CN107208603A - 风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电设备，该风力发电设备包括框架(4)和具有甲板(14)的平台(1)。框架(4)包括各自构造成用于接纳并支撑相应的可移除的风力涡轮发电机(13)的多个发电机站(26)。发电机输送装置(11、11a、12；32、35)构造并布置成用于使风力涡轮发电机(13)在甲板与发电机站之间移动。风力涡轮发电机(13)包括壳体(16)，该壳体中以可旋转的方式布置有涡轮(17)。涡轮包括通过外周轮缘(27)互相连接的多个叶片(28)；并且轮缘包括多个磁体(20；22)。壳体包括布置成紧密靠近外周轮缘(17)的多个线圈(21；23)。平台(1)可以是浮动平台，该浮动平台至少由能够经由转塔系泊件(6、7)连接至海床的主船体(2)支撑，由此允许发电设备随风向改变方位。

Description

风力发电设备
技术领域
本发明涉及如由权利要求1的前序部分阐述的用于产生电能的风力发电设备。
背景技术
风力发电技术近年来取得了实质性发展，特别是与三叶风力涡轮机有关的实质性发展。现有技术的最大的风力涡轮机具有150米的转子直径并且产生约6MW的装机功率。这些大型涡轮机的问题在于尤其是由于超音速的梢端速度而引起的振动。
根据贝茨定律，常规的风力涡轮机的最大效率为59.3％。实际上，当今的风力发电设备的效率在35％与40％之间的范围内。若干风力发电设备安装在浅水区的海床上，浮动设备被开发用于远离海岸使用。常规的风力涡轮机产生相当大的噪音并对禽鸟生命构成严重的威胁。
存在各种类型的浮动式风力发电设备。现有技术包括WO 2014/112115 A1，其描述了一种浮动式风力发电设备，其中，风力发电机安装在经由系泊线系泊在系泊位置处的浮动本体的顶部上，并且由风力发电机产生的电力被供给至线缆。现有技术还包括WO 2010/019050 A1，其描述了一种用于近海的风力涡轮发电机的基础。该基础是由加强混凝土构成的稳定的自浮式构造，该稳定的自浮式构造包括基础结构、中空的大致锥形的塔架结构，塔架结构布置在基础结构上并且具有比基础结构的最小横向尺寸小的较小外径，原因在于塔架结构的直径朝向塔架结构的上部部分向上逐渐减小。现有技术还包括WO 99/02856 A1，其描述了一种包括安装在框架中的风车的装置。框架设置有浮动本体，并且框架能够绕竖向轴线旋转以使风车朝向风转动。为了使风车保持直立，支撑装置、例如锚固至底部的本体设置成远离风车的平面一定距离。
具有常规的塔式安装的发电机的现有技术的风力发电设备在高风中具有有限的性能特征；它们是维护密集型的并且在需要维修或翻新时必须被完全关闭。因此，需要一种较易于操作和维护并且可以处理高风载荷的风力发电设备。
现有技术还包括GB 2461772 A，其描述了一种浮动式风力发电装置，该浮动式风力发电装置包括浮动平台、框架以及布置在框架中的多个风力发电机。风力发电机经由上平衡轴和下平衡轴单独地安装至框架以允许各个发电机与风对准。在组装期间，风力发电机首先在框架安装在浮动平台上之前安装在框架上，反之亦然。发电机单元连接至每个风轮。浮动平台的位置借助于锚来固定。
本发明是对现有技术的改进并且另外提供了其他优点。
发明内容
本发明在主要权利要求中被阐述并限定特征，而从属权利要求描述了本发明的其他特征。
因此，提供了一种风力发电设备，该风力发电设备包括平台，该平台具有甲板并构造成用于支撑框架，其特征在于：
-框架包括多个发电机站，所述多个发电机站构造成用于接纳并支撑相应的可移除的风力涡轮发电机；以及
-发电机输送装置，该发电机输送装置构造并布置成用于使风力涡轮发电机在甲板与发电机站之间移动。
在一个实施方式中，发电机输送装置包括发电机输送机车辆，该发电机输送机车辆能够以可释放的方式连接至框架上的发电机输送装置，并且发电机输送机车辆构造并布置成保持、支撑并操纵风力涡轮发电机。该发电设备可以包括滑架，该滑架布置成用于在甲板上进行运动并用于支撑发电机输送机车辆。
在一个实施方式中，风力涡轮发电机包括壳体，该壳体中以可旋转的方式布置有涡轮；所述涡轮包括通过外周轮缘互相连接的多个叶片；所述轮缘包括多个磁体，并且壳体包括布置成非常接近于外周轮缘的多个线圈。磁体可以是电磁体，该电磁体中的磁力是能够调节的。磁体可以是永磁体。线圈可以是可动线圈，该可动线圈能够移动以调节线圈与轮缘之间的距离。发电机壳体、轮缘和叶片由非磁性材料制成。在一个实施方式中，壳体、轮缘和叶片由铝、例如挤压铝型材制成。
在一个实施方式中，平台是浮动平台，该浮动平台至少由能够经由转塔系泊装置连接至海床的主船体支撑，由此允许发电设备随风向改变方位。发电设备可以包括用于风力涡轮发电机的储存区域。
本发明的发电设备能够持续运转，并因而能够持续产生电力，并且不需要由于维护或强风而关闭。
本发明允许几乎连续的操作，原因在于设备本身可以在一个或更多个风力涡轮发电机被移除以进行维修或更换时保持运转。在平台上始终可以设有多个备用发电机，从而确保不间断运转。
附图说明
根据参照所附示意图作为非限制性示例给出的优选形式的实施方式的以下描述，本发明的这些和其他特征将变得清楚，在附图中：
图1是本发明的发电设备的实施方式的侧视图；
图2是图1中示出的发电设备的平面图；
图3是图1中示出的发电设备的正视图；
图4是具有电磁体的风力涡轮发电机的第一实施方式的正视图；
图5是具有永磁体的风力涡轮发电机的第二实施方式的正视图；
图6是本发明的发电设备的第二实施方式的从上方观察的立体图；
图7是图6中示出的发电设备的当在码头周围位置处进行组装期间且在已经安装任何风力涡轮发电机之前的立体图；
图8是图7中示出的发电设备的另一立体图，其同样示出了储存在甲板上的多个风力涡轮发电机；
图9是图8中示出的发电设备中的风力涡轮发电机安装过程中的步骤的立体图，该立体图示出了由滑架和发电机输送机车辆承载的风力发电机；
图10示出了图9的步骤的后续步骤，在该步骤中，倾斜组件处于使风力涡轮发电机从水平取向竖起的过程中；
图11示出了图10的步骤的后续步骤，在该步骤中，倾斜组件已经使风力涡轮发电机竖起至直立取向，并且发电机输送装置已经连接至发电机输送机车辆；
图12示出了图11的步骤的后续步骤，在该步骤中，发电机输送装置正在提升发电机输送机车辆(保持风力涡轮发电机)；
图13示出了图12的步骤的后续步骤，在该步骤中，发电机输送装置已经将发电机输送机车辆(保持风力涡轮发电机)提升至指定的发电机站；
图14示出了图13的步骤的后续步骤，在该步骤中，风力涡轮发电机已经插入到发电机站中并因此从发电机输送机车辆(该发电机输送机车辆已经开始下降)卸下；
图15是风力发电设备的第二实施方式的立体图，其示出了安装在发电机站中的风力涡轮发电机，发电机输送机车辆在翼板的顶部与甲板之间行进，并且滑架坐置在甲板上的轨道上；
图16是风力涡轮发电机的第二实施方式的立体图；
图17是图16中示出的风力涡轮发电机的在盖被移除的情况下的另一立体图，其示出了布置在壳体中的多个线圈；
图18是处于操作构型的风力发电设备的第二实施方式的立体图；以及
图19是图17中示出的风力涡轮发电机的平面图。
具体实施方式
以下描述可以使用诸如“水平”、“竖向”、“横向”、“前后”、“上下”、“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等的术语。这些术语通常指的是如附图中示出的视图和方位，并且这些术语与本发明的正常使用相关联。这些术语仅用于方便读者，而不应当是限制性的。
首先参照图1，风力发电设备包括平台1，该平台1构造成用于在海面S上浮动并且包括一个或更多个船体。在示出的实施方式中，平台包括呈本身已知的三体船构型的主船体2以及位于主船体的各侧的一个外伸架3。三体船平台有利地由一艘大型主驳船以及两艘较小驳船构成，大型驳船的各侧上设有一艘较小的驳船。主船体配备有船尾(即，尾部)侧推进器8。三个船体(例如，驳船)优选地由具有一定宽度和高于海平面S的高度的甲板结构14(参见图2)连接。高于海平面的甲板高度优选地应当具有一定幅值以避免甲板上的波浪力。
系泊线7(或类似物；例如，纤维绳索和/或链)从主船体的船首(即，前)端部处的回转连接件6延伸至现有技术中本身已知的类型的一个或更多个海床锚(未示出)。因此，平台能够绕回转件旋转360°并且可以根据风和水流而改变方位。
框架4(下文中也被称为“翼板”)横向于船体的纵向轴线而竖立在平台上，并向上延伸一定的竖向距离。翼板4通常焊接至船体和甲板，并且翼板4由支架5支撑，支架5包括倾斜构件5a(连接至主船体2的后部部分)和多个水平构件5b。翼板4包括具有多个竖向柱25a和多个水平柱25b的格架结构，所述多个竖向柱25a和所述多个水平柱25b形成多个隔间26(参见图3)，所述多个隔间26中的每个隔间均构造成用于接纳单独的风力涡轮发电机13。因此，这些隔间在下文中被称作发电机站26。图3仅示出了安装在相应的隔间26中的一些风力涡轮发电机13。
支架5可以有助于随风向改变方位作用，使得平台相对于盛行风10始终具有有利取向。在需要的情况下，可以使用船尾安装的(电动的、液压的或发动机供以动力的)侧推进器8。
平台在主船体的船尾部处配备有使得能够容易地进入服务船的设施(未显示)以及直升机停机坪9。还可以根据需要安置人员住所、服务建筑和居住区(未示出)。
图4示出了风力涡轮发电机13的一个实施方式，风力涡轮发电机13构造成用于安装在发电机站26(参见图3)中。发电机13包括壳体16，该壳体16具有能够与发电机站26的形状相适合的外形。在示出的实施方式中，这些形状是方形的，但本发明不应当限于这些形状。
涡轮17经由凸台18以可旋转的方式安装至支撑梁19，支撑梁19又由壳体16刚性地支撑。涡轮17包括通过外周轮缘27互相连接的多个涡轮叶片28(图4中示出了四个涡轮叶片28)。多个电磁体20(图4中仅示出了两个电磁体20)连接至轮缘27的内侧面。本领域技术人员将理解的是，可能需要多于两个的磁体。磁体20优选地是电磁体，由此可以调节磁力。
壳体16中布置有面向涡轮轮缘27并靠近涡轮轮缘27的多个电线圈21(在图4中为四个线圈，壳体的每个拐角中各具有一个线圈)。
在操作中，当风使涡轮17旋转时，电磁体20(与轮缘27一起旋转)将与线圈21相互作用并且通过磁感应在线圈21中以在现有技术中本身已知的方式产生电流。本领域技术人员将理解的是，根据磁体的极性，可以产生交流电(AC)或直流电(DC)。在实际应用中，设备可以产生DC电力，该DC电力在经由海底线缆(未示出)发送至海岸之前被转换为高电压。
使用电磁体将能够调节旋转涡轮的阻力，并且因此能够调节多少电能被产生。然而，调节电磁体的磁阻还将直接调节多少风的动能被转换为电能以及多少风的动能将不受阻碍地通过风力涡轮发电机并因此通过翼板。这又将直接影响设备的系泊系统。
图5示出了风力涡轮发电机13的第二实施方式，该风力涡轮发电机13具有多个永磁体22(替代上文参照图4描述的电磁体20)。永磁体22(图5中仅示出了两个永磁体22)连接至轮缘27的内侧面。本领域技术人员将理解的是，可能需要多于两个的磁体。在该实施方式中，壳体16中布置有面向涡轮轮缘27并靠近涡轮轮缘27的可动电线圈23(在图5中为四个线圈，壳体的每个拐角中各设有一个线圈)。可动线圈23可以如由图5中的箭头M所示的那样来回移动，从而调节可动线圈23与永磁体22之间的距离，并因而达到与电磁体相同的效果。
回到图3，其示出了安装在相应的发电机站26中的多个风力涡轮发电机13，将理解的是，本发明允许持续运转以及电力的持续产生。在一个发电机13需要维修、翻新或必须更换的情况下，该发电机13可以在其余发电机处于运转中的情况下被移除(并被重新安装)。这种模块化构型使本发明的发电设备是非常通用、稳健且可靠的。
图1示出了一种这样的拆卸和更换方法：翼板4的顶部处布置有绞盘11，并且绞盘11经由线材11a连接至工作平台12。工作平台包括用于一个或更多个操作者和连接装置(未示出)的空间，由此发电机13可以附接至工作平台12并降低至甲板14(或从甲板14提升)。
本发明的发电设备可能建造得非常大。例如，翼板4可以具有200米×200米(即，40000m2)的表面积或更大的表面积。然而，本发明不应当限于这些尺寸。本发明的发电设备是可运转的并且能够在所有可设想的天气条件下产生电能。现有技术的风力发电设备中进行的发电通常在11m/s至12m/s的风速下达到峰值并且在风速超过20m/s时停止。然而，根据发明人的计算，通过本发明的具有上述翼板表面积的发电设备可以保持全能力生产并充分利用达20m/s的风速的风能，然后趋向平稳并且在甚至更高的风速下产生恒定生产。计算表明，本发明的发电设备(具有40000m2的翼板表面)可以在20m/s的风速下产生约100MW。
图6示出了本发明的发电设备1的第二实施方式，该发电设备1包括主船体2和外伸架(未示出)，主船体2和外伸架支撑甲板14以及保持多个风力涡轮发电机13的翼板4。在图7和图8中，发电设备正在码头29处被组装。如在第一实施方式中那样，翼板4包括多个发电机站26，所述多个发电机站26通常由水平梁26a和竖向梁26b限定。甲板14包括发电机储存区域36、起重机(可选的，未被示出)以及在发电机储存区域与翼板4之间(沿着翼板4)伸延的轨道30。图8示出了储存在发电机储存区域36中的多个风力涡轮发电机13以及置于轨道30上的滑架31。
参照图9，滑架31(在轨道30上行进)承载发电机输送机车辆32，发电机输送机车辆32又承载风力涡轮发电机13。风力涡轮发电机13已从储存区域36取出。在图9中，滑架31在翼板的基部处就位，发电机安装过程准备开始。在图10中，发电机输送机车辆32上的倾斜组件34正处于使风力涡轮发电机13从水平取向竖起的过程中。在图11中，倾斜组件34已将风力发电机13竖起至直立取向，并且翼板上的发电机输送装置35已经连接至发电机输送机车辆。这些发电机输送装置35可以是齿条-小齿轮系统、线材和绞盘系统、或任何其他已知的提升系统。图11还示出了发电机输送机车辆32包括操作者舱室33，可以从操作者舱室33来控制发电机的组装和拆卸。
在图12中，发电机输送装置35已经开始提升发电机输送机车辆32(保持风力涡轮发电机13)，并且在图13中，发电机输送车辆已到达为其指定的发电机站。当处于该位置时，致动器(未示出)将风力涡轮发电机推进到发电机站中，发电机被接纳、支撑并连接在发电机站中，这同样参见图14(未示出所需的连接器、线缆等)。因此，风力涡轮发电机与发电机输送机车辆32断开连接，发电机输送机车辆32可以下降至甲板水平面。这在图15中示出；风力涡轮发电机安装在发电机站中，发电机输送机车辆朝向坐置在甲板上的轨道上的滑架行进。
图16、图17和图19示出了风力涡轮发电机13的第二实施方式。壳体16(在优选实施方式中由铝制成)具有能够与发电机站26的形状相适合的外形。在示出的实施方式中，这些形状是方形的，但本发明不应当限于这些形状。涡轮17经由凸台18以可旋转的方式安装至支撑结构19’，支撑结构19’又由壳体16刚性地支撑。涡轮17包括通过外周轮缘27互相连接的多个涡轮叶片28(图16和图17中示出了三个涡轮叶片)。多个磁体(未示出)连接至轮缘27或嵌入轮缘27中。这些磁体可以是电磁体，由此可以调节磁力，或者这些磁体可以是如上文参照图4和图5描述的永磁体。壳体16中布置有面向涡轮轮缘27并靠近涡轮轮缘27的多个电线圈37(在图17中为四个线圈，壳体的每个拐角中各具有一个线圈)。构型、可能的变型和操作如上文参照图4和图5所描述的。发电机壳体、轮缘和叶片由非磁性材料制成。在一个实施方式中，该材料是铝，例如呈挤压铝型材的形式。
应当理解的是，操作发电设备所需的电力线缆、控制线缆、变压器以及其他装置——包括发电机承载件和输送系统——未被示出，这是因为这些部件是本领域中公知的。
尽管已经关于浮动平台对本发明的发电设备进行了描述，但本发明不应当限于安装在浮动平台上。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种风力发电设备，包括平台(1)，所述平台(1)具有甲板(14)并构造成用于支撑框架(4)，其特征在于：
-所述框架(4)包括多个隔间(26)，所述多个隔间(26)构造成用于接纳并支撑相应的可移除的风力涡轮发电机(13)；
-所述发电机(13)包括壳体(16)，所述壳体(16)具有能够与所述隔间(26)的形状相适合的外形；以及
-发电机输送装置(11、11a、12；32、35)，所述发电机输送装置(11、11a、12；32、35)构造并布置成用于使风力涡轮发电机(13)在所述甲板与隔间之间移动。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其中，所述发电机输送装置包括发电机输送机车辆(32)，所述发电机输送机车辆(32)能够以可释放的方式连接至所述框架(4)上的发电机输送装置(35)，并且所述发电机输送机车辆(32)构造并布置成保持、支撑并操纵风力涡轮发电机(13)。
3.根据权利要求2所述的发电设备，还包括滑架(31)，所述滑架(31)布置成用于在所述甲板(14)上进行运动并用于支撑所述发电机输送机车辆(32)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的发电设备，其中，所述风力涡轮发电机(13)包括由非磁性材料制成的壳体(16)，所述壳体(16)中以可旋转的方式布置有涡轮(17)；所述涡轮包括通过外周轮缘(27)互相连接的多个叶片(28)；所述叶片和所述轮缘由非磁性材料制成，所述轮缘包括多个磁体(20；22)，并且所述壳体包括布置成紧密靠近所述外周轮缘(17)的多个线圈(21；23)。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的发电设备，其中，所述发电机输送机车辆(32)包括操作者舱室(33)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的发电设备，其中，所述平台(1)是浮动平台，所述浮动平台至少由能够经由转塔系泊件(6、7)连接至海床的主船体(2)支撑，由此允许所述发电设备随风向改变方位。
7.根据权利要求6所述的发电设备，还包括布置在所述主船体(2)的各侧的一个外伸架(3)，由此所述主船体和所述外伸架形成三体船构型。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的发电设备，还包括回转连接件(6)，所述回转连接件(6)能够经由系泊线(7)连接至海床，由此允许所述发电设备随风向改变方位。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的发电设备，还包括用于风力涡轮发电机(13)的储存区域(36)。
10.根据权利要求9所述的发电设备，还包括在所述储存区域(36)与所述框架(4)之间延伸的轨道(30)，并且所述滑架(31)构造成用于在所述轨道(30)上行进。

Claims (10)

1.一种风力发电设备，包括平台(1)，所述平台(1)具有甲板(14)并构造成用于支撑框架(4)，其特征在于：
-所述框架(4)包括多个发电机站(26)，所述多个发电机站(26)构造成用于接纳并支撑相应的可移除的风力涡轮发电机(13)；以及
-发电机输送装置(11、11a、12；32、35)，所述发电机输送装置(11、11a、12；32、35)构造并布置成用于使风力涡轮发电机(13)在所述甲板与发电机站之间移动。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其中，所述发电机输送装置包括发电机输送机车辆(32)，所述发电机输送机车辆(32)能够以可释放的方式连接至所述框架(4)上的发电机输送装置(35)，并且所述发电机输送机车辆(32)构造并布置成保持、支撑并操纵风力涡轮发电机(13)。
3.根据权利要求2所述的发电设备，还包括滑架(13)，所述滑架(13)布置成用于在所述甲板(14)上进行运动并用于支撑所述发电机输送机车辆(32)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的发电设备，其中，所述风力涡轮发电机(13)包括由非磁性材料制成的壳体(16)，所述壳体(16)中以可旋转的方式布置有涡轮(17)；所述涡轮包括通过外周轮缘(27)互相连接的多个叶片(28)；所述叶片和所述轮缘由非磁性材料制成，所述轮缘包括多个磁体(20；22)，并且所述壳体包括布置成紧密靠近所述外周轮缘(17)的多个线圈(21；23)。
5.根据权利要求4所述的发电设备，其中，所述磁体是电磁体(20)，所述电磁体(20)中的磁力是能够调节的。
6.根据权利要求4所述的发电设备，其中，所述磁体是永磁体(22)。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的发电设备，其中，所述线圈是可动线圈(23)，所述可动线圈(23)能够移动以调节所述线圈与所述轮缘之间的距离。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的发电设备，其中，所述壳体、所述轮缘和所述叶片由非磁性材料制成。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的发电设备，其中，所述平台(1)是浮动平台，所述浮动平台至少由能够经由转塔系泊件(6、7)连接至海床的主船体(2)支撑，由此允许所述发电设备随风向改变方位。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的发电设备，还包括用于风力涡轮发电机(13)的储存区域(36)。
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