CN107002638B - 用于利用风能的浮动平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于利用风能的浮动平台，浮动平台包括具有风力涡轮机(2)的塔(1)，和平行于主纵向对准轴线的两个水平的相同的圆筒形浮动元件(3)，该塔和浮动元件通过杆结构(5)互连。浮动元件连结到稳定元件(4)，稳定元件位于浮动元件(3)正下方，所述稳定元件包括两个基本上为矩形的第一混凝土平板(4a)，第一混凝土平板是实心的或更轻量的，具有带肋的结构，垂直于浮动装置的轴线布置，并且借助于辅助结构连结到所述浮动装置。

Description

用于利用风能的浮动平台
技术领域
本发明的目标是一种用于利用风能的浮动平台，所述浮动平台结合了超越了迄今所使用的技术的显著的创新和优点。
更具体地，本发明提出了研发一种用于利用风能的浮动平台，所述浮动平台由于其特别的布置而相对于当前正在研发的原型允许非常显著地降低成本，并且该浮动平台由于其减小的吃水深度而能够更好地用于浅水和深水两者中，并且该浮动平台还可以非常容易地被制造和运输。
背景技术
通过风力涡轮机以利用风能来产生电能在现有技术中是已知的，而以上技术的发展主要凭借陆基风力发电厂而在近些年受到高度重视。
与陆基风力涡轮机相关联的环境问题以及海面上的风的较大的能量潜力，已经导致了对于风力涡轮机部署在沿海区域的水上的研究，当在浅的深度时，通过将风力涡轮机直接附接到海床来实施部署，或者将风力涡轮机安装在数个不同类型的浮动平台上来实施部署，所述数个不同类型的浮动平台借助于不同的锚固系统被固定在其位置处。
当前正被研发的用于支撑风力涡轮机的浮动平台的类型通常来自于已经在海上油气行业使用的浮动平台，所述浮动平台具有严格的稳定性要求，并且以非常小的移动响应于波浪的作用。
特别地，并且考虑到用于实现适当的稳定性和有限的移动的基本策略，浮动平台可以区分以下三组：
·主要通过系泊索来稳定的平台。
张紧的系泊索将平台固定到海床并且几乎使其无法移动，由此实现稳定性。然而，这种类型的稳定的缺点在于，除了与安装相关的过高成本外，其在运输期间需要辅助漂浮系统并且涉及用于将平台定位和固定到海床的复杂操作。
·主要通过压舱物来稳定的平台。
这些平台的特征在于在水线面面积(water plane area)上具有减小的表面，以便降低波浪对于该平台的作用以及由于所述作用而产生的相应的移动，浮动元件一旦被定位在位置之后就几乎浸没，并且所述平台还具有稳固的压舱物以降低重心的位置，由此实现适当的稳定性。
如在SPAR浮标中，该组浮动平台的最简单的类型由长度很长的单个竖直圆筒形浮动元件组成，风力涡轮机位于所述浮动元件的上部部分上并且压舱物位于所述浮动元件的下部部分中以便降低重心的位置。由STATOIL设计的HYWIND是代表性示例，存在具有相同类型的浮动平台的其它专利，例如WO 2010/106208和WO 2013/093160。专利WO 2012/13116是一种变型，该变型具有位于浮动竖直圆筒体的下部部分上的水平悬臂元件和固定到所述悬臂元件的端部的锚固系统，以使得所述平台能够随风定向。
在这种类型的平台中，还存在专利ES 2440894A1(该专利与本发明的专利属于相同的申请人)中描述的平台，该平台包括：至少两个浮动圆筒体；同时连结到该浮动装置的支撑结构；风力涡轮机塔，所述风力涡轮机塔被定位在浮动装置和/或支撑结构上且固定到浮动装置和/或支撑结构。所述平台包括混凝土配重，所述混凝土配重借助于朝向下部区域凸出的辅助结构被固定到该平台，并且所述混凝土配重大大增加该平台的吃水深度。
这些类型的平台的主要缺点是大的吃水深度、复杂的运输和安装操作以及高的成本。
半潜式平台也可以被包括在这个组中，这是由于它们在水线面面积上具有减小的表面，并且浮动元件的对应于支撑风力涡轮机的竖直柱体的较大部分通常是浸没的。
通过间隔开该柱体以便增加定倾中心高度，并且通过使用额外的压舱物以便将重心定位在定倾中心下方，来实现稳定性。
已经研发了多种变型，所述变型通常由被系紧在一起的数个竖直圆筒形浮动元件组成。WINDFLOAT型和TRI-SYM型、或专利DE2010058中描述的类型是具有三个竖直圆筒体的半潜式平台的一些示例。
专利US 2012/0103244对应于具有四个竖直浮力柱体的半潜式平台，所述四个竖直浮力柱体中的三个竖直浮力柱体布置在等边三角形的顶点上并且第四个竖直浮力柱体布置在中心，所述第四个竖直浮力柱体支撑风力涡轮机的塔。
专利WO 2002/10589提出一种类型的半潜式平台，除了锚固索的附加系统外，所述半潜式平台还具有中心漂浮室和张紧的竖直锚固缆绳(其也位于中心)，因此所述半潜式平台可以被分类为半潜式和通过张紧的锚固索来稳定的类型的平台的组合。
此外，专利US 2011/0155038提出一种具有三个或更多个浮动竖直圆筒体的平台类型，所述浮动竖直圆筒体通过张紧的缆绳连结到海床。
这些半潜式平台也具有关于其吃水深度通常较高的缺点，并且由于海上运输和安装操作的复杂性成本较高。
·主要通过漂浮来稳定的平台。
如在驳船的情况中，为了实现减小的吃水深度，在选择通过水线面的水平面(level)上的大的表面来实现稳定性时，有必要尽可能不用压舱物，以便将定倾中心的位置保持在重心上方。此外，还存在实现几何结构和物理特性的附加难题，所述几何结构和物理特性使得平台能够具有充分远离(distant from)波浪周期的其自身的振荡周期以便尽可能减少由所述波浪引起的移动。
在具有系泊系统的驳船的情况中(该驳船借助于分散的系泊索的系统来保持其位置以及永久且基本上固定的取向)，风和波浪的作用可以作用在驳船的任何水平轴线上，这是为什么驳船必须对于所有方向均具有类似的惯性特性或响应特性的原因。碉堡式(pillbox)浮动装置或对应于专利JP2004251139的那些浮动装置适合于这种方法，所述碉堡式浮动装置具有方形或圆形水平横截面，专利JP2004251139具有O型环形式的单体船浮动装置。
还存在以下可能：驳船通过系泊装置被定位到固定位置，并且能够绕所述系泊装置旋转(类似风向标)，以便与风对准，在这种情况中，驳船将优选地沿一个方向接收波浪和风的作用，这是为什么值得考虑如下构造：所述构造的惯性特性和响应特性取决于水平平面上的主水平纵向对准轴线和垂直于所述纵向对准轴线的对准轴线而迥然不同。
虽然当考虑到这些类型的稳定性时，这些类型是可行的，但是相反并且同时，水平轴线附近的振荡周期处于波浪谱的最大能带，导致在涡轮机这一层级(turbine level)的移动，而该移动与操作要求不相容，并且因此这些类型已经被认为在技术上不适当。
关于所用的材料，几乎所有的迄今提出的浮动平台均由钢制成，尽管事实上混凝土是远远更耐用的且更经济适用的材料。然而，混凝土确实也具有某些缺点，所述缺点例如为混凝土的重量、完全或几乎完全没有拉伸强度、以及当经受弯曲应力时混凝土的破裂，这是为什么混凝土的使用被限制到重量是优点，或者其缺点不是决定因素(对于主要通过压缩来起作用的稳定和结构元件)的情况。
本发明有助于通过用于利用风能的特别类型的平台和所述平台的对应的锚固系统来解决目前的问题，这允许对于所述平台的简单的、实用的且经济适用的构造、安装、使用和维护。
发明内容
已经研发本发明的目标在于提供一种以下类型的用于利用风能的浮动平台：该浮动平台使用风力涡轮机来产生能量，并且该浮动平台属于完全通过漂浮来获得稳定性的海上平台的组，通过系泊到固定位置来实施所述浮动平台的定位，该平台能够绕所述固定位置旋转以便与风对准。
这个平台为权利要求1的前序特征部分中描述的类型，所述浮动平台包括具有风力涡轮机的塔，平行于主纵向对准轴线的两个水平的相同的圆筒形浮动元件，所述塔和所述浮动元件通过杆结构互连。所述浮动元件连结到位于所述浮动元件下方的稳定元件。
如前述段落中所示，通过浮动来稳定的平台所面临的主要问题是实现以下几何结构：所述几何结构连同具有可接受的稳定性，还实现充分远离入射波浪的周期的其自身的周期。
本发明提出双船体平台的组合，该双船体平台具有两个水平的相同的圆筒形浮动元件，所述浮动元件具有卵形横截面并且在其端部被封闭，由此相对于具有相同浮动表面的单船体方案允许更大的横向稳定性，并且该双船体平台具有浸没的稳定元件，所述稳定元件具有旨在尽可能减少由波浪引起的移动并且大大减小平台的吃水深度的特性。
前述稳定元件是基本上平坦的，所述稳定元件位于浮动元件下方并且包括两个基本上为矩形的第一混凝土平板，所述第一混凝土平板是实心的或更轻量的，具有带肋的结构，垂直于浮动装置的轴线布置，并且借助于辅助结构连结到所述浮动装置，所述辅助结构与所述第一混凝土平板共面。
部分地由于平板的质量的惯性并且部分地由于与平板相关联的增加的水力质量的惯性，所述稳定元件使得能够大大增加平台的俯仰周期(pitch period)。
如果也有必要限制沿相对于圆筒体的轴线的横向方向的振荡，则可以设置成稳定元件可以包括两个基本上为矩形的第二混凝土平板，所述第二混凝土平板在浮动装置的外侧下部部分处平行于浮动装置的轴线布置，并且借助于辅助结构连结到浮动装置，所述设置将以相同的方式限制前述移动。
为了减小制造和维护成本，浮动元件和稳定元件两者都由加强混凝土或预应力混凝土制成。混凝土结构具有重的重量、极低的抗张强度、或由于强烈的弯曲应力而存在裂缝的前述问题。考虑到通过所研发的构造，重心可以被降低并且定位成远低于定倾中心，这大大增加了稳定性，并且同时由于所述构造是具有相对薄的壁的空心浮动装置而保持了减小的吃水深度，因此过重的问题并不严重。
本发明的另一特征是浮动元件具有卵形横截面并且在其的端部处通过凸形来封闭。这种几何结构使得当浮动元件经受静水压力时，浮动元件受到压缩，使得形成浮动元件一部分的混凝土通过压缩来起作用并且因此防止了所述混凝土破裂。此外，为了进一步保证圆筒体的所述压缩，使用预应力混凝土的技术来使圆筒体经受预压缩，而同时所述圆筒体通过横向分隔物或隔板被分隔且在内部被加强。
优选地，在用于利用风能的浮动平台中，杆的组件由加强混凝土或预应力混凝土制成。
在替代实施例中，在用于利用风能的浮动平台中，杆的组件由钢制成。
在另一替代实施例中，在用于利用风能的浮动平台中，杆的组件由钢和混凝土的混合物制成。
此外，浮动平台包括浮标，所述浮标设置有：位于海床上的锚固装置，所述锚固装置包括至少三个系泊索，所述系泊索的相应的锚和/或混凝土块和/或桩用于将系泊索紧固到海床；和电传输旋转装置，所述电传输旋转装置包括旋转连接器和电缆，所述旋转连结器定位在浮标自身上或定位在平台上，所述电缆来自海床并且延伸到平台自身；和用于系泊的旋转装置，所述用于系泊的旋转装置包括旋转接头，平台的系泊装置连结到该旋转接头。所示出的布置允许本发明的平台围绕浮标旋转以便将平台自身与风对准(类似风向标)，这允许俯仰的纵向振荡和摇摆的横向振荡被看作分离的现象，并且根据所述振荡对风力涡轮机的操作的影响而被优化。
由于本发明，定位在海洋环境中并且适合于海洋环境的用于利用风能的平台的构造变得简单、实用、经济适用并且有效。
本发明的平台提供前所未有的方案，所述方案满意地解决了所有前述问题，获得了用于利用风能的特别类型的浮动平台，所述浮动平台在正常环境操作条件和在极端环境条件两者中均以成本降低的方式满足适合于风力涡轮机和其塔的减小的吃水深度的要求、以及稳定性和由波浪引起的移动的要求。
附图说明
根据优选的但非排他的实施例的描述，用于利用风能的浮动平台的其它特性和优点将变得显而易见，该实施例通过非限制性示例在附图中示出，其中：
图1是本发明的用于利用风能的浮动平台的优选实施例的示意性透视图。
图2、图3和图4更详细地示出本发明的用于利用风能的浮动平台的优选实施例的示意性透视图。
图5是并入浮标的本发明的用于利用风能的浮动平台的优选实施例的示意性透视图。
图6是并入浮标的本发明的用于利用风能的浮动平台的优选实施例的更详细的示意性透视图。
具体实施方式
如图1中示意性地所示，使用风力涡轮机来产生能量的用于利用风能的浮动平台包括具有风力涡轮机(2)的塔(1)、浮动元件(3)、稳定元件(4)和杆(5)的组件。
塔(1)和浮动元件(3)通过杆结构(5)互连，并且同时，该杆结构(5)在浮动元件(3)之间延伸地连接到浮动元件(3)。
除了通过横向分隔物和隔板被分隔并且在内部被加强外，浮动元件(3)还是水平的、具有卵形横截面的相同的圆筒形并且平行。
在这个优选的示例性实施例中，浮动元件、塔和杆组件由加强的混凝土或预应力混凝土制成。
在图1中的这个优选的示例性实施例中，浮动元件(3)具有基本上圆锥形的端部。
如在图2和图3中的示意图中可以看出，浮动元件(3)具有作为龙骨的下部纵向加强肋(6)。
图2中还示出了浮动元件(3)如何并入基本上水平且平坦的浸没的稳定元件(4)，所述稳定元件由四个基本上为矩形的平板制成：两个第一平板(4a)，所述第一平板更轻量并且具有带肋的结构，并且在浮动元件的端部部分和下部部分处垂直于浮动元件(3)的轴线布置；以及两个第二平板(4b)，所述第二平板也更轻量并且具有带肋的结构，并且在浮动元件(3)的外侧下部部分处平行于浮动元件(3)的轴线布置。
这个稳定元件(4)借助于辅助杆结构(7)连结到浮动元件(3)。在这个优选的示例性实施例中，所述平板由加强混凝土或预应力混凝土制成。
如图5和图6的示意图中所示，本发明的用于利用风能的浮动平台可以包括被添加到本发明的平台的浮标(8)，所述浮标(8)设置有位于海床上的锚固装置、电传输旋转装置和用于系泊的旋转装置。
在图5和图6中示意性示出的优选实施例中，海床上的锚固装置包括三个系泊索(9)，所述三个系泊索具有将所述锚固装置紧固到海床的所述系泊索的相应的锚(14)和/或混凝土块和/或桩，电传输旋转装置包括旋转连接器(10)和电缆(11)，所述电缆(11)来自海床并且延伸到本发明的平台，并且用于系泊的旋转装置包括旋转接头(13)，平台自身的系泊装置(12)连结到所述旋转接头。
在这个示例性实施例中，旋转连接器定位在浮标(8)自身上。
所描述的平台被容易地构造，并且由于用于航行的其减小的吃水深度和其浮动船体(hull)的构造，可以通过牵引毫无困难地运输所述平台。
细节、形状、尺寸和其它附属元件、以及用于制造本发明的用于利用风能的浮动平台的材料可以被合适地替代为技术上其他等同物，并且既不偏离本发明的本质，也不偏离在下面被所附权利要求限定的范围。

Claims (9)

1.一种用于利用风能的浮动平台，所述浮动平台至少包括：具有风力涡轮机(2)的塔(1)；两个水平的相同的圆筒形浮动元件(3)，所述浮动元件由加强混凝土或预应力混凝土制成，所述浮动元件平行且在它们的端部处被封闭；和杆结构(5)，所述杆结构将所述塔(1)连接到所述浮动元件(3)，其特征在于，所述浮动平台包括平坦的稳定元件(4)，所述稳定元件连结到所述浮动元件(3)并且位于所述浮动元件(3)的正下方，所述稳定元件(4)包括两个基本上为矩形的第一混凝土平板(4a)，所述第一混凝土平板是实心的或更轻量的，具有带肋的结构，垂直于所述浮动元件(3)的轴线布置，并且借助于辅助结构(7)连结到所述浮动元件。
2.根据权利要求1所述的浮动平台，其特征在于，所述稳定元件(4)包括两个基本上为矩形的第二混凝土平板(4b)，所述第二混凝土平板是实心的或更轻量的，具有带肋的结构，在所述浮动元件的外部部分上平行于所述浮动元件(3)的轴线布置，并且借助于辅助结构(7)连结到所述浮动元件。
3.根据权利要求1所述的浮动平台，其特征在于，所述浮动元件(3)具有卵形的横截面，在其端部处借助于凸形被封闭，并且通过横向分隔物或隔板被分隔且在内部被加强。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的浮动平台，其特征在于，所述杆结构(5)和所述塔(1)由加强混凝土或预应力混凝土制成。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的浮动平台，其特征在于，所述杆结构(5)和所述塔(1)由钢制成。
6.根据权利要求1至3中任何一项所述的浮动平台，其特征在于，所述杆结构(5)和所述塔(1)由钢和混凝土的混合物制成。
7.根据权利要求1-3中任何一项所述的浮动平台，其特征在于，所述浮动平台包括浮标(8)，所述浮标设置有锚固到海床的锚固装置、和/或电传输旋转装置、和/或用于系泊的旋转装置，所述用于系泊的旋转装置包括旋转接头(13)，所述浮动平台自身的系泊装置(12)连结到所述旋转接头。
8.根据权利要求7所述的浮动平台，其特征在于，所述锚固到海床的锚固装置包括至少三个系泊索(9)，所述至少三个系泊索的相应的锚(14)和/或混凝土块和/或桩用于将所述系泊索紧固到海床。
9.根据权利要求7所述的浮动平台，其特征在于，所述电传输旋转装置包括旋转连接器(10)和电缆(11)，所述旋转连接器定位在所述浮标(8)上或定位在所述浮动平台自身上，所述电缆来自海床并且延伸到所述浮动平台自身。
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