CN105793563A - 漂浮式风力涡轮机支撑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半潜式风力涡轮机平台，其能够漂浮在水体上并支撑风力涡轮机，并且包含楔石。至少三根底梁从所述楔石径向向外延伸，并且中心柱从所述楔石的上表面垂直延伸，所述中心柱的第一轴向端附接到所述楔石；所述中心柱被构造成具有附接到其第二轴向端的塔架。多根外柱中的一根从每一底梁的上表面垂直延伸，其中所述外柱的第一轴向端附接到每一底梁的远端。多根顶梁中的一根在每一外柱的第二轴向端与所述中心柱的第二轴向端之间延伸，其中所述顶梁被构造成基本上不抵抗附接到所述中心柱的塔架的弯矩。

Description

漂浮式风力涡轮机支撑系统
背景技术
本发明大体上涉及风力涡轮机支撑系统。特定来说，本发明涉及一种改进的漂浮式风力涡轮机支撑系统以及一种组装此漂浮式风力涡轮机支撑系统的方法。
用于将风能转换成电力的风力涡轮机是已知的并为电力公司提供替代能源。在陆地上，大的风力涡轮机组(通常以数百风力涡轮机计数)可在一个地理区域中放置在一起。这些大的风力涡轮机组可产生过高级别的噪声且可能被认为不太美观。归因于诸如丘陵、树林和建筑物等的障碍物，这些陆基风力涡轮机可能无法利用最佳空气流动。
风力涡轮机群组也可定位在海上，但是是定位在靠近海岸水深允许风力涡轮机固定地附接到海床上的基座的位置处。在海洋上，到风力涡轮机的空气流动不可能因为存在各种障碍物(即，如丘陵、树林和建筑物)而受到干扰，从而产生更高的平均风速和更多的电力。在这些近海岸位置将风力涡轮机附接到海床所需的基座是相对昂贵的，并且仅可在相对浅的深度(诸如，最高至约25米的深度)处实现。
U.S.NationalRenewableEnergyLaboratory已确定：在具有30米或更深的深度的水面上的美国海岸线外的风具有约3,200TWh/yr的能量容量。这等于约3,500TWh/yr的美国总能源使用的约90％。大部分海上风资源驻留在离开海岸37千米与93千米之间，水深超过60米的位置处。这样深的水中的用于风力涡轮机的固定基座不可能在经济上具有可行性。这种限制已经导致了对于用于风力涡轮机的漂浮式平台的开发。
已知的漂浮式风力涡轮机平台由钢形成并且是基于由海上石油和天然气工业开发的技术。漂浮式风力涡轮机平台的其它实例描述于以下专利中：2011年11月4日提交的第PCT/US2011/059335号PCT申请(在2012年5月10日公布为第WO2012061710A2号PCT公开)和2013年4月15日提交的第13/863,074号美国专利申请(在2013年9月12日公布为第2013/0233231A1号美国专利申请公开)，所述两个专利申请的公开内容以引用方式并入本文。然而，仍需要提供一种改进的漂浮式风力涡轮机支撑系统。
发明内容
本申请描述了半潜式风力涡轮机平台的各种实施例。在一个实施例中，一种半潜式风力涡轮机平台能够漂浮在水体上并支撑风力涡轮机，并且包含楔石(keystone)。至少三根底梁从所述楔石径向向外延伸，并且中心柱从所述楔石的上表面垂直延伸，所述中心柱的第一轴向端附接到所述楔石；所述中心柱被构造成具有附接到其第二轴向端的塔架。多根外柱中的一根从每一底梁的上表面垂直延伸，其中所述外柱的第一轴向端附接到每一底梁的远端。多根顶梁中的一根在每一外柱的第二轴向端与中心柱的第二轴向端之间延伸，其中所述顶梁被构造成基本上不抵抗附接到所述中心柱的塔架的弯矩。
当根据附图阅读时，本领域的技术人员将从以下详细描述明白本发明的各个优点。
附图说明
图1是根据本发明的改进的漂浮式风力涡轮机平台的正视图。
图1A是图1中所示的漂浮式风力涡轮机平台的替代实施例的部分的放大正视图，其示出了垂直轴风力涡轮机。
图2是图1中所示的改进的漂浮式风力涡轮机平台的透视图。
图3是图1和图2中所示的改进的漂浮式风力涡轮机平台的分解透视图。
图4是示出图1至图3中所示的改进的漂浮式风力涡轮机平台的一个实施例的维度的正视图。
图5是示出图4中所示的改进的漂浮式风力涡轮机平台的实施例的维度的俯视平面图。
图6是图2中所示的楔石的放大透视图。
具体实施方式
现将偶尔参考本发明的所示实施例来描述本发明。然而，本发明可以不同形式体现且不应被理解为限于本文中陈述的实施例也不应被理解为限于任何优选次序。而是，提供这些实施例使得本公开将更透彻，并且将向本领域的技术人员传达本发明的范围。
下文公开的本发明的实施例大体上提供对各种类型的漂浮式风力涡轮机平台(诸如，圆柱浮标式平台、张力腿式平台和半潜式平台)的改进。本发明包含一种改进的漂浮式风力涡轮机支撑系统或平台、使用被选定来减小漂浮式风力涡轮机支撑系统的总重量、总成本和性能的材料构造所述改进的漂浮式风力涡轮机支撑系统的组件的改进方法，以及一种组装所述改进的漂浮式风力涡轮机支撑系统的方法。
如本文中使用，术语平行定义为在基本上平行于地平线的平面中。术语垂直定义为基本上垂直于地平线的平面。
参考各图，尤其参考图1，漂浮式复合风力涡轮机支撑系统或平台10的第一实施例被示为锚固到海床S。所示漂浮式风力涡轮机平台10包含基座12，基座12支撑塔架14(在下文进行详细描述)。塔架14支撑风力涡轮机16。所述基座是半潜式的，并且被结构化和构造成漂浮、半潜在水体中。因此，当基座12漂浮在水中时，基座12的一部分将处在水面上方。如图所示，基座12的一部分在水线WC下方。如本文中使用，水线定义为水的表面触及漂浮式风力涡轮机平台10的逼近线。系泊索18可附接到漂浮式风力涡轮机平台10并进一步附接到锚固件(诸如，海床S中的锚固件20)以限制漂浮式风力涡轮机平台10在水体上的移动。
如将在下文更详细描述且在图2中最佳示出，所示基座12由三根底梁22形成，所述三根底梁22从楔石24径向向外延伸并提供浮力。内柱或中心柱26安装到楔石24，并且三根外柱28安装在底梁22的远端处或附近。中心柱26和外柱28向上且垂直于底梁22延伸并且也提供浮力。此外，中心柱26支撑塔架14。径向支撑件或顶梁30连接到中心柱26和外柱28中的每一根。塔架14安装到中心柱26。如果需要，猫行道(catwalk)32可附接到每一顶梁30。每一猫行道32可通过安装在塔架14的基部的全部或一部分周围的连接猫行道32a来连接。在图2中，为清楚起见，已移除一根顶梁30上的猫行道32的一部分。
在本文中所示的实施例中，风力涡轮机16是水平轴风力涡轮机。另选地，所述风力涡轮机可为垂直轴风力涡轮机，诸如在图1A中的16′处示出。涡轮机16的尺寸将基于锚固漂浮式风力涡轮机平台10的位置处的风力条件和期望功率输出而变化。例如，涡轮机16可具有约5MW的输出。另选地，涡轮机16可具有在从约1MW到约10MW的范围内的输出。
风力涡轮机16包含可旋转轮毂34。至少一个转子叶片36耦合到轮毂34且从轮毂34向外延伸。轮毂34可旋转地附接到发电机(未示出)。所述发电机可经由变压器(未示出)和水下电力电缆37耦合到电力网(未示出)。在所示实施例中，转子具有三个转子叶片36。在其它实施例中，转子可具有三个以上或三个以下转子叶片36。机舱38与轮毂34相对地附接到风力涡轮机16。
如图3和图6中示出，楔石24包含上壁24a(其界定上表面24b)、下壁24c，并且进一步界定具有三个径向向外延伸的支腿38的中心部分24d。每一支腿38包含端壁38a，端壁38a界定底梁22将附接的基本上垂直的连接面38b以及相对侧壁38c。基本上垂直的过渡壁38d在邻近支腿38的侧壁38c之间延伸。
在楔石24的所示实施例中，形成三个支腿38使得邻近支腿38的轴向延伸中心线之间的角度为约120度的角度A，如图5中示出。另选地，楔石24可包含用于附接四根或四根以上底梁22的四个或四个以上支腿。
楔石24包含多根第一导管76a，导管76a从连接面38b，通过侧壁38c朝向楔石24的内部延伸。这些导管76a与第一导管78a轴向对准，第一导管78a是横向通过楔石24的一侧上与每一支腿38相对的侧壁38c而形成。类似地，多根第二导管76b从连接面38b，通过上壁24a和下壁24c朝向楔石24的内部延伸。第二导管76b与第二导管78b轴向对准，第二导管78b是横向通过楔石24的一侧上与支腿38相对的侧壁38c和过渡壁38d而形成。
所示楔石24由预应力钢筋混凝土形成，并且可包含内部中心腔。每一支腿38也可包含内部支腿腔。任何期望工艺可用于制造楔石24，诸如旋制混凝土工艺或常规混凝土模板。另选地，也可使用其它工艺，诸如用于预制混凝土工业中的那些工艺。楔石24的混凝土可使用任何常规增强材料(诸如高抗拉钢缆和高抗拉钢筋条或REBAR)进行增强。另选地，楔石24可由FRP、钢或预应力钢筋混凝土、FRP和钢的组合形成。
如图3和图6中最佳示出，每一底梁22包含上壁22a(其界定上表面22b)、下壁22c、相对侧壁22d、第一端壁22e(其将被连接到楔石24的垂直连接面38b)以及半圆柱形第二端壁22f。如同楔石24，所示底梁22由预应力钢筋混凝土形成，如上文描述。另选地，底梁22可由FRP、钢或预应力钢筋混凝土、FRP和钢的组合形成。
如图2中示意性所示，一个或多个第一压载舱46可形成在每一底梁22中。而且，一个或多个第二压载舱48可形成在每一外柱28中。
再次参考图3，中心柱26包含圆柱形侧壁56(其具有外表面56a、第一轴向端56b、第二轴向端壁56c)并且界定中空内部空间。类似地，外柱28包含圆柱形侧壁60(其具有外表面60a、第一轴向端60b、第二轴向端壁56c)并且界定中空内部空间。如同楔石24和底梁22，所示中心柱26和外柱28由预应力钢筋混凝土形成，如上文描述。另选地，中心柱26和外柱28可由FRP、钢或预应力钢筋混凝土、FRP和钢的组合形成。
所示漂浮式复合风力涡轮机平台10包含三根底梁22和三根外柱28。然而，应当理解，改进的漂浮式复合风力涡轮机平台10可被构造成具有四根或四根以上底梁22和外柱28。
再次参考图3，图示一种使基座12后张紧的方法。第一钢筋束(由箭头84a表示)纵向延伸通过中心柱26的侧壁56并延伸通过楔石24。类似地，第一钢筋束84a纵向延伸通过每一外柱28的侧壁60并延伸通过底梁22。第一钢筋束84a还纵向延伸通过底梁22的壁22a、22c和22d中的一个或多个并延伸通过楔石24。第一钢筋束84a的自由端使用合适紧固件固定到楔石24、底梁22、中心柱26和外柱28的外表面。
一旦安装，就对第一钢筋束84a进行纵向后张紧，其中钢筋束84a受应力并被适当锚固。钢筋束84a想要恢复到其初始长度，但锚固件阻止钢筋束84a恢复到其初始长度。因为第一钢筋束84a维持在永久受应力(即，伸长)状态中，所以其对楔石24和底梁22的混凝土、对楔石和中心柱以及对底梁22和外柱28施加压缩力。由此后张紧引起的压缩抵消由随后施加的负载或力矩产生的张力，所述负载或力矩由施加在塔架14和风力涡轮机16上的风应力施加到漂浮式风力涡轮机平台10。
第二钢筋束(由箭头84b表示)可在垂直于底梁22的轴的方向上延伸通过底梁22中的每一根的壁22a、22c和22d中的一者或多者。第二钢筋束84b的自由端可如上文描述那样张紧和固定。
在本文中所示的实施例中，后张紧钢筋束84a和84b是钢缆，诸如高抗拉钢缆。另选地，后张紧钢筋束可由任何其它高抗拉强度材料形成。
如果需要，密封构件(诸如，图3中示出的垫圈G)可安置在楔石24与底梁22之间以密封楔石24和底梁22之间的连接。合适的垫圈材料的非限制性实例包含氯丁橡胶、填缝材料、橡胶和其它弹性体。
参考图3，顶梁30构造为基本上轴向负载的构件且在中心柱26的上端与每一外柱28的上端之间基本上水平延伸。在所示实施例中，顶梁30由具有约4ft(1.2m)的外径的管状钢形成。另选地，顶梁30可由FRP、预应力钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土、FRP和钢的组合形成。每一顶梁30在每一端处包含安装支架30a。安装支架30a被构造成附接(诸如，通过螺纹紧固件)到中心柱26和每一外柱28上的附接构件30b(诸如，钢板)。
顶梁30被进一步设计和构造成基本上不抵抗塔架14的基部的弯矩并且不承载弯曲负载。而是，顶梁30接收和施加中心柱26与外柱28之间的张力和压缩力。
所示顶梁30(由约4ft直径的钢形成)比由钢筋混凝土形成的类似梁更轻且更细。在漂浮式风力涡轮机平台10的上部使用相对更轻且更细的顶梁30(即，轴向负载的构件)允许在最需要重量的漂浮式风力涡轮机平台10的平台结构的底部分配更多相对重量。重量减少可为显著的。例如，重约800,000磅的混凝土构件可使用重约70,000磅的钢梁来替换，从而还提供材料和构造成本的有利节省。
在所示实施例中，塔架14是具有界定中空内部空间14b的外壁14a的管件，并且可具有任何合适外径和高度。在所示实施例中，塔架14的外径从其基部处的第一直径到其上端处的第二、较小直径逐渐减小。所示塔架14由纤维增强聚合物(FRP)复合材料形成。其它合适复合材料的非限制性实例包含玻璃和碳FRP。所述塔架还可由复合层压材料形成。另选地，塔架14可以与上文详细描述的基座12的组件相同的方式由混凝土或钢形成。
塔架14可以任何数目的区段14c形成。如同中心柱16和外柱28，塔架的中空内部空间14b可通过一个或多个底板96再分成一个或多个内部区段94。这些内部区段94可构造为用于在风力涡轮机16和漂浮式复合风力涡轮机平台10的操作中使用的设备的室。
有利地，相对于常规钢塔架，由如上文描述的复合材料形成的塔架14将在水线WL上方具有减小的质量。因为FRP复合塔架14具有减小的质量，所以还可减小基座12(包含在水线WL下方维持漂浮式风力涡轮机平台10的稳定性所需的任何压载物)的质量。这将降低风力发电装置的总成本。
显著地，可选择用于漂浮式风力涡轮机平台10和塔架14的材料以将较强、较轻材料集中在基座12的上部中并将较重材料集中在基座12的下部中。如上文详细描述，楔石24、底梁22、中心柱26和外柱28可由钢筋混凝土形成，而基座12的上部处的顶梁30可由钢形成。塔架14(安装到基座12的上端)可由FRP形成。在一个示范性实施例中，基座12的下部(诸如，楔石24和底梁22)由相对较高密度的混凝土形成，并且基座12的上部(诸如，中心柱26和外柱28)分别由相对较低密度的混凝土形成。因此，用于形成漂浮式风力涡轮机平台10和塔架14的材料从漂浮式风力涡轮机平台10的底部到塔架14的顶部具有大体上和基本上连续变高的材料强度与重量比，其中在塔架14的顶部处具有最高的强度与重量比。以此方式构造的漂浮式风力涡轮机平台10和塔架14将具有相对低的重心。
应当理解，压载舱46和48可通过包括多个管道和泵(未示出)的主动压载物系统以流体方式连接。例如，由管道和泵组成的此主动压载物系统可将所有压载舱46和48连接在一起。例如，此系统可用于将压载物从外柱28中的压载舱48中的一个或从底梁22中的压载舱46中的一个移位到其它压载舱46和48中的任一者。在一个实施例中，主动压载物系统包含两个每分钟1200加仑的泵。估计此主动压载物系统可在半个小时的泵送时段中将塔架的垂直倾斜调整大约5度。主动压载物系统允许漂浮式风力涡轮机平台10的结构负载减小，由此允许漂浮式风力涡轮机平台10相对于不具有此主动压载物系统的类似风力涡轮机平台具有更小的尺寸。
此外，主动压载物系统允许从压载舱46选择性地添加和移除水，以在所有操作和环境条件期间和在漂浮式风力涡轮机平台10或风力涡轮机16的任何组件被损坏时将漂浮式风力涡轮平台10的俯仰角和横摇角维持在预设设计限制内。虽然压载物被描述为是水，但应当了解，所述压载物可为其它合适流体，诸如浆液。合适浆液可包括密实材料颗粒和水。例如，由氯化钙和水形成的浆液可代替水用作压载物。
现在参考图4和图5，图示了漂浮式风力涡轮机平台10的一个实施例。在图4和图5中所示的一个实施例中，涡轮机16具有约6MW的输出和约496ft(约151m)的转子直径D1。为支撑此涡轮机，漂浮式风力涡轮机平台10具有约301ft(约92m)的平台外径D2以及约265ft(约80m)的平台宽度W。外柱28和中心柱26各自具有约30ft(约9m)的外径D3。漂浮式风力涡轮机平台10具有从底梁22的底部到轮毂34的中心约329ff(约100m)的高度H1以及从底梁22的底部到转子叶片36的远端(当转子叶片与塔架14轴向对准时)约642ft(约196m)的最大高度H2。基座12具有从底梁22的底部分别到中心柱26和外柱28的顶部约115ft(约35m)的高度。当部署在水体中时，图4和图5中所示的漂浮式风力涡轮机平台10具有约66ft(约20m)的吃水深度H4。
应当理解，本文中描述的改进的漂浮式风力涡轮机平台10的每一组件的尺寸和维度将随着被支撑的风力涡轮机16的尺寸以及将部署改进的漂浮式风力涡轮机平台10的位置中的环境条件而变化。
在组装改进的漂浮式风力涡轮机平台10的方法的第一实施例中，首先在干船坞(drydock/gravingdock)中形成钢筋混凝土楔石24和底梁22。接着，将底梁22后张紧到楔石中，如上文描述。接着，用水注满干船坞使得包括楔石24和底梁22的总成漂浮。将楔石24和底梁22的总成移动到具有足够吃水深度的船坞或旁墩(pier-side)组装区，使得所述总成在漂浮式风力涡轮机平台10的剩余组件的组装期间保持漂浮。
接着，在楔石24和底梁22上的适当位置分别形成中心柱26和外柱28。中心柱26和外柱28可通过任何期望混凝土形成方法分段形成或以一次形成操作形成。一旦形成，就接着分别将中心柱26和外柱28后张紧到楔石24和底梁22，如上文描述。接着，安装轴向负载的顶梁30，之后安装塔架14和涡轮机16，从而界定漂浮式风力涡轮机平台总成。
一旦完全组装，就可将其上安装有塔架14和涡轮机16的漂浮式风力涡轮机平台10从干船坞拖出到将系泊漂浮式风力涡轮机平台10的位置。在拖曳期间和/或在到达其系泊位置之后，可用水填充压载舱46和48。接着，将漂浮式风力涡轮机平台10附接到其系泊索18，所述系泊索预固定到海床S。接着，将漂浮式风力涡轮机平台10附接到水下电力电缆37，如上文描述。
在组装改进的漂浮式风力涡轮机平台10的方法的第二实施例中，首先在干船坞中形成钢筋混凝土楔石24和底梁22。接着，将底梁22后张紧到楔石中，如上文描述。接着，在楔石24和底梁22上的适当位置分别形成中心柱26和外柱28。中心柱26和外柱28可通过任何期望混凝土形成方法分段形成或以一次形成操作形成。一旦形成，就接着分别将中心柱26和外柱28后张紧到楔石24和底梁22，如上文描述。接着，安装轴向加载顶梁30，之后安装塔架14和涡轮机16。
接着，用水注满干船坞使得其上安装有塔架14和涡轮机16的漂浮式风力涡轮机平台10漂浮。可将其上安装有塔架14和涡轮机16的漂浮式风力涡轮机平台10从干船坞拖出到将系泊漂浮式风力涡轮机平台10的位置。在拖曳期间和/或在到达其系泊位置之后，可用水填充压载舱46和48。接着，将漂浮式风力涡轮机平台10附接到其系泊索18，所述系泊索预固定到海床S。接着，将漂浮式风力涡轮机平台10附接到水下电力电缆37，如上文描述。
在改进的漂浮式风力涡轮机平台10和其附接的风力涡轮机16的正常操作期间，可能需要系统维护、涡轮机16的维修或涡轮机16的更换。在维护、维修或更换改进的漂浮式风力涡轮机平台10和其附接的风力涡轮机16的任何部分的方法的第一实施例中，使漂浮式风力涡轮机平台10与其系泊索18和其水下电力电缆37脱离。接着，可将漂浮式风力涡轮机平台10拖曳到船坞或旁墩维修区。在拖曳期间和/或在到达船坞或旁墩维修区之后，从压载舱46和48移除预定量的压载水。接着，在船坞或旁墩维修区进行所要的部件维护、维修或更换。接着，可制备漂浮式风力涡轮机平台10并再次将漂浮式风力涡轮机平台10拖曳到其将被系泊的位置。在拖曳期间和/或在到达其系泊位置之后，可用水重新填充压载舱46和48。接着，将漂浮式风力涡轮机平台10附接到其系泊索18，并且将漂浮式风力涡轮机平台10附接到水下电力电缆37，如上文描述。
对于操作控制和监测，漂浮式风力涡轮机平台10可包含主动控制系统(诸如，监督控制和数据获取(SCADA)系统)，所述系统减少遍及漂浮式风力涡轮机平台10、塔架14和涡轮机16的负载、加速度、平均俯仰角和横摇角和疲劳应力中的一者或多者以优化能量输出，并且在漂浮式风力涡轮机平台10被损坏的情况下维持操作。漂浮式风力涡轮机平台10包含多个传感器，所传感器感测各种环境条件(诸如，风速和风变性)和操作条件(诸如，平台间距、各种结构组件的应变以及漂浮式风力涡轮机平台10的加速度)。可调整涡轮机叶片的间距以补偿各种感测到的参数以减轻不期望的负载。例如，可调整涡轮机速度并且可控制涡轮机叶片间距以最大化功率。可通过控制器控制这些调整，所述控制器可包含具有算法的计算机。
下文详细描述的性能和环境数据在漂浮式风力涡轮机平台10、塔架14和涡轮机16中的各个位置或数据盒处进行收集并通过一系列芯片、处理器或计算机路由到定位在漂浮式风力涡轮机平台10上的数据获取系统(DAS)。另选地，DAS可定位成远离于漂浮式风力涡轮机平台10且可通过无线信号或经由水下电缆接收数据。
在所示实施例中，数据盒定位在轮毂34、机舱38中、定位在塔架14的顶部处、定位在塔架14的基部处以及定位在基座12中。应当了解，漂浮式风力涡轮机平台10可在这些位置中的任何一者或多者中包含数据盒。来自轮毂34的数据通过滑环(未示出，但以常规方式定位在涡轮机16与机舱38之间)传输到机舱38中的数据盒。数据从机舱38中、塔架14的顶部处以及基座14中的数据盒进一步传输到塔架14的基部处的数据盒并接着传输到DAS。
除机载传感器之外，传感器可安装在邻近漂浮式风力涡轮机平台10上以及安装在远离漂浮式风力涡轮机平台10的浮标B上。来自这些远程传感器的数据可通过无线信号或经由水下电缆传输到DAS。因此，DAS可从来自任何期望数目的漂浮式风力涡轮机平台10的传感器和任何数目的远程传感器接收输入。
可与改进的漂浮式风力涡轮机平台10一起使用的远程传感器的实例包含装备有光检测和测距(LIDAR)的浮标和装备有相机的浮标，以及各种气象和环境传感器(诸如用于检测风速、风向、表层温度、湿度、气压、浮标平移和旋转、波高、波向、波周期、海流剖面、水盐度和导电性以及浮标平移和旋转)。
在操作和控制一个或多个漂浮式风力涡轮机平台10的方法的第一实施例中，轮毂34中的数据盒从检测叶片弯曲、叶片扭转、叶片间距和叶片间距致动应变的光学询问器和/或传感器接收数据。
机舱38中的数据盒从机舱传感器、环境条件传感器和涡轮机传感器接收数据。机舱传感器可包含检测转子速度、转子位置、转子扭矩、涡轮机实际功率、发电机气隙、发电机速度、机舱位置和塔架顶部平移和旋转的传感器。环境条件传感器可包含检测自由流风速、尾流风速、相对湿度、压力、温度、风速和风向的传感器。涡轮机传感器可包含检测实际功率、电网条件、制动器状态、叶片间距、风速、风向和机舱位置的传感器。
塔架14的顶部处的数据盒从检测塔架顶部加速度、塔架顶部弯曲、塔架顶部扭矩以及塔架顶部平移和旋转的传感器接收数据。
塔架14的基部处的数据盒从检测塔架基部加速度、塔架基部弯曲、塔架基部平移和旋转、中塔架弯曲和塔架基部和基座12平移应变的传感器接收数据。
基座12中的数据盒从检测基座12的平移和旋转、基座12的弯曲、系泊索18的应变、张力杆腐蚀和张力杆应变中的一者或多者的传感器接收数据。此外，基座12中的数据盒接收环境条件数据，包含水位、风剖面、压载物水位、温度以及来自任何机载相机的数据。
在操作和控制一个或多个漂浮式风力涡轮机平台10的方法的第二实施例中，机舱38中的数据盒可替代地从机舱传感器、环境条件传感器和涡轮机传感器接收数据，其中机舱传感器可包含检测转子速度、转子位置、转子扭矩、发电机气隙、发电机速度和机舱位置的传感器。环境条件传感器可替代地包含检测自由流风速、相对湿度、压力、温度、风速和风向的传感器。涡轮机传感器可包含检测实际功率、电网条件、制动器状态、叶片间距、风速、风向和机舱位置的传感器。
在操作和控制一个或多个漂浮式风力涡轮机平台10的方法的第二实施例中，基座12中的数据盒可替代地接收环境条件数据，包含水位、压载物水位、温度以及来自任何机载相机的数据。
如所描述，主动控制系统减小遍及漂浮式风力涡轮机平台10、塔架14和涡轮机16的负载、加速度、平均俯仰角和横摇角和疲劳应力中的一者或多者以优化能量输出，并且在漂浮式风力涡轮机平台10被损坏的情况下维持操作。此外，管道102、泵104和压载舱46和48可用于在所有操作和环境条件期间和在漂浮式风力涡轮机平台10或风力涡轮机16的任何组件被损坏时将漂浮式风力涡轮机平台10的俯仰角和横摇角维持在预设设计限制内。具体地，管道102、泵104以及压载舱46和48可用于移除压载水以保持漂浮式风力涡轮机平台10、塔架14和涡轮机16垂直。
此外，主动控制系统可与涡轮机间距控制和涡轮发电机速度一起使用以最小化遍及所述系统的应力和加速度。
已在本发明的优选实施例中描述了本发明的操作原理和操作模式。然而，应当指出的是，在不脱离本发明的范围的情况下，本文中描述的本发明可以除具体说明和描述的方式以外的方式实践。

Claims (20)

1.一种能够漂浮在水体上并支撑风力涡轮机的半潜式风力涡轮机平台，所述半潜式风力涡轮机平台包括：
楔石；
至少三根底梁，其从所述楔石径向向外延伸；
中心柱，其从所述楔石的上表面垂直延伸，所述中心柱的第一轴向端附接到所述楔石，所述中心柱被构造成具有附接到其第二轴向端的塔架；
外柱，所述外柱中的一根从每一底梁的上表面垂直延伸，所述外柱的第一轴向端附接到每一底梁的远端；以及
顶梁，所述顶梁中的一根在每一外柱的第二轴向端与所述中心柱的第二轴向端之间延伸，所述顶梁被构造成基本上不抵抗附接到所述中心柱的塔架的弯矩。
2.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述顶梁由钢形成。
3.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述顶梁由预应力钢筋混凝土或纤维增强聚合物形成。
4.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述楔石、所述底梁、所述中心柱和所述外柱由预应力钢筋混凝土形成。
5.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其进一步包含同轴安装到所述中心柱的塔架，所述塔架由纤维增强聚合物形成且被构造成支撑风力涡轮机。
6.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述楔石、所述底梁、所述中心柱、所述外柱和所述顶梁界定基座，并且其中用于形成所述基座的材料从所述基座的底部到所述基座的顶部具有基本上连续变高的材料强度与重量比。
7.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其进一步包含同轴安装到所述中心柱的塔架，所述塔架由纤维增强聚合物形成且被构造成支撑风力涡轮机。
8.根据权利要求7所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述楔石、所述底梁、所述中心柱和所述外柱由钢筋混凝土形成并且所述顶梁由钢形成，使得具有最高强度与重量比的材料处在所述塔架的顶部，并且所述基座具有相对低的重心。
9.根据权利要求8所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述楔石和所述底梁由相对较高密度的混凝土形成，并且所述中心柱和所述外柱由相对较低密度的混凝土形成。
10.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中每一底梁纵向后张紧到所述楔石。
11.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中每一外柱纵向后张紧到其所附接的所述底梁。
12.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述中心柱纵向后张紧到所述楔石。
13.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中压载舱形成在每一底梁中。
14.根据权利要求1所述的半潜式风力涡轮机平台，其中压载舱形成在每一外柱中。
15.一种组装半潜式风力涡轮机平台的方法，所述方法包括：
在干船坞中形成钢筋混凝土楔石和多个钢筋混凝土底梁；
将所述底梁后张紧到所述楔石以界定梁总成；
用水注满所述干船坞使得所述梁总成漂浮；
将所述漂浮梁总成移动到组装区；
在所述楔石上由钢筋混凝土形成中心柱；
在每一底梁上由钢筋混凝土形成外柱；
将所述中心柱后张紧到所述楔石；
将每一外柱后张紧到其相关联底梁；
将轴向负载的顶梁附接在每一外柱与所述中心柱之间；
将塔架附接到所述中心柱；
将风力涡轮机附接到所述塔架，从而界定漂浮式风力涡轮机平台总成；
将所述漂浮式风力涡轮机平台总成从所述干船坞拖曳到其将被系泊的位置；
填充所述外柱和所述底梁中的一者或两者中的压载舱；
在到达其系泊位置之后，将所述漂浮式风力涡轮机平台总成附接到预固定到海床的系泊索；以及
将所述漂浮式风力涡轮机平台总成附接到水下电力电缆。
16.一种能够漂浮在水体上并支撑风力涡轮机的半潜式风力涡轮机平台，所述半潜式风力涡轮机平台包括：
基座；
塔架，其附接到所述基座；
风力涡轮机，其附接到所述塔架；以及
主动控制系统，其具有数据获取系统(DAS)；
其中所述DAS接收感测到的环境数据、接收感测到的所述基座、所述塔架和所述风力涡轮机的组件的操作条件数据；且
其中所述DAS基于所接收到的所述环境数据和操作条件数据改变所述基座、所述塔架和所述风力涡轮机中的任一者的操作参数。
17.根据权利要求16所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述DAS从机载传感器和远程传感器接收所感测到的环境数据。
18.根据权利要求17所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述DAS从定位在轮毂、机舱、所述塔架的上部、所述塔架的下部和所述基座中的一者或多者中的机载数据处理器接收感测到的操作条件数据。
19.根据权利要求18所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述DAS处理所述感测到的数据以调整操作参数以进行以下操作中的至少一者：优化涡轮机功率输出、减小结构负载和改变压载物体积以改变基座俯仰角和横摇角。
20.根据权利要求16所述的半潜式风力涡轮机平台，其中所述DAS从一个或多个远程定位的风力涡轮机平台接收感测到的环境数据以及感测到的所述基座、所述塔架和所述风力涡轮机的组件的操作条件数据；且其中所述DAS处理来自所述一个或多个远程定位的风力涡轮机平台的所述数据以调整操作参数以进行以下操作中的至少一者：优化涡轮机功率输出、减小结构负载和改变压载物体积以改变基座俯仰角和横摇角。
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