TW202001089A

TW202001089A - 用於將一浮動式風力渦輪機自運輸位置降低至工作位置之方法及浮動式風力渦輪機

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Publication number: TW202001089A
Application number: TW108116743A
Authority: TW
Inventors: 崧柯史梵文森
Original assignee: 新加坡商艾諾丹新加坡顧問有限公司
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-01-01
Also published as: DE102018113470A1; WO2019234490A1

Abstract

本發明揭示了一種用於將漂浮在水體上的風力渦輪機（100）自運輸位置降低至工作位置的方法，且該風力渦輪機（100）包括充氣浮力體（110a、110b、110c），該方法的特徵在於以下步驟：a）使該浮力體（110a、110b、110c）注滿來自該水體的水；b）檢測作用於該浮力體（110a、110b、110c）之上的靜水外壓；以及c）在該浮力體（110a、110b、110c）中產生氣動內壓以抵抗經檢測的靜水外壓。

Description

用於將一浮動式風力渦輪機自運輸位置降低至工作位置之方法及浮動式風力渦輪機

本發明特別係關於一種用於將漂浮在水體上的風力渦輪機自運輸位置降低至工作位置的方法，且該風力渦輪機包括充氣浮力體。本發明還涉及一種浮動式風力渦輪機，其具有被形成為漂浮在水體上的空心體的基礎，其中該基礎經建構以藉由一泵來接收壓艙水(ballast water)並藉由一壓縮機來排出壓艙水。

在陸地（「登岸(onshore)」）和隨後在海上（「離岸(offshore)」）的風能迅速發展之後，用於更深水體的浮動式風力渦輪機正在逐漸發展。為達此目的，提出了各種實施方式，其中原則上有利的是，這種系統的浮動穩定性在基礎結構中在水下具有很大的重量。另一方面，希望港口中的浮動式風力渦輪機可通常僅在處於淺水深度之處被組裝並且使其運作。這樣的話，浮動式風力渦輪機從5公尺到7公尺的浸入深度將是有利的，因為在這種情況下，在符合條件的國家中的許多港口可被使用。因此，原則上要求浮動式風力渦輪機能夠在港口中使用淺吃水(shallow draft)並在到達安裝地點的過程中進入具有淺吃水的運輸位置，且藉由使用海水將空腔施加重量以將位於安裝地點的風力渦輪機降低至工作位置直到一預定深度。

原則上滿足這些要求的風力渦輪機的特別優選的實施方式例如可由歐洲專利第EP 3019740 B1號而為已知。此浮動式風力渦輪機具有被設計為空心體的基礎，例如藉由泵將水吸收到該空心體中，因此可調節該基礎的浸入深度。例如，可提供不包含壓艙水之基礎具有約2.80公尺的浸入深度，而藉由將該基礎注滿水，亦即藉由接收壓艙水，基礎可被降低到水線以下約15公尺之處。

同樣地，這種已知渦輪機的基礎亦可被用於其之平衡(trimming)。具體地，提出了一種連接到傾斜測量系統的控制單元，該傾斜測量系統檢測基礎的水平對準，其中各個水箱的位準係藉由泵及/或壓縮機以及相應設置的排水閥來控制。

例如從德國專利第DE 102016118078 A1號中亦為已知的是，藉由在水面下提供高重量的混凝土空心體來建構浮動式風力渦輪機的浮動式基礎以增加整個系統的穩定性。然後，在從組裝港口到安裝地點的牽引過程中，優選地將空心體填充空氣。因此牽引所需的水深較少，其中如上所述的浮動式基礎接著必須用壓艙水填充以便後續操作。

然而，問題在於，當使用被形成為空心體的基礎時，隨著降低的水深增加而作用於整個結構上的外部水壓亦增加，這導致空心體的壓縮。實際實驗和理論的考慮表明了，當壓力高達20千帕(相當於0.2巴)時，該浮動式基礎已經崩塌。為了防止對基礎結構的損壞，因此必須安裝勞力密集、材料密集與昂貴的加固件或者藉由加強件增加或加強壁的厚度。

因此，本發明之目的是提供一種浮動式風力渦輪機和一種防止由於作用在浮動式風力渦輪機的基礎上的靜水外壓而對系統造成損壞的方法。

根據本發明之此目的係藉由具有請求項1之特徵的方法和具有請求項8之特徵的浮動式風力渦輪機來實現。附屬請求項分別提供了本發明的有利實施方式。

本發明的基本構想是在使用壓艙水填充被形成為空心體的基礎時並且在相關的降低過程期間，將該基礎中的內部壓力保持在與作用在該基礎上的平均外部水壓之一相對應的水平，以便使作用於被形成為空心體的該基礎之壁上的機械結構應力為最小化。

因此，浮動式風力渦輪機具有例如柴油發電機的動力源，用於以例如海水去填充浮力體的空腔的水泵，用於產生壓縮空氣的壓縮機，與特別優選地，傾斜度、水平和壓力感測器，以及控制單元。

在開始降低過程之前，所有的空腔都經受一定的空氣壓力，例如0.1巴。此後，打開水泵並將水以一定的過壓添加至空腔之中。降低過程從此時開始。位於基礎的頂部和底部的壓力感測器測量水壓並將這些值傳遞至控制器。調節器確保藉由壓縮機將內部壓力調節至平均外部水壓。這造成周圍水壓與空腔的內部壓力之間的最小壓差。此導致低的結構應力，因此不需要結構加強措施。

隨著注水量的增加，由於空氣量減少，內部壓力也會增加。如果這造成內部壓力大於水的周圍(平均)外部壓力，則可藉由控制閥釋放空氣，直到壓力恢復到與外部水壓相同的平均值。

如果空腔完全注滿水，也就是說基礎已經完全排氣並達到優選設置的浸入深度，則優選地產生介於空腔和周圍水之間的自由連接。結果，持久地實現了基礎的內部與基礎周圍的水之間的穩定壓力平衡。因此，結構不會受到來自內部和外部之間的壓差之力的壓迫。

為了確保水箱係均勻地填充並且渦輪機係以水平對準地下降，提供額外的閥門以調節進入各個水箱的水流量。這是藉由(雙軸)傾斜儀所完成，該傾斜儀係由控制單元所測量和評估。根據偏差值，然後將更多或更少的水輸送到各個水箱之中，以便在兩個方向上實現平均水平位置。

為了使渦輪機浮上水面(resurfacing)，將氣體(優選為空氣)引入完全充滿水的浮力體之中，以將水置換到浮力體的外部。為達此目的，閥門被切換，使得當暴露於壓縮空氣時水被壓迫到外部但不能進入浮力體的內部。優選地，除了藉由空氣而被動地排出水之外，泵係被切換，以將水從浮力體泵送到浮力體周圍的水體之中。即使在浮上水面的過程中，也要注意將內部壓力調節到平均外部水壓，以便在浮上水面的過程中僅產生微小的結構應力。

因此，主張了一種用於將漂浮在水體上的風力渦輪機自運輸位置降低至工作位置的方法，且該風力渦輪機包括充氣浮力體，該方法的特徵在於以下步驟：a）使該浮力體注滿來自該水體的水；b）檢測作用於該浮力體之上的靜水外壓；以及c）在該浮力體中產生氣動內壓以抵抗經檢測的靜水外壓。

浮動式風力渦輪機的浮力體特別為浮動式風力渦輪機的浮動式基礎。這可具有無分隔的空腔或可分隔為腔室或再細分為水箱。

浮力體的注滿可特別藉由主動地將水泵送到浮力體之中來進行，其中浮力體特別優選地係完全充滿水，同時排出氣體。

在注滿水期間所產生的氣動內壓的大小特別地對應於在相應時間所檢測到的平均靜水外壓的大小。

替代地，提供的是，所產生的氣動內壓的大小對應於在浮力體的最低浸入深度處所檢測到的靜水外壓和在浮力體的最大浸入深度處所檢測到的靜水外壓的平均值。

根據另一優選實施方式，提供了在浮力體注滿水之前在該浮力體之中產生一過壓。該過壓優選為約10千帕(相當於0.1巴)。

抵抗所檢測到的靜流外壓的氣動內壓的產生或設定還包括浮力體的排氣(venting)。此過程是因為當壓艙水流入該浮力體時，由於氣體空間的壓縮使得內部壓力將超過作用在該浮力體上的外部水壓的值所產生。因此，該浮力體的內部以受調節的方式而排氣，直到該浮力體完全被充滿水並且結構在工作位置中為壓力平衡。

最後，主張一種浮動式風力渦輪機，其具有被形成為漂浮在水體上的空心體的基礎，且該基礎經建構以藉由一泵來接收壓艙水並藉由一壓縮機來排出壓艙水，其中該浮動式風力渦輪機具有至少一壓力感測器，以用於檢測作用於該基礎上的靜水外壓，並且在該基礎中的一控制器係連接到該泵、該壓縮機和該至少一壓力感測器，以用於產生抵抗作用在該基礎上之靜水壓力的氣動壓力。

優選地，第一壓力感測器係配置在該基礎的頂部上，且第二壓力感測器係配置在該基礎的底部上。根據這兩個或更多個壓力感測器的測量值，可以計算出平均值，該平均值對應於作用在該基礎上的平均靜水壓力。替代地，可以設置一壓力感測器，該壓力感測器係配置在介於該基礎的該頂部和該底部之間的中間，其可檢測作用在該基礎上的平均靜水壓力。

此外，可以設置一壓力感測器，其可檢測該基礎的內部中存在的氣體壓力並連接到控制器。這對於防止內部壓力超過可能導致該基礎損壞(例如該基礎的壁之中的裂縫)的值係特別有用。由於這種配置，還可以不僅在數學上或在表格中確定該基礎中存在的內部壓力，並且可以檢測實際存在的內部壓力並在內部和外部之間設定最精確的壓力平衡。

更優選地，提供一排氣閥以用於降低該基礎中存在的內部氣動壓力。

最後，該浮動式風力渦輪機還具有至少一個連接到該基礎的浮體。此附加的浮體特別優選地被設計成使得其不會被淹沒並且因此純粹被設計成在降低的該基礎的操作期間提供給該浮動式風力渦輪機所需的浮力。

圖1示出了浮動式風力渦輪機100的特別優選實施方式的示意性側視圖，該浮動式風力渦輪機100係由牽引機300拖至運輸位置。由於該風力渦輪機100此時為(幾乎)完全充氣的狀態，該風力渦輪機100與其基礎110僅些微下潛，並且可被以受到很小的阻力的方式運送到安裝地點。

如果該浮動式風力渦輪機100在該安裝地點被錨固至水體的底部，則使其進入圖2所示的工作位置之中，其中該風力渦輪機100在此供應能量。為達此目的，該基礎110優選地被完全注滿圍繞該風力渦輪機100的該水體的水，其中該風力渦輪機100的浮體SK可提供足夠的浮力以保持在期望的浸入深度。

在優選實施方式的風力渦輪機的情況下特別重要的是容納該風力渦輪機100的塔架的基座，其在圖3中以元件符號X所標記的區域中連接該基礎110的三個臂。此處，根據圖4所示的區塊圖的特別優選的實施方式，用以執行根據本發明之方法的渦輪機可被實現。

在此優選實施例中所示出的渦輪機係被設計為前面附圖中所示的該浮動式風力渦輪機100，其具有Y形的基礎110。該浮動式基礎110整體被形成為浮力體並且由此被分成三個浮力體110a、110b、110c。該等浮力體110a、110b、110c可各自形成為該基礎110的一個臂。該等浮力體110a、110b、110c可以彼此不相交地(disjointly)或連通地(communicatively)連接。然而，分隔開的實施方式是有利的，以便能夠藉由該等浮力體110a、110b、110c的不同處理來實現該風力渦輪機100的平衡。

該等浮力體110a、110b、110c各自在相應的浮力體110a、110b、110c的頂部上具有第一壓力感測器160a，並且在相應的浮力體110a、110b、110c的底部上具有第二壓力感測器160b。此外，在該等浮力體110a、110b、110c中之每一者還有一個另外的壓力感測器170，其可檢測該等浮力體110a、110b、110c中的相應存在的氣體壓力。

為了將該等浮力體110a、110b、110c注滿及/或排空，設置一泵120以用於接收及/或排出壓艙水，其中設置一壓縮機130以用於接收及/或排出流進流出該等浮力體110a、110b、110c的氣體。

此外，在藉由閥門180而以壓縮空氣填充該等浮力體110a、110b、110c時，可以添加壓艙水和從該等浮力體110a、110b、110c排出壓艙水。該等浮力體110a、110b、110c的排氣優選地藉由排氣閥190執行。

該等壓力感測器160a、160b、該另外的壓力感測器170、該泵120和該壓縮機130(以及該等閥門180、190，圖中未示)係連接到經調適的控制器140，以便控制：藉由該水體的水的將該等浮力體110a、110b、110c注滿；作用於該等浮力體110a、110b、110c上的靜流外壓的檢測；以及在該等浮力體110a、110b、110c中之氣動內壓的產生以抵消經檢測的靜流外壓。

形成雙軸傾斜儀的傾斜感測器200同樣地連接到該控制器140，以確保該浮動式風力渦輪機100的平衡，特別是在降低或浮上水面期間，用於該浮動式風力渦輪機100的該浮動式基礎110的水平對準。

由於該風力渦輪機100在從該運輸位置被移動到該工作位置時不產生任何電流，因此需要一電源150來向上文中所述的構件供應電能。該電源150可以為例如一內燃機，其特別是作為該風力渦輪機的一部分被該風力渦輪機所夾帶。

無

參照隨附圖式所示的較佳實施方式而更詳細地解釋本發明。以下圖式顯示：圖1示出了處於運輸位置的浮動式風力渦輪機的特別優選實施方式的示意性側視圖；圖2示出了圖1中的浮動式風力渦輪機處於工作位置的的示意性側視圖；圖3示出了上述風力渦輪機的立體圖；及圖4示出了根據特別優選的實施方式所執行的區塊圖，該區塊圖係用於執行優選的主張方法或用於所主張的風力渦輪機的優選實施方式。

Claims

一種用於將漂浮在水體上的風力渦輪機（100）自運輸位置降低至工作位置的方法，且該風力渦輪機（100）包括充氣浮力體（110a、110b、110c），該方法的特徵在於以下步驟： (a) 使該浮力體（110a、110b、110c）注滿來自該水體的水； (b) 檢測作用於該浮力體（110a、110b、110c）之上的靜水外壓；及 (c) 在該浮力體（110a、110b、110c）中產生氣動內壓以抵抗經檢測的靜水外壓。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由主動地將水泵送至該浮力體（110a、110b、110c）之中來進行注滿。
如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中排出氣體的該浮力體（110a、110b、110c）係完全地被水注滿。
如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中所產生的氣動內壓的大小對應於所檢測到的平均靜水外壓的大小。
如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中所產生的氣動內壓的大小對應於在該浮力體（110a、110b、110c）的最低浸入深度處所檢測到的靜水外壓和在該浮力體（110a、110b、110c）的最大浸入深度處所檢測到的靜水外壓的平均值。
如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之方法，其中在該浮力體（110a、110b、110c）注滿水之前在該浮力體（110a、110b、110c）之中產生一過壓。
如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之方法，其中產生氣動內壓以抵抗經檢測的靜水外壓的步驟包含該浮力體（110a、110b、110c）的排氣。
一種浮動式風力渦輪機（100），其具有被形成為漂浮在水體上的空心體的基礎（110），並且該浮動式風力渦輪機（100）包含：第一裝置（120、180），其係用於接收及/或排出壓艙水；第二裝置（130、190），其係用於接收及/或排出流進或流出該基礎（110）之氣體；至少一壓力感測器（160a、160b），以用於檢測作用於該基礎（110）上的靜流外壓；及控制器（140），其係連接到該第一裝置（120、180）、該第二裝置（130、190）和該基礎（110）中的該至少一壓力感測器（160a、160b），以用於產生氣動壓力而抵抗作用在該基礎（110）上之靜水壓力。
如申請專利範圍第8項所述之浮動式風力渦輪機（100），其中該第一裝置為泵（120）。
如申請專利範圍第8或9項所述之浮動式風力渦輪機（100），其中該第二裝置（130、190）為壓縮機（130）或閥門（190）。
如申請專利範圍第8至10項中任一項所述之浮動式風力渦輪機（100），其中第一壓力感測器（160a）係配置在該基礎（110）的頂部上；第二壓力感測器（160b）係配置在該基礎（110）的底部上。
如申請專利範圍第8至10項中任一項所述之浮動式風力渦輪機（100），其包含一另外的壓力感測器（170），其可感測該基礎（110）中存在的氣體壓力並係連接到該控制器。
如申請專利範圍第8至10項中任一項所述之浮動式風力渦輪機（100），其中至少一個浮體係連接到該基礎（110）。