CN101218432A - 浮动风力涡轮机设备 - Google Patents

Abstract

一种用于协调风力涡轮机设备的方法。所述风力涡轮机设备包括：浮动基体(1)；布置在浮动基体上的塔(2)；安装在塔上的发生器壳体(3)以及连接至海床上的锚或锚固位置的锚固线装置(5)，所述发生器壳体(3)可相对于风向转动并装配有风力转子(4)。在全风力载荷作用到风力涡轮机上的情况下的静横倾角φs_max尽量低，但优选小于8度，且设备的所有固有周期均在波浪的周期范围之外，纵倾中的固定周期T₀₅(摇摆T₀₄)优选小于升降中的固定周期T₀₃的80％。此外，T₀₃与T₀₅和之间的比值不接近0.5或1。

Description

浮动风力涡轮机设备

技术领域

本发明涉及一种浮动风力涡轮机设备及一种用于协调风力涡轮机设备的流体静力学性能和流体动力学性能的方法。这种风力涡轮机设备包括浮动基体、布置在浮动基体上的塔、安装在塔上的发生器壳体以及连接至海床上的锚或锚固位置的锚固线装置。所述发生器壳体可相对于风向转动并装配有风力转子、

背景技术

可被用在较深深度的浮动锚固风力涡轮机的发展将极大地提高进入海上区域而扩展风能利用的能力。用于布置在海上的风力涡轮机的现有技术限于将塔永久性地安装在较低地的深度处，约在30m之下。

深度超过30m的永久性设备通常会产生技术问题且成本高。这就意味着，直到现在超过大约30m的海深度从技术上和商业上来看对于风力涡轮机的安装来说均是不利的。

利用在更大海深度处的浮动方案可避免与劳动强度大的复杂安装相关的基本问题和成本问题。

与此相关，需要作更大量的工作来发展浮动方案。但是找到在技术上令人满意且在经济上可行的方案是很困难的。

发明内容

本发明提出了一种技术方案，其可实现材料应用、几何和尺寸设计以及结构方案的组合，这种组合实现了令人满意的技术方案及足够低的成本而使其内容在经济上具有吸引力。

本发明的内容基于为浮动风力涡轮机设备的浮动基体提供长(深)、细长优选为筒形的方案，借助于其特性，将所述浮动基体设计成在波浪中产生较小的运动。另一个前提是塔和涡轮机的重量产生较大的排水量。这对于关于所需的动力学性能和稳定性来实现正确的质量和重量分配来说是必需的。

根据本发明，通过在筒形水下部件中利用水泥，则可以简单、低成本的方式实现深浸入水下结构所需的较大排水量和较高的强度。水泥是一种便宜的材料。通过使系列产品的构造方法系统化和组织化，则可使劳动成本非常低。

使总体成本非常低的另一个重要的前提是：在将单个的涡轮机安装在海上时，避免利用昂贵的辅助容器进行扩展工作。这可通过拖出完全组装的并利用简单的锚固系统锚固的整个涡轮机来实现。

可在具有永久性安装设备的受保护构造场所进行组装和试运转。这就受到如下情况的支配：即从构造场所至安装场所进行拖运需具有充足的拖运路径。特别地，在挪威原来就存在将上述条件用于大型水泥平台的情况。

根据本发明的方法的特征在于：在全风力载荷作用到风力涡轮机上的情况下的静横倾角s_max必需尽量低，优选小于8度，且设备的所有固有周期均在波浪的富能量周期范围之外。升降中的固有周期T₀₃和纵倾中的固有周期T₀₅(摇摆T₀₄)相互之间具有充分的间隔，其中，纵倾(摇摆)中的固有周期优选小于升降中的固有周期的80％。T₀₃和T₀₅之间的比值必需不能接近0.5或1，就如在附加的独立权利要求1中所指出的那样。

此外，根据本发明的浮动风力涡轮机设备的特征在于：所述浮动基体优选具有筒形延伸的细长水泥结构，而所述塔优选具有筒形钢结构，就如在附加的独立权利要求3中所指出的那样。

从属权利要求2和4-5限定了本发明的有利的特征。

附图说明

下面将参照附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图1显示了浮动风力涡轮机设备的设计，以及

附图2显示了浮动风力涡轮机设备的简化视图，其为与浮动基体的下部设计相关的另一个实施例。

具体实施方式

如图1和图2所示，浮动风力涡轮机设备主要包括锚固的浮动基座或浮动基体1，该浮动基体1支承在其顶上安装有涡轮机的高塔2，还包括涡轮机发生器壳体3和转子4，所述发生器壳体3封装发电单元(未显示)，而转子4布置成与所述发电单元相连。对于涡轮机的操作和施加在所述塔上的负载来说，随着波浪一起移动的浮动基座本身是一个主要的负面因素。另一个因素为：由于稳定性有限，因此，所述风力涡轮机设备在受到风力的作用时也会倾侧。

因此，与浮动风力涡轮机设备的发展相关的主要挑战在于在保持较低成本的同时，使其在波浪中的运动最小并实现最优的稳定性。

所述成本与设备的尺寸相关。因此，通常的尝试是以最小的材料消耗来实现该结构(concept)。

使由波浪所导致的运动最小并实现较小的尺寸的最优方案是采用较深的细长浮动基体，其优选由筒形水下基体构成。本发明的原理具有两种特性化的运动，即升降和纵倾(摇摆)。所述升降是一种纯粹的竖向运动，而所述纵倾(摇摆)为转动运动，且转动中心大致在整个设备的重心处。摇摆和纵倾均围绕其自身的正交水平轴线进行。为避免进行大幅度的升降和纵倾运动，重要的是将固有周期设置成其处于其中具有大量能量波浪的范围之外。在实践中，这就意味着对于两种运动模式来说固有周期应超过23-24秒。与此同时，所述固有周期相互之间必需具有足够的间隔以避免所述运动相联。

为实现涡轮机在操作过程中具有较小的横倾角度，则需要良好的稳定性。通过排水量和重心来产生稳定效果。较大的排水量和较低的重心产生较大的校正作用力，因此，在风负荷的作用下的横倾角较小。但是，较高的稳定性带来了较低的纵倾(摇摆)周期。为以令人满意的纵倾(摇摆)运动实现最大的稳定性，根据本发明的原理而设计成使得纵倾(摆动)周期恰处于其中波浪具有大量能量的范围之上，约为25-26秒。为避免升降和纵倾(摆动)之间相连，所述升降周期必需在纵倾(摆动)周期之上充分的间隔，约为30-31秒。

另一种考虑是确定塔的尺寸。为实现最大的塔强度，穿过水表面的塔下部必需具有较大的直径。

升降周期是所述排水量与塔的水面面积之间的比值。因此，就需要特定的排水量来实现30秒的升降周期。通过包括尺寸计算和动态分析在内的参数研究来实现尺寸和配重的正确协调。

因此，浮动风力涡轮机设备必需被设计成满足静态性能和动态性能的条件。特别地，所述条件与纵向排水量、运动(升降)和围绕水平轴线的转动即纵倾(摇摆)之间的相互作用相关。在上述内容的基础上，下文中即为对所述条件的总概括：

所述排水量(ρgV)必需足够大以支承结构的重量(Mg)加上锚件的竖向作用力。

1.该系统必需具有足够的静态稳定性(初始稳定性和“GZ曲线”下面的区域)。

2.全风力负载作用在风力涡轮机上时的静横倾角必须小于规定值s_max，且必需尽量低，优选小于8度。

3.所有的固有周期必需在富能波浪周期范围之外。

4.升降中的固有周期T₀₃和纵倾中的固有周期T₀₅(摇摆T₀₄)相互之间具有充分的间隔。

5.T₀₃/T₀₅的比值必需不同于0.5和1.0，且与0.5和1.0具有较大的间隔。此外，该结果可以是共振运动的参量激励。

一般来说，必需假设满足条件1、2。在条件3基础上的静横倾角大致由下式给出：

此处假定浮动基体为竖向的柱形结构，其深度须大于其宽度。Z_T为转子轴线的纵坐标，而Z_M为锚件位置的纵坐标。该位置靠近系统的重心，重心的纵坐标为Z_G，而Z_B为浮力中心的纵坐标。V为浮动基体的容积排水量。P为水密度。g为重力加速度。现在，条件3意味着我们必需具有与较大的GB＝(Z_B-Z_G)相组合的足够大的排水量。

纵倾(等同的摇摆)中的固有周期大体上由下式给出：

$T_{05}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{I_{55}+A_{55}}{C_{55}}}|---\left(2\right)$

此处，I₅₅和A₅₅分别为围绕系统动态转动轴线的质量惯性矩和流体动力惯性矩。这是在Z_G附近。更精确的值是通过考虑相关的偏转？？/纵倾移动来得到的。等式[1]和等式[2]显示出较高的硬度C₅₅有助于保持横倾角下降，但与此同时，纵倾中的固定周期随着C₅₅的增大而被降低。因此，需要将I₅₅+A₅₅保持足够高以避免T₀₅与波浪周期相冲突。这可通过如上所述的那样使壳体较深且细长来实现。

升降中的固定周期大体上由下式给出：

$T_{03}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{M+A_{33}}{C_{33}}}|---\left(3\right)$

其中，C₃₃＝ρA_WLg。A_WL为水位线面积。此外，还存在锚固线的纵向刚性的效果。M为浮动基体的质量。对于细长的浮动基体来说，A₃₃＜＜M。这就显示出通过具有较大的排水量和较小的水位线面积可实现更高的升降固定周期。

根据该内容，可得出如下结论，即如果使所述排水量足够大，则可将上述条件4、5组合在一起。但是，排水量的增大将增大成本。因此，就需要找到一种性能组合而允许以简单的壳体几何结构利用充足的排水量来满足所给出的条件。

如果我们返回到等式[1]，并假定风力涡轮机的转子直径例如为约为100m，而GB约为10m，我们可看到：如果静横倾保持低于0.1弧度(5.7度)，则所需的排水量就为风力涡轮机的静推力？？的100倍。这样，利用5MW的涡轮机，需要的排水量约为6000-8000公吨。

利用规定的排水量，则可通过水位线面积来控制升降中的固定周期。已经确定使该时间段接近30秒。这样就可将纵倾固定周期设置在波浪周期和升降中的固定周期之间(对于挪威的海域来说，波浪的典型周期范围为约4秒至约20秒)。因此，则满足了上述条件4、5，并满足了静横倾的要求。

为将纵倾中的固定周期设置在22-28秒的范围内且具有足够的静态稳定性，目标则是必需具有较大的GB值而I₅₅+A₅₅具有较低的值，从而确保22秒＜T₀₅＜28秒，这可通过将配重7放置成稍低于浮动基体的浮力中心来实现。所述配重必需放置成将对重心位置与惯性矩的要求组合在一起。

在上述内容的基础上，有利的是：将浮动基体制作成优选为水泥制筒形的细长延伸基体，并将塔制作成优选为钢制筒形基体。有利的是：所述浮动基体的长度(吃水深度)为100-150m。

如图2所示，通过在浮动基体的基座中引入“唇部”或径向突出部6可减小浮动基体的排水量。该唇部6可被布置成使基座盘的直径大于浮动基体的其余部分的直径。这种唇部对于动态性能来说具有如下效果：

·与竖直柱相关，由于在纵向上的水质量增大，则升降中的固定周期也增大。或者，通过减小排水量可实现升降中相同的固定周期。

·在不增大纵倾(摇摆)中的惯性矩的情况下，可保持较低的重心。这样可自由地赋予纵倾(摇摆)中的固定周期以有利的值并保持静态性能。

Claims (5)

1.一种用于协调浮动风力涡轮机设备的动力学性能和流体静力学性能的方法，所述风力涡轮机设备包括：浮动基体(1)；布置在浮动基体上的塔(2)；安装在塔上的发生器壳体(3)以及连接至海床上的锚或锚固位置的锚固线装置(5)，所述发生器壳体(3)可相对于风向转动并装配有风力转子(4)，

其特征在于：

在全风力载荷作用到风力涡轮机上的情况下的静横倾角s_max优选小于8度，且设备的所有固有周期均在波浪的富能量周期范围之外，升降中的固定周期T₀₃和纵倾中的固定周期T₀₅(摇摆T₀₄)之间的比例为T₀₅(T₀₄)＜T₀₃的80％，且T₀₃与T₀₅和之间的比值不接近0.5或1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

从尺寸和重量分配的角度来说，所述设备被设计成使得纵倾中的固定周期在22-28秒的范围内，而在升降中的相应固定周期在30-35秒的范围内。

3.一种浮动风力涡轮机设备，该风力涡轮机设备包括：浮动基体(1)；布置在浮动基体上的塔(2)；安装在塔上的发生器(3)以及连接至海床上的锚或锚固位置的锚固线装置(5)，所述发生器(3)可相对于风向转动并装配有风力转子(4)，其特征在于：

所述浮动基体(1)包括优选为筒形细长延伸的水泥结构，而所述塔(2)包括优选为筒形的钢制结构。

4.根据权利要求4所述的浮动风力涡轮机设备，其特征在于：

在所述浮动基体(1)的下端安装有径向突出部或唇部(6)，所述径向突出部或唇部(6)延伸超过所述浮动基体顶部的外周。

5.根据权利要求3和4所述的浮动风力涡轮机设备，其特征在于：

所述浮动基体的长度(吃水深度)在100m-150m的范围内。

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