本專利從技術(shù)角度，涉及對船舶及海洋工程技術(shù)的綜合應(yīng)用，屬于船舶及海洋工程類技術(shù)領(lǐng)域；本專利主要應(yīng)用于海上風力發(fā)電，故也可屬于風力發(fā)電工具類技術(shù)領(lǐng)域。

2.

背景技術(shù)：

我國近海蘊含著非常豐富的風能資源，從初步研究成果來看，海上風能有著非常巨大的開發(fā)前景。尤其是東南沿海一帶，那里是全國的用電負荷中心，亦是風能資源豐富地區(qū)_有效風能密度在300W/m²以上，全年風速大于或等于3m/s的時數(shù)約為7 000～8 000h，大于或等于6m/s的時數(shù)為4 000h。海上風電(包括近海和灘涂)正逐漸成為風電開發(fā)的熱土。

近海風電場前期開發(fā)的一項重要工作是風資源的獲取與評估，而風資源的獲取與評估最常用的手段就是建立測風塔。

目前，國內(nèi)外海上測風塔一般采用的形式有：自立式單根圓筒結(jié)構(gòu)、自立式三角形桁架結(jié)構(gòu)、聲雷達測風塔等主要形式。這些形式的共同缺點是：需要動用打樁設(shè)備和起重船舶，海上施工的難度比較大，因而成本比較高。雖然還有一種系留氣球式，成本較低，但也需要拉線的固定，氣球本身工作的可持續(xù)性和風向測量的穩(wěn)定性方面還存在較大問題。

隨著近海風電場開發(fā)的進展，海上測風塔的建設(shè)也隨之移至較淺的水域，基礎(chǔ)的施工和塔架的運輸安裝使測風塔建設(shè)的難度和成本都有較大幅度的增加。

本專利提出一種重力式海洋測風塔基礎(chǔ)的技術(shù)方案。原理及結(jié)構(gòu)很簡單，可在陸地上施工、組裝完成，直接用小船運往現(xiàn)場安裝。不需要打樁，無需動用大型吊裝船舶，可大大節(jié)省時間與費用，也便于維護，可有效解決海上測風塔的高空維護難題。

3.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本方案名稱為一種重力式海洋測風塔，由3部分組成：其一，稱為“基座”；其二，稱為“塔架”；其三，稱為“測量臺”。(參見附圖)

(1)基座由中心體③、外掛體②、以及防滑錐①組成。中心體與外掛體均由鋼筋混凝土澆筑而成，外掛體的外部用鋼結(jié)構(gòu)掛在中心體的耳板上，再用鋼帶箍將外掛體的各部分圍起來，并用螺栓相互連接，使其形成一個整體；底部的防滑錐由鋼結(jié)構(gòu)做成，在整體基座設(shè)置在海底平面后，在基座重量的壓力下，逐漸陷入海底泥砂中，防止基座的位移。

基座的中心體分為3部分，即外殼部分③，中空部分④及蓋子部分⑤。為了適應(yīng)各種不同的海域情況，對中空部分④采用不同的處理方式：對于要求重量稍輕的基座，中空部分內(nèi)可以充填海水；對于要求重量較大的基座，中空部分內(nèi)可以充填海砂或礦砂。

本例的“基座”主要參數(shù)如下:

中心體是一個空心的“圓桶狀”鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物。外圓直徑為6m,總高度為5m。在中空情況下，干重208.25t,中空部分可灌入海水的重量為26.98t，合計濕重為235.24t；中空部分如灌入海砂(其比重為2.2)時的重量為26.98t，合計濕重為235.24t；中空部分如灌入礦砂(其比重為6)時的重量為26.98t，合計濕重為235.24t。

為加大基座重量，在中心體的外緣設(shè)置一圈“掛重”，外圓直徑為10m，“掛重”重量(干重)為357.89t。

整個基座的總重量(干重)為566.14t,在整個基座入水且中空部分灌入海水后，其濕重為593.13t，其水中總浮力為268.77t，故整個基座在海水中的最大重量為324.35t；中空部分灌入海砂后，其濕重為593.13t，其水中總浮力為268.77t，故整個基座在海水中的最大重量為324.35t；中空部分灌入礦砂后，其濕重為593.13t，其水中總浮力為268.77t，故整個基座在海水中的最大重量為324.35t；

1.2塔架

一種重力式海洋測風塔的“塔架”⑥，是用于支撐測量臺⑧的鋼結(jié)構(gòu)，本例采用桁架形式。為運輸方便，塔架可以做成多段，相互間以鋼質(zhì)法蘭⑦形式連接。每一段長度在10m左右。桁架的總長度(即高度)應(yīng)等于水線以上的高度H₁加上水線以下的高度H₂。本例(設(shè)定水深15m)設(shè)計“塔架”總高度(在基座之上)為20m，其中水面以上與以下各10m。預(yù)計鋼結(jié)構(gòu)的重量15～20t。

“基座”的頂端設(shè)有厚度為20mm、外直徑為3.1m的鋼質(zhì)法蘭圈⑦，與“塔架”底端的厚度為20mm、直徑3.2m的圓形鋼質(zhì)法蘭圈配套，用一圈螺栓連接起來。如有安裝誤差可用墊板加以調(diào)整。

1.3“測量臺”。

測量臺⑧設(shè)置在塔架的頂端。本例的“測量臺”是直徑為3m的圓形平臺，其上安裝聲雷達測風設(shè)備。聲雷達是一種新型的測風設(shè)備，它是一個高頻多普勒雷達系統(tǒng)，利用雷達發(fā)出聲波并接收此聲波散射回來的回波，然后處理回波信號，可以精確測量低空邊界層的風速、風向、溫度以及湍流強度。聲雷達系統(tǒng)由四個部分構(gòu)成：即信號發(fā)生器、高頻揚聲器、聲功率放大器、信號接收處理器和固定裝置。

4.附圖說明：

附圖1是：一種重力式海洋測風塔剖面示意圖

附圖1的圖例：

①——防滑錐

②——外掛體

③——中心體

④——中心體的中空部分

⑤——中心體的蓋板

⑥——塔架

⑦——塔架連接法蘭

⑧——測量臺

附圖2是：一種重力式海洋測風塔俯視圖(A-A視圖)

附圖2的圖例：

②——外掛體

④——中心體

⑦——塔架連接法蘭

5.具體實施方式(設(shè)計實例)

5.1設(shè)計依據(jù)：

(1)設(shè)計使用海區(qū)：

本平臺設(shè)計例選擇用于臺灣海峽西岸福建平潭—廈門的海灘，計算實例取為25°N，地球自轉(zhuǎn)柯氏力系數(shù)：f＝0.22的海域，此海域為臺灣海峽多臺風水域。

水深：15m。

(2)設(shè)計風級：蒲福風級16級的特大臺風(以海面上10m風速計)

某氣象站對一次特大臺風測定的數(shù)據(jù)如下：

當?shù)仄骄髿鈮篜_a＝1013.6百帕(hPa)

臺風中心風壓：P_o＝914百帕

氣壓差：ΔP＝P_a-P_o＝99.6百帕

最大風速半徑(距臺風中心的距離)：R＝27海里＝50公里

臺風移動速度：U_f＝20公里/小時＝10.8節(jié)＝5.56m/s

(注：上述數(shù)據(jù)接近2016年臺風“莫蘭蒂”)

5.2基座主要尺度

作為實例(參見圖1、圖2)，本測量塔基座的主要尺度如下：

(1)中心體(外形)：

(2外掛體：

(3)整個基座(中心體+外掛體)：

整個基座在海水中最大重量(扣除浮力)324.35t

5.3最大設(shè)計風級臺風區(qū)域波浪要素計算：

這里所指的“波浪要素”是指波高H_1/3、波長λ、周期T_1/3。

采用較為通用的Bretschneider(1957)下列經(jīng)驗公式

(1)計算16級臺風時波浪要素的最大值如下：

海面上10m處最大梯度風速(U_g)_max為：

(U_g)_max＝0.868×[73×0.1718×(ΔP)^1/2-0.575R×0.22]

＝105.23(節(jié))＝54.14m/s

此值相當于蒲福風級16級，

海面上10m處最大持續(xù)風速U_r(節(jié))，由下式得出：

對于移動臺風：

U_{r rmax}＝0.865×(U_g)_max+0.5U_f＝96.52節(jié)＝49.65m/s

求得U_{r rmax}之后，再利用下列二式可以求得該臺風形成的深水最大有效波高H_1/3max和周期T_1/3max。

H_1/3max＝5.03exp(0.000295×R×ΔP)

×(1+0.208×U_f/(U_r)^(1/2))＝14.45m

T_1/3max＝8.6exp(0.000148×R×ΔP)

×(1+0.104*U_f/(U_r)^(1/2))＝14.3s

根據(jù)深水波浪的周期與計算波長的關(guān)系公式，對應(yīng)于此波浪周期的波長如下：

λ_max＝(g/2×π)×T^2＝9.81/(2×3.1416)×14.3^2＝319.03m

經(jīng)筆者回歸分析，得出常規(guī)風速U_r與浪高H_1/3的關(guān)系式如下：

H_1/3＝0.08×U_r^1.55

再套用其他研究者提出的風速與風級的回歸公式：

U_r＝0.836×B^1.5

可得：H_1/3＝0.08×(0.836×B^1.5)^1.55＝0.0606×B^2.325

在“臺風內(nèi)域”，假定波高H_1/3、周期T_1/3大致上也按1/r^(1/2)的比例減小，由此也可以推知其波長時的波高H_1/3、周期T_1/3如下：

波高H_1/3＝14.45m

周期T_1/3＝14.3s

經(jīng)詳細計算，本設(shè)計在設(shè)計風浪下結(jié)構(gòu)強度處于安全狀態(tài)。(注：有關(guān)各種受力計算與強度校核，屬常規(guī)力學(xué)范疇，在此省略)

5.4建造及安裝成本費用概算

(如下表)

6.結(jié)論

6.1臺灣海峽及其兩岸海域是風力資源豐富的地區(qū)，現(xiàn)兩岸人民都在努力進行開發(fā)，越來越多的海上測風塔會建立起來。目前，兩岸科技界提出許多可行的海上測風塔形式，但都是需要在海上打樁，使此項工程成本提高、施工復(fù)雜。本方案提出用“一種重力式海上測風塔”來實現(xiàn)海上風力測量的新概念。

6.2所謂“一種重力式海上測風塔”其基本原理是用人工方式將重物在海底堆積成“小山”，形成塔架的牢固基礎(chǔ)，從而產(chǎn)生可以抗擊海上風、浪、流的基礎(chǔ)。而使基礎(chǔ)不發(fā)生位移的重物，是海邊最易取得、且最便宜的石頭與沙粒，按設(shè)計要求，用鋼筋和水泥將其粘接起來即可。因而，本方案最大的優(yōu)點之一是成本低廉。

6.3本方案對安裝施工工藝要求不高。無須打樁；對安裝點處的地質(zhì)條件也要求不高，只需一塊較平整的海底地面即可；基座中心體與外掛體均可設(shè)計成可拼接的小塊，運到現(xiàn)場組裝；既可用大型吊機起吊下水，也可從駁船上拖滑下水(類似氣囊下水工藝)，無需使用起重船配合，可節(jié)省大量的安裝時間與費用。

6.4本方案是針對于水深15m的重力式海上測風塔的案例，實際上對于更深的海域(例如水深30～50m)從原理上是一樣的。只需將基座設(shè)計得更大一些即可。因而本方案有很大的推廣價值。

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