TW202007859A - 單點式繫綁風力渦輪機 - Google Patents

Abstract

一種單點式繫綁風力渦輪機（100'），其具有被配置在塔架（10）上的轉子（20），且其特徵在於可抵消由轉子扭矩所引起該風力渦輪機（100'）之搖擺的設計。

Description

單點式繫綁風力渦輪機

本發明係關於一種單點式繫綁風力渦輪機，其具有被配置在塔架上的轉子。特別地，本發明係關於一種具有浮動式基礎的單點式繫綁風力渦輪機，該浮動式基礎具有被配置在一個平面中的至少兩個浮力體。

單點式繫綁風力渦輪機特別可從美國專利第US 2011140 451 A1號、歐洲專利第EP 1269018 A1號、德國專利第DE 102013111115 B3號、歐洲專利第EP 3019740 B1號和德國專利第DE 102016118079 B3號中而為已知。特別地，這些設備的共同之處為具有一浮動式基礎，該浮動式基礎係被安裝以使得其僅能夠圍繞單一點而旋轉，由於這種特殊類型的下錨(anchorage)，從而可以免除用於能量轉換單元和塔頭之間的風向追踪的單獨裝置。相反地，被設計為背風運行裝置(leeward runner)的這些風力渦輪機的風向追踪為獨立地發生，因為這種浮動單點式繫綁風力渦輪機係根據風向與圍繞錨地的風而將其本身與風對齊。類似於所謂的船舶進出錨定浮筒的搖擺，渦輪機在風中的自身對準也可被描述為搖擺。浮動式風力渦輪機在錨地周圍的搖擺幾乎主要是歸因於風向的變化，風力渦輪機所錨定的水域之流動方向的變化僅起到次要作用。根據歐洲專利第EP 3019740 B1號，風中的自身對準設計還允許在轉子或能量轉換單元處發生的負載被直接地引入基礎中，而不會在塔架處發生彎矩並從那裡直接地進入錨地且因此進入浮動式風力渦輪機所錨固的水域的底部。

這種關於多錨固且從而在塔頭處具有(主動)風向追踪系統之基本上不可旋轉的渦輪機的基本優點在於，由於缺少被設置在塔架和機艙(nacelle)之間的偏航系統，單點式繫綁風力渦輪機可被形成為具有顯著較低的頭部重量，這反過來減少了浮動式基礎以轉子支撐塔架之構造上的嘗試。

在單點式繫綁風力渦輪機的研究與發展期間，本申請案的發明人意識到這樣的事實：由於轉子的扭矩，這種風力渦輪機在操作時傾向於在該轉子的旋轉方向中側向地傾斜。在大型離岸式風力渦輪機的情況下，該傾斜角α大約為2°至7°。

單點式繫綁風力渦輪機的傾斜反過來意味著在單點式繫綁風力渦輪機的俯視圖中，單點式繫綁風力渦輪機的錨定點(亦即樞轉點)與傾斜至一側的渦輪機之轉子的軸線之間的預期線不再與風向相同，因此圍繞錨定點和整個渦輪機所形成之扭矩將離開風向而旋轉。當在風向中觀察時，如果旋轉方向為順時針方向，則渦輪機首先向右傾斜，且接著整個渦輪機將轉向左側(當從上方觀察時)。由此產生之轉子軸線與風向的偏差達到約20°至約40°之間的數值，歸因於轉子扭矩所引起的風向偏差，可以預期之(不可接受的)能量損失將高達25％至30％。

為了本專利申請案之目的，錨定點為單點繫綁系統的樞轉點。

因此，浮動單點式繫綁風力渦輪機在運行中的搖擺除了由水流變化所引起的可忽略部分和為了維持渦輪機的運行而由風向變化所引起的部分之外，還有歸因於轉子扭矩而負面地影響渦輪機之效率的部分。換句話說，浮動單點式繫綁風力渦輪機的搖擺是由風、水流和轉子之旋轉作用於渦輪機上的力和力矩的結果。

下文中將使用附圖以更詳細地解釋本文，其中：圖1a示出了處於無扭矩狀態的浮動式風力渦輪機在風向中的示意性前視圖，以及圖1b示出了處於無扭矩狀態的浮動式風力渦輪機的俯視圖；且圖2a是圖1中的浮動式風力渦輪機在具有轉子扭矩的運行狀態下之在風向中的示意性前視圖，以及圖2b是圖1中的浮動式風力渦輪機在具有轉子扭矩的運行狀態下的示意性俯視圖。

圖1a示出了根據先前技術的特別優選的浮動式風力渦輪機100在風向中的示意性前視圖，其中同樣的渦輪機100再次在圖1b中以俯視圖所表示。該渦輪機100形成為單點式繫綁風力渦輪機100，其中該渦輪機100的錨定點或樞轉點200(如從德國專利第DE 102016118079 B3號中為已知)係位於該浮動式風力渦輪機100的浮動式基礎的長臂的自由端處。並且，將該風力渦輪機100錨固至水體的底部之錨線210以及將該風力渦輪機連接至電網的海底電纜220亦為可見的。

在所示的實施例中，該風力渦輪機100並非處於運行狀態，並且如圖1所示，係處於平衡狀態，使得浮動式基礎係大致上水平地對準，從而使得該風力渦輪機100的塔架與該錨定點200係精確地對準風向(參見箭頭)。

然而，如果該單點式繫綁風力渦輪機100在轉矩產生且具有未改變的風向(和水流方向)的情況下運行，則可以觀察到該渦輪機100在該轉子的旋轉方向中傾斜一角度

，並且在與圍繞該渦輪機100的該樞轉點200(亦即該渦輪機100的錨地)的旋轉方向相反的方向中以離開風向而搖擺。與一般假設相反，歸因於轉子扭矩所引起的搖擺，當圖1中的風向未改變時，該單點式繫綁風力渦輪機100實際上將佔據如圖2中所示的位置。顯然，由轉子扭矩所引起的風力渦輪機的這種搖擺將造成能量損失。

這種扭矩偏航耦合的現象使得專門用於具有「單點式繫綁」錨地的浮動式風力渦輪機之設計作為結果而產生，其中優選地經由在基礎上或基礎之中的旋轉連接，整個渦輪機可以在水中旋轉而沒有彈性恢復力並且僅具有水阻尼。

因此，本發明之目的是創造一種特別有效率的單點式繫綁風力渦輪機。

此目的係藉由具有請求項1之特徵的單點式繫綁風力渦輪機來實現。此任務亦可藉由具有請求項9的特徵之將被錨固到錨定點並且可圍繞該錨定點自由地旋轉的單點式繫綁風力渦輪機投入運行的方法來解決。附屬請求項各別地反映了本發明的有利實施方式。

本發明的基本概念是以這樣的方式來設計渦輪機：關於單點式繫綁風力渦輪機的組裝，採取結構措施或者提供某些附加設備來抵消由轉子扭矩所引起之風力渦輪機圍繞錨定點的搖擺。

根據本發明，一方面可以藉由單點式繫綁風力渦輪機或其部件從一開始就佔據第一位置而不具有由旋轉之轉子所引起的扭矩來建設性地實現，亦即停止運行渦輪機，此導致轉子扭矩使渦輪機在運行期間佔據第二位置，其中在渦輪機的俯視圖中，錨定點/樞轉點及轉子，特別是轉子軸線，係與風向成一直線並且對應於轉子推力(rotor thrust)。由於轉子扭矩所引起的渦輪機在運行中的傾斜係藉由結構所影響之未運行的渦輪機的傾斜來補償，單點式繫綁風力渦輪機圍繞錨定點的搖擺所造成之偏離風向可被避免或大幅地降低。

這樣，參考轉子的額定扭矩，可以優選地提供渦輪機的塔架在與轉子的旋轉方向相反的方向中向前地傾斜一預定的傾斜角度，其中該塔架是以這樣的方式而被豎立，使得僅當藉由該轉子所引起的扭矩被產生時，在渦輪機的俯視圖中，錨定點及轉子，特別是轉子軸線，係位於與風向成一直線的線上。

因此，特別地，渦輪機必須被設計成使得塔架在渦輪機未運行之狀態下的傾斜角度與轉子的旋轉方向相反，且當施加由轉子所引起的(額定)扭矩時，該角度等於在轉子的旋轉方向中之處於運行狀態的渦輪機的傾斜角度。此設計補償了由轉子所引起的扭矩對渦輪機圍繞錨定點之定位的影響，從而避免了能量損失。

根據另一設計，單點式繫綁風力渦輪機也可以在轉子的兩側上配置至少兩個浮力體，以使得逆著轉子的旋轉方向而被配置的浮力體優選地比沿著轉子的旋轉方向而被配置的浮力體具有較大的重量。另一方面，可優選地設想到使得沿著轉子的旋轉方向而被配置的浮力體比逆著轉子的旋轉方向而被配置的浮力體具有較大的浮力。藉由組合這兩個程序也可以實現相同的期望效果。

作為這些一般結構措施的替代方式(或補充)，根據本發明，提供了單點式繫綁風力渦輪機，其具有直接地和功能性地抵消轉子之扭矩的裝置。特別地，該裝置具有或被設計成一驅動器，該驅動器產生推力以抵消由轉子扭矩所引起的搖擺，並使整個渦輪機圍繞錨定點而旋轉以抵抗由轉子扭矩所引起的搖擺。例如，船舶的引擎及/或機動推進器可被使用以作為驅動器。

根據本發明，提出了一種單點式繫綁風力渦輪機，其具有被配置在塔架上的轉子，且其具有可抵消由轉子扭矩所引起之風力渦輪機的搖擺的設計。

根據本發明的優選設計，特別是提供一種裝置，其可抵消由轉子扭矩所引起之風力渦輪機的搖擺。

根據本發明所設計或安裝的風力渦輪機優選地具有浮動式基礎，該浮動式基礎具有被配置在一個平面中的至少兩個浮力體。

根據第一優選設計，塔架係逆著轉子的旋轉方向而傾斜，以補償由轉子扭矩所引起之風力渦輪機的搖擺。

塔架係特別優選地朝向基礎而傾斜。

塔架相對於水平面的傾斜角β係最優選為約2°≤β≤7°。

根據第二優選實施方式，渦輪機在與轉子的旋轉方向相反的一側上具有附加重量，其可至少部分地補償轉子的額定扭矩。

藉由替代的優選設計也可以獲得相同的效果，其中沿著轉子的旋轉方向而被配置的浮力體相較於逆著轉子的旋轉方向而被配置的浮力體具有較大的浮力。

本發明特別適用於根據歐洲專利第EP 3019740 B1號所設計的風力渦輪機，其中提供了具有被配置在一個平面中的至少三個浮力體的浮動式基礎，塔架基座係被配置在該等浮力體中之一者的附近並且轉子係被配置在另外兩個浮力體之間，且其中沿著旋轉方向而被配置的浮力體與轉子之間的距離係大於逆著旋轉方向而被配置的浮力體與轉子之間的距離。或者，浮力體在相反於旋轉方向上與轉子的距離可以小於浮力體在旋轉方向上與轉子的對應距離。

最後，提出了一種風力渦輪機，其具有可至少部分地補償搖擺的驅動器，特別是船舶的引擎或機動推進器。

根據本發明之渦輪機的設計不僅必須具有抵消轉子扭矩的單一設計特徵，而且還可以在單個渦輪機中以(部分)組合的形式結合上述的實施方式。

對於單點式繫綁風力渦輪機的架設和初始運作，其中該風力渦輪機係被錨固至錨定點並可自由地旋轉以便錨固該風力渦輪機，且轉子係被配置在塔架上，根據本發明，建議使處於未運行狀態的渦輪機平衡，以補償轉子在運行中所產生的扭矩(特別是關於轉子的額定扭矩)。以這樣的方式，從單點式繫綁風力渦輪機的俯視圖來看，處於運行狀態的單點式繫綁風力渦輪機之中的錨定點和轉子軸線之間的預期線係與風向相同。

風向優選地被定義為就時間及/或在單點式繫綁風力渦輪機的區域之中而言的局部平均風向。

平衡還可優選地藉由以被提供在單點式繫綁風力渦輪機之中的壓艙水而填充及/或排空壓艙水箱來執行。替代地或另外地，渦輪機的平衡也可以藉由附接及/或移除重物來執行。

圖3a示出了根據第一示例性實施方式處於無扭矩狀態且在風向中的浮動單點式繫綁風力渦輪機的示意性前視圖，其中圖3b表示該浮動單點式繫綁風力渦輪機的示意性俯視圖。

圖3中所示的單點式繫綁風力渦輪機100'在結構上與在已為熟知的浮動式風力渦輪機中所使用的結構大致上相同。該單點式繫綁風力渦輪機100'具有被配置在塔架10上的轉子20，其中該塔架10係被配置在基礎30上，該基礎30具有三個浮力體40a、40b、40c。該基礎30為Y形，其中相應的浮力體40a、40b、40c係各自定位在Y形基礎結構的一個臂之相應的自由端。承載該浮力體40c的長臂形成該單點式繫綁風力渦輪機100'的對稱軸，其中該塔架10係被配置在該對稱軸之中並且係背風地傾斜。

然而，尚未被知悉且未被提供的是，根據本發明，該單點式繫綁風力渦輪機100'最遲在其被連接至該錨定點200之後將被平衡，但是在任何情況下應在將其投入運行之前。以這樣的方式，該塔架10係逆著該轉子20的旋轉方向而傾斜一預定的傾斜角β，使得該單點式繫綁風力渦輪機100'傾斜約5°。

如圖3b清楚地示出了該單點式繫綁風力渦輪機100'的俯視圖，轉子軸係因此明顯地在由該基礎30的該長臂所形成的該渦輪機的該對稱軸之外。

然而，如果將該單點式繫綁風力渦輪機100'投入運行，歸因於該轉子20所產生的扭矩，該渦輪機將因為先前確定的傾斜角而向上挺直。因此，如圖4a和圖4b清楚地示出，由該單點式繫綁風力渦輪機100'的俯視圖來看，在該單點式繫綁風力渦輪機100'的運行狀態下，該錨定點200和轉子軸之間的預期線係與風向相同。

用於抵消該轉子20的額定扭矩之渦輪機在非運行狀態下以一預定的傾斜角β之傾斜可被以不同方式所引發：

一方面，如圖8所示，相對於該對稱軸，該單點式繫綁風力渦輪機100'與轉子之旋轉方向相反的部分，特別是該基礎30的該浮力體40a，可被形成為相較於該單點式繫綁風力渦輪機100'在該旋轉方向中的部分而具有較高的重量。特別地，圖8示出了在運行期間，在樞轉點和轉子之間的預期線上所測量到之所需的對準偏差可藉由在風力渦輪機與轉子的旋轉方向相反的一側上附接一額外的重物來產生。例如，可藉由提供被配置在承載該浮力體40a的臂的自由端處之額外的重物50，特別是在該浮力體40a下方。

最後，圖8示出了根據第一示例性實施方式的浮動式風力渦輪機100'的結構，其中，如先前所示，在樞轉點和轉子之間的預期線上所測量到之所需的對準偏差可藉由在風力渦輪機與轉子的旋轉方向相反的一側上附接一額外的重物來產生。

另一方面，歸因於壓艙水在該基礎30及/或該等浮力體40a、40b中的分佈，藉由平衡該渦輪機100'也可以獲得該渦輪機100'處於非運行狀態下所採用的傾斜角。

圖5中示出了替代解決方案，其中該單點式繫綁風力渦輪機100'的該塔架10從一開始朝著已知Y形基礎30朝向與該轉子20的旋轉方向相反之該浮力體40a的方向中傾斜。因此，該塔架10係相對於該基礎30而傾斜一預定量，該預定量對應於該渦輪機100'在運行期間承受由該轉子20所施加之扭矩而造成整體傾斜的角度α。

圖6示出了根據第三示例性實施方式的浮動式風力渦輪機100'的結構，其具有到被配置在浮力體40a、40b之上的錨定點的預期線的不同距離。

仔細觀察，可以看出右側浮力體40b在風向中與該塔架10在風向中傾斜的軸線之距離大於左側浮力體40a在風向中的距離。該等浮力體40a、40b也為相同地形成。由於在該轉子20的旋轉方向中所佈置的浮力體與上述軸線之間的有效距離較大，因此形成一槓桿，該槓桿係被設計成抵消轉子扭矩，否則轉子扭矩將導致渦輪機100傾斜。

圖7示出了根據第四示例性實施方式的浮動式風力渦輪機100'的結構，其中被配置在該風力渦輪機的對稱軸上的浮力體40a、40b、40c具有的不同水線區域。

這裡可以看出，浮體40b'，如圖所示係在轉子的旋轉方向中而被配置，以這樣的方式所形成，使得其相較於逆著轉子的旋轉方向而被配置的浮體40a'可產生較大的浮力。後者提到的浮體40a'可以產生與被配置在該渦輪機100'的樞轉點處的浮體40c相同的浮力；或者被配置在轉子旋轉方向中的浮體40b'產生與被配置在該渦輪機100'的樞轉點處的浮體40c相同的浮力，其中僅有逆著轉子的旋轉方向而被配置之浮體40a'的浮力為減少的。

唯一重要的是該渦輪機100'係被平衡以使得該渦輪機100'在運行期間係大致上水平地對準，並且從樞轉點到轉子的預期線係與風向相同。

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3a示出了根據第一示例性實施方式的浮動式風力渦輪機在風向中的示意性前視圖，其中根據本發明的實施方式係處於無扭矩狀態，以及圖3b示出了該浮動式風力渦輪級的示意性俯視圖； 圖4a示出了圖3中的浮動式風力渦輪機在具有轉子扭矩的運行狀態中的示意性前視圖，以及圖4b示出了此浮動式風力渦輪機的示意性俯視圖，其中根據本發明的實施方式係處於具有轉子扭矩的運行狀態； 圖5示出了根據特別優選設計的第二示例性實施方式所執行的結構，其具有相對於基礎而偏移一角度的塔架； 圖6示出了根據第三示例性實施方式的浮動式風力渦輪機的結構，其中被配置在對稱軸上的浮子具有不同的距離； 圖7示出了根據第四示例性實施方式的浮動式風力渦輪機的結構，其中被配置在對稱軸上的浮子具有不同的水線區域；及 圖8示出了根據第一示例性實施方式的浮動式風力渦輪機的結構，其中係藉由附接一額外的重物以產生所需的對準偏差(misalignment)。

Claims (12)

1. 一種單點式繫綁風力渦輪機（100'），其具有被配置在塔架（10）上的轉子（20）， 其特徵在於可抵消由轉子扭矩所引起該風力渦輪機（100'）之搖擺的設計。
2. 如申請專利範圍第1項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於一種裝置，該裝置可抵消由該轉子扭矩所引起該風力渦輪機（100'）的該搖擺。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於具有被配置在一個平面中的至少兩個浮力體（40a、40b、40c）的浮動式基礎（30）。
4. 如申請專利範圍第3項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於該塔架（10）係相對於該基礎（30）以逆著該轉子（20）的旋轉方向而傾斜。
5. 如申請專利範圍第4項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於該塔架（10）係以2°≤β≤7°的角度而傾斜。
6. 如申請專利範圍第3或4項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於該風力渦輪機（100'）在與該轉子（20）的該旋轉方向相反的一側上具有重物（50），該重物（50）至少部分地補償該轉子（20）的額定扭矩。
7. 如申請專利範圍第3至6項中任一項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於，被配置在該轉子（20）的該旋轉方向中的該浮力體（40b）相較於逆著該轉子（20）的該旋轉方向而被配置的該浮力體（40a）可具有較大的浮力。
8. 如申請專利範圍第2至7項中任一項所述之單點式繫綁風力渦輪機（100'），其特徵在於該裝置具有一驅動器，其可產生推力以抵消由該轉子扭矩所引起的該搖擺。
9. 一種用於調試單點式繫綁風力渦輪機（100'）的方法，該單點式繫綁風力渦輪機（100'）係被錨固至一錨定點（200）並且可圍繞該錨定點（200）而自由地旋轉，其中一轉子（20）係被配置在一塔架（10）上，其特徵在於以下步驟： 在非運行狀態下使該渦輪機（100'）平衡，以在運行期間補償由該轉子（20）所產生的扭矩，使得從該單點式繫綁風力渦輪機（100'）的俯視圖中來看，介於該錨定點（200）及處於運行狀態的該單點式繫綁風力渦輪機（100'）的轉子軸之間的假想線係與風向相同。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其特徵在於，該風向為時間上及/或在該單點式繫綁風力渦輪機（100'）的區域之中的局部平均風向。
11. 如申請專利範圍第9或10項所述之方法，其特徵在於，該平衡係藉由以被提供在該單點式繫綁風力渦輪機（100'）之中的壓艙水而填充及/或排空壓艙水箱來執行。
12. 如申請專利範圍第9至11項中任一項所述之方法，其特徵在於，該平衡係藉由施加及/或移除重物來執行。

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