CN101415939B - 发电机组 - Google Patents

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Abstract

一种浮式发电机组包括至少三个浮于水体上的浮式发电部件(900)和至少三个固定于水体下固体表面的锚(916)，每个浮式部件(900)都装备有发电装置，浮式部件(900)基本上安置于至少一个等边三角形的顶点上。本发明还提供有用以安装这种发电机组浮式部件的船载设备和一种新颖的多风力机机组。

Description

发电机组
本发明涉及发电机组及与其一起使用之设备。更准确地说，本发明涉及(a)一种浮式发电机组；(b)一种在水上安置浮式部件的方法，本方法是特别(不过不具有排他性)为安装本发明中浮式发电机组的某些构件而设计的；(c)一种多风力机机组。
关于常规发电站对环境的影响，包括其二氧化碳排放，在近年来已不断增加，人们已极其关注所谓“环保型“或有利于环境的发电站，这种发电站使用可再生能源并且不会产生大量的二氧化碳及其它污染物的排放。潜在的环保型发电站包括利用太阳光产生能量的光电发电站及利用潮汐，洋流和波浪作用获取能量的发电站。
一种已被证明商业可行的环保型发电站是风力机或风车。所谓多风机“风力田”已在世界一些地方建造并对电力生产作出了重大的贡献。在2002年，欧盟所有风力田的总装机容量约为23000兆瓦，美国约为5000兆瓦。
遗憾的是，尽管风力田在不排放污染物方面具有环境上的优势，但它会造成景观问题。为经济可行，风力田期望被设置在平均风速高的地方。在陆地上，这样的场址通常处于山脊或平原，而且在常规风力田的座址，直径30米或更大的叶轮安装在约30米高的塔架上，在数里外都可以看得到。此外，这些山脊或平原通常处于以其优美的自然风光而闻名的地区，许多人会由于这些惹眼的人工物体的存在而感到不快。
因此，人们近来已将注意力转移到离岸风力田上。第一座此种离岸风力田已在近海的浅水(典型为15米或更浅)处建造，其所用装置与陆基风力田基本相同，其支撑风轮的塔架固定在海床上，并根据需要延长以使风轮保持在水面上需求的高度。但是，这种浅水风力田还是引起了与陆基风力田同样的争议。例如，最近一项预计在麻萨诸塞州近海岸Nantucket sound建造一座超过100组的大型风力田的计划遭到了反对，原因在于风力田会被公共海滨及游览艇上的人看到，以及其塔架和风轮可能产生振动影响商业鱼虾诱捕。据说风轮可能杀死或伤害大量的鸟类。
将离岸风力田移到离海岸更远的地方，公众关于风力田的争议将可能会减少，不过海底高压电缆需要输送在岸上产生的电，因它的成本风力田场址离岸最远距离会受到限制；这种电缆会导致相当高的成本。再者，风力田合适的离岸场址，尽管相对接近海岸，还是会受到水深的限制。如风力田需要在深水中运转，如100-200米，从工程和经济的角度来看，随着水深的增加，要维持海床安装塔架来支承单个大的风轮会变得愈不可行。很明显在某种程度上，有必要将风力田安装在一个或更多的浮动或拉伸支柱工作台上。尽管如此，要评估深水风力田的高昂成本，一般要求这种发电厂具有高电力输出，而且常规的装有大型风轮的单塔架/单风轮风力机不一定适合于安装在浮动或拉伸支柱工作台上。一方面，本发明寻求提供一种新型的风力机机组。本发明中的风力机机组可能会在离岸风力田或其他情况(如一些陆基风力田)下有用。
本发明还涉及对离岸发电机组的改进，尤其是风力田，它能将这些机组安装于深水而不必在海床或水下固体表面安置刚性构架。最后，本发明涉及一种在水上安置浮式部件的方法，该方法是特别为安装本发明中离岸发电机组而设计的。
一方面，本发明提供了一种浮式发电机组，它包括的器件有至少三个浮于水体上的浮式部件和至少三个固定于水下固体表面的锚，每个浮式部件都装有发电装置，每个锚由缆绳连接至至少两个浮式部件，每个浮式部件由缆绳连接至至少两个其它构件，浮式部件大致布置在至少一个等边三角形的顶点上。
本发明的这方面在下文中称之为“锚固浮式机组”。在这种锚固浮式机组中，每个发电装置可以包括一个风力机和一个从波浪及洋流中获取能量的装置的至少之一。三个锚大致安置于一个等边三角形的顶点上，浮式部件安置于该等边三角形的内部或沿其侧边安置。在锚固浮式机组的一种型式中，为了应用于可能由于恶劣气候及(或)强流产生问题的情况，每个浮式部件由缆绳连接到机组的至少三个其它构件上。锚固浮式机组可以包括至少六个浮式部件，它们大致安置于一个正六边形的顶点上，一般在正六边形的中心安置第七浮式部件。
在锚固浮式机组的一种优选型式中，浮式部件的至少之一包括：
一个由水面上延伸至水面下的塔架；
一个包括有多个叶片的风力机，它旋转安装于塔架的上端或邻近上端的位置，以使其在旋转时叶片不接触水面；
一个安装于塔架上邻近水面的浮力部段，它为机组提供浮力；
一个安装于塔架上水面下并具有缆绳与其互连的底座结构，该底座结构已被加重以使浮式部件的重心基本上处于水面下。
期望的是，在这种锚固浮式机组中，浮式部件的重心至少处于水面下约30米。并且期望的是，浮式部件具有至少10米的定倾中心高度(从重心到浮力中心的距离)。而且锚固浮式机组可能进一步包括至少两根由浮力部段延伸至连接底座结构和该机组其它构件的缆绳或延伸至机组的其它部件的辅助缆绳。塔架的底座结构可能装有围箍以增加浮式机组的流体动力质量并延长它的自然波动周期。塔架在水面处应有一截面缩减区段，该区段处于水面以下并装有至少一个压载箱。
另一方面，本发明提供一种在水上安置浮式部件的方法，该浮式部件包括一个在浮动时从水面上延伸至水面下的塔架。该方法包括：
提供一艘含有平台的船舶和一个枢轴单元，用于邻近平台边缘沿水平轴向转动，该枢轴单元包括一个底座部件和两个安装于底座部件上且彼此分开的夹紧构件；
用夹紧构件夹紧塔架，从而将塔架夹持在平台上大体水平位置上；
将船舶和塔架运送至浮式部件的安装位置；
旋转枢轴单元和塔架至直到大体竖直位置上；以及
从夹紧构件松开塔架，从而允许浮式部件漂浮起来。
在本发明的“安装方法”中，塔架可以包括至少一个压载箱，该方法还进一步包括，在将塔架转到大体竖直位置之后，但是在将夹紧构件从塔架松开之前，至少向压载箱部分注水。安装方法还可以进一步包括当塔架在平台上大体处于水平位置时将一个外置浮力装置安置到塔架上，并在浮式部件漂浮后将外置浮力装置从塔架上松开。同样，夹紧构件的至少一个可以相对底座结构移动，从而允许调整两个夹紧构件之间的间距。最后，船舶还可以装有改变枢轴单元旋转轴相对平台位置的装置。
最后，本发明提供包含多个隔室的风力机机组，每个隔室大致呈具有水平轴的六角棱柱形，每个隔室都具有可以以大致与隔室轴相符的轴旋转的叶轮。这些隔室彼此相邻布置，且隔室的轴大致平行，具有壁三每个隔室限定一个穿过隔室的通道，隔室的叶轮布置有通道。通道的横截面从大致六边形的入口变到邻近叶轮的最小横截面的大致圆形部分，这样进入入口的风加速后再通过叶轮。
在这样的蜂窝状风力机机组中，相邻叶轮的最小横截面大致圆形部分的直径不要超过大致六边形入口外接圆直径的95％，最好不要超过80％。蜂窝状风力机机组可以进一步包括一个底座结构，在底座上旋转地安装有隔室和用以使隔室迎向风的调向器。蜂窝状风力机机组还包括一个包容所有小室的外罩。
附图1是本发明的一个蜂窝状风力机机组前视图(从隔室的入口看)。
附图2是附图1中一个蜂窝状风力机机组的侧视图。
附图3是图1及图2所示蜂窝状风力机机组两个隔室的水平截面，图示为空气流过这些隔室。
附图4是图1及图2所示蜂窝状风力机机组及其支撑结构的前视图。
附图5是图4所示蜂窝状风力机机组一个隔室及支撑结构从前端到另一端的一个放大的四分之三图。
附图6A是图1和图2所示蜂窝状风力机机组的一个隔室的俯视图，其修改之处为带有一个使机组迎向盛行风的装置。
附图6B是附图6A所示隔室的侧视图。
附图7，8A，8B基本相似于附图4，是本发明的另外三个蜂窝状风力机机组及其支撑结构的前视图。
附图9是用于本发明浮式发电机组的优选浮式风力机的侧视图。
附图10A是包含了七个图9所示风力机和三个锚的浮式发电机组的俯视图。
附图10B-10D是一个俯视图，与附图10A相似，显示了本发明中其它四种包含不同数量风力机和锚的浮动式发电机组。
附图11是一个侧视图，基本与附图9相似，它是图9所示风力机的改动型，所不同的是它装有辅助缆绳。
附图12A是附图11中风力机底座部段放大的四分之三图。
附图12B基本与附图12A相似，是经过改型后的底座部件(可替代图12A所示结构)的放大的四分之三图。
附图12C是附图12B所示的经改型的底座部件的包括轴的垂直平面图。
附图13A是附图11所示风力机浮力部件的放大的侧视图。
附图13B，基本与附图13A相似，是改型过的浮力部件(用于替换图13A所示部件)的侧视图。
附图14A和附图14B是分别在附图13B中用箭头A、B所指示的平面中的水平部分。
附图15，与附图11相似，是改型过的包含了附图13B所示改型过浮力部件的风力机的侧视图，附图15中显示了辅助缆绳可选择的安装位置。
附图16A-附图16E是侧视图，相似于附图15，显示了附图15中风力机对波浪运动起反应的方式。
附图17是侧视图，基本与附图15相似，显示了一种对附图15中用于从波浪运动中产生额外电力的风力机的改型。
附图18是附图17中改型过的风力机底座部件的俯视图。
附图19侧视图，基本与附图15相似，显示了一种对附图15中用于从水流中产生额外电力的风力机的进一步改型。
附图20A-附图20J，基本与附图10A-附图10E相似，是本发明另外的浮式发电机组的俯视图。
附图21A是用于执行本发明中安装方法的优选设备的侧视图，该装置安装于船舶的平台上。
附图21B是附图21A所示设备的俯视图。
附图22A，相似于附图21A，是旋转到竖直位置的设备的侧视图。
附图22B，相似于附图21B，显示了附图22A中同样竖直位置的夹紧构件处于夹紧位置时的设备。
附图22C俯视平面示意图，基本与附图22B相似，夹紧构件处于打开的位置。
附图23A是侧视图，相似于附图22A，显示了设备中用于支承负荷的支承杆。
附图23B是俯视图，相似于附图22B，但显示了与图23A中同样位置的支承杆。
附图24A-附图24D是侧视图，显示了用附图21-附图23设备将风力机装到船上以运输到安装位置。
附图24E是附图24D所示船只及其相关设备的俯视图。
附图25A-附图25D是侧面示意图，与附图24A-附图24D所示相似，显示了用附图21-附图23中设备如何将风力机安置到浮式发电机组场址的一个浮动位置上。
附图26A-附图26C是侧视图，与附图25A-附图25D相似，显示了一种经过改进的在风力机上使用外置浮力装置的方法。
附图27A-附图27G显示了附图21-附图23所示设备的各种改进型式。
如已提到的，本发明具有三个主要方面：即一种浮式发电机组，一种安装方法和一种蜂窝状风力机机组。下面将主要分别介绍本发明的这三个方面，但应明白一种机组或方法可能运用本发明的多个方面。比如，一种浮式发电机组可能包括本发明中蜂窝状风力机机组，且主要运用本发明的安装方法现场安装浮动式发电机组的浮式部件。
参照附图1-3，现详细说明本发明的一种可以用于陆基风力田的风力机机组，其中图1是优选的风力机机组(一般标示为100)的前视图，图2是机组100的侧视图，图3是通过机组100的两个相邻单元从水平面所取的截面图，其中示出通过这些单元的空气流动情况。
如图1和图2所示，风力机机组100包括许多独立的单元或隔室102。每一个隔室102容纳一个独立的安装成绕水平轴旋转的风轮104。隔室102具有带水平轴的六棱体形。风力机机组100还包括安装在偏航控制基座108上的支撑支柱106，同时偏航控制基座108由支撑构件112支撑的固定基座110支撑。支撑构件112可以是任意简便的类型，在图1和图2中仅表示为示意图。偏航控制基座108使得风力机机组100能迎风转动。
隔室102和风轮104的尺寸大小能在很大范围内变化。风轮104可能与常规的用于单塔架/单风轮部件(风轮直径30-47米)的风轮一样大，也可能相当小。例如，每个风轮104的直径d可能约8米，同时每个隔室102的高度D(也就是隔室102前视图的六边形外接圆的直径)可能约10米。
每个隔室102包括一个翼型构件(详见图3)。在小隔室情况下，选用炭纤维聚增强合物翼型构件；在大隔室情况下，选用铝合金或不锈钢翼型构件。翼型构件具有入口部段114、圆柱形部段116(隔室102的风轮104定位其上)及出口部段118。入口部段114的形状可能是相当复杂的截头圆锥体，这个形状从六角形入口(图1所示)过渡到与圆柱形部段116相邻的圆形横截面。(当然，圆柱形部段116的直径与风轮104的直径基本相同。为了增大从风轮输出的功率，在风轮叶片尖端与圆柱形部段116的内表面之间应留有少量的余地)另外一种选择是：入口部段的形状可能基本全部是圆形横截面，而圆形横截面从与圆柱形部段116相邻的圆形横截面到六角形入口的外接圆之间作光滑的过渡，但是，六棱体的面所截断的圆形横截面垂直于六角形入口的棱边延伸。从与图1相同的位置看，此种“截断圆锥体”入口部段会具有凹入的正面。在另一种可选结构中，翼型构件可能具有的内部形状提供一个在翼型构件的整个长度上延伸的连续曲线，因而用不着离散的入口部段、圆柱形部段及出口部段。入口部段114作为风轮104的空气入口，用来收集风冲击机组100上产生的流动空气，并在流动空气到达风轮104之前增加它的速度。因而为风轮104提供比平常风更高的风速且使风轮的输出高于简单的把风轮104暴露在平常风中的输出。尽管风轮104的叶片扫过的圆面积只有机组100前表面面积的一半，但是入口部段114的锥度和进入入口部段的流动空气的合成速度能使风轮104充分利用冲击机组100前表面的风。(叶片扫过的圆面积与机组100前表面面积之比可变化很大，参见以下d/D比率的讨论。)每个入口部段114的内表面的确切形状与飞机翼型的上表面相像，并依据空气动力学原理设计，目的是增大经过相关的风轮104的风速和减小空气通过隔室102时的阻力。
经过每个风轮104的风速由d/D比率决定，其中d和D已经定义过。根据经济状况和地点条件以及机组100能经受的最大风速来改变d/D的比率。增加d/D比率可减少入口部段114内的阻力并且能使用较轻的支撑结构(如下所述)；降低d/D比率就增大通过风轮104的风速并且使用更小而轻的风轮就能获得相同的功率输出，因而提高了风轮的运转效率。故至少在某些情况下需要改变单个机组内的d/D比率，机组基座附近的隔室102具有低的d/D比率，机组顶部附近的隔室102具有高的d/D比率。一般情况下，d/D比率不大于约0.95，最好d/D比率不大于0.8。
入口部段114提供的风速加速度对于增加风轮104产生的功率是十分重要的。例如，分析图1所示类型的六角形隔室，d/D比率是0.65。六角入口面积为0.6495D2，风轮在其中转动的圆平面的面积为0.7854d2，等于0.33D2。两者面积之比为1.96，因此这(不考虑摩擦和粘滞损失)是风速可加速的最大因子。对损失的合理评估表明加速度因子约为1.72，并且由于从风轮的可获得功率正比于风速的立方，所以1.72的加速度因子能五倍地增加功率输出。例如，有一市售风轮，其转子直径47米，额定功率660千瓦。根据本发明及1.72的加速度因子，在市售风轮的翼型上作些微的改进可将单个风轮的输出增加到3.3兆瓦，因此仅十个这样的风轮组成的机组就能输出33兆瓦，如在下面介绍的图8B所示。
翼型构件的出口部段118的供应具有可选择性，在某些情况下，为方便起见，可省去出口部段，让空气经过风轮104无阻碍地通过机组100的齿轮表面(下风向)，但是，省去出口部段118意味着流经风轮104的空气仅仅经过机组100的齿轮表面的一小部分面积，这可能导致邻近齿轮表面的明显扰动并且改变作用于机组100的相邻零件上的压力。因此，一般要求每个隔室都有一个出口部段118，部段118的外形与入口部段114的外形相似，将圆柱形部段116的圆形出口末端连接到机组100的后表面上的六边形出口，并且这个六边形出口的内表面是依据空气动力学设计用以减小阻力的。
如已高度简化的图2所示，外罩或外壳120用以覆盖机组100的外表面并通过置于隔室120翼型外表面的相邻位置来防止由于风吹过这些外表面时所产生的扰动。尽管外壳装置120具有选择性，并且可被删减以降低机组100的总成本及总重，但一般需要它来避免机组120周边的扰动及作用于机组局部的相应的压力和拉力，尤其是当机组安装在易遭受强风的地方的情况下。
图4及图5表明了机组100的支承结构。前视图4与图1相似，但去掉了翼型用以显示支承结构。图5是支承结构的一个隔室及相应风轮的局部放大图，隔室的翼型由开环来表达。如图4所示，机组的每个隔室由一个六边形架构122来支承，在该架构的下端伸出一短支柱124用以安装隔室102的风轮104。由图5可更清楚地看到，六边形架构122实际由两组平行的分别位于风轮104前后的架构122A和122B构成，架构122A和122B由杆126插入连接板128形成，因此架构122A和122B可由少量的标准件在现场快速安装。在架构122A和122B的下端由装有支柱124的十字架130相互连接。(图4所示架构的部分在某些情况下可以删减，比如说，根据翼型材料的强度，图4最上层隔室的两个垂直构件可以删减。同样，如图4中用虚线表示的可选辅助支承构件124A以120度角延伸至支柱124，这些辅助支承构件可用来支承翼型和(或)风轮104。在图5中，为清晰起见，辅助支承构件略去不画)。
偏航控制基座108(见图1和图2)可用各种不同的方式来控制，控制方式至少某种程度上取决于机组的尺寸。特别是在小型机组中，偏航控制基座可由风向标来控制，如图6A和图6B所示，图6A和如6B分别为装配有这种风向标132的一个隔室102的侧视图和俯视图。风向标装于隔室102的后表面，并且一般只装于隔室102的一部分上，最好是装于机组100的中心位置。风向标132与常规风向标作用方式相同，它使得机组100始终迎向盛行风。从机组100的尺寸和体积来看，它需要在偏航控制基座和控制基座110(见图1和图2)之间装备一些阻尼装置(如摩擦阻尼器或液压阻尼器)来防止偏航控制基座108的突然的运动，尤其是防止其运动方向的突然逆转。
任何已知的使机组100迎风的系统都可以应用。比如说，大型机组尤其需要装备用以探测风速风向的传感器以及用以控制偏航控制基座108相对固定基座110的运动的自动驱动装置；举例来说，这种自动驱动装置型式可以是在偏航控制基座108上装配电动机，相应地在固定基座110上装配齿轮与环形齿条啮合装置。同样，它也需要防止偏航控制基座108与固定基座110的相对运动，但在这种情况下，可由控制自动装置的软件来实现这种阻尼作用。这种系统的优势在于在风速达到可能对机组造成损坏时，根据所测风速发出警报或启动安全措施。
由上述可知，本发明的风力机机组与先前常用的使用分散的单塔架/单风轮的技术机组的不同之处在于本发明的风力机机组(典型地)是由复合的小尺寸的风轮隔室叠加从而组成了整套机组。每个单元可以相同(或可以使用一小部分比如在d/D比率上不同的单元)且可度量，这使得在维修和改型中易于更换。这种独特隔室相对小的体积和重量在建造、检修和维护过程中也具有优势，原因在于它减少了每次必须提升和操纵的重量；这就不再需要重型起重机，从而降低了成本，而且在易受恶劣的天气影响的离岸场所提升这些装置时还有安全方面的优势。
精通风力机技术的人员会认识到本发明的机组可以由各种不同的方式改进。比如，机组100的翼型具有六边形入口。这使得这些入口可以叠加起来而彼此之间无间隙，如图1所示，但对入口部段来说，在将六边形入口转换到圆形出口时需要极其复杂的几何形状，而且这些具有复杂几何形状的翼型时会增加制造成本。另一个方法是将翼型入口制成圆形(这样翼型在其整个长度上匀称地保持圆形，从而减少了制造中的问题。)相邻翼型入口间的三叶间隙由短而粗的三角锥形“缝帽”覆盖，但须将锥体底边弯曲以使其与翼型圆形入口的弯边相符合。这种缝帽的使用确保了所有输入到机组正面的气体都进入翼型入口(使风轮输出功率最大化)并且不会有流动气体进入翼型之间而引起不必要的扰动。
图1所示机组体积较小，仅包含8个隔室102，在实际运用中，在一个大型机组中会安装更多的隔室。图7和图8A显示了两种装有大量隔室的机组。图7所示机组实际上是由图1所示机组在不增加高度的情况下水平延伸而成，这在距离海滨较近的离岸场所较有用，在那里要求限制机组的整体高度以避免从海滨上看到它。相反地，图8A所示机组实际上是由图1所示机组在不扩展宽度的情况下纵向延伸而成，这在受经济条件限制而要求在较小基座上安装较大机组的地方有用。图8A所示机组特别适宜于那些在离地面或洋面相当高的距离可经常获得强风的地方充分利用其强风资源。
图8B所示机组基本上相似于图1所示机组，但它使用了更多市售风轮。图8B所示机组已标注尺寸，它使用了10个前面提到的47米的含有风力加速度因子1.72的翼型的风轮，这样每个风轮发电3.3兆瓦，整个机组发电33兆瓦。尽管体积较大，但图8B所示机组总体上适用于陆地风力田，且在许多情况下，这种单个大型的建造会比那种50个分散的单塔架/单风轮装置更适于使用，当其要求有同等电力输出的时候。必须注意在大型风力机机组(比如图8B所示机组)中，通常没必要增加与风轮直径相称的翼型的长度，也就是说，与图1相比，图8B中翼型一般小于风轮直径。
如已提到的，本发明还提供了浮式发电机组(一般指离岸风力田，不过本发明中浮式发电机组可以运用其它发电装置，比如从波浪运动或水流中获取能量的装置)，它可以安装在深水中而不必在海床或其它水面下固体上建造坚实的构造。这些浮式发电机组(见下文)主要使用常规的单塔架/单风轮型式的风轮组，但精通风力发电技术会很容易明白可以用本发明中的圆形风力机机组来取代单塔架/单风力机机组，如上所述。
附图9是一个单风轮部件(一般标示为900)的简化示意图，一个单风轮部件可以供应本发明中一种浮式发电机组的一个浮式组(为方便下文称之为“风力发电组”)。部件900包括一个多叶片(通常为三片)风轮902，该风轮安装于轮毂904上以水平轴旋转，且应大大高于水面以使风轮旋转时叶片不触及水面；实际上，为确保轮叶不受表面拖动阻碍而接受全部风速，就需要轮叶最低点处与水面的距离不小于15米。轮毂904装有一个发电器(无图)，它由塔台或塔架906来支承。含有风轮和轮毂(内置发电器)的器件可在市场上买得到，商品部件可以迅速安装于本发明的风力田内。商品部件装有使风轮迎向盛行风的装置(无图)，而且在轮毂下较近处装有一个旋转联轴节(无图)以使轮毂和风轮在固定的塔架上转动，从而减轻了在风轮迎向盛行风时的旋转重量。
到这里为止，部件900的构件都是常规的。但是，不是固定于陆地或海床上坚实的支承上，部件900设计用于深水锚定。如图9所示，塔架906穿过洋面908，其周围环绕有浮力部段或浮力带910，浮力部段或浮力带910置于洋面908上并提供足够的浮力使塔架906上端处于洋面上的预定高度。塔架906的下端固定到制造得足够重的风轮底座912上，底座902处于洋面908下足够深处，从而确保了整个部件900的重心处于洋面908下足够深处。如下详述，底座912连接到三根缆绳914上，缆绳连接到其它部件900或塔架上。
浮力带910用以确保部件900的浮力中心充分高于部件的重心用以提供稳定度来抵抗波浪作用。浮力带910还用来保护塔架906抵抗浮体的冲击。
图10A为包括10个器件的浮式发电机组或风力田的俯视图，即7个部件900和3个锚916(其中一个锚在图10A中略去不画以扩大图幅)。如图10A所示，部件900安置于一系列等边三角形的六个顶点上。更准确的说，其中六个部件900安置于正六边形的六个顶点上，正六边形的边造得足够长(一般不小于图9中所示风轮直径的五倍)以限定每个风轮902最大横向移动范围的圆环900A之间有足够的间距。第七个部件900安置于正六边形的中心。缆绳914沿六边形的六个边伸展，并把中心部件900与处于六边形顶点的部件交替连接起来。三个锚916排列于六边形交替边中垂线下的海床上，并由缆绳914连接至六边形相邻边的末端。从而三个锚916安置于等边三角形的三个顶点上，在等边三角形内安装有部件900，六边形上每个部件900与与其相邻两个部件900及一个锚916相连，六边形上相间部件900与中心部件900相连。因此，每个部件900由缆绳914连接到至少三个该机组的器件上。锚914用以紧固7个部件900使其对风及洋流具有稳定性。同样，不过在图9和图10A中没有显示，缆绳914可以附带电缆，该电缆把轮毂904产生的电输送至安装在一个或更多锚916上的水下电缆(无图)。但是，最好将电缆与缆绳914隔开从而把风力田的电力输送出去。
当然对部件900和锚916还有许多种安排方法，图10B-图10E显示了其中四种。图10B所示风力田是将图10A所示六边形相间边上的电缆删减后形成的，从而有三个部件900仅仅连接到一个其它部件900和一个锚916上。这种“开式”机组在不易遭受强风大浪的蔽风场所可能有用；开闭混合型机组当然也可运用。图10C显示了一个大型机组，与图10B所示“开式”机组基本相同，但在由其它三个锚构成的等边三角形的中心安置了第四个锚，在大型机组中需用这种中心锚来防止某些非直接连于锚的浮式器件的过大的漂移。图10D所示由12个浮式部件，5个锚组成的机组理论上是由两个图10B中所示机组沿一条断开的(无电缆连接的)边组合而成，并将沿那条边的连接到浮式器件的两个锚替换成一个处于那条边中间的中心锚。最后，图10E所示机组也可以认为是由两个图10B所示机组沿一条断开的边组合而成，但是用了一种不同的锚的安排方式。
那些精通风力机技术的人员将会明白，图9所示部件900可以有大量的变化。比如部件可以结合各种各样的风轮，风轮902可以是常规的三叶螺旋桨；这种三叶螺旋桨经大量证明，可能引起叶片共振的问题。另一种方法是部件900可以使用竖轴风轮；这种竖轴风轮不用偏航控制系统来使风轮迎向盛行风，但是未经大量证明，而且可能引起叶片共振问题。部件900可以使用一种WARP风轮(如由ENECO Texas LLC生产的)，不过这种全尺寸风轮还没有经过检验。最后，如已提到的，部件900可以使用本发明中的蜂窝状风力机机组，如上所述并请参照图1-图8。
为了降低独立基座的成本，可随即减少安装缆绳的数量。图9所示部件设计使用了1个底座和六根安装缆绳，这种设计可使图10A-图10E所示布局只使用一种底座。连于底座上的安装缆绳可以减少为3根。但是，因为并不是所有的图10A-图10E所示基座都有相同的缆绳配置，因此如果安装缆绳的数量减少的话，就需要多种形式的底座。
一座商业风力田一般会使用比图10A中所示更多的部件900。图10A所示安排方式可以认为是用于扩展成商业测试的试验装置；因为单个部件900额定容量一般为2.0-3.6兆瓦，图10A所示安排方式的输出约为20兆瓦。因此，一座总输出为100-200兆瓦的商业风力田可能使用5-10个图10A所示安排方式(也就是35-70个独立部件900)。下面将参照图20A-图20F来论述大型风力田的几个例子。
浮式风力田可能可一个缺点，尤其是靠近船运航道，就是在恶劣天气的情况下浮式部件有可能脱离其锚而对海上交通造成危险。为了降低这种危险性，起码一部分独立部件900应装备有全球定位系统(GPS)用以将位置信号提供给岸上的操作人员，从而当任何部件远离其预定位置时操作人员可以探测得到，并采取措施纠正部件且对运输船发出适当的警告。
图11是一个浮式部件(一般标示为1100)的侧视图，相似于图9所示，它实际上是图9所示部件的变型。部件1100大体相似于图9所示部件并相应地进行了标注，但两者之间主要有三点不同之处。首先，部件900的底座912被代之以更小的有钢筋混凝土圆盘造型的底座。底座1112可以有选择性地装备有一个系到海床上的拉伸部件。其次，部件900的圆柱形浮力部段替换成一个更短的浮力部段(一般标示为1110)；该部段包含一个中间圆柱形部段1110A，在其两端接有截头锥形部段1110B和1110C，它们用以在中间部段1110A的较大直径和塔架与浮力部段连接处作光滑过渡。截头锥形部段1110B，1110C帮助部件1100减少其最大机械荷载并降低由移动(尤其是起伏)引起的高频波。
然而部件900与部件1100之间最重要的不同之处在于后者的辅助缆绳1114从部段1110A上端连接到缆绳914上，缆绳1114与缆绳914的连接点离部件1110有相当远的距离。辅助缆绳1114为部件1100提供额外的稳定性以抵抗波浪和风力的冲击。(在某些情况下，辅助缆绳1114可以连接到一个锚上而不是一根缆绳914上。)
部件1100一般具有相当大的体积和重量(以后涉及吨均指公吨)。轮毂904高于水面908约60米，且它与叶轮共重约100吨。塔架其余于水面上的部分重约120吨，浮力部段为240吨。安装压载箱后的塔架水面下部分的重量从160吨(压载前)到1000吨(压载后)，底座部分1112安置于水面下65米以避免表面波作用，其重约700吨，因此整个部件1100总重从1000吨到2300吨。当压载箱满载时，部件的重心，如图11中箭头G所示，处于水面下40米处，而浮力中心，如箭头B所示，处于水面下20米处，这样就提供了20米的定倾中心高度。设计这些尺寸，使得20米的定倾中心高度只有4度的倾斜，从而使得轮毂904的300kN的力得以偏置。压载箱的尺寸设计得可供深水运作及浅水维修和建造。
图12A，12B和12C表达了对部件1100的一种可能的改进方法，即对底座部分1112型式上有所改变。图12A是图11中所示底座部分1112的放大图，该底座部分1112直径约12米，厚约1.2米。图12B与图12A相似，在底座部分的周边有一圆盘1112’形成一个环带或环箍1114，这就增加了底座部分的流体动力质量以减小表面波力引起的波动，延长了波动的自然周期。图12C是过底座部分1112’轴心的垂直平面的剖视图，并显示了环箍1114的截面。
图13A，13B，14A和14B是对部件1100的更进一步的改进，即对浮力部段型式上有所改变。图13A是图11中所示浮力部段1110的放大图。图13B与改进后浮力部段的图13A相似，该浮力部段如1110’所示，理论上是将浮力部段1110移至水面908以下，并在水面上设置一个三角形板1320，并由四根细的竖立支柱1322把浮力部段1110’和板1320连接起来。图14A和14B分别是图13B的水平截面A-A和B-B，它们显示了支柱1322的分布情况。(尽管在图13A，14A和14B中显示有四根支柱，但中间支柱可以删减，其余三根交替使用，这样就为浮力部段1110’提供了检修门的空间。)经改型的浮力部段被设计成在水面处产生减小的截面面积，从而减小了对单元1100波动效应。
图15显示了辅助缆绳与图13A，14A和14B中所示浮力部段的使用方式。如图15所示，辅助缆绳可以连接至浮力部段1110’的上端，或(如图15中虚线所示)连接至水面上的板1320。
由重底座1114提供的图15中所示部件的低重心和足够的定倾中心高度(即重心和浮力中心之间的距离)使得部件对波浪冲击具有很高的稳定度。图16A-16E显示了部件对强波作用的稳定度，图16A中部件处于深槽，图16E中部件处于尖顶，图16B-16E中部件处于中间位置。在各图中，强波下的洋面标示为“H”，风平浪静时的洋面标示为“C”.从图16A-16E中可以看出，即使在非常强的波浪冲击下，风轮也不会有因接触洋面而损坏的危险。
离岸风力田，尤其是深水离岸风力田，相对于陆地风力田的一个优势是离岸风力田可以利用除风之外的可再生能源；尤其是离岸风力田可以利用波浪能和(或)洋流能。如图17和图18一个部件(一般标为1700)的侧视图和俯视图，该部件相似于上述图15中的部件，但其是为波浪能发电。如图17和图18所示，部件1700的底座1712装配有三个彼此隔开且对称的水平延伸的辐1720，该辐分别装有环形构件1722和1724。环形构件1722和1724由缆绳1728连接至浮式构件1726，当波浪作用使这些浮式构件移动时，浮式构件就会带动缆绳1728相对于环形构件1722和1724运动，这样就能以已知方式从波浪中获取能量。
图19是另一种部件(一般标示为1900)的侧视图，该部件基本与图15中所示部件类似，但它是用于洋流发电的。部件1900的塔架装有一围绕其旋转的环形部段1930，该环形部段带有两个从部件1930以相反方向水平延伸的支臂1932。支臂1932的末端装有轮毂1936，在轮毂上安装有可以在洋流作用下旋转的风轮1934，从而主控振荡器(无图)可安装在轮毂1936内。从主控振荡器产生的电由支臂1930和部件1930内的电缆输送至塔架，从那里起电缆输送方式于前面所述方式相同。
以上所述深水离岸风力田(参照图9-图19)相比常规浅水离岸风力田具有在更深水下快速安装的优势；因此深水离岸风力田大大增加了风力田的可能的场址，且不易引起关于噪声和美观方面的抱怨，还能利用深海的更强更稳定的风能。参照图16A-图16E所示本发明中风力发电部件具有很高的抵抗波浪作用的能力，而且前面所述这些部件的互连方式进一步降低了由于波浪或风暴所引起的部件倾斜和损坏的几率。本发明中风力发电部件可以快速生产从而在维护，修理和改型时每个器件(比如风轮，基座和浮力带)都可以快速更换。
当然本发明不仅仅局限于来自风力田电力的直接供应，风力田还可以以其它方式利用电力。比如，风力田可以用来制氢，典型地通过电解水法，或厂外合成氢。在离岸风力田很便于制氢，然后通过管道输送到岸上，而不是通过海底电缆将电力输送到陆地上。(近岸电力网的风力田以此制氢法实现的电的去耦法避免了风力田影响近岸电力供应质量的问题，从而避免了一些电力公司认为可行但控制其比例的限制。)更可取的是，氢气可在风力田内以气态或液态储存然后用气罐运走。因此一座风力田以此方式运作而不必直接连接至海滨，它可以座落在离岸更远的地方。
图20A-20J(相似于图10A-10E)是本发明中更多的风力田的俯视平面图，显示了锚排列的变化形式和前述复式小风力田是如何组成大规模高输出的风力田。拿附加缆绳及其相关缆绳的成本和风力田被大风大浪或湍流破坏或损毁的风险相比较，并根据当地情况如水深，洋流，潮汐和预期波浪情况(包括比如飓风或类似大风暴的可能性)，锚的最佳安排方式会大不相同。图20A，20B和20C是设计用来提供比图10A中所示更稳固的锚排列方式。图20A所示排列方式实际是图10A中所示排列方式的改进型式，每个锚916连接至六边形的三个相邻部件900。图20B所示排列方式是图10A中所示排列方式的另一种改进型式，它多出三个补充锚916，每个锚连接到六边形的两个相邻部件900上，这样六边形中的每个部件连接到两个分开的锚上，从而限制整个风力田的旋转角度。图20C所示排列方式同样用了六个锚排列成一个六边形，但每个锚只连接到六边形的一个部件上。图20D所示排列方式相似于图20C，但其中心浮动部件连接到六边形的其它六个浮动部件上以使其在暴露的地方获得最大的稳定性。
图20E到20J显示了大型风力田。图20E显示了25个浮式部件，27条缆绳，3个锚的发电厂，它实际上是图10C所示发电厂的扩展版本；在图20E中，中心浮式部件可由一个锚取代(参照图10C)以获取更大的稳定度。图20F显示了31个浮式部件，33条缆绳，6个锚的比图20E所示部件具有更高稳定性的发电厂，同样其中心浮式部件可由一个补充锚取代。图20G显示了19个浮式部件，30条缆绳，6个锚的“扩展式六边形”发电厂，该发电厂可被认为是由六个图20B中所示发电厂叠加而成，锚只环绕于发电厂的周边，每个锚连接到三个相邻的部件上。图20H显示了一个与图20G中所示相似的扩展式六边形风力田，但其具有更高的稳定性，该发电厂可被认为是由六个图20C中所示发电厂叠加而成。图20I和图20J显示了大型的输出与陆基非风发电厂相当的发电厂。图20I所示57个浮式部件，90条缆绳，13个锚的发电厂可以看作是由三个图20G所示发电厂组成，但在可能的地方共用锚，相似地，图20J所示133个浮式部件，210条缆绳，24个锚的发电厂可以看作是由七个图20H所示发电厂组成，但在可能的地方共用锚。应注意在图20I所示风力田的中心有一个锚以对称方式连接到九个浮式部件上。如果天气和洋流条件不需要中心锚，这个中心锚就可以删减，仅由九条缆绳互连，或直接连接到(或通过)浮体或其它配有缆绳架的装置上。图20J所示风力田有六组相似单元，在这些单元内，九条缆绳以对称方式连接到一个锚上，在某些情况下，这六个锚可以部分或全部删减而仅仅彼此互连。
接下来将讨论本发明的安装方法。如上所述，在本发明浮式发电机组中，浮式部件900和1100即使在压载箱空载时也会重达2000吨，高达120多米。在外海用常规海上起重机安装如此庞大的重型部件会受到天气情况的影响，因此需要一种更稳定更可靠的安装方法来达到低成本可靠安装。本发明的安装方法就是为此而设计的。
以下将叙述一种更好的安装方法(参照图21-23)。如图21A和21B所示，该方法运用了一种安装在船舶(图21A显示了其局部)上开放平台上的装置(一般标示为2100)，装置2100靠近平台2102的后部，它可绕水平轴2104相对于平台2102转动。装置2100包含一个底座2106，在底座上安有两个分开的夹紧构件2108和两个支承杆2110。由图22B和图22C可清楚地看到，每个夹紧构件2108有两个移动钳爪，它们可相对移动到夹紧位置(图22B)以夹紧部件900或1100，也可移动到松开位置(图22C)以松开部件使部件相对夹紧构件自由移动。
从图21A，图22A，图23A和图23B可以看出，整个装置2100可以沿轴2104从运送部件的水平位置(图21A)转到装载或安装部件的垂直位置(图22A)。而且，当夹紧构件2108处于松开位置时，介于夹紧构件2108的钳爪之间的支承杆2110可相对底座2106从平置于底座的位置(图22A)转到垂直于底座的位置(图23A和图23B)，从而支承杆2110可用来固定和操纵部件900或1100。
图24A至图24E显示了装置2100用以装载部件1100到用以运输到安装场所的船舶上的方法。部件1100通常安置于干船坞内(图24A)。向干船坞注水(图24B)，装有装置2100的船舶2402就被导入水淹船坞里，这时装置2100处于垂直位置。由支承杆连接夹紧构件2108周边加紧的部件1100和装置2100就被降低到它们的水平位置，从而将部件1100平置于准备运往安装场所(图24D)的船舶平台上。图24E为处于此位置的船舶和部件1100的俯视平面图。
图25A至图25D显示了处于安装场所的部件1100的安装过程。图25A，实际上与图24D相同，显示了运往现场的船舶和部件。然后装置2100和部件1100被升举到垂直位置(图25B)。然后对置于部件1100内的压载箱部分注水以调整部件的浮力，打开支承杆2110，松开夹紧构件2108，对压载箱进一步注水以获得合适的安装部件1100的深度(图25C)。现在部件1100可离开船舶自由漂浮，船舶移离浮式部件，装置2100回归到平台上的水平位置(图25D)。通过本安装方法的反操作可收回部件1100。
本发明的安装方法较之常规的运用海上起重机的安装方法有若干优势。在本安装方法的浮式部件由平台上水平位置移动到漂浮位置阶段，部件施加于提升轴的重量大大低于起重机同样操作所能达到的重量，这种低轴位置使得本安装方法更适于在波涛汹涌或风平浪静的海上操作。这种低轴位置同样制约了部件相对提升期间船舶的重力作用中心，从而相对以起重机为平台的安装如此重的浮式部件的方法来说，减少了船舶稳定度的降低和提升期间的移动。通过逐步向压载箱注水可使部件降低到预定漂浮位置，从而可使部件的浮力获得持续的平衡，确保了“软着陆”。同理，本方法的反操作也比运用起重机的方法简单。
图26A，图26B和图26C所示是对图25A-图25D所示方法的改进，它使用了一个外置浮力装置2600，可运用于待装部件在其升举(垂直)位置不能充分浮起时的情况。如图26A所示，当部件1100仍处于平台上水平位置时，将外置浮力装置环绕并紧固于部件的下表面部位；在部件装载到船舶之前安装外置浮力装置可能比较方便。部件被升举到垂直位置，这时装置2600仍连接在上面(图26B)，但当压载箱部分注水后浮标达到浮力平衡点时，用于紧固装置2600的夹紧构件松开，装置脱离部件100(图26C)。尽管在图26A，图26B和图26C中没有显示，装置2600需要由一根缆绳或相似装置连接到船舶上，以使其在部件1100自由漂移后能够从水上收回。
装置2100的型式可以有大量的变化，图27A-图27G显示了若干种。图27A和图27B显示了一种改进后的装置2700，在该装置中，一个夹紧构件2708A可相对底座及另一个夹紧构件2708B移动，从而改变两个夹紧构件之间的距离并以不同长度夹持浮式部件。图27C和图27D显示了另一种改进后的装置2710，该装置有一个旋转件2714可调整垂直于船舶平台，从而使得装置2710可操纵浮式部件以获得不同的浮力中心。图27E显示了一种更进一步改进的装置，在该装置中，底座可沿旋转轴移动，从而在安装或收回浮式部件时夹紧构件和支承杆可竖向移动。图27F所示改进装置含有三个分开的夹紧构件，当改进装置被升举到其垂直位置时，其中一个夹紧构件处于水面下相当远的距离；这种水下夹紧构件为待装浮式部件下表面部分提供了额外的支承。最后，图27G显示了一种更进一步改进的装置，在该装置中，一个液压支承2730安装于平台和底座之间用以提供辅助的提升力。

Claims (13)

1.一种浮式发电机组，其特征在于：其具有的器件为：至少三个漂浮在水体上的浮式部件(900)和至少三个固定于水体下固体表面的锚(916)，每个浮式部件(900)都装备有发电装置(902，904；1726，1728；1934)，每个锚(916)由缆绳(914)连接到至少两个浮式部件(900)上，并且每个浮式部件(900)由缆绳(914)连接到该发电机组的至少两个其它器件上，浮式部件(900)大体上安置在至少一个等边三角形的顶点上。
2.依照权利要求1一种的浮式发电机组，其中每个发电装置包括一个风力机和一个从波浪和/或水流中获取电力的装置的至少之一。
3.依照权利要求1一种的浮式发电机组，其特征在于，三个锚(916)大体上安置在一个等边三角形的顶点上，浮式部件(900)安装于此等边三角形的内部或沿其侧边安装。
4.依照权利要求1一种的浮式发电机组，其中每个浮式部件(900)由缆绳(914)连接到该发电机组的至少三个其它器件上。
5.依照权利要求1一种的浮式发电机组，其包括至少六个大体上安装在正六边形的顶点上的浮式部件(900)。
6.依照权利要求5一种的浮式发电机组，还包括一个安装在正六边形中心的第七浮式部件。
7.依照权利要求1一种的浮式发电机组，浮式部件(900；1100；1700；1900)的至少之一包括：
一个由水面(908)上延伸至水面下的塔架(906)；
一个包括多个叶片的风力机(902)，它旋转安装或邻接在塔架
(906)上端，使得叶片在旋转时不接触水；
一个安装在塔架(906)上邻近水面(908)处的浮力部段(910；1110；1110’)，且被布置成为发电机组提供浮力；
一个安装于塔架(906)上水面(908)下并有缆绳(914)与其相连的底座结构(912；1112；1114；1712)，该底座结构(912；1112；1114；1712)已被加重以使浮式部件(900；1100；1700；1900)的重心大体上处于水面(908)下。
8.依照权利要求7一种的浮式发电机组，其中浮式部件的重心至少在水面以下三十米。
9.依照权利要求7一种的浮式发电机组，其中浮式部件有至少10米的定倾中心高度。
10.依照权利要求7一种的浮式发电机组，还包括至少两根辅助缆绳(1114)，该辅助缆绳从浮力部段(1110)延伸到连接底座结构(1112)和该发电机组的其它器件的缆绳(914)上，或延伸到发电机组的其它器件上。
11.依照权利要求7一种的浮式发电机组，其中底座结构(1112)装有围箍(1114)以增加浮式部件(1100)的流体动力质量并延长它的自然波动周期。
12.依照权利要求7一种的浮式发电机组，其中塔架(906)在水面(908)处有一截面缩减区段(1322)。
13.依照权利要求7一种的浮式发电机组，其中在水面(908)以下的塔架(906)部分至少装有一个压载箱。
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