本發(fā)明的目標(biāo)是一種用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái),所述浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)合了超越了迄今所使用的技術(shù)的顯著的創(chuàng)新和優(yōu)點(diǎn)。
更具體地,本發(fā)明提出了研發(fā)一種用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái),所述浮動(dòng)平臺(tái)由于其特別的布置而相對(duì)于當(dāng)前正在研發(fā)的原型允許非常顯著地降低成本,并且該浮動(dòng)平臺(tái)由于其減小的吃水深度而能夠更好地用于淺水和深水兩者中,并且該浮動(dòng)平臺(tái)還可以非常容易地被制造和運(yùn)輸。
背景技術(shù):
通過風(fēng)力渦輪機(jī)以利用風(fēng)能來產(chǎn)生電能在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的,而以上技術(shù)的發(fā)展主要憑借陸基風(fēng)力發(fā)電廠而在近些年受到高度重視。
與陸基風(fēng)力渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的環(huán)境問題以及海面上的風(fēng)的較大的能量潛力,已經(jīng)導(dǎo)致了對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)部署在沿海區(qū)域的水上的研究,當(dāng)在淺的深度時(shí),通過將風(fēng)力渦輪機(jī)直接附接到海床來實(shí)施部署,或者將風(fēng)力渦輪機(jī)安裝在數(shù)個(gè)不同類型的浮動(dòng)平臺(tái)上來實(shí)施部署,所述數(shù)個(gè)不同類型的浮動(dòng)平臺(tái)借助于不同的錨固系統(tǒng)被固定在其位置處。
當(dāng)前正被研發(fā)的用于支撐風(fēng)力渦輪機(jī)的浮動(dòng)平臺(tái)的類型通常來自于已經(jīng)在海上油氣行業(yè)使用的浮動(dòng)平臺(tái),所述浮動(dòng)平臺(tái)具有嚴(yán)格的穩(wěn)定性要求,并且以非常小的移動(dòng)響應(yīng)于波浪的作用。
特別地,并且考慮到用于實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和有限的移動(dòng)的基本策略,浮動(dòng)平臺(tái)可以區(qū)分以下三組:
●主要通過系泊索來穩(wěn)定的平臺(tái)。
張緊的系泊索將平臺(tái)固定到海床并且?guī)缀跏蛊錈o法移動(dòng),由此實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。然而,這種類型的穩(wěn)定的缺點(diǎn)在于,除了與安裝相關(guān)的過高成本外,其在運(yùn)輸期間需要輔助漂浮系統(tǒng)并且涉及用于將平臺(tái)定位和固定到海床的復(fù)雜操作。
●主要通過壓艙物來穩(wěn)定的平臺(tái)。
這些平臺(tái)的特征在于在水線面面積(waterplanearea)上具有減小的表面,以便降低波浪對(duì)于該平臺(tái)的作用以及由于所述作用而產(chǎn)生的相應(yīng)的移動(dòng),浮動(dòng)元件一旦被定位在位置之后就幾乎浸沒,并且所述平臺(tái)還具有穩(wěn)固的壓艙物以降低重心的位置,由此實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。
如在spar浮標(biāo)中,該組浮動(dòng)平臺(tái)的最簡單的類型由長度很長的單個(gè)豎直圓筒形浮動(dòng)元件組成,風(fēng)力渦輪機(jī)位于所述浮動(dòng)元件的上部部分上并且壓艙物位于所述浮動(dòng)元件的下部部分中以便降低重心的位置。由statoil設(shè)計(jì)的hywind是代表性示例,存在具有相同類型的浮動(dòng)平臺(tái)的其它專利,例如wo2010/106208和wo2013/093160。專利wo2012/13116是一種變型,該變型具有位于浮動(dòng)豎直圓筒體的下部部分上的水平懸臂元件和固定到所述懸臂元件的端部的錨固系統(tǒng),以使得所述平臺(tái)能夠隨風(fēng)定向。
在這種類型的平臺(tái)中,還存在專利es2440894a1(該專利與本發(fā)明的專利屬于相同的申請(qǐng)人)中描述的平臺(tái),該平臺(tái)包括:至少兩個(gè)浮動(dòng)圓筒體;同時(shí)連結(jié)到該浮動(dòng)裝置的支撐結(jié)構(gòu);風(fēng)力渦輪機(jī)塔,所述風(fēng)力渦輪機(jī)塔被定位在浮動(dòng)裝置和/或支撐結(jié)構(gòu)上且固定到浮動(dòng)裝置和/或支撐結(jié)構(gòu)。所述平臺(tái)包括混凝土配重,所述混凝土配重借助于朝向下部區(qū)域凸出的輔助結(jié)構(gòu)被固定到該平臺(tái),并且所述混凝土配重大大增加該平臺(tái)的吃水深度。
這些類型的平臺(tái)的主要缺點(diǎn)是大的吃水深度、復(fù)雜的運(yùn)輸和安裝操作以及高的成本。
半潛式平臺(tái)也可以被包括在這個(gè)組中,這是由于它們?cè)谒€面面積上具有減小的表面,并且浮動(dòng)元件的對(duì)應(yīng)于支撐風(fēng)力渦輪機(jī)的豎直柱體的較大部分通常是浸沒的。
通過間隔開該柱體以便增加定傾中心高度,并且通過使用額外的壓艙物以便將重心定位在定傾中心下方,來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。
已經(jīng)研發(fā)了多種變型,所述變型通常由被系緊在一起的數(shù)個(gè)豎直圓筒形浮動(dòng)元件組成。windfloat型和tri-sym型、或?qū)@鹍e2010058中描述的類型是具有三個(gè)豎直圓筒體的半潛式平臺(tái)的一些示例。
專利us2012/0103244對(duì)應(yīng)于具有四個(gè)豎直浮力柱體的半潛式平臺(tái),所述四個(gè)豎直浮力柱體中的三個(gè)豎直浮力柱體布置在等邊三角形的頂點(diǎn)上并且第四個(gè)豎直浮力柱體布置在中心,所述第四個(gè)豎直浮力柱體支撐風(fēng)力渦輪機(jī)的塔。
專利wo2002/10589提出一種類型的半潛式平臺(tái),除了錨固索的附加系統(tǒng)外,所述半潛式平臺(tái)還具有中心漂浮室和張緊的豎直錨固纜繩(其也位于中心),因此所述半潛式平臺(tái)可以被分類為半潛式和通過張緊的錨固索來穩(wěn)定的類型的平臺(tái)的組合。
此外,專利us2011/0155038提出一種具有三個(gè)或更多個(gè)浮動(dòng)豎直圓筒體的平臺(tái)類型,所述浮動(dòng)豎直圓筒體通過張緊的纜繩連結(jié)到海床。
這些半潛式平臺(tái)也具有關(guān)于其吃水深度通常較高的缺點(diǎn),并且由于海上運(yùn)輸和安裝操作的復(fù)雜性成本較高。
●主要通過漂浮來穩(wěn)定的平臺(tái)。
如在駁船的情況中,為了實(shí)現(xiàn)減小的吃水深度,在選擇通過水線面的水平面(level)上的大的表面來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性時(shí),有必要盡可能不用壓艙物,以便將定傾中心的位置保持在重心上方。此外,還存在實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)和物理特性的附加難題,所述幾何結(jié)構(gòu)和物理特性使得平臺(tái)能夠具有充分遠(yuǎn)離(distantfrom)波浪周期的其自身的振蕩周期以便盡可能減少由所述波浪引起的移動(dòng)。
在具有系泊系統(tǒng)的駁船的情況中(該駁船借助于分散的系泊索的系統(tǒng)來保持其位置以及永久且基本上固定的取向),風(fēng)和波浪的作用可以作用在駁船的任何水平軸線上,這是為什么駁船必須對(duì)于所有方向均具有類似的慣性特性或響應(yīng)特性的原因。碉堡式(pillbox)浮動(dòng)裝置或?qū)?yīng)于專利jp2004251139的那些浮動(dòng)裝置適合于這種方法,所述碉堡式浮動(dòng)裝置具有方形或圓形水平橫截面,專利jp2004251139具有o型環(huán)形式的單體船浮動(dòng)裝置。
還存在以下可能:駁船通過系泊裝置被定位到固定位置,并且能夠繞所述系泊裝置旋轉(zhuǎn)(類似風(fēng)向標(biāo)),以便與風(fēng)對(duì)準(zhǔn),在這種情況中,駁船將優(yōu)選地沿一個(gè)方向接收波浪和風(fēng)的作用,這是為什么值得考慮如下構(gòu)造:所述構(gòu)造的慣性特性和響應(yīng)特性取決于水平平面上的主水平縱向?qū)?zhǔn)軸線和垂直于所述縱向?qū)?zhǔn)軸線的對(duì)準(zhǔn)軸線而迥然不同。
雖然當(dāng)考慮到這些類型的穩(wěn)定性時(shí),這些類型是可行的,但是相反并且同時(shí),水平軸線附近的振蕩周期處于波浪譜的最大能帶,導(dǎo)致在渦輪機(jī)這一層級(jí)(turbinelevel)的移動(dòng),而該移動(dòng)與操作要求不相容,并且因此這些類型已經(jīng)被認(rèn)為在技術(shù)上不適當(dāng)。
關(guān)于所用的材料,幾乎所有的迄今提出的浮動(dòng)平臺(tái)均由鋼制成,盡管事實(shí)上混凝土是遠(yuǎn)遠(yuǎn)更耐用的且更經(jīng)濟(jì)適用的材料。然而,混凝土確實(shí)也具有某些缺點(diǎn),所述缺點(diǎn)例如為混凝土的重量、完全或幾乎完全沒有拉伸強(qiáng)度、以及當(dāng)經(jīng)受彎曲應(yīng)力時(shí)混凝土的破裂,這是為什么混凝土的使用被限制到重量是優(yōu)點(diǎn),或者其缺點(diǎn)不是決定因素(對(duì)于主要通過壓縮來起作用的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)元件)的情況。
本發(fā)明有助于通過用于利用風(fēng)能的特別類型的平臺(tái)和所述平臺(tái)的對(duì)應(yīng)的錨固系統(tǒng)來解決目前的問題,這允許對(duì)于所述平臺(tái)的簡單的、實(shí)用的且經(jīng)濟(jì)適用的構(gòu)造、安裝、使用和維護(hù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
已經(jīng)研發(fā)本發(fā)明的目標(biāo)在于提供一種以下類型的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái):該浮動(dòng)平臺(tái)使用風(fēng)力渦輪機(jī)來產(chǎn)生能量,并且該浮動(dòng)平臺(tái)屬于完全通過漂浮來獲得穩(wěn)定性的海上平臺(tái)的組,通過系泊到固定位置來實(shí)施所述浮動(dòng)平臺(tái)的定位,該平臺(tái)能夠繞所述固定位置旋轉(zhuǎn)以便與風(fēng)對(duì)準(zhǔn)。
這個(gè)平臺(tái)為權(quán)利要求1的前序特征部分中描述的類型,所述浮動(dòng)平臺(tái)包括具有風(fēng)力渦輪機(jī)的塔,平行于主縱向?qū)?zhǔn)軸線的兩個(gè)水平的相同的圓筒形浮動(dòng)元件,所述塔和所述浮動(dòng)元件通過桿結(jié)構(gòu)互連。所述浮動(dòng)元件連結(jié)到位于所述浮動(dòng)元件下方的穩(wěn)定元件。
如前述段落中所示,通過浮動(dòng)來穩(wěn)定的平臺(tái)所面臨的主要問題是實(shí)現(xiàn)以下幾何結(jié)構(gòu):所述幾何結(jié)構(gòu)連同具有可接受的穩(wěn)定性,還實(shí)現(xiàn)充分遠(yuǎn)離入射波浪的周期的其自身的周期。
本發(fā)明提出雙船體平臺(tái)的組合,該雙船體平臺(tái)具有兩個(gè)水平的相同的圓筒形浮動(dòng)元件,所述浮動(dòng)元件具有卵形橫截面并且在其端部被封閉,由此相對(duì)于具有相同浮動(dòng)表面的單船體方案允許更大的橫向穩(wěn)定性,并且該雙船體平臺(tái)具有浸沒的穩(wěn)定元件,所述穩(wěn)定元件具有旨在盡可能減少由波浪引起的移動(dòng)并且大大減小平臺(tái)的吃水深度的特性。
前述穩(wěn)定元件是基本上平坦的,所述穩(wěn)定元件位于浮動(dòng)元件下方并且包括兩個(gè)基本上為矩形的第一混凝土平板,所述第一混凝土平板是實(shí)心的或更輕量的,具有帶肋的結(jié)構(gòu),垂直于浮動(dòng)裝置的軸線布置,并且借助于輔助結(jié)構(gòu)連結(jié)到所述浮動(dòng)裝置,所述輔助結(jié)構(gòu)與所述第一混凝土平板共面。
部分地由于平板的質(zhì)量的慣性并且部分地由于與平板相關(guān)聯(lián)的增加的水力質(zhì)量的慣性,所述穩(wěn)定元件使得能夠大大增加平臺(tái)的俯仰周期(pitchperiod)。
如果也有必要限制沿相對(duì)于圓筒體的軸線的橫向方向的振蕩,則可以設(shè)置成穩(wěn)定元件可以包括兩個(gè)基本上為矩形的第二混凝土平板,所述第二混凝土平板在浮動(dòng)裝置的外側(cè)下部部分處平行于浮動(dòng)裝置的軸線布置,并且借助于輔助結(jié)構(gòu)連結(jié)到浮動(dòng)裝置,所述設(shè)置將以相同的方式限制前述移動(dòng)。
為了減小制造和維護(hù)成本,浮動(dòng)元件和穩(wěn)定元件兩者都由加強(qiáng)混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制成?;炷两Y(jié)構(gòu)具有重的重量、極低的抗張強(qiáng)度、或由于強(qiáng)烈的彎曲應(yīng)力而存在裂縫的前述問題??紤]到通過所研發(fā)的構(gòu)造,重心可以被降低并且定位成遠(yuǎn)低于定傾中心,這大大增加了穩(wěn)定性,并且同時(shí)由于所述構(gòu)造是具有相對(duì)薄的壁的空心浮動(dòng)裝置而保持了減小的吃水深度,因此過重的問題并不嚴(yán)重。
本發(fā)明的另一特征是浮動(dòng)元件具有卵形橫截面并且在其的端部處通過凸形來封閉。這種幾何結(jié)構(gòu)使得當(dāng)浮動(dòng)元件經(jīng)受靜水壓力時(shí),浮動(dòng)元件受到壓縮,使得形成浮動(dòng)元件一部分的混凝土通過壓縮來起作用并且因此防止了所述混凝土破裂。此外,為了進(jìn)一步保證圓筒體的所述壓縮,使用預(yù)應(yīng)力混凝土的技術(shù)來使圓筒體經(jīng)受預(yù)壓縮,而同時(shí)所述圓筒體通過橫向分隔物或隔板被分隔且在內(nèi)部被加強(qiáng)。
優(yōu)選地,在用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)中,桿的組件由加強(qiáng)混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制成。
在替代實(shí)施例中,在用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)中,桿的組件由鋼制成。
在另一替代實(shí)施例中,在用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)中,桿的組件由鋼和混凝土的混合物制成。
此外,浮動(dòng)平臺(tái)包括浮標(biāo),所述浮標(biāo)設(shè)置有位于海床上的錨固裝置,所述錨固裝置包括:至少三個(gè)系泊索,所述系泊索的相應(yīng)的錨和/或混凝土塊和/或樁用于將系泊索緊固到海床;和電傳輸旋轉(zhuǎn)裝置,所述電傳輸旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)連接器和電纜,所述旋轉(zhuǎn)連結(jié)器定位在浮標(biāo)自身上或定位在平臺(tái)上,所述電纜來自海床并且延伸到平臺(tái)自身;和用于系泊的旋轉(zhuǎn)裝置,所述用于系泊的旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)接頭,平臺(tái)的系泊裝置連結(jié)到該旋轉(zhuǎn)接頭。所示出的布置允許本發(fā)明的平臺(tái)圍繞浮標(biāo)旋轉(zhuǎn)以便將平臺(tái)自身與風(fēng)對(duì)準(zhǔn)(類似風(fēng)向標(biāo)),這允許俯仰的縱向振蕩和搖擺的橫向振蕩被看作分離的現(xiàn)象,并且根據(jù)所述振蕩對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)的操作的影響而被優(yōu)化。
由于本發(fā)明,定位在海洋環(huán)境中并且適合于海洋環(huán)境的用于利用風(fēng)能的平臺(tái)的構(gòu)造變得簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)適用并且有效。
本發(fā)明的平臺(tái)提供前所未有的方案,所述方案滿意地解決了所有前述問題,獲得了用于利用風(fēng)能的特別類型的浮動(dòng)平臺(tái),所述浮動(dòng)平臺(tái)在正常環(huán)境操作條件和在極端環(huán)境條件兩者中均以成本降低的方式滿足適合于風(fēng)力渦輪機(jī)和其塔的減小的吃水深度的要求、以及穩(wěn)定性和由波浪引起的移動(dòng)的要求。
附圖說明
根據(jù)優(yōu)選的但非排他的實(shí)施例的描述,用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)的其它特性和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見,該實(shí)施例通過非限制性示例在附圖中示出,其中:
圖1是本發(fā)明的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)選實(shí)施例的示意性透視圖。
圖2、圖3和圖4更詳細(xì)地示出本發(fā)明的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)選實(shí)施例的示意性透視圖。
圖5是并入浮標(biāo)的本發(fā)明的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)選實(shí)施例的示意性透視圖。
圖6是并入浮標(biāo)的本發(fā)明的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的示意性透視圖。
具體實(shí)施方式
如圖1中示意性地所示,使用風(fēng)力渦輪機(jī)來產(chǎn)生能量的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)包括具有風(fēng)力渦輪機(jī)(2)的塔(1)、浮動(dòng)元件(3)、穩(wěn)定元件(4)和桿(5)的組件。
塔(1)和浮動(dòng)元件(3)通過桿結(jié)構(gòu)(5)互連,并且同時(shí),該桿結(jié)構(gòu)(5)在浮動(dòng)元件(3)之間延伸地連接到浮動(dòng)元件(3)。
除了通過橫向分隔物和隔板被分隔并且在內(nèi)部被加強(qiáng)外,浮動(dòng)元件(3)還是水平的、具有卵形橫截面的相同的圓筒形并且平行。
在這個(gè)優(yōu)選的示例性實(shí)施例中,浮動(dòng)元件、塔和桿組件由加強(qiáng)的混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制成。
在圖1中的這個(gè)優(yōu)選的示例性實(shí)施例中,浮動(dòng)元件(3)具有基本上圓錐形的端部。
如在圖2和圖3中的示意圖中可以看出,浮動(dòng)元件(3)具有作為龍骨的下部縱向加強(qiáng)肋(6)。
圖2中還示出了浮動(dòng)元件(3)如何并入基本上水平且平坦的浸沒的穩(wěn)定元件(4),所述穩(wěn)定元件由四個(gè)基本上為矩形的平板制成:兩個(gè)第一平板(4a),所述第一平板更輕量并且具有帶肋的結(jié)構(gòu),并且在浮動(dòng)元件的端部部分和下部部分處垂直于浮動(dòng)元件(3)的軸線布置;以及兩個(gè)第二平板(4b),所述第二平板也更輕量并且具有帶肋的結(jié)構(gòu),并且在浮動(dòng)元件(3)的外側(cè)下部部分處平行于浮動(dòng)元件(3)的軸線布置。
這個(gè)穩(wěn)定元件(4)借助于輔助桿結(jié)構(gòu)(7)連結(jié)到浮動(dòng)元件(3)。在這個(gè)優(yōu)選的示例性實(shí)施例中,所述平板由加強(qiáng)混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制成。
如圖5和圖6的示意圖中所示,本發(fā)明的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)可以包括被添加到本發(fā)明的平臺(tái)的浮標(biāo)(8),所述浮標(biāo)(8)設(shè)置有位于海床上的錨固裝置、電傳輸旋轉(zhuǎn)裝置和用于系泊的旋轉(zhuǎn)裝置。
在圖5和圖6中示意性示出的優(yōu)選實(shí)施例中,海床上的錨固裝置包括三個(gè)系泊索(9),所述三個(gè)系泊索具有將所述錨固裝置緊固到海床的所述系泊索的相應(yīng)的錨(14)和/或混凝土塊和/或樁,電傳輸旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)連接器(10)和電纜(11),所述電纜(11)來自海床并且延伸到本發(fā)明的平臺(tái),并且用于系泊的旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)接頭(13),平臺(tái)自身的系泊裝置(12)連結(jié)到所述旋轉(zhuǎn)接頭。
在這個(gè)示例性實(shí)施例中,旋轉(zhuǎn)連接器定位在浮標(biāo)(8)自身上。
所描述的平臺(tái)被容易地構(gòu)造,并且由于用于航行的其減小的吃水深度和其浮動(dòng)船體(hull)的構(gòu)造,可以通過牽引毫無困難地運(yùn)輸所述平臺(tái)。
細(xì)節(jié)、形狀、尺寸和其它附屬元件、以及用于制造本發(fā)明的用于利用風(fēng)能的浮動(dòng)平臺(tái)的材料可以被合適地替代為技術(shù)上其他等同物,并且既不偏離本發(fā)明的本質(zhì),也不偏離在下面被所附權(quán)利要求限定的范圍。