ПЛАВАЮЩАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
FLOATING PLATFORM FOR USE OF WIND ENERGY

Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является плавающая платформа для использования энергии ветра, включающая существенные инновации и преимущества над используемыми методиками.
В частности, в настоящем изобретении предложена плавающая платформа для использования энергии ветра, которая по причине своей особой компоновки значительно снижает затраты на прототипы, разрабатываемые в настоящее время, может более эффективно использоваться благодаря меньшей осадке на мелководье и глубоководье, а также проста в изготовлении и транспортировке.
Уровень техники изобретения
Из текущего уровня техники известно использование ветровой энергии для выработки электроэнергии посредством ветровых установок, разработка которых имела первостепенное значение в последние годы, главным образом, для наземных ветровых электростанций.
Проблемы окружающей среды, связанные с наземными ветровыми установками, а также больший энергетический потенциал ветра на поверхности моря привели к исследованию применения ветровых установок в прибрежных водах путем их крепления непосредственно к морскому дну при нахождении на мелководье, или путем их монтажа на несколько разных типов плавучих платформ, которые закреплены на месте с помощью разных анкеровочных систем.
Типы плавучих платформ для опоры ветровых установок, разрабатывающиеся в настоящее время, обычно основываются на платформах, уже используемых в морском нефтегазовом секторе, которые имеют жесткие требования к устойчивости и реагируют на воздействие волн незначительным перемещением.
При этом, принимая во внимание основную стратегию достижения надлежащей устойчивости и ограниченного перемещения, можно выделить следующие три группы:
- Платформы, стабилизированные швартовами.
Натянутые швартовы крепят платформу к морскому дну и почти лишают ее подвижности, тем самым обеспечивая устойчивость. Тем не менее, недостаток данного типа стабилизации состоит в том, что помимо очень больших затрат, связанных с монтажом, требуются вспомогательные системы обеспечения плавучести для транспортировки, и сложные операции для позиционирования и крепления платформ к морскому дну.
- Платформы, стабилизированные балластировкой.
Эти платформы характеризуются тем, что они имеют меньшую площадь на поверхности воды для сокращения воздействия волн на платформу и соответствующего перемещения, вызванного ими, причем плавучие элементы практически погружаются в воду при размещении на месте, а также имеют прочный балласт для снижения положения центра тяжести, тем самым обеспечивая надлежащую устойчивость.
Самый простой тип в данной группе - это один вертикальный цилиндрический плавучий элемент большой длины, в верхней части которого располагается ветровая установка, оснащенный балластом в нижней части для снижения положения центра тяжести, как на столбовидных буях. В качестве типичного примера можно указать конструкцию HYWIND производства компании STATOIL, но также существуют и другие патенты с идентичными типами, такие как WO 2010/106208 и WO 2013/093160. В патенте WO 2012/13116 представлен вариант, который предусматривает горизонтальный консольный элемент в нижней части плавучего вертикального цилиндра и анкеровочную систему, прикрепленную к его концу, что позволяет ориентировать его по направлению ветра.
В данном типе платформ также можно отметить платформу, описанную в патенте ES 2440894 А1 от того же заявителя, что и патент на настоящее изобретение, которая включает: как минимум два плавучих цилиндра, жесткую конструкцию, одновременно соединенную с плавучими элементами, башню ветровой установки, располагающуюся и закрепленную на плавучих элементах и/или жесткой конструкции. Данная платформа включает бетонный противовес, закрепленный на ней с помощью вспомогательной конструкции, которая выступает в нижний участок и существенно увеличивает осадку платформы.
Основными недостатками этих типов платформ являются большая осадка, сложные операции по транспортировке и монтажу, а также высокие затраты.
К этой группе также можно отнести полупогружные платформы, так как они имеют меньшую площадь на поверхности воды в зависимости от вертикальных столбов, которые поддерживают ветровую установку, причем большая часть плавучих элементов погружена в воду.
Устойчивость обеспечивается путем размещения платформ на определенном расстоянии, чтобы увеличить высоту метацентра, а также с помощью дополнительного балласта для расположения центра тяжести под метацентром.
Было разработано множество вариантов, как правило, с несколькими вертикальными цилиндрическими плавучими элементами, прикрепленными друг к другу. Типы WINDFLOAT и TRI-SYM, или тип, описанный в патенте DE 2010058, являются примерами полупогружных платформ с тремя вертикальными цилиндрами.
В патенте US 2012/0103244 описана полупогружная платформа с четырьмя вертикальными плавучими столбами, три из которых находятся на вершинах равностороннего треугольника, а четвертый находится по центру и поддерживает башню ветровой установки.
В патенте WO 2002/10589 представлен тип полупогружной платформы с центральной плавучей камерой и натянутым вертикальным анкерным тросом, который также находится по центру вместе с дополнительной системой якорных канатов, поэтому его можно отнести к комбинации полупогружной платформы и платформы, стабилизированной натянутыми якорными тросами.
Кроме того, в патенте US 2011/0155038 представлен тип платформы с тремя или более плавучими вертикальными цилиндрами, соединенными с морским дном посредством натянутых тросов.
Эти полупогружные платформы также имеют свои недостатки, такие как большая осадка, сложные морские операции по транспортировке и монтажу, а также высокие затраты.
- Платформы, стабилизированные по плавучести.
Чтобы уменьшить осадку, необходимо по возможности не использовать балласт, как вариант, обеспечив устойчивость с помощью большой площади на уровне поверхности воды для сохранения положения метацентра над центром тяжести, как в случае с баржами. Кроме того, существует также проблема достижения геометрических и физических характеристик, которые позволяют в достаточной мере увеличить разницу между собственными периодами колебаний платформы и периодами волны, чтобы как можно больше сократить перемещения, вызванные волнами.
Баржи со швартовной системой, которая поддерживает их положение, а также постоянную и фиксированную ориентацию посредством распределенной системы швартовов, на горизонтальную ось которых воздействуют ветер и волны, должны иметь одинаковые инерционные или передаточные характеристики во всех направлениях. Плавучие элементы коробочного типа с квадратным или круглым горизонтальным сечением или однокорпусный плавучий элемент в форме уплотнительного конца, описанный в патенте JP 2004251139, приемлемы в данном случае.
Баржи также можно размещать посредством швартовов в неподвижной точке с возможностью вращения вокруг нее по принципу флюгера, чтобы соответствовать направлению ветра, при этом волны и ветер будут воздействовать на них предпочтительно в одном направлении. Таким образом, следует учесть конфигурации с инерционными и передаточными характеристиками, которые сильно варьируются в зависимости от основной горизонтальной продольной оси выравнивания и перпендикулярности на горизонтальной плоскости.
Хотя эти типы приемлемы с учетом их устойчивости, периоды колебаний на горизонтальных осях находятся в максимальной энергетической области спектров волн, что приводит к перемещениям на уровне установки, которые противоречат рабочим требованиям. Следовательно, данные типы считаются технически несоответствующими.
Что касается используемых материалов, почти все плавучие платформы, предложенные к настоящему времени, выполнены из стали, несмотря на то, что бетон является более прочным и доступным материалом. Однако верно и то, что у бетона есть свои определенные недостатки, такие как вес, полное или практически полное отсутствие сопротивления растяжению, а также образование трещин при воздействии изгибающего напряжения, поэтому его использование ограничено случаями, в которых вес является преимуществом или не представляет собой определяющий фактор для устойчивости и конструктивных элементов, которые главным образом подвержены сжатию.
Настоящее изобретение способствует решению текущей проблемы благодаря особому типу платформы для использования ветровой энергии и ее соответствующей анкеровочной системе, которые предусматривают простую, практичную и доступную конструкцию, монтаж, использование и техническое обслуживание.
Описание изобретения
Настоящее изобретение было разработано с целью представления плавающей платформы для использования энергии ветра, относящейся к типу, в котором используется ветровая установка для выработки энергии, и которая находится в группе морских платформ, поддерживающих устойчивость исключительно за счет плавучести, а их позиционирование задается посредством швартования к неподвижной точке, вокруг которой платформа может поворачиваться для выравнивания по ветру.
Настоящая платформа относится к типу, описанному в части с предварительными характеристиками в пункте 1, включающему башню с ветровой установкой и два горизонтальных идентичных цилиндрических плавучих элемента, расположенных параллельно главной продольной оси компоновки. При этом башня и плавучие элементы соединены друг с другом конструкциями в виде балок. Плавающие элементы соединены со стабилизирующим элементом под ними.
Как указывается в предыдущем разделе, главная проблема платформ, стабилизируемых посредством плавучести - достижение геометрической формы, которая, наряду с приемлемой устойчивостью, также обеспечивает собственное движение, достаточно удаленное от моментов возникновения случайных морских валов.
В изобретении предложено сочетание двухкорпусной платформы с двумя горизонтальными идентичными плавающими элементами с овальным поперечным сечением, которые сходятся на концах, обеспечивая, таким образом, лучшую поперечную устойчивость по сравнению с однокорпусным решением с такой же площадью плавучести, а также с погруженными стабилизирующими элементами, обладающими характеристиками, нацеленными на максимальное уменьшение качки под воздействием волн и значительно снижающими осадку платформы.
Ранее упомянутый стабилизирующий элемент главным образом плоский. Он расположен под плавучими элементами и включает две первых прямоугольных плиты -либо цельных, либо облегченных, с ребристой структурой, которые скомпонованы перпендикулярно осям плавучих элементов и соединены с ними посредством вспомогательных конструкций, расположенных в одной плоскости с бетонными плитами.
Стабилизирующий элемент позволяет значительно улучшить период килевой качки платформы, отчасти благодаря инерции массы плит, а частично - инерции гидродинамической массы, связанной с ними.
Также необходимо ограничивать колебания в направлении, поперечном оси цилиндров. Обеспечивается возможность оснащения стабилизирующего элемента двумя вторыми прямоугольными бетонными плитами, скомпонованными параллельно осям плавающих элементов у их наружной нижней части и подсоединенными к ним посредством вспомогательных конструкций, которые ограничивают вышеупомянутые движения аналогичным образом.
С целью снижения затрат на производство и обслуживание как плавающий, так и стабилизирующий элементы изготавливаются из армированного или преднапряженного бетона. У бетонных конструкций имеется ранее упомянутая проблема большой массы, чрезвычайно низкого сопротивления растяжению или наличия трещин ввиду интенсивного изгибающего напряжения. Проблема чрезмерной массы не является серьезной при условии, что при разработанной конфигурации центр тяжести можно опустить ниже и расположить точно под метацентром, что значительно улучшает устойчивость, одновременно сохраняя уменьшенную осадку, потому что плавающие элементы полые с относительно тонкими стенками.
Другая отличительная черта изобретения - плавающие элементы имеют овальное поперечное сечение и сходятся вместе к концам за счет выпуклой формы. Такая геометрическая форма приводит к тому, что когда плавающие элементы подвергаются воздействию гидростатического давления, они сжимаются так, что бетон, составляющий часть той же конструкции, справляется со сжатием, и предотвращают его растрескивание. Помимо этого, чтобы дополнительно обеспечить сжатие цилиндров, они подвергаются предварительному сжатию с использованием методики преднапряжения бетона, в то время как они разделены и усилены внутри поперечными перегородками и перемычками.
На плавающей платформе для использования ветровой энергии предпочтительно использовать узел балок, изготовленный из армированного или преднапряженного бетона.
В альтернативном варианте осуществления изобретения на плавающей платформе для использования энергии ветра узел балок изготовлен из стали.
В другом альтернативном варианте осуществления изобретения на плавающей платформе для использования энергии ветра узел балок изготовлен из сочетания стали и бетона.
Дополнительно плавающая платформа включает буй. Он оснащен анкеровочными средствами на морском дне, которые включают как минимум три швартова с соответствующими анкерными устройствами и/или бетонными блоками и/или сваями для крепления к морскому дну, вращающиеся средства с электрической передачей, которые включают поворотный соединитель, и кабель. Кабель идет от морского дна и достигает платформы, а вращающиеся средства для швартования включают поворотное соединение, с которым соединены швартовы платформы. Приведенная компоновка позволяет платформе по настоящему изобретению вращаться вокруг буя для выравнивания по ветру, как флюгер, что позволяет воспринимать продольные колебания килевой качки и поперечные колебания раскачивания как отдельные явления и оптимизировать их в зависимости от их воздействия на работу ветровой установки.
Благодаря настоящему изобретению конструкция платформы для использования энергии ветра, расположенной в море и приспособленной к морской окружающей среде, проста, практична, доступна по средствам и эффективна.
Платформа по настоящему изобретению представляет собой беспрецедентное решение, с помощью которого удовлетворительно решаются все ранее упомянутые проблемы за счет приобретения особого типа плавающей платформы для использования энергии ветра, которая отвечает требованиям к меньшей осадке, так же, как и к устойчивости и движениям ввиду воздействия волн. Она подходит для ветровой установки и ее башни как при нормальных условиях эксплуатации в окружающей среде, так и в чрезвычайных, при этом со снижением затрат.
Другие характеристики и преимущества платформы для использования энергии ветра будут очевидны из описания предпочтительного, но не исключительного, варианта осуществления, который посредством неограничивающего примера приведен на сопутствующих чертежах, и отличается тем, что:
Описание чертежей
Фиг. 1 - схематический и перспективный вид предпочтительного варианта осуществления плавающей платформы для использования энергии ветра по настоящему изобретению.
На фиг. 2, 3 и 4 более подробно изображены схематические и перспективные виды предпочтительного варианта осуществления плавающей платформы для использования энергии ветра по настоящему изобретению.
Фиг. 5 - схематический и перспективный вид предпочтительного варианта осуществления плавающей платформы для использования энергии ветра по настоящему изобретению, оснащенной буем.
Фиг. 6 - более подробный схематический и перспективный вид предпочтительного варианта осуществления плавающей платформы для использования энергии ветра по настоящему изобретению, оснащенной буем.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Как схематически показано на фиг. 1, плавающей платформы для использования энергии ветра с использованием ветровой установки для выработки энергии включает башню (1) с ветровой установкой (2), плавучие элементы (3), стабилизирующий элемент (4) и узел балок (5).
Башня (1) и плавучие элементы (3) связаны между собой конструкциями в виде балок (5) и, одновременно, эти же конструкции в виде балок (5) связаны с плавающими элементами (3), которые проходят между ними.
Плавающие элементы (3) являются горизонтальными, идентичными цилиндрическими и параллельными овальному поперечному сечению, помимо этого они разделены и усилены внутри поперечными перегородками и перемычками.
В настоящем предпочтительном варианте осуществления плавающие элементы, башня и узел балок изготовлены из железобетона или преднапряженного бетона.
В настоящем предпочтительном варианте осуществления на фиг. 1 плавающие элементы (3) имеют главным образом конические концы.
Как видно на схематическом изображении на фиг. 2 и 3, плавающие элементы (3) имеют нижнее продольное ребро жесткости (6), в виде киля.
Также на фиг. 2 показано как плавающие элементы (3) включают главным образом горизонтальный и плоский погруженный стабилизирующий элемент (4), который состоит из четырех главным образом прямоугольных плит: две первые плиты (4а) облегченные, с ребристой структурой, которые скомпонованы перпендикулярно осям плавающих элементов (3) на концах и нижней части, а другие две плиты (4b), которые также облегченные, с ребристой структурой, которые скомпонованы параллельно осям плавающих элементов (3) у внешней нижней части.
Данный стабилизирующий элемент (4) соединен с плавающими элементами (3) посредством вспомогательных конструкций в виде балок (7). В настоящем предпочтительном варианте осуществления указанные плиты изготовлены из железобетона или преднапряженного бетона.
Как показано на схематическом изображении на фиг. 5 и 6, плавающая платформа для использования энергии ветра настоящего изобретения может включать буй (8), добавленный к платформе настоящего изобретения, указанный буй (8) оснащен анкеровочными средствами на морском дне, вращающимися средствами с электрической передачей и вращающимися средствами для швартования.
В предпочтительном варианте осуществления, схематически показанном на фиг. 5 и 6, анкеровочные средства на морском дне включают три швартова (9) с соответствующими анкерными устройствами (14) и/или бетонными блоками и/или сваями для крепления к морскому дну, вращающиеся средства с электрической передачей включают поворотный соединитель (10) и кабель (11), кабель (11), идущий от морского дна и достигающий платформы настоящего изобретения, а вращающиеся средства для швартования включают поворотное соединение (13), с которым соединены швартовы (12) самой платформы.
В настоящем варианте осуществления поворотный соединитель расположен на самом буе (8).
Описанная платформа легко сконструирована и может легко транспортироваться посредством буксировки благодаря меньшей осадке и конфигурации понтонов для навигации.
Детали, формы, размеры и другие вспомогательные элементы, а также материалы, используемые для изготовления плавучей платформы для использования ветровой энергии изобретения, могут заменяться другими, технически эквивалентными, и не отличаются от сущности изобретения или объема, определенного нижеуказанной формулой изобретения.