海上风电机组基础结构专利技术发展及前景

贺 赟

(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215163)

1 技术概述

海上风机基础的设计是一个复杂的系统工程，涉及海洋环境、港口航道、市场经济、近海桩基工程、海上风机运转载荷、基础与地基动力相互作用、风机-塔架-地基-基础系统分析等多个方面。海水深度、海床地质条件、经济性与风机机组类型是海上风力发电基础选型的重要因素。海上风机基础形式众多，常用的主要有重力式基础、单桩基础、普通多桩基础、三脚架基础、导管架基础、负压筒形基础、浮式基础。

2 技术发展

2.1 重力式基础

重力式基础特长是钢筋混凝土结构，其为所有基础型式中体型与重量最重最大的，利用自身重力维持上部的风机结构的强度和稳定性，先预制，然后由驳船将其转运到施工现场，依托大型起重机械将其吊装放入海底。具体专利技术如下：

(1)CN202323984U公开了一种海上风电的圆形空腔式重力式基础，包括主体和底板。主体设置在底板上，包括上部分和下部分。上部分为等直径的空心圆柱体，下部分为变直径的圆台体。上部分和下部分均为空心结构，空腔内设置填土以提高自身重力来抵抗上部分风电机组塔架荷载、波浪、水流等环境荷载。

(2)CN202298643U公开了一种海上风电的负压筒式重力基础，CN202298647U公开了一种海上风电的筏板式重力基础，CN202298644U公开了一种海上风电的沉井式重力基础。这3个专利申请均对重力式基础进行了改进，包括主体和底部结构，使重力式基础满足实际需要，适用于部分重力式基础的区域，减少海上施工工序，降低施工成本。

2.2 桩式基础

经专利统计分析，桩式基础分为单桩基础、三桩式基础、导管架基础与多桩基础。

(1)单桩基础：CN202265837U公开了一种海上风电机组单桩基础，包括上端通过法兰盘与风机塔筒连接、下端插入到海底泥面以下的钢管桩，钢管桩泥面以下部分外周面上呈钢管桩径向放射状均匀固定有钢质裙板。本申请在单桩基础上增加了钢质裙板，利用裙板加大单桩基础的钢管桩在泥面下方接触面，达到提高单桩基础水平承载力的目的，避免了传统单桩基础为控制水平变位导致桩径过于粗大的问题。

(2)三桩式基础：CN202108054U公开了一种格构桩式海上风力发电机基础结构，包括3根倾斜或竖直布置的格构桩，适用于水深1～40m范围，能有效抵抗海水腐蚀性，具有良好的抗弯刚度。

(3)多桩基础：CN203782735U公开了一种装配式多桩基础结构，包括混凝土体，混凝土体的顶面中心处设置有预留基础环孔，混凝土本体的底面对应管桩位置处环形设置有多个均匀布置的预留桩窝孔，采用装配式多桩基础安装，节省了海上支模和拆模工序，同时可以将大量的海上现场钢筋绑扎在陆上预制厂完成，大大提高了施工效率，节省了施工时间，降低了施工成本。

(4)导管架式基础：CN103758146A公开了一种导管架-筒形结构复合式海上风机基础，由筒形基础和导管架组成，可显著提高整个基础的抵抗弯矩的能力，采用负压下沉安放施工速度快，整个结构岸边整体预制和拼装，海上整体浮运，海上负压下沉安装，适用水深超过30m的近海风电场。

2.3 负压筒形基础

对负压筒形基础的改进技术主要有：在基础桶外侧设置具有加强作用的裙板、盘以增大基础正常使用时的抗倾覆及抗冲刷能力，并提高基础的沉贯力；与其他基础形式如单桩基础组合使用，增强单桩结构的抵抗弯矩能力，减小桩身位移；消除土塞结构。具体专利技术如下：

(1)CN103225314A公开了一种由单桩和筒形基础组合的海上风电基础，筒形基础均匀分布在以单桩为圆心的圆周上，单桩为钢管桩，通过筒形基础和连接管充分发挥地表浅层土的抗力，增强单桩结构的抵抗弯矩的能力，减小桩身位移，从而达到减少单桩直径和厚度的目的。

(2)CN105926661A公开了一种能消除土塞的海上风电的负压筒基，包括筒体，筒体上端面上设置立筒，筒体内顶部通过轴承对称安装有4个可旋转喷头，可旋转喷头上半部分分为空心短管，下半部分为内部空心的半圆盘体，半圆盘体的弧形边缘上设置有引水导管，能够消除土塞。

2.4 浮式基础

浮式基础的主要改进技术有：提高浮心降低重心；采用预制装配构件；将浮式基础与其他基础形式相结合，以下采用专利技术加以介绍。

(1)提高浮心降低重心：CN204753618U公开了一种半潜式海上风电基础结构，包括圆盘型压载仓、中心立柱、立柱；浮心提高重心降低，提高了浮式结构的稳性、结构的对称性，适用于水深大于50m。

(2)采用预制装配构件：CN106741689A公开了一种Spar型装配式预应力钢筋混凝土浮式；包括中空圆柱、柱壁预留钢筋孔道、系泊线与海底锚，适用水深大于40m，预制装配构件采用轻质高强海工混凝土制造，减少场地、降低成本。

将浮式基础与其他基础形式相结合：CN101768978A公开了一种由筒型基础和系泊缆锚构成的海上风电机组地基基础，为筒型和系泊缆锚构成的基础，包括筒型基础、连接塔筒、钢缆索和吸力锚，该筒型基础通过牵引在海上自漂浮至施工位置，可降低运输费用，筒型基础可回收利用，吸力锚增加基础荷载。

3 总结及前景展望

我国海上风能基础结构研发专利技术量大质弱，具有一定的研发热度和力度，但应当加强产学研结构，提高专利布局意识，加强优势技术保持，继续加大海上风电项目的研发建设，突破目前制约发展的瓶颈，如功能区的划分不清、基建经济性不高、技术相对落后等。在国家层面，应当加大政策扶持和引导，加强各部门之间的合作，搭建专利服务平台，共享专利资源，合作开发专利技术，加大人才尤其是研发和知识产权人才的培养，在此基础上，对海上风电基础结构产业进行全盘统筹，统一规划，推进基建项目，提升绿色环保项目的竞争优势。