一种海上风电与漂浮式光伏结合系统及施工方法

1.本发明属于海洋工程基础装备设计技术领域，尤其涉及一种海上风电与漂浮式光伏结合系统及施工方法。


背景技术：

2.海上风力发电受天气因素影响具有随机性和间歇性等特点，为降低风力输出不确定性给电力系统带来的强波动性影响，提出海上风电与光伏联合开发的模式，提高发电能力和单位表面积发电量的同时功率输出表现得更为平稳。
3.现有技术中，海上风电的基础型式主要包括：重力式、单桩、筒型基础、多脚架、多桩承台、导管架和漂浮式，大部分海上风电场采用固定式基础型，其中筒型基础由于其造价低、便于运输和安装、现场施工时间短、抗倾能力强等优点，在海上风电领域的应用愈见成熟。
4.而目前较少存在海上风电与漂浮式光伏的联合开发模式，因此提出一种海上风电与漂浮式光伏结合系统及施工方法。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种海上风电与漂浮式光伏结合系统及施工方法，能够实现海上风电与光伏的联合开发，提高发电能力和单位表面积发电量的同时功率输出表现得更为平稳。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种海上风电与漂浮式光伏结合系统，包括，
7.风电基础件，包括一筒型基础，所述筒型基础底部位于土体内，所述筒型基础上方设置有风力发电机，所述筒型基础顶端通过混凝土梁板体系和连接段与所述风力发电机的固定端固接；
8.光伏阵列，漂浮在海面上，所述光伏阵列的周侧设置有若干所述筒型基础，所述光伏阵列通过系泊线分别与若干所述筒型基础连接。
9.进一步的，所述筒型基础包括一筒裙，所述筒裙内设置有中间多边形密封舱，所述中间多边形密封舱每一边上连接有侧密封舱，所述中间多边形密封舱和所述侧密封舱通过抽气件抽气。
10.进一步的，所述中间多边形密封舱的每一侧边为第一分舱板，相邻两所述第一分舱板侧壁固接，相邻两所述第一分舱板的连接处固接有第二分舱板的一端，所述第二分舱板的另一端与所述筒裙内壁固接，相邻两所述第二分舱板、所述筒裙内壁，所述第一分舱板外壁配合形成所述侧密封舱。
11.进一步的，所述混凝土梁板体系包括固定在所述筒裙顶端的内环梁和外环梁，所述外环梁套设在所述内环梁外，所述内环梁与所述外环梁之间通过若干主梁和若干次梁固接，若干所述主梁与若干所述次梁间隔设置。
12.进一步的，所述主梁顶端固接有连接耳板，所述光伏阵列为漂浮式光伏阵列，所述
系泊线的一端与所述漂浮式光伏阵列固接，所述系泊线另一端固接有u型卡扣，所述u型卡扣与所述连接耳板连接。
13.进一步的，所述连接段为设置在所述内环梁内的弧形过渡座，所述弧形过渡座底部与所述筒裙顶端和所述内环梁内壁固接，所述弧形过渡座顶端直径小于所述弧形过渡座的底端直径。
14.进一步的，所述风力发电机包括与所述弧形过渡座顶端固接的塔筒，所述塔筒顶端连接有风机叶片。
15.一种海上风电与漂浮式光伏结合系统的施工方法，施工步骤包括：
16.s1、筒型基础自重下沉：向海底沉放抽气件，将筒型基础沉放至目标位置处，使筒型基础在自重作用下初步下沉；
17.s2、筒型基础负压下沉：启动抽气件，对密封的筒裙内抽气，使筒裙再次下沉；
18.s3、安装漂浮式光伏板：组装漂浮式光伏阵列并移动至预定位置；
19.s4、锚固漂浮式光伏板：向漂浮式光伏阵列上连接系泊线，将系泊线的另一端连接至筒型基础上的连接耳板。
20.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
21.1.本技术方案提出的海上风电与光伏联合开发的模式，克服了单一能源发电时出力波动大的缺点，同时风电与光伏共用基础的方式，减少了锚泊基础的用量，提高了基础工作效率，降低了整体系统的建造安装成本，实现降本增效。
22.2.本技术方案中筒型基础自重大，可一定程度上平衡光伏阵列对筒型基础的上拔荷载，克服了传统的锚固基础抗拔承载力低的缺点。本发明施工简便，节省海上施工时间，减少海上施工窗口期对施工进度的影响，降低海上施工作业对海洋环境的影响与建造成本，同时具有使用安全可靠，可实现易地复用等优点。
附图说明
23.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
24.图1为风电基础件与漂浮式光伏阵列连接关系的立体图；
25.图2为筒裙与风力发电机连接关系的立体图；
26.图3为图2中a处的局部放大图；
27.图4为筒裙内部密封舱位置关系的立体图；
28.其中，1、筒型基础；101、筒裙；102、中间多边形密封舱；103、侧密封舱；104、第一分舱板；105、第二分舱板；2、系泊线；3、弧形过渡座；4、塔筒；5、风机叶片；6、漂浮式光伏阵列；7、混凝土梁板体系；71、内环梁；72、外环梁；73、主梁；74、次梁；8、连接耳板；9、u型卡扣。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.参照图1-4，本发明提供一种海上风电与漂浮式光伏结合系统，包括，风电基础件，包括一筒型基础1，筒型基础1底部位于土体内，筒型基础1上方设置有风力发电机，筒型基础1顶端通过混凝土梁板体系7和连接段与风力发电机的固定端固接；光伏阵列，漂浮在海面上，光伏阵列的周侧设置有若干筒型基础1，光伏阵列通过系泊线2分别与若干筒型基础1连接。
32.筒型基础1用于固定风力发电机，保证风力发电机的正常使用，通过在漂浮在海面的光伏阵列周围设置筒型基础1，利用系泊线2连接筒型基础1与光伏阵列，实现对光伏阵列的安装。通过系泊线2将上部结构所受荷载传递给筒型基础1，而后由筒型基础1传递给地基基础土体，同时系泊线2为上部结构提供回复力。
33.参照图1所示，本发明的一个实施例中，光伏阵列的周侧设置有四个筒型基础1，四个筒型基础1两两一侧分别设置在光伏阵列相对的两侧，从而对光伏阵列进行有效连接。
34.本发明的另一个实施例中，在上述实施例基础上，在光伏阵列另外相对的两侧分别设置一筒型基础1(图中未示出)，以提高对光伏阵列的连接效果。
35.参照图4，进一步优化方案，筒型基础1包括一筒裙101，筒裙101内设置有中间多边形密封舱102，中间多边形密封舱102每一边上连接有侧密封舱103，中间多边形密封舱102和侧密封舱103通过抽气件抽气。
36.可以理解的，筒裙101作为沉降主体使用，在筒裙101内设置有中空的中间多边形密封舱102和侧密封舱103，在筒裙101沉降过程中，筒裙101位于土层内，使得中间多边形密封舱102和侧密封舱103内部处于封闭状态，因此通过抽气件抽取中间多边形密封舱102和侧密封舱103内的空气，使得中间多边形密封舱102和侧密封舱103与外部形成压差，可进一步实现筒裙101的沉降。
37.本发明的一个实施例中，抽气件为抽气管(图中未示出)和对应抽气管所设置的抽气泵(图中未示出)，其中抽气管的进气端应当首先布置在海底，当筒裙101沉降时，需保证抽气管的进气端与每一密封舱对应。
38.本发明的另一个实施例中，抽气件为抽气管(图中未示出)和对应抽气管所设置的抽气泵(图中未示出)，抽气管的抽气端通过筒裙101的顶端插入不同的密封舱内，同时，在筒裙101沉降至预定深度后，需要封闭用于通过抽气管的气孔。
39.进一步优化方案，中间多边形密封舱102的每一侧边为第一分舱板104，相邻两第一分舱板104侧壁固接，相邻两第一分舱板104的连接处固接有第二分舱板105的一端，第二分舱板105的另一端与筒裙101内壁固接，相邻两第二分舱板105、筒裙101内壁，第一分舱板104外壁配合形成侧密封舱103。
40.可以理解的，多个分舱板配合固定形成中间多边形密封舱102，中间多边形密封舱102的轴心与筒裙101的轴心重合，沿中间多边形密封舱102外壁布设有若干侧密封舱103，实现中间多边形密封舱102和侧密封舱103的配合使用。
41.具体的，筒裙101内设置多个第一分舱板104和多个第二分舱板105，筒裙101内部被多个第一分舱板104和多个第二分舱板105分隔为多个舱室，保证了负压抽取过程中各个舱体单独控制，提高了筒裙101下沉的稳定性和精确性，同时均匀分布的多个第一分舱板
104和多个第二分舱板105可承受系泊线传递来的多方向水平荷载及扭矩荷载，提高了结构的适用范围。
42.参照图2、图3，进一步优化方案，混凝土梁板体系7包括固定在筒裙101顶端的内环梁71和外环梁72，外环梁72套设在内环梁71外，内环梁71与外环梁72之间通过若干主梁73和若干次梁74固接，若干主梁73与若干次梁74间隔设置。
43.进一步优化方案，主梁73顶端固接有连接耳板8，光伏阵列为漂浮式光伏阵列6，系泊线2的一端与漂浮式光伏阵列6固接，系泊线2另一端固接有u型卡扣9，u型卡扣9与连接耳板8连接。
44.可以理解的，内环梁71、外环梁72、主梁73、次梁74配合为一混凝土梁板体系，该混凝土梁板体系置于筒裙101顶端并与其相连，共同形成筒型基础1。连接耳板8沿周长方向设置在内环梁71上，连接耳板8与系泊线2下端相连，为系泊线2提供锚点，其中，连接耳板8的材质及构造可依据实际工程中上部结构传递的荷载进行设置。
45.可以理解的，主梁73、次梁74用于连接内环梁71和外环梁72，从而提高两者的连接强度，若干主梁73与若干次梁74间隔设置，即每一主梁73两侧均均有一次梁74，主梁73与次梁74的厚度不同。
46.进一步优化方案，连接段为设置在内环梁71内的弧形过渡座3，弧形过渡座3底部与筒裙101顶端和内环梁71内壁固接，弧形过渡座3顶端直径小于弧形过渡座3的底端直径。
47.进一步优化方案，风力发电机包括与弧形过渡座3顶端固接的塔筒4，塔筒4顶端连接有风机叶片5。
48.可以理解的，弧形过渡座3呈弧面型式，可有效避免刚度突变产生的应力集中问题，弧形过渡座3与内环梁71连接，并通过法兰与上部的塔筒4连接。
49.本发明的一具体实施例中，筒裙101基础直径30m，筒裙高度15m，筒型基础1安装就位后，结构入土深度15m，此时筒裙101顶盖与土体表面接触，筒裙101厚度的选取取决于安装位置处的土体强度与基础整体结构尺寸、重量，在本实施例中侧壁壁厚0.025m，第一分舱板104和第二分舱板105宽均为7.5m，板厚0.025m，材质为q355钢，本实施例中共设置7个舱室，不同角度的分舱板可以承受系泊线传递的不同方向水平荷载；弧形过渡座3上部外径5m，下部外径20m，高15m，壁厚0.8m，材质为c60混凝土；内环梁71和外环梁72的厚度均为0.9m，外环梁72直径30m，宽0.6m，内环梁71直径20m，宽1.5m，主梁73长度4.1m，宽0.9m，次梁74长度4.1m，宽0.45m，材质为c60混凝土；连接耳板8孔径为0.09m，板厚0.04m，边宽0.25m，采用q355钢割制，焊接在内环梁71上，需保证连接耳板8焊接牢固，焊接处母材强度大于连接耳板8强度，焊缝高度大于1/2板厚，焊缝无开口，无夹碴咬边，其中连接耳板8焊接位置可依据上部结构受力及地基承载等条件综合确定；系泊线2选用有档锚链，单链环直径为0.04m，链环外长0.24m，外宽0.144m，系泊线2的具体尺寸及材质选择在实际工程中需依照结构受力、锚链破断力及耐磨性能等多重因素确定；所述漂浮式光伏结构单个浮体尺寸为1.7m
×
1m
×
0.4m，采用hdpe材质制成，整个漂浮式光伏阵列6的尺寸为100m
×
100m。
50.一种海上风电与漂浮式光伏结合系统的施工方法，施工步骤包括：
51.s1、筒型基础1自重下沉：向海底沉放抽气件，将筒型基础1沉放至目标位置处，使筒型基础1在自重作用下初步下沉。首先进行码头装船，首先使用履带将预制的筒裙101及其他附属设备从建造场地吊放至安装船上并进行固定。随后航行就位，装船固定工作结束
后，安装船航行至施工地点，在施工坐标位置附近抛锚就位。随后安装抽气管道进行沉放工作，首先使筒裙101在结构自重作用下贯入土体。
52.s2、筒型基础1负压下沉：启动抽气件，对密封的筒裙101内抽气，使筒裙101再次下沉。待自重下沉结束后，筒裙101内部形成密闭空间，打开抽水泵抽出筒内的空气与水，使筒顶盖内外形成压力差，在压差的作用下驱动筒裙101继续下沉，当沉放至指定深度时，关闭抽气件。
53.s3、安装漂浮式光伏阵列6：组装漂浮式光伏阵列6并移动至预定位置。组装整个漂浮式光伏阵列的浮体部分，将其拖移到指定水域位置，调整定位完成后开始进行水下锚固作业。
54.s4、锚固漂浮式光伏阵列6：向漂浮式光伏阵列6上连接系泊线2，将系泊线2的另一端连接至筒型基础(1)上的连接耳板8。将系泊线2的下端穿插在筒裙101的连接耳板8中，并用u型卡扣9连接，整个过程可通过遥控无人潜水器实现。系泊线2的上端穿插在上部漂浮式光伏阵列6的耳板上，并连接紧密。
55.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：包括，风电基础件，包括一筒型基础(1)，所述筒型基础(1)底部位于土体内，所述筒型基础(1)上方设置有风力发电机，所述筒型基础(1)顶端通过混凝土梁板体系(7)和连接段与所述风力发电机的固定端固接；光伏阵列，漂浮在海面上，所述光伏阵列的周侧设置有若干所述筒型基础(1)，所述光伏阵列通过系泊线(2)分别与若干所述筒型基础(1)连接。2.根据权利要求1所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：所述筒型基础(1)包括一筒裙(101)，所述筒裙(101)内设置有中间多边形密封舱(102)，所述中间多边形密封舱(102)每一边上连接有侧密封舱(103)，所述中间多边形密封舱(102)和所述侧密封舱(103)通过抽气件抽气。3.根据权利要求2所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：所述中间多边形密封舱(102)的每一侧边为第一分舱板(104)，相邻两所述第一分舱板(104)侧壁固接，相邻两所述第一分舱板(104)的连接处固接有第二分舱板(105)的一端，所述第二分舱板(105)的另一端与所述筒裙(101)内壁固接，相邻两所述第二分舱板(105)、所述筒裙(101)内壁，所述第一分舱板(104)外壁配合形成所述侧密封舱(103)。4.根据权利要求2所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：所述混凝土梁板体系(7)包括固定在所述筒裙(101)顶端的内环梁(71)和外环梁(72)，所述外环梁(72)套设在所述内环梁(71)外，所述内环梁(71)与所述外环梁(72)之间通过若干主梁(73)和若干次梁(74)固接，若干所述主梁(73)与若干所述次梁(74)间隔设置。5.根据权利要求4所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：所述主梁(73)顶端固接有连接耳板(8)，所述光伏阵列为漂浮式光伏阵列(6)，所述系泊线(2)的一端与所述漂浮式光伏阵列(6)固接，所述系泊线(2)另一端固接有u型卡扣(9)，所述u型卡扣(9)与所述连接耳板(8)连接。6.根据权利要求4所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：所述连接段为设置在所述内环梁(71)内的弧形过渡座(3)，所述弧形过渡座(3)底部与所述筒裙(101)顶端和所述内环梁(71)内壁固接，所述弧形过渡座(3)顶端直径小于所述弧形过渡座(3)的底端直径。7.根据权利要求6所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：所述风力发电机包括与所述弧形过渡座(3)顶端固接的塔筒(4)，所述塔筒(4)顶端连接有风机叶片(5)。8.一种海上风电与漂浮式光伏结合系统的施工方法，根据权利要求1-7任意一项所述的海上风电与漂浮式光伏结合系统，其特征在于：施工步骤包括：s1、筒型基础(1)自重下沉：向海底沉放抽气件，将筒型基础(1)沉放至目标位置处，使筒型基础(1)在自重作用下初步下沉；s2、筒型基础(1)负压下沉：启动抽气件，对密封的筒裙(101)内抽气，使筒裙(101)再次下沉；s3、安装漂浮式光伏阵列(6)：组装漂浮式光伏阵列(6)并移动至预定位置；s4、锚固漂浮式光伏阵列(6)：向漂浮式光伏阵列(6)上连接系泊线(2)，将系泊线(2)的另一端连接至筒型基础(1)上的连接耳板(8)。

技术总结
本发明公开一种海上风电与漂浮式光伏结合系统，包括，风电基础件，包括一筒型基础，筒型基础底部位于岩体内，筒型基础上方设置有风力发电机，筒型基础顶端通过混凝土梁板体系和连接段与风力发电机的固定端固接；光伏阵列，漂浮在海面上，光伏阵列的周侧设置有若干筒型基础，光伏阵列通过系泊线分别与若干筒型基础连接。进一步的，筒型基础包括一筒裙，筒裙内设置有中间多边形密封舱，中间多边形密封舱每一边上连接有侧密封舱，中间多边形密封舱和侧密封舱通过抽气件抽气。本发明能够实现海上风电与光伏的联合开发，提高发电能力和单位表面积发电量的同时功率输出表现得更为平稳。发电量的同时功率输出表现得更为平稳。发电量的同时功率输出表现得更为平稳。


技术研发人员：刘润 李青欣 练继建 梁超
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/6/28