海上風電機組基礎結構專利技術發(fā)展及前景

賀 赟

(國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163)

1 技術概述

海上風機基礎的設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及海洋環(huán)境、港口航道、市場經濟、近海樁基工程、海上風機運轉載荷、基礎與地基動力相互作用、風機-塔架-地基-基礎系統(tǒng)分析等多個方面。海水深度、海床地質條件、經濟性與風機機組類型是海上風力發(fā)電基礎選型的重要因素。海上風機基礎形式眾多，常用的主要有重力式基礎、單樁基礎、普通多樁基礎、三腳架基礎、導管架基礎、負壓筒形基礎、浮式基礎。

2 技術發(fā)展

2.1 重力式基礎

重力式基礎特長是鋼筋混凝土結構，其為所有基礎型式中體型與重量最重最大的，利用自身重力維持上部的風機結構的強度和穩(wěn)定性，先預制，然后由駁船將其轉運到施工現(xiàn)場，依托大型起重機械將其吊裝放入海底。具體專利技術如下：

(1)CN202323984U公開了一種海上風電的圓形空腔式重力式基礎，包括主體和底板。主體設置在底板上，包括上部分和下部分。上部分為等直徑的空心圓柱體，下部分為變直徑的圓臺體。上部分和下部分均為空心結構，空腔內設置填土以提高自身重力來抵抗上部分風電機組塔架荷載、波浪、水流等環(huán)境荷載。

(2)CN202298643U公開了一種海上風電的負壓筒式重力基礎，CN202298647U公開了一種海上風電的筏板式重力基礎，CN202298644U公開了一種海上風電的沉井式重力基礎。這3個專利申請均對重力式基礎進行了改進，包括主體和底部結構，使重力式基礎滿足實際需要，適用于部分重力式基礎的區(qū)域，減少海上施工工序，降低施工成本。

2.2 樁式基礎

經專利統(tǒng)計分析，樁式基礎分為單樁基礎、三樁式基礎、導管架基礎與多樁基礎。

(1)單樁基礎：CN202265837U公開了一種海上風電機組單樁基礎，包括上端通過法蘭盤與風機塔筒連接、下端插入到海底泥面以下的鋼管樁，鋼管樁泥面以下部分外周面上呈鋼管樁徑向放射狀均勻固定有鋼質裙板。本申請在單樁基礎上增加了鋼質裙板，利用裙板加大單樁基礎的鋼管樁在泥面下方接觸面，達到提高單樁基礎水平承載力的目的，避免了傳統(tǒng)單樁基礎為控制水平變位導致樁徑過于粗大的問題。

(2)三樁式基礎：CN202108054U公開了一種格構樁式海上風力發(fā)電機基礎結構，包括3根傾斜或豎直布置的格構樁，適用于水深1～40m范圍，能有效抵抗海水腐蝕性，具有良好的抗彎剛度。

(3)多樁基礎：CN203782735U公開了一種裝配式多樁基礎結構，包括混凝土體，混凝土體的頂面中心處設置有預留基礎環(huán)孔，混凝土本體的底面對應管樁位置處環(huán)形設置有多個均勻布置的預留樁窩孔，采用裝配式多樁基礎安裝，節(jié)省了海上支模和拆模工序，同時可以將大量的海上現(xiàn)場鋼筋綁扎在陸上預制廠完成，大大提高了施工效率，節(jié)省了施工時間，降低了施工成本。

(4)導管架式基礎：CN103758146A公開了一種導管架-筒形結構復合式海上風機基礎，由筒形基礎和導管架組成，可顯著提高整個基礎的抵抗彎矩的能力，采用負壓下沉安放施工速度快，整個結構岸邊整體預制和拼裝，海上整體浮運，海上負壓下沉安裝，適用水深超過30m的近海風電場。

2.3 負壓筒形基礎

對負壓筒形基礎的改進技術主要有：在基礎桶外側設置具有加強作用的裙板、盤以增大基礎正常使用時的抗傾覆及抗沖刷能力，并提高基礎的沉貫力；與其他基礎形式如單樁基礎組合使用，增強單樁結構的抵抗彎矩能力，減小樁身位移；消除土塞結構。具體專利技術如下：

(1)CN103225314A公開了一種由單樁和筒形基礎組合的海上風電基礎，筒形基礎均勻分布在以單樁為圓心的圓周上，單樁為鋼管樁，通過筒形基礎和連接管充分發(fā)揮地表淺層土的抗力，增強單樁結構的抵抗彎矩的能力，減小樁身位移，從而達到減少單樁直徑和厚度的目的。

(2)CN105926661A公開了一種能消除土塞的海上風電的負壓筒基，包括筒體，筒體上端面上設置立筒，筒體內頂部通過軸承對稱安裝有4個可旋轉噴頭，可旋轉噴頭上半部分分為空心短管，下半部分為內部空心的半圓盤體，半圓盤體的弧形邊緣上設置有引水導管，能夠消除土塞。

2.4 浮式基礎

浮式基礎的主要改進技術有：提高浮心降低重心；采用預制裝配構件；將浮式基礎與其他基礎形式相結合，以下采用專利技術加以介紹。

(1)提高浮心降低重心：CN204753618U公開了一種半潛式海上風電基礎結構，包括圓盤型壓載倉、中心立柱、立柱；浮心提高重心降低，提高了浮式結構的穩(wěn)性、結構的對稱性，適用于水深大于50m。

(2)采用預制裝配構件：CN106741689A公開了一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式；包括中空圓柱、柱壁預留鋼筋孔道、系泊線與海底錨，適用水深大于40m，預制裝配構件采用輕質高強海工混凝土制造，減少場地、降低成本。

將浮式基礎與其他基礎形式相結合：CN101768978A公開了一種由筒型基礎和系泊纜錨構成的海上風電機組地基基礎，為筒型和系泊纜錨構成的基礎，包括筒型基礎、連接塔筒、鋼纜索和吸力錨，該筒型基礎通過牽引在海上自漂浮至施工位置，可降低運輸費用，筒型基礎可回收利用，吸力錨增加基礎荷載。

3 總結及前景展望

我國海上風能基礎結構研發(fā)專利技術量大質弱，具有一定的研發(fā)熱度和力度，但應當加強產學研結構，提高專利布局意識，加強優(yōu)勢技術保持，繼續(xù)加大海上風電項目的研發(fā)建設，突破目前制約發(fā)展的瓶頸，如功能區(qū)的劃分不清、基建經濟性不高、技術相對落后等。在國家層面，應當加大政策扶持和引導，加強各部門之間的合作，搭建專利服務平臺，共享專利資源，合作開發(fā)專利技術，加大人才尤其是研發(fā)和知識產權人才的培養(yǎng)，在此基礎上，對海上風電基礎結構產業(yè)進行全盤統(tǒng)籌，統(tǒng)一規(guī)劃，推進基建項目，提升綠色環(huán)保項目的競爭優(yōu)勢。