在近海设施中的可潜的主动式支撑结构的制作方法

本申请是申请日为2013年4月30日、申请号为201380077927.9(国际申请号：pct/es2013/070274)以及发明名称为“在近海设施中用于支撑涡轮塔、变电站或其他类似元件的可潜的主动式支撑结构”的发明专利申请的分案申请。

本发明，即一种在近海设施中用于支撑涡轮塔、变电站或其他类似元件的可潜的主动式支撑结构，涉及的是一种用来紧固风轮机、变电站或者安装在海上的其他类型类似元件的支撑结构。这种类型的结构常常被认为是主动式的，因为它具有能使其根据所受应力的变化而调整其耐受性的部件。因而，一方面，其具有特殊的创新特征，即它的浸水深度可以调节，使得在工作状态时它可以部分潜入水中以避免海浪所引起的阻力；另一方面，还有利地体现在混凝土方面，从而由于其制造过程灵活而降低了成本，并且由于其对海洋环境的耐受性而延长了使用寿命。

本发明的应用领域属于制造海洋支撑结构的工业领域，主要集中在用于支撑风轮机、变电站、或类似元件的结构的领域。

背景技术：

众所周知，为了最大发挥其特点，有一些工艺元件(比如风能涡轮机)被安装于近海地点，而不是陆地上。然而，这些地点有紧固性问题，一方面是因为所选地点的海床的深度不均匀，此外还因为它们须承受来自风和海浪拍击的压力。

参照当前现有技术状况，值得一提的是，尽管针对这些问题已知有多种解决方案，但从经济角度看却鲜有真正有效的。

其中，值得指出的是，已知的最为相似的文献是专利申请us20110037264a1。该专利申请涉及一种“用于支撑近海风轮机的带有水收集板和不对称系泊系统的支柱稳定式近海平台(column-stabilizedoffshoreplatformwithwater-entrapmentplatesandasymmetricmooringsystemforsupportofoffshorewindturbines)”。所述专利申请描述了一种浮动风轮机平台，包括：至少三个稳定支柱，每个稳定支柱具有用于容纳压载流体的内部容积；连接到所述平台的塔体；连接到发电机上的涡轮机转子，安装在靠近塔体的上端；与三个稳定支柱互连的主梁；位于稳定支柱下端的板；以及一个用来在三个支柱的内部容积之间移动压载流体的压载控制系统，以便调整塔体的竖直准线。该文献要求保护一种浮动平台、一种用于配置半潜式平台的方法、和一种用于操作浮动风轮机平台的方法。

尽管该文献描述的平台被称为半潜式，但是它实际上是一种浮动平台，因为它的体积的大部分是浮在水面以上的，即其构成支柱的大部分是露出水面的，尽管另一部分是潜入水中的。照此，水线贯穿整个支柱体结构，其整体受海浪移动的影响。水线是由水的表面或者海平面所形成的面与结构体(比如船)相交形成的线，它将水下部分和水上部分分开。所述水线可以根据负载或海水情况的不同而不同。该类型结构体的运行类似于船(重心高于浮力中心)。这就意味着用来稳定并保持塔体竖立的泵系统必须抵消倾覆力矩以抵御海浪的拍击和风。该平台在支柱底部装有板，以防止倾覆及抑制垂直方向的俯仰移动(比如，垂直方向的上下移动)，并且必须完全在陆地上安装并随后浮运至近海地点。

最后，所述申请的主题的另一个缺点是因为它提到支柱可由统一直径的管材焊接在一起而建造，据此可推测它是由钢材建造而成的结构，由于受到海洋环境的影响，这将在制造和维护成本、使用寿命方面带来一些限制。

因此，期望有一种平台，其能够消除这些缺点，不论是制造还是安装都有更大的灵活性，正如已指出的，这正是本发明的目的。

技术实现要素：

因此，本发明所提出的在近海设施中用于支撑涡轮塔、变电站或其他类似元件的可潜的主动式支撑结构，是一种用于将涡轮塔、变电站或其他类似元件置于海上的支撑结构。它是由一系列的优选为圆柱体的空心混凝土体(其数量可变，取决于被支撑元件的尺寸、重量，以及其截面，该截面并非必须是圆形)所构成。该空心混凝土体由耐受空心组件(比如，段或梁)连接，该耐受空心组件亦是由混凝土制成，它能在各个空心混凝土体之间转移压力。在用于涡轮塔的结构的专利申请中，该结构会有一个主空心体，风轮机栓柱处于其上。在一些专利申请中，可潜式结构，作为其发明主题，支撑的是变电站或平台，后者可设置于多个栓柱或支柱上。为了减小沿水线的表面面积，在工作状态时所述主空心体上部的截面可小于潜入水中的下部的截面。

混凝土结构在海水下的耐腐蚀性更好；在本发明中，这一点尤其重要，因为该结构的体积的大部分(至少60％)潜入水中。同样，为了获得稳定潜入水中的结构之目的，所述稳定性通过使结构的重心低于其浮力中心(由浮动元件置换的水的体积的重心，对于一种给定条件，出于稳定性目的可考虑施加推压力)来获得。正因如此，该支撑结构具备自我修正能力。

因此，构成该结构的一些所述空心体、优选圆柱体(或者全部，根据设计需要)被部分注水直至其工作位置的水平，即当平台置于其最终站点时，该组件保持潜入在足以避开海浪对其影响的深度，使得突出海面上的部分为具有较小主空心体截面的段的一部分，或者为位于主空心体上的栓柱的一部分，在其顶端安装待支撑的风轮机或者类似元件，或者至多为主空心体的一部分。所述平台设计深度为20到35米或更深，这取决于安装区域的海洋和海床特性，特别是对于使用单桩基础并非最佳解决方案的深度。

此外，在至少一个(尽管可能为数个)所述空心体、优选圆柱混凝土体中引入泵系统，其使得可调节圆柱体中水的总量，从而保证所述的整套元件的浸入情况能够被调节，并且优选同时使得可根据总体上由风力对风轮或支撑其的元件所造成的倾覆力矩以及由一个或多个系泊点上的系泊线的应力所造成的系泊系统，而在圆柱体之间移动圆柱体内的水，从而有助于基于前述的倾覆力矩来调节该结构的倾斜度。

可选地，每一个调节，和/或每一个空心体或圆柱体，均可配有一个泵系统。

该结构的体积的大部分(至少60％)位于水面下，这使得可降低海浪对该结构的垂直度的影响，同样地，通过将重心置于浮力中心之下，使主体的大部分尽可能低地潜入水中为该结构带来了稳定性，从而把海水移动所引起的风轮机的加速保持在风轮机制造商所设定的可接受的限度内。

如上面所指出的，该结构可具有用于支撑风轮机或其它可能使用的类似元件的混凝土栓柱，从而给组件提供更好的耐用性，并且在制造和运输过程中提供更大的灵活性，所述栓柱设置于主空心体上。所述栓柱的截面小于潜入水中的主空心体的截面。

为了使海浪对该结构的稳定性的影响尽可能地小，在该结构的工作位置，一旦将其置于运行站点，海平面所切割出的截面(其决定了水线)就应当尽可能地小。为此，海平面所切割出的截面，根据该结构的设计的不同，或者为主空心体的上部的截面(当主空心体具有至少两种不同的截面且其中较大的截面潜入水中时)，或者为栓柱的截面(当栓柱直接设置于主空心体上时)。

在任何可能的用途中，水线处的截面应当尽可能小，并且在任何情况下，所述水线处的截面应当小于潜入水中的构成该结构的空心体的截面之和。因此，该可潜式结构可采用不同的配置，比如：

-该结构的空心体之一具有等截面，且其上端的一部分位于海面上方，该空心体的其余部分则潜入水中，或

-该结构的空心体之一具有变截面，其中潜入水中的截面较大，水线处的上部截面较小，该空心体的其余部分潜入水中，或

-该结构的多个空心体均具有变截面，其中潜入水中的截面较大，水线处的上部截面较小，

-该结构的空心体(其或者具有等截面或者具有变截面)均潜入水中，在其中至少一个空心体上设置栓柱(其截面为水线)，或

-该结构的空心体(其或者具有等截面或者具有变截面)均潜入水中，在其中每个空心体上设置栓柱(其决定水线处的截面)。在此情况下，其上设置有栓柱的每个空心体均为主空心体。

在任何情况下，如上所述，所述水线处的截面小于潜入水中的构成该结构的空心体的截面之和。

因此，本发明的主要目的是一种根据权利要求1所述的可潜的主动式支撑结构。

关于所使用的系泊系统，它可以是一个“单点系泊”系统，其中该结构与一个浮筒(在表面上或者预先已潜入水中并系泊于海床上)通过紧固件相连，该紧固件可以是刚性件(比如，由不锈钢、混凝土或者类似材料制成的梁)，也可以是刚性件与柔性件的组合(比如，钢支撑、线缆、合成材料制成的索绳、链条等)，该紧固件与平台相连以便进行流线式挂操作。该种类型的系泊方式反过来也使得该结构能把自己置于迎风面；正因如此，风轮机舱便不能旋转，并且也可以视情况考虑优化该结构的设计的可能。例如，在该支撑结构不是轴对称的情形下(即非圆形塔设计等)。同样地，也可使用其他传统的系泊系统。

该浮筒上具有系泊件，使得该浮筒可以被紧固于海床上，该系泊件可以是线缆、链条、合成材料制成的索绳等。

当使用上述“单点”系泊系统时，为了避免馈线的缠绕，建议增加旋转电传输系统来建立风轮机和浮筒之间的连接。

因此，本发明结构的最显著的创新点在于：

-它是一种可潜式结构，其浮力中心高于重心，并且其水线处的结构的截面小于潜入水中的所述空心体的截面之和。

-它是一种主动式可潜结构，其中倾覆力矩可根据风的方向和强度，通过改变组成该结构的每一空心混凝土体内的压载水的水量来补偿。目前为止，所有这种结构均为被动式的，现有唯一主动式结构公开在前述的专利申请us20110037264a1中，该系统在浮于海面上时运行，因此它的系统须补偿海浪，以及由风所引起的倾覆力矩，这使得该系统需要更大体积的泵和更高的能耗。

-使用混凝土来制造该结构的空心的、优选圆柱体的空心体和栓柱或者支柱。目前为止，该混凝土结构均是被动式的，而上面所引用的美国文献中的主动式结构是由钢材制造的。圆柱体的混凝土形状可以通过高工业化特性的制作流程降低制造成本，并且延长该结构的使用寿命和降低维护成本(油漆、电镀)，这对于海洋环境来说非常重要。

-因为该结构的深度可以调节，该系统使得可在港口组装所有部件，包括调试运行，随后将组件移到其海上的最终位点，根据需要可以降少或增加它的浮力和潜入程度。

本发明的结构大大改善了现有同类支撑结构目前的限制，具有以下优点：

-与钢材有限的使用寿命及需要进行维护和重新刷漆相比，混凝土在海洋环境下具有极长的使用寿命，维持了其结构特性。

-较少暴露于海浪中，因为与其余已知装置相比它在水线处的截面面积较小。

-与钢支撑结构的高成本相比，由于设计基于优选的圆柱体混凝土形状，制造成本低，这使得可使用可靠的建造技术(比如，模板、滑模、港口沉箱、混凝土铸件、后张预应力等)。

-它无需使用过大的海上机械和/或很大的升降工具在海上来安装该支撑结构。

-处于较低深度，建议把平台设在海床上，这样可减少传给海床的负载，因此简化和降低了锚泊系统(柱、锚、链等)的成本。

-降低了必须在海上开展部分工作的需求。

-方便维护，特别是在发生重大故障时，可以通过将其拖至港口以更替或维修涡轮机舱或其他元件的方式来维护，因为它具备任意调整该结构深度的能力。

-允许在发电机使用寿命(15到25年)结束时对其进行更换，该结构的设计使用寿命是50年。

-在安装时显著减少对环境的破坏，并在其使用寿命结束时方便拆除和降低拆除成本，如此该结构可以完全被回收再利用。

-如果使用气动栓柱，则可降低栓柱的风阻，从而降低应力、倾覆力矩和尾流效应(该效应会降低顺风风轮机的性能)。

-如果采用被称为“单点系泊”的系泊系统，该结构可将自己置于迎风面，这在优化结构方面带来显著的优点，除了流线式挂操作以外。

附图说明

为了对本发明做补充描述及更好地理解本发明的特征，本说明书带有一系列附图，这些附图为本说明书不可或缺的一部分，以示例说明的方式且并不限于表示以下内容：

图1示出本发明的主题，即一种在近海设施中用于支撑涡轮塔、变电站或其他类似元件的可潜的主动式支撑结构的正面示意图，在其一个实施例中，其具有四个圆柱体和一个轴对称栓柱，通过刚性梁在单点紧固至浮筒上，其适用于浅水区。

图2示出前图所示的本发明的支撑结构的实施例的平面图。

图3和图4分别示出本发明可潜的主动式支撑结构的另一实施例的正视图和平面图，本情形中具有更少的圆柱体，并且同样紧固在浮筒上。

图5和图6示出本发明主题的可潜结构的另一种实施例的正视图和平面图，其中潜入水中的部件位于一个单独箱体内。

图7和图8示出另一实施例的正视图和平面图，其中潜入水中的结构的空心体的构造不同。

图9a和9b示出本发明适用于浅水区的一个实施例的正视图和平面图，其中该结构通过桩的方式锚泊在海床上。

图10a和10b示出适用于浅水区的本发明的另一实施例的正视图和平面图，其中该结构通过链条和锚的方式锚泊在海床上。

图11a和11b示出了带有变截面的主空心体的结构的一个实施例。

图12示出了由本发明的结构支撑的变电站或平台的一个实施例。

具体实施方式

根据前述附图，并按照其所采用的编号，从中可以观察所述结构1，其可以用作栓柱2支撑件，该栓柱顶部装有待支撑的元件3(比如，风轮机或其他类似元件)，该结构由两个或者更多个能在内部蓄水的空心圆柱体4’,4构成，所述圆柱体通过段5或者空心的、优选菱柱状的梁相连，水可通过它们在各圆柱体之间流通，存在一个泵系统(未显示)，可根据由吹向栓柱2和其所支撑的元件3的风所产生的倾覆力矩来调节水在所述圆柱体之间的流动，特征在于，所述泵系统，或另一补充泵系统，构成了调节平台沉降的部件，因为其能调节所述空心体或圆柱体4’,4内所贮存的水的总量，使水透过所述空心体4’,4上的一个或数个引入口6来控制组件的深度，使得在工作位置时，可调节该结构而使所述空心体或圆柱体4’,4维持潜入足够的深度以避免海浪对其的影响，并且使得只有栓柱2或最多支撑所述栓柱的主空心体4’的一部分位于水面上方。在运输位置时，优选使所述空心体或圆柱体4’,4保持潜入水中但处于较浅的深度，尽管所述空心体或圆柱体4’,4也可以保持半潜状态而浮在水面上。

值得注意的是，所述空心体或圆柱体4’,4由混凝土制成，优选地栓柱2也由混凝土制成，并且所述引入口6或者位于空心体或圆柱体4’,4的某部分上，或者位于该结构的其他位置上。

在该实施例中，该结构具有以下特征：主空心体4’的潜入水中的截面沿其上部轻度减小直到穿过海平面，使得水线处的截面面积小于主空心体的潜入水中的截面的面积，从而栓柱2位于未潜入水中且具有较小截面的部分上。这一构造的一个替代方案是，栓柱2直接位于潜入水中的主空心体上，因此水线处的截面由以海平面切割的栓柱2的截面面积来决定。

附图11a和11b示出了其中主空心体包括至少两个不同面积截面的结构的实施例。

可选地，为了缓冲俯仰，在所有或部分空心体或圆柱体4’,4中可装有水收集板(未示出)，由于所述空心体或圆柱体在完全潜入状态下运行，所述水收集板可装在其最适合的部分上。

该结构1包括刚性或刚性和柔性紧固件9(比如由钢或其他材料制成的刚性梁、钢撑、线缆、链条或合成材料制成的绳索)，将其紧固在一个系泊浮筒7上，系泊浮筒7可以潜入水中或者不潜入，通过系泊件紧固在海床sf上，该系泊件优选地可以是线缆、链条或合成材料制成的绳索8。因为有该紧固件9，该结构1可根据风吹的方向围绕浮筒7转动r。

在附图1和2中可以看出，在一个实施例中，该结构1包括三个空心混凝土体或圆柱体4，围绕栓柱2径向设置，所述栓柱2的下部为第四主空心圆柱体或空心体4’，其与另外的空心体之间通过径向的空心段或梁5来连接。在该实施例中，所述栓柱2具有圆形截面，但是可以使用其他类型的截面。此外，在该实施例中，结构1包括一个浮筒7，该浮筒通过相应的系泊件：线缆、链条或合成材料制成的绳索8系泊在海床上。该结构与所述浮筒7相连，该浮筒则可设有一旋转连接器10，以使得该结构可以通过一个刚性梁9任意地环绕浮筒旋转，该刚性梁可由另外的柔性紧固件(如线缆)来补充。负责传送风轮机3所产生的能量的连接线缆11亦连接在所述浮筒7上，可选地通过旋转电传输元件连接以防止线缆拧绞。在可能的情况下，馈线和/或内-组线缆也可与所述浮筒7相连。

在图3和图4所示的另一实施例中，本发明的结构1仅仅具有两个混凝土圆柱体4’,4，即，位于栓柱2下面的一个主圆柱体4’，栓柱2上带有欲支撑的元件3(风轮机3)，和另一个圆柱体4，其与第一圆柱体4’之间通过段或梁5相连，该段或梁允许水在它们之间流动。在该实施例中，水线处的截面取决于主圆柱体4’上部的较小截面，尽管它也可能是栓柱的截面。在前面的情况下，结构1与浮筒7通过刚性梁或其他紧固件9或刚性件和柔性件的组合及旋转接头10连接，旋转接头10使得其能根据风向自由转达，在这种情况下，该浮筒是潜入水中的并通过线缆、链条或合成材料制成的绳索8系泊在海床sf上。在该实施例中，该刚性梁(可由柔性件，比如线缆或绳索9来补充)在结构1和浮筒7之间倾斜，具体而言，该刚性梁锚固在栓柱2上，使得所述刚性梁或刚性和柔性件(比如钢撑、线缆或绳索)一起有助于使结构倾覆的可能性最小。在任何实施例中，所述浮筒可由钢材或混凝土制成，这取决于站点的条件以及耐久性和预先投资之间的平衡。柔性紧固件使得该结构不会在风吹的方向上倾覆，从而在张力下工作，起到支撑的作用。此外，刚性紧固件除了有助于抵抗由风力引起的倾覆力矩外，还使得可维持结构1和浮筒7之间的距离不变。

在前述两个实施例中，包含的是具有圆形截面的栓柱；然而，该栓柱可具有提供较小风阻的其他截面。替代的栓柱截面的一个实施例可见附图6和8，其中栓柱并非圆形，而是略带椭圆形。任何情况下，为了提供栓柱以空气动力学特性，它可以具有适合该结构所处站点的海洋气象条件的非圆形横截面。

同样地，该结构的空心体，其如前所述优选为圆柱体，也可以具有非圆柱体的横截面。

在附图5和6的实施例中，可见一种替代结构，其中栓柱20具有非圆形横截面，其顶部有一个风轮机3，潜入水中的结构由两个具有与前述圆柱体相同特征的空心体40组成，所述空心体40通过空心段(50)连接，该元件(即空心体40和段50)装入一个亦是由混凝土制成的箱体45内。该结构的目的是依据所述结构所处站点的海洋条件，通过促进沉箱内的滑模的使用(计算许可)来减少该基础结构的建设成本。该实施例中，水线处的截面由栓柱2的较小截面确定。

在图7和8的实施例中，可见另一个替代结构，该结构包括一个潜入水中的位于栓柱下的空心圆柱体400，该栓柱具有非圆形的横截面，其上设置有风轮机3，所述圆柱体400通过空心段或梁500来连接到一个空心体410上，该空心体410亦是潜入水中的，并且它的尺寸大于前述的圆柱体400。该结构尤其适用于大浪与风向形成横切角的地方，因为它可以提高横向稳定性以抵消横向应力。如前一个实施例，水线处的截面由栓柱2的较小截面确定。

在附图9a、9b、10a和10b所示的在浅水区应用的其他实施例中，该结构的特性，即可变的浮动性、减缓海浪、降低俯仰、自动补偿倾覆力矩，用来减少甚至消除传递到海床sf的负载，这在安装/移除操作中尤其有用，特别是在组成海床的成分不是很坚硬(松散的沙，泥)或有不规则阻力的地区非常有用。在这些实施例中，无需使用浮筒7，该结构通过锚泊件8，80直接紧固在海床上。在这种方式中，该组装件可坐落在海床上，从而降低甚至消除海床上的负载。该结构并非完全坐落于海床上，而是部分悬浮，其具备可更大程度坐落于海床上的能力，从而补充主动系统，该主动系统用来消除由风力所导致的倾覆力矩。

出于该目的，图9a和9b示出了与图1和2类似的结构，其由四个空心体4’,4形成，它们之间由优选菱柱状的段或梁5连接呈y形，顶部设有风轮机3的栓柱2置于中心的主圆柱体4’上。该结构通过由位于三个外围的空心体4上的桩构成的锚泊件80锚泊至海床sf上。

图10a和10b示出了与图9a和9b相似的结构，其中锚泊至海床sf上的锚泊件800为具有链条的锚，其部分坐落于海床sf上。该不同构造的目的是获得一种由允许大批量生产的更耐久材料(比如，混凝土)制成的结构，并且该结构在位于深海中，紧固于浮筒时尽可能地减少倾覆的趋势。

在使用传统的或者图9a、9b和10a、10b的系泊件的情况下，风轮机3或机舱需具备在栓柱顶部转达的能力。

图12示出了一个置于本发明的结构上的变电站或平台30。本方案中的结构包括四个具有变截面的圆柱空心体4’，其中每个空心体的下部的较大截面是潜入水中的，而上部截面小于潜入水中的截面，使得这些较小截面的总和决定了水线处的截面。所述水线处的截面小于潜入水中的构成该结构的空心体的截面之和。此外，不同的栓柱或圆柱2可置于组成该结构的空心体上，使得所述栓柱或圆柱2的截面决定了水线处的截面。

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