TW201804077A - 使用繫鏈至漂浮結構的空載發電器的離岸發電系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種發電方法。空載發電器藉由使用繫鏈線路的空中部分而被連接於漂浮結構。漂浮結構藉由使用繫鏈線路的水下部分而被連接於錨。錨被固定於水下底床。電力基於空載發電器回應於風力的移動而被產生。漂浮結構透過繫鏈線路的至少一部分而被連接於輸電系統。所產生的電力被傳輸至輸電系統。

Description

使用繫鏈至漂浮結構的空載發電器的離岸發電系統及方法 [相關申請案的交互參照]
本申請案主張2016年6月17日申請且發明名稱為“SYSTEMS AND METHODS FOR OFFSHORE POWER GENERATION USING AIRBORNE POWER GENERATING CRAFT TETHERED TO A FLOATING STRUCTURE”的美國專利申請案第62/351,541號的優先權，其全部內容在此以參照方式併入。
此申請案關於發明名稱為“Systems and Methods for Offshore Power Generation Using Airborne Power Generating Craft”的美國臨時專利申請案第62/351,528號、發明名稱為“Methods and Systems of Maintaining an Offshore Power Plant”的美國臨時專利申請案第62/351,547號、發明名稱為“Methods and Systems for Electrical Isolation in an Offshore Power Generation Plant”的美國臨時專利申請案第62/351,550號、以及發明名稱為 “Method and Systems for Maintaining an Offshore Power Plant Having Airborne Power Generating Craft”的美國臨時專利申請案第62/351,552號，這些申請案全部在相同日期申請且具有與此共同的受讓人，這些申請案的揭示內容在此以參照方式併入。
本揭示一般地關於離岸發電，且更特別是關於繫鏈式風力渦輪機(tethered wind turbine)系統。
此段落旨在介紹可關聯於本揭示之各種不同態樣的技術。此討論旨在提供一架構，以利於本發明的特別態樣的更加了解。因此，應了解的是，此段落應就此方面來閱讀，且不必然作為先前技術的承認。
風力渦輪機將移動空氣的能量轉換成電力或其他形式的能量。風力渦輪機系統的普通類型包括由轉子葉片所驅動的發電機，轉子葉片以可旋轉的方式被安裝於接近直立支撐塔的上端處。當風向改變時，轉子可相對於塔被旋轉，使得轉子的葉片被維持成垂直於風。這些風車型風力渦輪機系統已經在陸地上於具有開放空間及足夠平均風速的區域變得受歡迎，且亦已經被調適成使用於離岸地點。離岸地點提供開放空間的益處及可能較高的平均維持風速。
目前發展中的更深水域安裝的概念大多衍生自離岸油井鑽台的組態，以包括漂浮平台。因此，這樣的概念典型地需要大型起重機以供塔及渦輪機的豎立，且由於在風向上的大空氣動力力量、及關聯於來自渦輪機葉片的角動量的動力之力量而並未對風力渦輪機最佳化。此外，風力及波浪力造成支撐塔及轉子葉片的的耦合運動，這對於風力渦輪機系統造成更大的結構動態負載、彎折及應力。先前技術的選項包括大型昂貴結構，其具有通常是它們被設計來支撐的風力渦輪機數倍的質量及/或尺寸。例如，典型的離岸風力渦輪機系統可具有從海平面起算近似100公尺的高度，且具有數百噸的重量。
針對風力渦輪機的安裝的高成本之一個解決方案是被繫鏈於固定點的設備。此設備藉由以某種方式利用風而發電。繫鏈式風力渦輪機系統的範例被繪示於圖1中，且一般地由元件符號10所指出。系統10包括翼片或葉片12，其藉由使用繫鏈線路16而被緊固於底座14。葉片12被定形狀，在一般地垂直於吹送的風W的方向之方向上於像是圓形路徑18的路徑上移動。葉片可被定形狀，以在風W穿越過它時施行提升。當葉片移動時，被安裝在葉片上的螺旋槳20旋轉，且造成電力由馬達/發電機22所產生，螺旋槳被可旋轉地安裝於馬達/發電機22。如此所產生的電力通過繫鏈線路16而被傳輸。葉片12可藉由伸展或縮回繫鏈線路16而被升起或降低，且可被帶成靜置在可為底座14的一體部分之安裝架或托架24上。系統10可藉由使用馬 達/發電機22以馬達模式而被從它的托架發射。被傳輸至馬達/發電機22的電力被使用來以馬達模式驅動螺旋槳20。一旦在所想要的高度處，且當風速足夠高及/或恆定時，系統10可藉由使用由葉片12所產生的升力而自主地切換至飛行的自我維持狀態，且馬達/發電機22如先前所述發電。馬達/發電機22較佳地以馬達模式被操作，以在葉片回復成靜置在托架24上時控制葉片12的下降。系統10如所描述已經由在加州Alameda的Makani Power,Inc所發展。
由於系統10不需要重型直立支撐塔，系統10的質量顯著地少於類似等級的傳統風力渦輪機系統，或許可少掉多達90%。額外地，系統10可被運用在300公尺以上的高度，這可能利用那裏的更強且更一致的風。這樣的高度純粹地無法由使用直立支撐塔的傳統系統在商業上達到。在這些高度處，相較於美國的15%可利用傳統風力渦輪機技術達到，美國的85%能提供可行的風源。更重要地，由於顯著的重量降低及高的高度部署的可能性，系統10可被有利地部署在離岸水域，這開啟了比美國的整體發電容量大四倍之資源。
將系統10施作於離岸的目前解決方案需要將底座14放置在半沉水結構上，此半沉水結構利用數個錨定纜線而被固定於海床。這樣的解決方案仍需要運送及錨定半沉水結構，且這些作業可降低系統10的商業可行性。需要的是，降低安裝成本並降低在海上或其他的水體上安裝 風電所需的資本支出。亦需要能夠在更深的水域中進行安裝的解決方案，其具有成本效益且適合於利用深水狀況。因此，所想要的是，提供能在深水地點被容易地安裝且將水面處的基礎支撐結構的需求最小化或消除之離岸風力渦輪機。
本揭示提供一種包括空載(airborne)發電器的離岸發電系統。繫鏈線路的空中部分在第一端處被連接於空載發電器。漂浮結構被建構成在水面上漂浮。繫鏈線路的空中部分的第二端被可旋轉地連接於漂浮結構。繫鏈線路的水下部分在第一端處被連接於漂浮結構。繫鏈線路的水下部分的第二端被附接於錨，錨被固定於水下底床。輸電系統透過繫鏈線路而被連接於空載發電器。輸電系統傳輸由空載發電器所產生的電力。
本揭示亦提供一種具有空載元件的離岸發電系統，空載元件回應於風力而移動。繫鏈線路的空中部分在第一端處被連接於空載元件。繫鏈線路的空中部分的第二端被可旋轉地連接於漂浮結構。繫鏈線路的水下部分在第一端處被連接於漂浮結構。繫鏈線路的水下部分的第二端被附接於錨。輸電系統透過繫鏈線路的至少一部分而被連接於漂浮結構。輸電系統傳輸由空載元件的移動所產生的電力。馬達/發電機被附接於漂浮結構且透過繫鏈線路而被電連接於輸電系統。馬達/發電機被建構成回應於空 載元件的移動而發電。
本揭示亦提供一種發電方法。空載發電器藉由使用繫鏈線路的空中部分而被連結於漂浮結構。漂浮結構藉由使用繫鏈線路的水下部分而被連接於錨。錨被固定於水下底床。電力基於基於空載發電器回應於風力的移動而被產生。漂浮結構透過繫鏈線路的至少一部分而被連接於輸電系統。所產生的電力被傳輸至輸電系統。
上述內容已經廣泛地概述本揭示的特徵，以致伴隨的詳細說明可被更加地了解。額外的特徵亦將在此描述。
10‧‧‧系統
12‧‧‧葉片
14‧‧‧底座
16‧‧‧繫鏈線路
18‧‧‧圓形路徑
20‧‧‧螺旋槳
22‧‧‧馬達/發電機
24‧‧‧托架
100‧‧‧發電廠
102‧‧‧機身
104‧‧‧後穩定器
112‧‧‧輕型飛行器
112a‧‧‧備用輕型飛行器
116‧‧‧繫鏈線路
116a‧‧‧第一端
116b‧‧‧第二端
116c‧‧‧水下部分
116d‧‧‧空中部分
117‧‧‧在繫鏈線路中或上處
118‧‧‧路徑
120‧‧‧螺旋槳
122‧‧‧馬達/發電機
124‧‧‧環架
126‧‧‧快速斷開機構
128‧‧‧張力元件
130‧‧‧連繫纜線
132‧‧‧絕緣物
134‧‧‧海床
136‧‧‧錨樁
138‧‧‧水面
140‧‧‧環架
142‧‧‧分開點，快速斷開機構
146‧‧‧水下電模組
146a‧‧‧在水下電模組中處
148‧‧‧陣列線路
150‧‧‧電分配纜線
152‧‧‧離岸變電站
152a‧‧‧在離岸變電站處
154‧‧‧能源儲存
156‧‧‧輸出纜線
158‧‧‧電力網
160‧‧‧風場
162‧‧‧浮體
164‧‧‧電模組
170‧‧‧離岸支援船
172‧‧‧限動器
174‧‧‧停歇台
176‧‧‧鼓輪
200‧‧‧控制系統
202‧‧‧可程式化控制器
204‧‧‧感測器
206‧‧‧決策邏輯
208‧‧‧輸出
220‧‧‧馬達/發電機
222‧‧‧線軸
230‧‧‧拖曳纜線
232‧‧‧線軸
234‧‧‧小艇
236‧‧‧安裝場所
300‧‧‧發電方法
302‧‧‧方塊
304‧‧‧方塊
306‧‧‧方塊
308‧‧‧方塊
310‧‧‧方塊
400‧‧‧發電方法
402‧‧‧方塊
404‧‧‧方塊
406‧‧‧方塊
408‧‧‧方塊
410‧‧‧方塊
500‧‧‧維持離岸電廠的方法
502‧‧‧方塊
600‧‧‧維持離岸電廠的方法
602‧‧‧方塊
604‧‧‧方塊
606‧‧‧方塊
608‧‧‧方塊
700‧‧‧發電方法
700‧‧‧方塊
702‧‧‧方塊
704‧‧‧方塊
706‧‧‧方塊
708‧‧‧方塊
710‧‧‧方塊
712‧‧‧方塊
714‧‧‧方塊
800‧‧‧維持離岸電廠的方法
802‧‧‧方塊
804‧‧‧方塊
806‧‧‧方塊
808‧‧‧方塊
810‧‧‧方塊
900‧‧‧維持離岸電廠的方法
902‧‧‧方塊
904‧‧‧方塊
906‧‧‧方塊
908‧‧‧方塊
W‧‧‧風
此揭示的這些及其他特徵、態樣及優點從以下說明、隨附申請專利範圍及伴隨圖式將變得明白，圖式在以下被簡要地描述。
圖1是習知繫鏈式風力渦輪機系統的側視圖。
圖2是根據所揭示態樣之繫鏈式風力渦輪機系統的側視圖。
圖3是根據所揭示態樣之圖2的繫鏈式風力渦輪機系統的一部分的立體圖。
圖4是根據所揭示態樣之圖2及圖3的繫鏈式風力渦輪機系統的一部分的詳細視圖。
圖5是根據所揭示態樣之沿著圖2的線5-5所取的繫鏈的剖面圖。
圖6是根據所揭示態樣之圖2中所示的錨樁的一部分的詳細視圖。
圖7是根據所揭示態樣之圖2中所示的繫鏈的一部分的詳細視圖。
圖8是根據所揭示態樣之風場(wind farm)的平面圖。
圖9是根據所揭示態樣之繫鏈式風力渦輪機系統的側視圖。
圖10是根據所揭示態樣之離岸支援船的立體圖。
圖11是根據所揭示態樣之繫鏈式風力渦輪機系統的側視圖。
圖12是根據所揭示態樣之繫鏈式風力渦輪機系統的側視圖。
圖13是根據所揭示態樣之控制系統的示意圖。
圖14是根據所揭示態樣之浮體的側視圖。
圖15是根據所揭示態樣之運送繫鏈式風力渦輪機系統的方法的側視圖。
圖16是根據所揭示態樣之方法。
圖17是根據所揭示態樣之方法。
圖18是根據所揭示態樣之方法。
圖19是根據所揭示態樣之方法。
圖20是根據所揭示態樣之方法。
圖21是根據所揭示態樣之方法。
圖22是根據所揭示態樣之方法。
應注意的是，圖式僅為範例，且不藉此限制本揭示範圍之意圖。此外，圖式一般地未依比例尺來描繪，而是以繪示此揭示的各種不同態樣能方便及清楚的目的來描繪。
為了促進本揭示的原理的了解，現在將參照圖式中所繪示的特徵，且確切的語言將被使用來描述此等特徵。然而，將會了解的是，未藉此有限制本揭示的範圍之意圖。所屬技術領域中具有通常知識者按理可聯想到在此所描述的本揭示的原理的任何改變及進一步修改、以及任何進一步應用。為了簡潔之故，與本揭示不相關的一些特徵不會在圖式中顯示。
首先，為了容易參照起見，在此闡述此申請案中所使用的某些用語及其如內文中所使用的涵義。在於此所使用的用語未在以下被界定的情形下，它應被賦予相關領域的人士已經賦予該用語之最廣定義，如在至少一個印刷刊物或公告專利所表示。此外，本技術不受限於以下所示的用語的用法，因為作為相同或類似目的之全部等效物、同義詞、新發展、及用語或技術被考量成在本申請專利範圍的範圍內。
如一般技術人士會明白的是，不同的人可用 不同的名稱指出相同的特徵或組件。此文件並非旨在區分出僅在名稱有不同的組件或特徵。圖不必然依照比例。在此的某些特徵及組件可在比例上誇張化或以示意形式來顯示，且傳統元件的一些細節為了清楚及簡潔之故可不被顯示。當參照在此所描述的圖時，相同的元件符號為了簡單之故可在數個圖中被參照。在以下說明及申請專利範圍中，用語“包括”及“包含”被以開放式方式使用，且因此應被解釋成意指“包括，但不限定為”。
冠詞“該”及“一”不必然限定為意指唯一，而是包含式及開放式，以致選項地包括數個這樣的元件。
如在此所使用，用語“近似地”、“大約”、“實質地”、以及類似用語旨在具有廣泛涵義，其與此揭示的標的所相關的領域中的一般技術人士所用的通常及接受用法一致。應為參閱此揭示的本領域技術人士所了解的是，這些用語旨在允許某些特徵的說明在沒有將這些特徵限制至所提供的精確數值範圍之情形下來描述及主張。因此，這些用語應被解釋成指出所描述標的之非實質及非重要的修改或改變，且被考量成在本揭示的範圍內。
如在此所使用，像是用語“離岸”、“海床”、“海底”、“水下”及“水域”將被解釋成是指或描述包括海洋、湖泊、貯水池、海及河流的任何水體。
如在此所使用，像是用語“電”、“電力”在指其產生、傳輸及儲存時可被交換地使用，如在本領域 中所知曉。
所揭示的方面包括具有一或多個繫鏈式風力渦輪機系統的發電廠，其被耦接於適當的電基礎設施及能源儲存技術，其可被建構成驅動新的或既有的發展。這樣的發展在此被描述，且可包括離岸及/或陸上發展。
圖2繪示根據本揭示態樣之發電廠100。發電廠100包括一或多個空載元件或空載發電器，其在本揭示的一態樣中包含翼片、葉片、或輕型飛行器(kite)(在此綜合性地稱為輕型飛行器112)。輕型飛行器112可類似於圖1中所揭示的剛硬的或實質不可彎撓的葉片，或是可至少部分地包含撓性材料，以提供剛性、半剛性或非剛性的結構。例如，輕型飛行器112可在風力下彎撓，且可由剛性材料(例如，金屬)、半剛性材料(例如，碳纖維)及非剛性材料(例如，織物)中的一或多者所組成。圖3揭示一態樣，其中每一個輕型飛行器112可包括類似飛機的機身102，後穩定器104可被附接於機身102。每一個繫鏈線路116的第一端116a可被附接於各別一個輕型飛行器112。例如，如圖4中所示，第一端116a可被附接於輕型飛行器112上的環架(gimbal)124或其他旋轉結構。快速斷開機構126可被設置在第一端116a處或是在接近第一端116a處，以利於繫鏈線路116與輕型飛行器112的迅速斷開。快速斷開機構126可被建構成被遠端地觸發或操作，及/或可被手動地操作。圖5顯示繫鏈線路116的剖面圖，繫鏈線路116可包括張力(tension)元件128，張力元件 128可由具有高強度重量比的材料所建構，此材料像是碳纖維、由高強度抗腐蝕鋼所製成的編織纜線等。在一態樣中，繫鏈線路116稍微可浮、或是包括可浮元件，以防止它在未被連接於輕型飛行器112時沉至海床。在一態樣中，張力元件128可由適合於海底(亦即，水下)及空載應用或部署兩者的材料所製成。在另一態樣中，張力元件128具有適合於持續沉浸在水體中的水下組件、以及適合於水體上或上方使用的空載組件。張力元件128的水下組件及空載組件的長度可分別藉由估計輕型飛行器將被使用處的水深及輕型飛行器112操作上的所欲高度而被決定。張力元件128可被設計成環繞一或多個電通道，其如圖5中所示為陣列間傳輸及通訊的連繫纜線130。連繫纜線130可允許供應至輕型飛行器112或由輕型飛行器112所產生的電流之傳輸。連繫纜線130亦可將控制及/或診斷訊號傳輸至輕型飛行器112，及/或傳輸來自輕型飛行器112的控制及/或診斷訊號，如在此將進一步描述。額外地或替代地，繫鏈線路除了連繫纜線外還可包括光纖或其他控制及通訊元件。繫鏈線路的一個設計在PCT專利公開案第WO2012/012429號中被描述，其揭示內容在此以參照方式併入。一層絕緣物132可環繞及保護連繫纜線130免於遭受周圍的水。
繫鏈線路116的第二端116b可在像是湖床、河床或海床134的水下底床處或在其上藉由使用錨樁136或類似裝置而被固定在錨定點處。例如，錨樁136可被鑽孔及 灌漿，或是如圖6中所示可為打入樁。替代地，直立負載錨可被使用來固定繫鏈線路116的第二端116b。錨樁136可整個位於水面138的下方，如圖中所示，但是在較淺水部分錨樁的一部分可在水面的上方。像是組合式環架及轉環140的旋轉機構或元件可被附接於錨樁的頂部的一部分、或是被一體形成為錨樁的頂部的一部分。繫鏈線路116的第二端116b然後可被附接於的環架140。如此被附接的繫鏈線路116被允許繞著平行於及垂直於海床134的軸線旋轉，以藉此使得輕型飛行器112能夠相對於錨樁136自由地移動。如圖6中所示意地顯示，快速斷開機構142在繫鏈線路與環架之間於連接點處或於接近連接點處被運用，以在如果繫鏈、環架、及/或錨樁需要維護或替換、或是發電廠100的一部分或全部的操作故障時允許繫鏈被斷開及/或替換。快速斷開機構142可被建構成可被遠端地觸發或操作、及/或可被手動地操作。線軸(spool)或絞盤(winch)可在錨樁處被提供，以在如果繫鏈斷裂或輕型飛行器墜毀時允許纜線被捲收。線軸或絞盤可包括纜線張力器元件128，纜線張力器元件128不論繫鏈線路上的張力量如何而允許繫鏈線路被捲收。
輕型飛行器112被設計成回應於吹送的風W而在路徑118上移動，路徑118在圖2中被顯示為橢圓或圓形路徑。當輕型飛行器沿著路徑118移動時，繫鏈線路116以擺動或反覆的模式穿過水來移動。被安裝於輕型飛行器上的螺旋槳120旋轉，且藉由使用馬達/發電機122而造成電 流被產生，螺旋槳被可旋轉地安裝於馬達/發電機122。如此所產生的電流通過連繫纜線130被傳輸。每一個繫鏈線路116的長度可被選擇，以使得輕型飛行器112能夠在所想要的高度處獲得風能，此高度可超過100公尺、或200公尺、或300公尺。每一個輕型飛行器可具有超過20千瓦、或超過100千瓦、或超過500千瓦、或超過1百萬瓦、或超過5百萬瓦的額定發電容量。
如圖7中所繪示，連繫纜線130及絕緣物132可在分開點142處從張力元件128分離，分開點142可位在繫鏈線路116的第二端116b處或接近繫鏈線路116的第二端116b處，或者是可位在沿著繫鏈線路116的任何點處。關聯於圖2中所示的繫鏈線路中之各者以較佳的組態被直接地或藉由陣列線路148的連接電連接於水下電模組146。陣列線路148將由馬達/發電機所產生的電流傳輸至水下電模組146，且在每一個輕型飛行器112與水下電模組之間傳輸通訊及控制訊號。水下電模組146含有基本電壓轉換、電力分配、斷路器切換及電力絕緣所需的基礎設施，其將連繫纜線130連接於陣列線路148，及/或依所想要來增加陣列線路及/或連繫纜線的尺寸。水下電模組146亦可調和來自電模組的電壓，且可將複數個交流電流(AC)源或直流電流(DC)源互連。水下電模組146可依所需施行DC至DC轉換、AC至AC轉換、DC至AC轉換、或AC至DC轉換。局部的電分配纜線150提供路徑，以供被引至水下電模組146的電流被送至變電站(substation)，此變電站根據本 揭示的一態樣是離岸變電站152。替代地，連繫纜線130及/或陣列線路148可在不需水下電模組146的情形下被直接地連接於離岸變電站152。離岸變電站152將來自一個以上的水下電模組146的電流流動互連及導引。離岸變電站152可調和來自電模組的電壓，且可將複數個交流電流(AC)源或直流電流(DC)源互連。離岸變電站152可依所需施行DC至DC轉換、AC至AC轉換、DC至AC轉換、或AC至DC轉換。離岸變電站152如果想要的話可提供能源儲存154用的地點或至能源儲存154的連接。這樣的能源儲存154可運用像是水下泵送式儲存液壓技術、高溫熱能儲存、飛輪、一個或多個電池(像是鋰離子電池)、壓縮空氣儲存、或其他類型的能量儲存技術之系統或技術。離岸變電站152亦可包括電氣絕緣的能力，如將在此進一步描述。離岸變電站152可透過輸出纜線156將電力送至陸上變電站(未示出)，以連接於電力網158(圖8)中。替代地或額外地，離岸變電站152可將電力送至位於離岸的電力機械。圖8是根據所揭示態樣以風場160的形式的發電廠的代表性布局的上視圖。風場160包括二十五個輕型飛行器(由它們的各別路徑118所指出)、五組連繫纜線130或陣列線路148、五個水下電模組146、五個局部電分配纜線150、一個離岸變電站152、及一個輸出纜線156。風場160可依所想要具有任何數量的輕型飛行器，且由輕型飛行器112所產生的電流可透過電模組、變電站、連繫纜線及電分配纜線的任何組合或配置而被電連接於輸出纜線156。
以上所述的本揭示態樣將輕型飛行器112錨定於海床，藉此消除在習知離岸風場中所使用的重型且昂貴的離岸塔、半沉入結構、及其他永久結構。然而，在一些情況中，可為想要的是，限制輕型飛行器相對於海床的運動範圍。圖9繪示輕型飛行器112能自其旋轉的漂浮結構。該漂浮結構可為張力腳平台、樑、半沉入結構、船形漂浮結構、或如圖9中所示的浮體162。浮體162可藉由使用繫鏈線路在單一點處被繫於海床。替代地，數個線路可被使用來將浮體繫在海床上的數個點處。在此態樣中，繫鏈線路116可被分成水下部分116c及空中部分116d。每一個部分然後可被最佳化地設計來符合張力負載需求，且耐受其各別環境的狀況。其他類型的漂浮結構或基礎構件可取代浮體162來使用，要了解的是，這樣的漂浮結構被預期為遠小於被使用來支撐離岸風車式馬達/發電機的結構。額外地，浮體162亦可包括電模組164中的基本電基礎設施，其導致進一步簡化水下電模組146的結構及功能。浮體162亦可包括作為電模組164的一部分或與電模組164分開之電氣絕緣能力，如將於以下解釋。電模組164及/或電氣絕緣能力在如果被分開地提供的情形下可根據允許容易移除、安裝、修理、及替換的模組化形狀因子來提供。電模組164可依所想要包括通訊、電氣絕緣及電力轉換裝置的任一個或全部。
在此所揭示的所有態樣包括被繫鏈於海床的輕型飛行器112，且因而沒有輕型飛行器能被降落以供維 護、替換、或是當風太弱或太強時供輕型飛行器被有效地操作之固定點。習知輕型飛行器系統(圖1)在這些情況期間運用絞盤或線軸來減少繫鏈線路的長度，但所揭示態樣使用具有輕型飛行器與錨樁136之間恆定長度的繫鏈線路。在一態樣中，輕型飛行器112可被設計來降落在水面138上，且可由船所保養。根據本發明的態樣，輕型飛行器112能在特別裝配的可移動結構、平底船、或船(像是如圖2及圖10中所描繪的離岸支援船170)上被降落及運送。離岸支援船被設計成暫時地移動或被移動至輕型飛行器112已經被安裝的地點。離岸支援船170可被裝配加墊的架台或限動器172，輕型飛行器112可藉其而被運送。離岸支援船亦可包括安裝座或停歇台174，以用來在沒有在繫鏈線路中使用絞盤或線軸的情形下降落及/或發射輕型飛行器112，或是換言之，部署的繫鏈線路的長度(亦即，繫鏈線路在錨樁與輕型飛行器之間的長度)在降落及/或發射操作期間是恆定的。離岸支援船模組可額外地包括備用的繫鏈線路116，其可被捲繞於線軸或鼓輪176，以供在離岸支援船中或在離岸支援船上的儲存。輕型飛行器112可透過繫鏈線路116或經由離岸支援船所裝載的無線通訊/控制系統而被控制來降落在停歇台174上，以供維護、修理或替換。在這樣的降落操作中，由馬達/發電機122所供電的螺旋槳120可提供所需的升力，以操作輕型飛行器至停歇台或水面。如果有需要的話，備用輕型飛行器112a可替代降落的輕型飛行器。離岸支援船170可以此方式對許 多輕型飛行器保養及除此以外施行維護及修理，藉此，消除將輕型飛行器降落以供維護及修理的永久離岸結構之需求，及消除將輕型飛行器帶回陸上以供在其上的許多所需維護及修理之需求。這樣的現場安裝、移除、保養、維護、及修理可造成試運轉、啟用、長期操作等期間的顯著成本節省。
習知繫鏈式輕型飛行器已依靠永久支撐結構之另一個原因是為了保護輕型飛行器免受潛在的傷害性強風、以及免受風速太低而無法將輕型飛行器保持在空中或產生可接受的電力水準之情況。根據圖11中所示的所揭示態樣，輕型飛行器112可被編寫程式成在強風時期期間水平地盤旋。輕型飛行器112被顯示為具有顯著的翼形，其應在強風情況下提供足夠的升力，以將輕型飛行器保持空載。額外地，後穩定器104在此情況下可提供給輕型飛行器112升力及穩定性。另一方面，輕型飛行器112可被編寫程式或控制成在弱風時期期間垂直地盤旋，如圖12中所示。由馬達/發電機122(如圖3中所示)所供電的螺旋槳120可提供足夠的升力，以將輕型飛行器112維持在空中。馬達/發電機122可藉由外部電源或透過所儲存電力而被供電。替代地，輕型飛行器112可被編寫程式或控制成在弱風時期、繫鏈故障、或電網電力喪失的期間降落在水面上。
可預期的是，繫鏈線路116可能帶有範圍是數千伏特AC或DC且電能位準為數十千瓦至數十百萬瓦之電 力。存在有輕型飛行器112或其各別的繫鏈線路116可能與周圍的水或其他結構、載器等進行不想要的電傳導之許多情境。在此所揭示態樣包括這樣的電安全性問題的考量。例如，感測器可被使用來偵測關聯於輕型飛行器112的參數、其周圍環境、其所關聯的電力系統。這些參數可包括像是電壓、電壓不足、電流、電流損失、電暈放電、及電流及/或電壓不平衡之電參數。這些電參數可在所揭示系統的任何位置處被測量。其他的所偵測參數可包括指出繫鏈線路劣化、輕型飛行器的高度、繫鏈線路的張力、風速、輕型飛行器所安裝的水體中波浪的高度及/或頻率、來自遠端裝置的跳閘命令的接收或損失、偵測在輕型飛行器中或靠近輕型飛行器的載器或人員、或遠端訊號的存在或缺少之訊號。偵測這些參數的感測器可包括一或多個電流感測器、電壓感測器、張力監測裝置、應變計、風速計、通訊單元、陀螺儀、高度計、速率感測器、震動感測器、攝像機系統、雷達等。所偵測的參數可被使用來決定輕型飛行器112及所關聯的電力系統是否應被切換至故障安全(failsafe)操作模式或電安全狀態，其在一態樣中可被稱為“安全停泊狀況”。安全停泊狀況可包括電安全狀態或狀況。此安全停泊狀況是可包括將繫鏈纜線116去能(de-energizing)之一個狀況。將繫鏈線路116去能可包括切斷電路斷路器或啟動電中斷裝置、及/或關閉對電力電子裝置的觸發，其可包括像是閘流體(thyristor)等的閘控電力電子裝置。至安全停泊狀況的轉換可包括藉由將 從位在輕型飛行器上的發電源至繫鏈線路116的電傳導停止或中斷，以停止從輕型飛行器112至繫鏈線路116的電力傳輸，且反之亦然。
安全停泊狀況可包括藉由將離岸變電站152與輕型飛行器112之間任何點處的電連結中斷而停止來自離岸電力系統的電傳導。安全停泊狀況亦可包括將關聯於繫鏈線路116的連繫纜線130接地。為了有利於至安全停泊狀況的轉換，電切換、中斷或絕緣裝置應與繫鏈線路116的第一端116a及第二端116b兩者電連通(較佳為串聯)。電切換、中斷或絕緣裝置可為電路斷路器、點火(pyrotechnic)中斷器、開關、電力電路電器、保險絲、接地開關等之形式。
至像是安全停泊狀況的電安全狀態的轉換之決策可被併入至輕型飛行器112的正常操作步驟中。例如，如果帶翼的輕型飛行器112將要執行在離岸支援船170上的降落，至安全停泊狀況的轉換可被包括，以作為其控制系統的手動或自動起始步驟中的一個。舉例而言，使用來自離岸電力系統的電力之輕型飛行器112可被編寫程式或除此以外被指派來在監視模式下(被使用來例如在弱風狀況期間將輕型飛行器下降至離岸支援船170或將輕型飛行器盤旋)操作馬達/發電機122。在這樣的情況下，至安全停泊狀況的轉換可被起始來將繫鏈線路與來自輕型飛行器及離岸電力系統兩者的電傳導電氣絕緣。
根據所揭示態樣，電切換、中斷或絕緣裝置 可位於浮體162(如果使用的話)處、位於水下電模組146中(如元件符號146a所示)、位於離岸變電站152(如果使用的話)處(如元件符號152a所示)、位於繫鏈線路116中或位於繫鏈線路116上(如元件符號117所示)、或位於發電系統100中的其他位置。至安全停泊狀況的轉換可包括在來自監督控制系統的命令的接收時或經由手動命令來操作(例如，打開)電切換、中斷或絕緣裝置。圖13是代表性控制系統200的示意圖，控制系統200可被使用來起始安全停泊狀況或其他故障安全模式。控制系統200可存在於輕型飛行器112上，但可有利地位在輕型飛行器及不在輕型飛行器上的位置(像是浮體162、水下電模組146、及/或離岸變電站152)兩者上。控制系統200可被併入至被使用來控制輕型飛行器的飛行及自主操作之控制系統(未示出)中、或是替代地可獨立於其他功能。控制系統200可包括像是電保護性繼電器或可程式化邏輯控制器之可程式化控制器202，可程式化控制器202接收來自各種不同的感測器204的輸入，如先前已描述。決策邏輯可根據習知程式原理而在206處被輸入至控制器202中。至電安全狀態(像是所描述的安全停泊狀況)的轉換之指令依所需在208處被輸出至浮體162、水下電模組146、及/或離岸變電站152。當至安全停泊狀況的觸發或轉換之預定條件被感測、決定、或除此以外被請求時，這些輸出指令傳達這樣的觸發。
電故障安全模式可為有用的情況的範例是如 果繫鏈線路116在輕型飛行器112正在發電時斷裂。感測器204(像是輕型飛行器上的電流及電壓感測器、輕型飛行器112的控制系統中的電力監測計算、及/或關聯於繫鏈116本身的張力監視器)可將提供輸入至控制系統200的可程式化控制器202。可程式化控制器202藉由使用決策邏輯206來處理輸入，以決定異常狀況已經發生，且然後將透過輸出208來溝通，以起始安全停泊狀況。繫鏈116能因此被安全地電氣絕緣。
在一態樣中，需要電氣絕緣的狀況在異常被偵測時以前被感測、偵測或計算。可為想要的是，電氣絕緣在任何異常電流流動或電壓變化被偵測以前發生。根據一態樣，系統可預期帶電導體或組件正接近電故障的增加風險(例如，與水體的表面之衝擊)。舉例而言，感測不想要的狀況可包括感測輕型飛行器或繫鏈線路的位置、或計算輕型飛行器或繫鏈線路的軌跡，且電氣絕緣可在電氣異常由感測器204所偵測以前回應於輕型飛行器的預期軌跡或位置而被自動地施行。
所揭示態樣相較於習知風能解決方案具有許多優點。這些優點包括顯著的重量減少、製造及安裝成本、在高的高度利用風能之能力、及在極端的水深處廉價地利用風能之能力。因此，本揭示態樣不僅可被使用來將電力供應至電力網，還可被使用來供電給像是水產養殖或海水淡化之任何類型的離岸計畫。作為另一個實例，本發明態樣可被使用來存取鄰近既有離岸油氣設施之新的油及 /或氣儲層。如果開發新儲層的最佳成本效益的方式是利用既有的基礎設施，對於這樣的開發將很可能有額外的電力需求，特別是如果開發具有顯著的海底組件。由於原始的離岸油氣設施很可能未在設想額外電力需求的情形下來設計，去符合額外的電力需求可為昂貴及耗時的。所揭示態樣使得額外的發電容量在合理的成本下被增加至既有的離岸設施。
本揭示態樣亦可與需要發電來操作之新的離岸油氣計畫有利地使用。離岸平台或設施可至少部分地藉由一或多個輕型飛行器而被經濟地供電，如在此所揭示。對於利用離既有水底生產及/或處理基礎設施很遠(大於50km)的既有處理、儲存及/或運輸設施之海底生產而言，這樣的基於輕型飛行器的電力特別地吸引人。
在此所描述態樣可具有其他的有利應用。例如，所揭示態樣可與其他電力源(包括像是太陽、潮汐、熱能、地熱等的其他再生源)來使用，以供電給海底增壓所使用的設備、或是當再生源中的一個由於弱風、低可得的太陽能、電力網損失等而無法獲得時來使用。
所揭示態樣已經描述在一端處被固定於海床，且在另一端處被固定於輕型飛行器之繫鏈線路。將了解的是，這樣的繫鏈線路可實際為一起作用來將輕型飛行器固定於海床且將由輕型飛行器的移動所產生的電力傳輸至輸電系統之兩個分開的線路(例如，水下部分及空中部分)。雖然兩個分開的線路可具有不同的長度、直徑及組 成，為了本揭示的目的，這些分開的的繫鏈線路或繫鏈線路部分可被考量為單一個繫鏈線路。
圖14描繪本揭示的另一態樣，其中馬達/發電機220位於浮體162處，而非位於輕型飛行器處。線軸222被可旋轉地連接於馬達/發電機220。繫鏈線路的空中部分116d被建構成被繞著線軸222捲繞及退繞。當馬達/發電機220作用為馬達時，繫鏈線路的空中部分116d捲繞於線軸222。當線軸222被操作為將繫鏈線路的空中部分退繞時，馬達/發電機220產生透過連繫纜線116b被傳輸至輸電系統(未示出)的電力。
由於輕型飛行器112是輕的且能夠產生空氣動力升力，更容易運送及安裝。圖15是輕型飛行器112如何可被運送至安裝場地或被從安裝場地運送之示意圖。如圖15所示，輕型飛行器112可被附接於至少被部分地捲繞於線軸232的拖曳纜線230。在這個所揭示態樣中，線軸232被安裝在小船或小艇234上。藉由使用拖曳纜線230，小艇234可將輕型飛行器112從陸地或從離岸支援船拖曳至典型地位在風場處或其他發電場所處之安裝場所236。輕型飛行器112可藉由使用馬達/發電器122及螺旋槳120、空氣動力升力原理、或兩者而被維持在空中。當小艇234到達安裝場所236時，拖曳纜線230被捲收，直到輕型飛行器夠接近來將繫鏈線路116的第一端116a固定於輕型飛行器為止。輕型飛行器然後可上升至空中，以如先前所描述來發電。如果輕型飛行器將被從安裝場所移除至基於陸地的降 落場所、離岸供給船、或其他地點，此程序可被倒反。圖15中所描繪及在此所描述之運送及安裝/解除安裝方法是替代使用更大的離岸支援船170的方法。替代地，如以上所描述，離岸支援船可主要提供來將輕型飛行器112運送至它們的各別安裝場所的一般周圍及將輕型飛行器112從它們的各別安裝場所的一般周圍運送，且一個以上的小艇234可將輕型飛行器112運送至離岸支援船及將輕型飛行器112從離岸支援船運送，以將輕型飛行器112安裝於從它們的各別安裝場所處。
圖16是根據所揭示態樣之發電方法300的流程圖。在方塊302，空載發電器藉由使用繫鏈線路而被連接於錨。錨被固定於水下底床。在方塊304，電力基於空載發電器回應於風力的移動而被產生。在方塊306，當空載發電器回應於風力而移動時，繫鏈線路的恆定長度在空載發電器與錨之間被維持。在方塊308，空載發電器透過繫鏈線路的至少一部分而被連接於輸電系統。在方塊310，所產生的電力被傳輸至輸電系統。
圖17是根據所揭示態樣之發電方法400的流程圖。在方塊402，空載發電器藉由使用繫鏈線路的空中部分而被連接於像是浮體的漂浮結構。在方塊404，漂浮結構藉由使用繫鏈線路的水下部分而被連接於錨。錨被固定於水下底床。在方塊406，電力基於空載發電器回應於風力的移動而被產生。在方塊408，漂浮結構透過繫鏈線路的至少一部分而被連接於輸電系統。在方塊410，所產生 的電力被傳輸至輸電系統。
圖18是根據所揭示態樣之維持離岸電廠的方法500的流程圖。在方塊502，複數個空載發電器被降落在漂浮船上或接近漂浮船處。該複數個空載發電器中之各者形成離岸電廠的一部分。
圖19是根據所揭示態樣之維持離岸電廠的方法600的流程圖。離岸電廠具有第一空載發電器及第二空載發電器。在方塊602，漂浮船被移動至鄰近第一空載發電器的位置。在方塊604，第一空載發電器被降落在漂浮船上或接近漂浮船處。在方塊606，漂浮船被移動至鄰近第二空載發電器的位置。在方塊608，第二空載發電器被降落在漂浮船上或接近漂浮船處。
圖20是根據所揭示態樣之發電方法700的流程圖。在方塊702，空載發電器藉由使用繫鏈線路而被連接於錨。錨被固定於水下底床。在方塊704，電力基於空載發電器回應於風力的移動而被產生。在方塊706，當空載發電器回應於風力而移動時，繫鏈線路的恆定長度在空載發電器與錨之間被維持。在方塊708，空載發電器透過繫鏈線路的至少一部分而被連接於輸電系統。在方塊710，所產生的電力被傳輸至輸電系統。在方塊712，狀況被感測，在此狀況下，將電力傳輸至輸電系統為所不想要。在方塊714，空載發電器被電氣絕緣，以防止電力被從空載發電器傳輸至輸電系統。
圖21是根據所揭示態樣之維持離岸電廠的方 法800的流程圖。在方塊802，發電器被附接於漂浮船上的拖曳纜線。在方塊804，漂浮船被移動至離岸發電場所。在方塊806，當漂浮船正在移動至離岸發電場所時，發電器被維持在空載狀態。在方塊808，發電器在離岸發電場所處被從拖曳纜線卸除且被附接於的繫鏈線路的第一端。繫鏈線路的第二端被錨定於水下底床。在方塊810，發電器在空載狀態下被操作。
圖22是根據所揭示態樣之維持離岸電廠的方法900的流程圖。在方塊902，在離岸發電場所處將發電器從繫鏈線路的第一端卸除。繫鏈線路的第二端被錨定於水下底床。在方塊904，發電器被附接於漂浮船上的拖曳纜線。在方塊906，漂浮船被移動離開離岸發電場所。在方塊908，當漂浮船正在移動離開離岸發電場所時，發電器被維持在空載狀態下。
應了解的是，在沒有背離本揭示的範圍的情形下，能作成前述揭示的數個改變、修改、及替代。因此，前述揭示並非意在限制本揭示的範圍。而是，本揭示的範圍僅藉由隨附申請專利範圍及其等效物所決定。亦可設想的是，本範例中的結構及特徵能被變化、再配置、替代、刪除、複製、組合、或彼此增加。
100‧‧‧發電廠
112‧‧‧輕型飛行器
112a‧‧‧備用輕型飛行器
116‧‧‧繫鏈線路
116a‧‧‧第一端
116b‧‧‧第二端
118‧‧‧路徑
130‧‧‧連繫纜線
132‧‧‧絕緣物
134‧‧‧海床
136‧‧‧錨樁
138‧‧‧水面
142‧‧‧分開點，快速斷開機構
146‧‧‧水下電模組
146a‧‧‧在水下電模組中處
148‧‧‧陣列線路
150‧‧‧電分配纜線
152‧‧‧離岸變電站
152a‧‧‧在離岸變電站處
154‧‧‧能源儲存
156‧‧‧輸出纜線
170‧‧‧離岸支援船

Claims (20)

  1. 一種離岸發電系統，包含：空載發電器；繫鏈線路的空中部分，其在第一端處被連接於該空載發電器；漂浮結構，其被建構成在水面上漂浮，該繫鏈線路的該空中部分的第二端被可旋轉地連接於該漂浮結構；該繫鏈線路的水下部分，其在第一端處被連接於該漂浮結構；錨，該繫鏈線路的該水下部分的第二端被附接於該錨，該錨被固定於水下底床；及輸電系統，其透過該繫鏈線路而被連接於該空載發電器，該輸電系統被建構成傳輸由該空載發電器所產生的電力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該漂浮結構包含浮體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該空載發電器包含回應於風力而移動的結構，且其中該結構是輕型飛行器、翼片、或葉片之一。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的離岸發電系統，還包 含：馬達/發電機，其被附接於該結構且透過該繫鏈線路而被電連接於該輸電系統；及螺旋槳，其被可旋轉地附接於該馬達/發電機，其中該螺旋槳被建構成回應於該結構的移動而旋轉，以藉此在該馬達/發電機中發電。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該繫鏈線路包含：張力元件，其被建構成將該空載發電器透過該漂浮結構固定於該錨；及導電的連繫纜線，其被建構成將電力及控制訊號中的至少一個透過該漂浮結構在該空載發電器與該輸電系統之間傳輸。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的離岸發電系統，其中該連繫纜線在水下分開點處開始與該張力元件分開。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該漂浮結構包括電模組，該電模組施行電壓變換、電力分配、斷路器切換、通訊、控制、及電力絕緣中的至少一種。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該 輸電系統包含：水下電模組，其被連接於該連繫纜線，該水下電模組施行電壓變換、電力分配、斷路器切換、及電力絕緣中的至少一種；及離岸變電站，其被電連接於該水下電模組，該離岸變電站施行電壓調和、直流電流(DC)至直流電流轉換、直流電流至交流電流(AC)轉換、交流電流至直流電流轉換、及交流電流至交流電流轉換中的至少一種。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該空載發電器是複數個空載發電器中的一個，該等複數個空載發電器中之各者具有與其關聯的導電的連繫纜線，且還包含：第一水下電模組，其被電連接於與該等複數個空載發電器中的第一群組關聯的連繫纜線；第二水下電模組，其被電連接於與該等複數個空載發電器中的第二群組關聯的連繫纜線，該第一水下電模組及該第二水下電模組中的每一個施行電壓變換、電力分配、斷路器切換、及電力絕緣中的至少一種；及離岸變電站，其被電連接於該第一水下電模組及該第二水下電模組，該離岸變電站施行電壓調和、直流電流(DC)至直流電流轉換、直流電流至交流電流(AC)轉換、交流電流至直流電流轉換、及交流電流至交流電流轉換中的至少一種。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，還包含能源儲存系統，該能源儲存系統被連接於該輸電系統且被建構成儲存由該空載發電器所產生的電力。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的離岸發電系統，其中該輸電系統被連接於能源網，以將由該空載發電器所產生的電力傳輸至該能源網。
  12. 一種離岸發電系統，包含：空載元件，其回應於風力而移動；繫鏈線路的空中部分，其在第一端處被連接於該空載元件；漂浮結構，其中該繫鏈線路的該空中部分的第二端被可旋轉地連接於該漂浮結構；該繫鏈線路的該水下部分，其在第一端處被連接於該漂浮結構；錨，該繫鏈線路的該水下部分的第二端被附接於該錨；輸電系統，其透過該繫鏈線路的至少一部分而被連接於該漂浮結構，該輸電系統被建構成傳輸由該空載元件的移動所產生的電力；及馬達/發電機，其被附接於該漂浮結構且透過該繫鏈線路而被電連接於該輸電系統，該馬達/發電機被建構成 回應於該空載元件的移動而發電。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的離岸發電系統，其中該漂浮結構包含浮體。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的離岸發電系統，其中該空載元件是輕型飛行器、翼片、或葉片中之一。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的離岸發電系統，其中該繫鏈線路包含：張力元件，其被建構成將該空載元件透過該漂浮結構固定於該錨；及導電的連繫纜線，其被建構成將電力及控制訊號中的至少一個在該漂浮結構與該輸電系統之間傳輸，其中該連繫纜線在水下分開點處開始與該張力元件分開。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的離岸發電系統，其中該漂浮結構包括電模組，該電模組施行電壓變換、電力分配、斷路器切換、通訊、控制、及電力絕緣中的至少一種。
  17. 如申請專利範圍第12項所述的離岸發電系統，其中該輸電系統包含： 水下電模組，其被連接於該連繫纜線，該水下電模組施行電壓變換、電力分配、斷路器切換、及電力絕緣中的至少一種；及離岸變電站，其被電連接於該水下電模組，該離岸變電站施行電壓調和、直流電流(DC)至直流電流轉換、直流電流至交流電流(AC)轉換、交流電流至直流電流轉換、及交流電流至交流電流轉換中的至少一種。
  18. 一種發電方法，包含：藉由使用繫鏈線路的空中部分而將空載發電器連結於漂浮結構；藉由使用該繫鏈線路的水下部分而將該漂浮結構連接於錨，該錨被固定於水下底床；基於該空載發電器回應於風力的移動而發電；將該漂浮結構透過該繫鏈線路的至少一部分連接於輸電系統；及將所產生的電力傳輸至該輸電系統。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的發電方法，其中該電力在該空載發電器處被產生，且還包含：將該空載發電器透過該漂浮結構電連接於該輸電系統。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的發電方法，其中電力藉 由位在該漂浮結構處的馬達/發電機而被產生，且還包含回應於該空載發電器的移動而在該漂浮結構處發電。
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