惯性[kg*m2]5950509757304.909
倾斜角度[
°
]00纵倾角[
°
]00
[0062]
考虑到在水动力测试中进行的计算和随后的验证，浮动平台的深度或高度与其直径(不包括舷墙和龙骨)之间的比率在0.06和0.35之间。
[0063]
为了验证上述所有计算，建造了一个原型，并进行了水动力测试。第一个测试是所谓的“消光测试”，即计算验证，然后产生了18种不同类型的涌浪，从15种(服务)到3种(极端或生存)，克服了所有这些。生存涌浪正是北大西洋出现的最大涌浪。上述测试证明了浮子的正确尺寸、重量和推力分布、惯性、浮力或对波动运动的响应、锚固系统、垂直和水平加速度、速度、周期等。
[0064]
这项测试非常重要，因为它设置在最极端需求，但还有许多其他中间状态，在这些状态下，比例可能会发生变化，以符合要求，因此我们必须在一个组而不是一个点上工作。
[0065]
测试平台的尺寸为：半径20m，深度7.62m，舷墙2.87m，龙骨2.87m。吃水深度为4.14m。吃水线与舷墙顶部之间的距离为6.35m。
[0066]
该生存测试在不发电的情况下进行；因此，风引起的倾斜角度为零。
[0067]
这些尺寸通过了生存测试的事实告诉我们，在测量到的最大入射波(7.33m)下，6.35m的高度就足够了。
[0068]
根据该数据，平台根据6mw(922kn)的风力推力进行了调整，结果如下：
[0069]
半径＝20.5米。
[0070]
深度＝8.36米，加上舷墙和龙骨各3米，从垂直方向倾斜20
°
和45
°
[0071]
结构重量：831公吨
[0072]
压舱物：3500公吨
[0073]
风塔和风舱重量：837公吨
[0074]
总重量(含压舱物)：5168公吨
[0075]
吃水深度：3.82米
[0076]
固定周期：22.23秒。
[0077]
稳定性测试表明，当利用最大风能时，有一个6
°
的倾斜。从组件的重心生成的倾斜。
[0078]
由于带有服务(非生存)涌浪的入射波高度为6.29m，从水线到舷墙顶部的自由高度必须为：
[0079]
6.35
–
(7.33-6.29)＝5.31米。
[0080]
将该距离与6
°
倾斜相结合，新半径为20.5m，深度为8.36m，加上舷墙和龙骨各3m。
[0081]
可能的比率是：
[0082]-无舷墙或龙骨：8.36/41＝0.203。
[0083]
注：-它会有舷墙和龙骨，但比率是由深度除以直径或长度得出的，而不是由深度加上舷墙和龙骨得出的。
[0084]-如果我们将甲板提升到舷墙的高度，并将其垂直放置：11.36/41＝0.277
[0085]-如果甲板升高，下层甲板或底座降低到龙骨上，将其设置为垂直：14.36/41＝0.350
[0086]
相反，深度可以减少，龙骨和舷墙的高度可以增加；因此，该比率可以适当降低，尽
管这可能行不通。
[0087]
因此，0.06时，深度为41x0.06＝2.46m，舷墙为：(14.36-2.46)/2＝5.95m，龙骨也为5.95m，因此深度+舷墙+龙骨之和＝14.36m。
[0088]
由于悬臂高度过大，这些尺寸可能导致结构对波浪冲击和海底运动的抵抗力不足，尽管这种解决方案可能适用于小涌浪，龙骨和舷墙的高度较小。
[0089]
但是，如果发电机的功率降低，例如从6mw降至1mw，则类似的尺寸可能是可行的。
[0090]
因此，请记住，比例是非常可变的，取决于：
[0091]-平台所在的涌浪，
[0092]-或多或少的强风条件，以及
[0093]-发电机吸收的功率，
[0094]
考虑到可能影响其稳定性的所有物理变量(风、涌浪力、波浪周期、平台本身周期、总成倾斜等)，认为平台深度或高度与其直径之间的关系或比率满足稳定性要求，介于0.06和0.35之间。
[0095]
最后，必须说明的是，该平台可能被认为是4.0或智能，因为它具有以下描述的一些方式或其组合：
[0096]-转子叶片可根据风力强度改变其节距；
[0097]-用于接收或释放海水压舱物的自动装置，以将平台的倾斜始终定位在风的方向上；
[0098]-阴极保护装置，通过外加电流防止船体氧化，并在平台的整个使用寿命内维持保护；
[0099]-监测锚链张力的装置，用于远程检测可能的故障或失调。
[0100]-气象站。
[0101]
除非另有说明，否则本说明书中使用的所有技术和科学元素具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。在本发明的实践中，可以使用与说明书中描述的方法和材料类似或等效的方法和材料。
[0102]
在说明书和权利要求书中，“包括”一词及其变体并不打算排除其他技术特征、添加剂、成分或步骤。对于本领域技术人员而言，本发明的其他目的、优点和特征将部分从本发明的描述中推断，部分从本发明的实践中推断。
附图说明
[0103]
为了补充以下说明，并且更好地理解本发明的特征，根据实施例的优选示例，本说明书附有一组附图，其中具有说明性和非限制性的特征表示以下内容：
[0104]
在图1中，我们可以看到在海上固定风力发电机的不同方法。
[0105]
在图2中，我们可以看到半潜式“圆材”型锚具。
[0106]
图3描绘了“驳船”型平台。
[0107]
图4描绘了浮动平台的侧视图，其中参考了不同的施工方面。
[0108]
图5描绘了其他施工方面，其中可以看到浮动平台的内部。
[0109]
图6显示了浮动盘模块的图示。
具体实施方式
[0110]
参考附图，下文描述所提出的发明的一个优选实施例。
[0111]
在图4中，我们可以看到浮动平台的侧视图，显示了平台的深度或高度13、直径14、吃水深度17、水面和平台底部之间的距离，以及自由距离18，这被理解为海面和平台上边缘之间的距离。此外，还可以看到一些可选的附加补充构件，包括围绕平台外周并防止水进入其表面的倾斜舷墙或型材15，以及提供稳定性的倾斜龙骨或裙板16。
[0112]
图5描绘了浮动平台的结构，如图所示，浮动平台由一系列围绕中心轴19径向布置的纵梁22组成，其中纵梁22通过一系列纵骨23连接，以赋予平台更大的结构刚度；此外，一系列横向外周加强件24布置在每个圆形截面的最终跨度内，其中所有上述元件均位于由外壳或外部护套20界定的内部空间内，以补偿海的外部压力。
[0113]
塔架上有一系列肋，以这样一种方式，所述构件被定位以致这些肋与纵梁相对应。
[0114]
在图5和图6的细节中，可以看到一系列角加强件或球扁钢25；它们被布置在外板的内部。所述球扁钢25与船舶的肋一样，垂直安装在外护套上，而在甲板和基座上，球扁钢25径向安装在由纵梁22限定的中间空间中。它们的目的是减少开口和板的厚度。
[0115]
平台可由钢、船用钢a或玻璃纤维增强聚酯(grp)制成。
[0116]
举例来说，对于上述半径为20.5m、高度为8.36m的十二边多边形平台，我们应按照以下步骤进行：
[0117]-材料：船用钢a，由薄板、型材和球扁钢组成，
[0118]-完全防水的径向结构，带有舷墙和龙骨(可选)；舷墙将配备排水管或自动止回舷墙端口(与船上现有的端口类似)，以防止雨水或飞溅物留在其中。
[0119]-将制造12个相同的模块，尽管其中一个模块将有两个纵梁(沿半径方向的垂直结构)，而不是像其他模块那样只有一个；模块末端的横向纵骨或加强件和纵向加强件，底座、甲板和侧面的更多球扁钢通过肋的形式。所有这些都由外部护套覆盖。
[0120]
这些模块将在车间中施工，利用经船级社批准的施工程序和细节来焊接，并对表面进行仔细处理，以便涂上防锈和防污漆(最后一道是外部浸没部分——水下主体)。
[0121]
这12个模块将在船厂的滑道上组装，因为它的表面积和靠近大海的位置，使用起重机和施工支架进行定位，并遵守施工计划。
[0122]
最后，将进行水密性试验，并将其发射入海。
[0123]
接下来，在平台漂浮的情况下，将安装塔架和风舱，将其垂直加强件与舷墙的纵梁连接起来，如果在纵梁所在的区域内或甲板上有一个，则赋予总成适当的结构连续性。
[0124]
最后，该总成将被拖到其最终的海上位置。
[0125]
由于项目的排他性，该程序可节省大量安装成本。
[0126]
相反，由于平台搁置在海底并固定在海底，因此生产成本高，因为它们需要使用相当大吨位的材料，此外，其转移和放置的物流非常复杂，因为它们必须用昂贵的船只运输，特别是为执行这些精确的操作而建造的船只。
[0127]
另一方面，圆材型浮动平台由于高度和吃水深度较大，必须平放运输，然后由辅助船在其最终位置竖立，这也很复杂且成本高昂。
[0128]
作为本发明目标的浮动平台，通过浮动和减小吃水深度，可以通过简单的拖曳进行运输，无需在其放置过程中进行任何特殊操作。它可以被认为是一个“即插即用”平台，一
旦在海上放置，就可以使用。与现有设备相比，这种安装和操作的性能对于本发明的安排协调非常重要。
[0129]
最后，应该提到的是，与本文所述相比，该结构也可以设计为直的，带有平行的横梁，从而修改与塔架的连接。
[0130]
在充分描述了本发明的本质之后，除了将其付诸实施的方式之外，特此声明，本质上，如本文所述，本发明可以在其他实施例中付诸实施，这些实施例在细节上不同于通过示例所示的实施例，并且保护同样适用于这些实施例，前提是其基本原理没有改变，改变或修改。