TWI681114B

TWI681114B - 可調式浮動平台裝置

Info

Publication number: TWI681114B
Application number: TW107134775A
Authority: TW
Inventors: 梁乃匡; 陳吉紀; 胡聰明
Original assignee: 宇泰工程顧問有限公司
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-01-01
Also published as: TW201918625A

Abstract

一種可調式浮動平台裝置，包含一錨碇單元、一浮體單元，以及一氣閥單元。該錨碇單元用於固著於海床且包括多個纜索。該浮體單元連接於該等纜索且漂浮於海平面並用於裝設一發電模組，該浮體單元包括一形成於該浮體單元內部並供一海水進出並具有一下開口端的通道。該氣閥單元包括一裝設於該浮體單元內部的中空氣管，其中，該浮體單元以充氣與洩氣方式調節浮力，在充氣時，一氣體進入至該中空氣管，且連動該海水自該通道的該下開口端排出，使得該浮體單元在安裝過程中上浮，可讓該等纜索繃緊，在洩氣時，該氣體自該中空氣管排出，且連動該海水由該通道的該下開口端灌入至該通道內。

Description

可調式浮動平台裝置

本發明是有關於一種可調式浮動平台裝置，特別是指一種離岸式風力發電機之可調式浮動平台裝置。

隨著世界的能源需求不斷日益增長，加上全球化石能源資源的逐漸耗竭，先進國家開始陸續競相發展風力發電技術。鑒於海域風場具備比陸域風場之風速較佳且風況穩定的優勢，近年來，在海域範圍裝設離岸式風力發電機已成為國際發展趨勢，為了未來可往較深的海域開發風能，浮動式(Floating)裝置的概念更為受到矚目。況且，由於較深海域面積廣闊，浮動式裝置的發展潛力雄厚。

現階段研發中的離岸式風力發電機所採用之浮動式承載平台，主要可以分為三種結構類型，有圓柱浮筒平台(Spar)、半潛式平台(Semi-submersible)，以及張力腿式(Tension leg platform，TLP)。圓柱浮筒平台的特點乃因斷面小，受波流的外力也小；半潛式平台的特點是大部分的浮體體積安排在較深水處，因波浪水粒子的速度在深水處較慢，使得其受波浪之外力亦較小。圓柱浮筒平台與半潛式平台採用數條不同方向的垂懸式纜索加上錨塊，將承載平台錨碇在標的海域中，兩者主要會有起伏(Heave)和縱搖(Pitching)的運動。而張力腿式則採用數條鋼纜將浮體和錨塊或者是基座樁拉緊，主要會有縱搖的運動，且相較於前述兩種浮台更適合深水處。由此可見浮動式承載平台之設計與安裝，必須能夠確保風力發電機的結構平衡與穩定性，而不致於被海風、海浪或者是洋流吹離或者是漂離原址，且起伏和縱搖的運動盡量降低，以保證風力發電機之發電效能穩定。因此，本發明乃綜合三種承載平台結構的優點而創作，同時考慮安裝和回收時的方便性。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種可調式浮動平台裝置，以改善離岸式風力發電機之承載平台的結構，減小因海洋環境而產生的運動以及易於安裝和回收。

於是，本發明可調式浮動平台裝置適用於一發電模組，該可調式浮動平台裝置在一些實施態樣中，是包含一錨碇單元、一浮體單元，以及一氣閥單元。該錨碇單元用於固著於海床，且該錨碇單元包括多個纜索。該浮體單元連接於該錨碇單元的該等纜索且漂浮於海平面，並用於裝設該發電模組，該浮體單元包括一形成於該浮體單元內部並供一海水進出的通道，該通道具有一下開口端。該氣閥單元包括一裝設於該浮體單元內部且具有一控制氣閥的中空氣管，以及一連接於該中空氣管的進氣系統。該浮體單元在一充氣狀態與一洩氣狀態間轉換，在該充氣狀態時，一氣體由該進氣系統進入至該中空氣管，且連動該海水自該通道的該下開口端排出，使得該錨碇單元的該等纜索繃緊，當該控制氣管開啟，使該浮體單元在該洩氣狀態時，該氣體自該中空氣管的該控制氣閥排出，且連動該海水由該通道的該下開口端灌入至該通道內。

在一些實施態樣中，該氣閥單元還包括一連接於該中空氣管且用以提供並輸送該氣體至該中空氣管的進氣系統。

在一些實施態樣中，該浮體單元還包括一設置於海平面上的平台，及一由該平台向下延伸的浮體基座，該浮體基座具有一上部及一下部，該上部的斷面較小且在海平面下一定深度以上，該下部的斷面較大且在海平面下一定深度以下。

在一些實施態樣中，該氣閥單元還包括一裝設於該浮體單元的該平台且與該中空氣管連接的氣壓計，該氣壓計用以偵測該中空氣管內的壓力。

在一些實施態樣中，該浮體單元還包括一設置於該浮體基座的該下部的壓載艙，該壓載艙用以確保該可調式浮動平台裝置的穩定性。

在一些實施態樣中，該浮體單元還包括一由該浮體基座的底側外緣水平延伸以增加阻尼的緣板。

在一些實施態樣中，該錨碇單元還包括一設置於海床且縳住該等纜索的錨塊。

在一些實施態樣中，該浮體單元還包括多個設置於該浮體基座的底側外緣並供該等纜索連接固定的環孔件。

在一些實施態樣中，該可調式浮動平台裝置還包含一電纜單元，該電纜單元包括一設置於該浮體單元的該平台且連接於該發電模組的電源接頭，及一貫穿於該通道並用於提供電力傳輸的纜線組。

在一些實施態樣中，該浮體單元還包括一穿設於該通道的該下開口端的水管件。

本發明至少具有以下的功效：該浮體單元在該充氣狀態與該洩氣狀態間轉換，在該充氣狀態時，該氣體進入至該中空氣管，且連動該海水自該通道的該下開口端排出，使得該浮體單元上浮，最終讓該錨碇單元的該等纜索繃緊；在該洩氣狀態時，該氣體自該中空氣管排出，且連動該海水由該通道的該下開口端灌入至該通道內。因此，該可調式浮動平台裝置透過該中空氣管，使得該錨碇單元具有足夠強度的拉力能拽緊該浮體單元，產生等同於張力腿式的作用，使該可調式浮動平台裝置的運動幅度減小，同時將該可調式浮動平台裝置錨碇在標的海域而不致於漂離，並且能夠穩定地承載一風力發電機。

1‧‧‧錨碇單元

11‧‧‧纜索

12‧‧‧錨塊

2‧‧‧浮體單元

21‧‧‧平台

211‧‧‧人孔

22‧‧‧浮體基座

221‧‧‧上部

222‧‧‧下部

223‧‧‧中間部

23‧‧‧壓載艙

24‧‧‧緣板

25‧‧‧環孔件

26‧‧‧通道

261‧‧‧下開口端

262‧‧‧上開口端

263‧‧‧上段

264‧‧‧下段

265‧‧‧中間段

27‧‧‧水管件

3‧‧‧氣閥單元

31‧‧‧中空氣管

311‧‧‧出氣口

312‧‧‧控制氣閥

32‧‧‧進氣系統

33‧‧‧氣壓計

4‧‧‧電纜單元

41‧‧‧電源接頭

42‧‧‧纜線組

5‧‧‧發電模組

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一側視示意圖，說明本發明可調式浮動平台裝置的一實施例在一充氣狀態並完成錨碇之態樣；及圖2是一側視示意圖，說明該實施例在一洩氣狀態之態樣。

參閱圖1與圖2，本發明可調式浮動平台裝置，適用於一發電模組5，該可調式浮動平台裝置的一實施例包含一錨碇單元1、一用於裝設該發電模組5的浮體單元2、一氣閥單元3，以及一電纜單元4。

詳細來說，該錨碇單元1用於固著於海床，該錨碇單元1包括四條連接於該浮體單元2的纜索11，以及一設置於海床且縳住該等纜索11的錨塊12，該發電模組5透過該錨碇單元1定位在標的海域中而不致於漂移。該浮體單元2連接於該錨碇單元1且漂浮於海平面，該浮體單元2包括一設置於海平面上的平台21、一由該平台21之底面向下延伸的浮體基座22、一壓載艙23、一由該浮體基座22的底側外緣呈水平延伸的緣板24、四個環繞設置於該浮體基座22的底側外緣的環孔件25、一供一海水裝填的通道26，以及一水管件27。

該平台21用於提供裝設與承載該發電模組5，該平台21具有一與該通道26互相連通的人孔211，以提供人員、物資可方便地進出於該浮體基座22。該浮體基座22具有一上部221、一下部222，以及一中間部223。該上部221為一圓柱形且其斷面較小，該上部221位於海平面下一定深度以上，且該上部221之部分設置於海平面上，而該下部222設置於海平面下一定深度以下，該下部222呈現一圓柱形且其斷面較大。該中間部223位於該上部221與該下部222兩者之間，且其直徑由上往下逐漸增加。由於該浮體基座22的該上部221與該下部222的特殊幾何形狀設計，能夠降低該浮體單元2的重心與波浪作用力，並可提供足夠浮力之基礎結構，因此，該浮體單元2能穩定地支撐該發電模組5。特別要說明的是，該浮體基座22的實施結構可以視實際需要作調整，其設置的方式不以本實施例之揭露內容為限。

該壓載艙23設置於該浮體基座22的該下部222內，透過該人孔211利用水利輸送方式來運送、充填砂石或其他比重大的顆粒物且均勻地置於該壓載艙23，使得該浮體單元2的重心位置保持於浮心位置之下，在可承受的限度內能夠抑制傾斜與搖晃，並且不會偏向一方而導致該浮體單元2呈現一傾斜狀態，用以確保該可調式浮動平台裝置的平衡穩定性。該緣板24用以有效地增加抑制該浮體單元2起伏和縱搖運動的阻尼。該等環孔件25間隔設置並等角度地排列而呈一正方形，每一環孔件25提供每一纜索11連接固定於該浮體基座22，並透過位於海床的該錨塊12牽引該等纜索11，且各該等纜索11的長度須使各張力相近，當該等纜索11拉張至繃緊狀態時，該等纜索11與該錨塊繫在一起之側視角度呈一矩形狀，使得該可調式浮動平台裝置能穩定地安置固定在海床。

該通道26形成於該浮體單元2的內部中央，並且貫穿該浮體基座22的該上部221、該下部222以及該中間部223，該通道26呈現一倒立的漏斗形狀，並包括位於相反兩端的一下開口端261、一上開口端262、一鄰近於該上開口端262的上段263、一鄰近於該下開口端261的下段264，以及一位於該上段263以及該下段264兩者之間的中間段265。該下開口端261設置於該浮體單元2的底端位置並鄰近於該壓載艙23，該上開口端262鄰近設置於該浮體單元2的該上部221，且該上開口端262的設置高度須保持在海平面之上，以免在開啟該人孔211時，該海水灌入至該壓載艙23內。該上段263相對位於該浮體基座22的該上部221的區段，該下段264相對位於該浮體基座22的該下部222的區段並鄰近於該壓載艙 23，而該中間段265則相對位於該浮體基座22的該中間部223以及該下部222的區段，亦即該通道26直徑逐漸擴增的區域。該通道26內設有梯子(圖中未示出)供人員由該人孔211進入該通道26內後能在該通道26內上下移動，且該通道26外也設有梯子(圖中未示出)供人員由該人孔211進入該通道26外後能在該通道26外上下移動。特別要說明的是，該通道26的上述實施方式僅為示例，設計、製造者當能依據實際需要調整結構配置，不以上述揭露內容為限。

該水管件27設置於該浮體基座22的該下部222底端之半邊，且該水管件27其中之一端穿設至該通道26的該下開口端261並向上延伸約2~3公尺，其中另一端則往上穿設該緣板24，再沿著該浮體基座22的外周壁往上延伸，且其延伸的高度約為該浮體基座22底端向上延伸約2~3公尺。該水管件27的裝設目的主要是透過連通管原理讓該海水由該通道26自該水管件27流出，以避免該浮體單元2坐底於海床，該浮體單元2於充氣狀態時，該海水無法由該通道26的該下開口端261順利地排出。

該氣閥單元3包括一裝設於該浮體單元2內部且與該通道26互相連通的中空氣管31、一連接於該中空氣管31且用以提供並輸送一氣體至該中空氣管31的進氣系統32，以及一裝設於該浮體單元2的該平台21且與該中空氣管31連接的氣壓計33，該氣壓計33用以偵測該中空氣管31內的壓力。該中空氣管31由該浮體單元2 的該平台21向下穿設並固定於該通道26內，且該中空氣管31其中之一端連接於該進氣系統32，其中另一端則為該氣體的出氣口311，該中空氣管31具有一用以釋放該中空氣管31內該氣體的控制氣閥312，而該中空氣管31的截面呈一圓形，但其設置的方式不以本實施例之揭露內容為限。在本實施例中，該進氣系統32為空氣壓縮機，且該氣體為壓縮空氣，但不以此設置方式為限。

該浮體單元2會隨著海風、海浪或者是洋流而上下前後的移動，因此，該浮體單元2在一充氣狀態與一洩氣狀態間轉換。當該浮體單元2在該充氣狀態時，該氣體自該進氣系統32進入至該中空氣管31，且該氣體的推入壓力將該海水往下擠壓，因而連動該海水自該通道26的該下開口端261排出，此時該海水於該通道26內的高度呈現如圖1所示的狀態。同時，該中空氣管31內的壓力增加，且該浮體單元2的浮力也隨著變大，並能減少該浮體單元2的縱搖運動，該錨碇單元1的該等纜索11處於拉張的繃緊狀態，使得該錨碇單元1具有足夠強度的拉力而繫住緊固該浮體單元2。

如圖2所示，當該中空氣管31的該控制氣閥312開啟時，該浮體單元2在該洩氣狀態，該通道26內的該氣體自該中空氣管31的控制氣閥312釋放排出，由於該通道26內的壓力變小，並與該浮體單元2外的壓力產生壓差關係，使得該海水會由該通道26的該下開口端261灌入至該通道26內，直到該海水淹沒該中空氣管31 的該出氣口311為止，此時該海水進來該通道26內的高度為最高高度。由此，透過該中空氣管31來控制該通道26內的該海水，使得該浮體單元2伴隨著海風、海浪或者是洋流移動時，該氣壓計33可即時地偵測該中空氣管31內的壓力，讓該浮體單元2在該充氣狀態與該洩氣狀態間轉換，藉由該通道26內之該海水位高度變化，方便在安裝、維運及回收中操作，並且在該發電模組5運轉時，該錨碇單元1的該等纜索11能夠具有足夠的拉力強度，將該浮體單元2牢固地拽住，而不致於被海風、海浪或者是洋流吹離甚至是漂離原址，並且能夠增加該可調式浮動平台裝置的平衡穩定性，使得該發電模組5可以穩固地聳立於標的海域中。

該電纜單元4包括一設置於該浮體單元2的該平台21且連接於該發電模組5的電源接頭41，以及一貫穿佈設於該通道26內並用於提供電力傳輸的纜線組42。該發電模組5所發出的電力可經由該纜線組42輸送傳至陸地岸上以供後續利用，該發電模組5為風力發電機，但不以本實施例之揭露內容為限。

該可調式浮動平台裝置於施工時，首先，該浮體單元2在陸地岸上的船塢內建造，待妥當完成裝置後，船塢進水使該浮體單元2浮起，如浮力不足，可充氣使浮力加大，再將該浮體單元2拖曳至標的海域附近較淺處，從該人孔211或經由該通道26以輸送帶或者是抽砂機，將部分砂石或其他比重大的顆粒物填入至該壓載艙23。接著，開啟該中空氣管31的該控制氣閥312，讓該海水由該通道26的該下開口端261灌入至該通道26，使得該浮體單元2坐底於海床，再藉由起重船將該發電模組5裝設於該浮體單元2的該平台21。隨後，開啟該進氣系統32，將該浮體單元2浮起使得底部離開海底，再從該人孔211或經由該通道26，將未完成施作的砂石或其他比重大的顆粒物填入至該壓載艙23，並用拖船把該浮體單元2移動到該錨碇單元1上方，並將該錨碇單元1的該等纜索11與該浮體單元2結合，充氣使該等纜索11拉張而緊固該浮體單元2。由此可見，該可調式浮動平台裝置的建造技術複雜程度低，且具有安裝和回收的方便性。在本實施例中，該可調式浮動平台裝置適用於水深範圍30至300公尺的海域，該可調式浮動平台裝置的實施方式可以視實際需要作調整，其設置的方式不以本實施例之揭露內容為限。

特別要說明的是，假設該可調式浮動平台裝置所裝設之標的海域，其最低水位的水深為50米，而該發電模組5的重量為1000公噸之情況下，該發電模組5的重心落在最低水位向上55米處的位置。除此之外，由於該浮體單元2的特殊結構設計，能夠降低該可調式浮動平台裝置的整體重心，並且提供足夠的浮力基礎。

舉例來說，該浮體基座22的該上部221之直徑為4公尺，且其高度為20公尺；該浮體基座22的該中間部223則為高度7公尺之漸變段；而該浮體基座22的該下部222之直徑為40公尺，且其高度為18公尺。除此之外，該通道26的該上段263之直徑為1公尺，而該通道26的該下段264之直徑則為1公尺，該通道26的該中間段265與該上段263之相連位置的直徑為1公尺，而該通道26的該中間段265的最大直徑可達25公尺，藉此，可以使該通道26的容納體積增加至2000立方公尺。另外，該壓載艙23的設置位置，於該浮體基座22的該下部222由底端向上6公尺的高度範圍內。該緣板24的寬度則為5公尺。

藉由該浮體單元2之上述的尺寸規劃，由於其本身具有的可調節之浮力夠大，於浮沉時的高度差足夠，可以讓該可調式浮動平台裝置於施工以及搬運過程中，保持其整體浮心高於其重心，使得該可調式浮動平台裝置於施工時不至於翻覆。待該浮體單元2與該錨碇單元1的該等纜索11結合完成後，該浮體單元2在該充氣狀態時，透過該錨碇單元1的該等纜索11繃緊而緊固該浮體單元2，以降低該可調式浮動平台裝置受波浪之作用力產生搖擺，且使平台面有足夠出水高度，更能避免該發電模組5不至於受被波浪的沖擊。

綜上所述，本發明可調式浮動平台裝置的該浮體單元2在該充氣狀態與該洩氣狀態間轉換，在該充氣狀態時，該氣體進入至該中空氣管31，且連動該海水自該通道26的該下開口端261排出，使得該浮體單元2上浮，最終讓該錨碇單元1的該等纜索11繃緊，在該洩氣狀態時，該氣體自該中空氣管31排出，且連動該海水由該通道26的該下開口端261灌入至該通道26內。因此，該可調式浮動平台裝置透過該中空氣管31，使得該錨碇單元1具有足夠強度的拉力能拽緊該浮體單元2，產生等同於張力腿式的作用，使該可調式浮動平台裝置的運動幅度減小，同時將該可調式浮動平台裝置錨碇在標的海域而不致於漂離，並且能夠穩定地承載一風力發電機，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。