TWI732179B

TWI732179B - 離岸設備、連接裝置及用於提供離岸電連接部之方法

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Publication number: TWI732179B
Application number: TW108105056A
Authority: TW
Inventors: 傑斯帕摩勒; 強尼索倫森
Original assignee: 丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2021-07-01
Also published as: TW201940795A; JP2021515131A; JP7031001B2; EP3527821A1; ES2898061T3; CN111699316A; DK3527821T3; CN111699316B; US20200370541A1; EP3527821B1; WO2019158431A1

Abstract

一種離岸設備(7)，尤其是離岸風電場，包含第一分站(8)、第二分站(9)、電連接至該第一分站(8)的第一連接電纜(13)、電連接至該第二分站(9)的第二連接電纜(14)、以及電連接該第一及該第二電纜(13、14)的一中間電纜(15)，其中該第一及/或該第二連接電纜(13、14)比該中間電纜(15)更可撓的。

因此，藉由使用較不可撓的電纜，可以降低分站之間的電纜連接之成本。

Description

離岸設備、連接裝置及用於提供離岸電連接部之方法

本發明係有關尤其是風電場的離岸設備、用於連接離岸電纜之連接裝置、以及用於提供離岸電連接部之方法。

風電場可以設置在離岸，且可以包含複數個風力渦輪機。然而，水深超過約40公尺可能需要使用繫泊在海床上的浮動基座，其中浮動基座可以完全或部分地浸沒(半浸沒)。重達數百噸的重型浮動基座可能相對穩定。然而，浮動基座可以置放在非常動態的海洋環境中，且依據由於風的影響而浮動基座移動的類型而定，可能發生波濤及大波浪。尤其，在不同深度處的洋流移動可能對例如連接至該結構的電力電纜施加重負載，即使其從平台展開的深度係低於波浪之影響。電纜必須能夠容納來自海洋的所有移動及負載，以及它自身的重量。

特別是由於因浮動基座及電纜本身的自然移動，需要堅固的可撓電纜(非剛性電纜)，連接至浮動基座或浮動基座(例如用於風力渦輪機)之間的電纜連接，可能非常昂貴的。

本發明的目的之一在於提供一種改進的離岸設備及/或連接裝置，及/或用於提供離岸電連接部之方法。

因此，提供一種離岸設備，尤其是離岸風電場。該離岸設備包含第一分站、第二分站、電連接至該第一分站的第一連接電纜、電連接至該第二分站的第二連接電纜、以及電連接該第一及該第二電纜的一中間電纜，其中該第一及/或該第二連接電纜比該中間電纜更可撓的。

由於分站的移動，需要電纜的可撓性。通常，較不可撓的電纜係比較可撓的電纜便宜。因此，藉由部分地使用較不可撓的電纜，可以減少用於分站之間的電纜連接之成本，且同時在需要時提供電纜的可撓性。

例如，離岸設備可以包含至少10、20、50、100、150或更多個分站。較佳地，分站包含浮動基座及設置在浮動基座上的風力渦輪機。「更可撓的」意謂著與另一個電纜部分相比，具有相等長度的電纜部分需要更小的力而彎曲至相同之程度，尤其是相同的半徑。第一連接電纜、第二連接電纜及中間電纜可以包含單線(單芯)、三線(三芯電纜)或更多個。尤其，第一連接電纜、第二連接電纜及中間電纜係構造成傳導從風力渦輪機產生的電力。

根據一個實施例，該離岸設備更包含一連接裝置，該連接裝置具有將該第一或該第二連接電纜連接至該中間電纜的一電連接部、以及圍繞該電連接部的一氣體容積。

因此，可以提供乾燥環境給電連接部。尤其，電連接部包含可以安裝第一連接電纜或第二連接電纜及中間電纜之手段。較佳地，離岸設備包含至少4、8、12、20、40、70、100、150或200個連接裝置及電連接的各自電纜。

根據另一個實施例，該連接裝置係浸沒在水中。

此具有的優點是，由於氣體圍繞電連接部，因此可以保護電連接部免受惡劣的海水條件之影響。因此，可以增加連接電纜的生命週期(life cycle)。尤其，連接裝置係浸沒在海平面以下至少10、20、30、40、50m。

連接裝置較佳地設計成在連接裝置被浸沒時允許水進入至殼體。然而，殼體內部的水位藉由(加壓的)氣體容積來控制，以便保持在下方(亦即保持為遠離電連接部)。

根據另一個實施例，該連接裝置具有一殼體，該殼體圍繞該電連接部及該氣體容積，該殼體較佳地包含第一開口及第二開口，其中該第一或該第二連接電纜穿過該第一開口，其中該中間電纜穿過該第二開口，且其中該第一開口及/或該第二開口面向一海床。

因此，當連接裝置浸沒時，氣體壓力抵消水。較佳地，殼體(尤其是殼體部分)係圍繞用於氣體容積及電連接部之內部空間。尤其，開口係流體地連接至內部空間。

較佳地，殼體係為剛性結構，且可以由耐受周圍環境的耐用材料製成，諸如(塗層的)鋼及/或複合材料，例如包含玻璃纖維。較佳地，殼體之尺寸可以設計成允許服務人員(潛水員)在浸沒在海平面以下時進入。尤其，連接裝置的浮力應要足夠大，以避免由於海流引起的過度移動。較佳地，殼體係為模組，其中可以在完成電連接時安裝電連接部。

根據另一個實施例，該殼體包含一鐘形部分及/或具有該第一及該第二開口的一底板。

較佳地，底板係藉由尤其是螺釘的連接手段而連接至鐘形部分。此具有的優點是，可以離岸組裝連接裝置。

根據另一個實施例，該連接裝置包含將該第一或該第二電纜連接至該中間電纜的一T形連接器。

因此，可以使用標準組件，使得可以降低成本且可以增加可用性。較佳地，將T形連接器提供給待被電連接的各個導線對。

根據另一個實施例，該離岸設備更包含一錨固件，該錨固件係連接至該連接裝置且構造成將該連接裝置保持為浸沒在水中。

尤其，錨固件可以固定至海床。較佳地，連接裝置藉由可撓的連接手段而連接至錨固件，該可撓的連接手段例如繩索、鏈條等等。

根據另一個實施例，該連接裝置包含用於釋放該氣體之壓力的一閥。

此具有可以避免過壓的優點。尤其，閥係與內部空間流體地連通。

根據另一個實施例，該連接裝置包含用於一壓力維持管線的一介面，該介面可以連接至用於提供氣體的一壓縮機。

尤其，壓縮機可以位於船舶上。因此，內部空間內的壓力可以從船舶修改。較佳地，介面也可以包括在閥中。

根據另一個實施例，該連接裝置包含用於調整該氣體之壓力的一壓力調整單元，尤其是響應於圍繞該連接裝置的水的壓力變化(例如，當海平面上升或變低時)。

因此，可以避免壓力下降或壓力損失。壓力調整單元可以包含填充有氣體且構造成將氣體釋放到內部空間中的容器。尤其，閥及壓力調整單元可以包括在一個組件中。較佳地，介面也可以包括在壓力調整單元中。

根據另一個實施例，該離岸設備更包含配置在該海床上的一管道，其中該中間纜線至少部分地延伸穿過該管道。

較佳地，管道係設置用於容納中間電纜的電纜部分。尤其，電纜部分可以是電纜的最長部分。

根據另一個實施例，該第一或該第二連接電纜包含比該中間電纜更多的電纜束。

較佳地，由於電纜束的數量增加，可以實現各自電纜的更大可撓性。較佳地，每根導線包含複數根電纜束。尤其，第一連接電纜或第二連接電纜可以包含比中間電纜多至少2、5、10、20或100倍的電纜束。

另外，提供一種用於連接離岸電纜的連接裝置。該連接裝置係構造成提供一電連接部，該電連接部將第一浸沒式離岸電纜電連接至第二浸沒式離岸電纜，且構造成在該浸沒連接裝置時提供圍繞該電連接部的一氣體容積。

離岸設備的任何實施例及特徵在細節上作必要的變更後適用於連接裝置的任何實施例及特徵，且反之亦然。

此具有以下優點：可以保護浸沒的不同電纜之間的電連接部免受不利條件之影響。較佳地，減少了為了提供壽命長的浸沒的連接之努力。連接裝置也可以用於長距離置放的相同類型電纜，其中此種電纜的製造及運輸限制了電纜部分長度。藉由避免使用更昂貴的海底接頭，也可以更節省成本地更換電纜。

因此，該概念也可以用於將用於電性中途補償的節省成本之補償系統連接至從錨塊懸掛的反應器或電容器。此可以使得能夠使用非常長的HVAC(高壓交流電)輸出電纜。該解決方案可以應用於任何電壓位準，從現今36kV(千伏特)的正常位準到最近的66kV以及未來的145kV陣列電壓位準。尤其，連接裝置可以用於400kV位準的較高輸出電壓位準。

藉由使用浸沒在水下的連接裝置，例如在兩根電纜之間的連接點，可以被保護免受周圍的水影響。外部水的壓力使氣體被捕獲在連接裝置內，且同時氣體防止水進入連接裝置。

尤其，連接裝置係構造成作用成浮力構件，以使電纜穩定化以及能夠輕微地移動。

此外，提供一種用於提供一離岸電連接部之方法。該方法包含將第一電纜離岸電連接至第二電纜以提供一電連接部之步驟，該第二電纜比該第一電纜更可撓的。

離岸設備的任何實施例及特徵在細節上作必要的變更後適用於該方法，且反之亦然。另外，連接裝置的任何實施例及特徵在細節上作必要的變更後適用於該方法，且反之亦然。

根據另一個實施例，該電連接部在浸沒時被一氣體容積包圍。

根據另一個實施例，氣體壓力會隨著該電連接部的一浸沒深度增加而增加。

尤其，壓力維持管線係連接至連接裝置，尤其是內部空間，且連接至在船舶處的壓縮機。壓縮機及壓力維持管線係構造成在浸沒連接裝置之期間將氣體吹入至連接裝置，尤其是將空氣吹入至連接裝置。較佳地，連接裝置及較佳地錨固件被浸沒在水中，尤其是藉由起重機。

較佳地，在降低連接裝置時調整連接裝置內部之壓力，尤其是內部空間之壓力，使得基本上水不會進入連接裝置，尤其是內部空間。因此，當浸沒時，電連接部仍然被氣體容積包圍。

較佳地，錨固件在連接裝置之前下降。尤其，連接裝置可以朝向錨固件降低直到到達連接手段以連接至錨固件。尤其，連接裝置係以測試壓力來加壓，該測試壓力大於待保持的連接裝置內之壓力。

本發明之其他可能實施方式或替代性解決方案也包含上文或下文關於實施例敘述之特徵的組合，此處未明確地提及。熟習此技藝之人士也可以將個別或分開的態樣及特徵增加到本發明之最基本形式。

D、H1、H2、H3‧‧‧距離

1‧‧‧風力渦輪機

2‧‧‧滾子

3‧‧‧機艙

4‧‧‧塔架

5‧‧‧葉片

6‧‧‧輪轂

7‧‧‧離岸設備

8‧‧‧第一分站

9‧‧‧第二分站

10、11‧‧‧浮動基座

12‧‧‧海床

13‧‧‧第一連接電纜

14‧‧‧第二連接電纜

15‧‧‧中間電纜

16‧‧‧連接裝置

17‧‧‧電連接部

18‧‧‧氣體容積

19‧‧‧連接裝置

20、21‧‧‧端部

22、23‧‧‧錨固件

24、25‧‧‧繩索

26‧‧‧電纜部分

27‧‧‧管道

28‧‧‧殼體

29‧‧‧鐘形部分

30‧‧‧底板

31‧‧‧第一開口

32‧‧‧第二開口

33‧‧‧內部空間

34‧‧‧水

35、36、37、38、39、40、41‧‧‧端部

42、43、44‧‧‧T形連接器

45、46‧‧‧電纜固定件

47‧‧‧連接手段

48‧‧‧閥

49‧‧‧壓力調整單元

50‧‧‧繩索

51‧‧‧船舶

52‧‧‧端部

53‧‧‧離岸電連接部

54‧‧‧壓力維持管線

55‧‧‧壓縮機

56‧‧‧壓力感測器

57‧‧‧起重機

58‧‧‧入口

59‧‧‧鉤附接點

60‧‧‧連接點

61‧‧‧電纜束

62‧‧‧介面

從隨後的詳細敘述及附屬項，且結合所附之圖式，本發明的其他實施例、特徵及優點將變得顯而易見，其中：第1圖係顯示風力渦輪機的透視圖；第2圖係示意性地顯示離岸設備；第3圖係顯示連接裝置；第4圖係示意性地顯示用於提供離岸電連接部之方法的方法步驟；第5圖係示意性地顯示用於提供離岸電連接部之方法的另外方法步驟；第6圖係示意性地顯示用於提供離岸電連接部之方法的另外方法步驟；及第7圖係示意性地顯示該方法之方塊圖。

在附圖中，除非另有說明，否則相同的元件符號表示相同或功能相同之元件。

第1圖係顯示風力渦輪機1。風力渦輪機1包含轉子2，轉子2連接至配置在機艙3內部的發電機(未顯示)。機艙3配置在風力渦輪機1的塔架4的上端。機艙3可旋轉地連接至塔架4。

轉子2包含三個葉片5。葉片5直接或間接地連接至風力渦輪機1的輪轂6。此種轉子2可以具有範圍從例如30到160公尺或甚至更大的直徑。葉片5承受高風負載。同時，葉片5需要重量輕。由於這些原因，現代風力渦輪機1中的葉片5係由纖維增強複合材料製成。其中，出於成本原因，玻璃纖維通常優於碳纖維。通常，使用呈單向纖維墊之形式的玻璃纖維。

第2圖係顯示離岸設備7。離岸設備7可以是離岸風電場。離岸設備包含分站8(也稱為第一分站)及分站9(也稱為第二分站)。例如，分站8包含部分地浸沒的浮動基座10、以及連接至浮動基座10的風力渦輪機1。較佳地，浮動基座10繫泊到海床12。例如，分站9包含繫泊在海床12上且例如是完全地浸沒的浮動基座11、以及連接至浮動基座11的風力渦輪機1。分站8、9可以藉由繩索50連接至海床12，繩索50係固定到海床12或錨固件(未顯示)。

供選擇地，分站8、9中的至少一者可以包含觀測塔架、變壓器站及/或轉換器站(未顯示)等等，尤其是代替風力渦輪機1。另外，分站8、9可以是相同的。

離岸設備7包含電連接至分站8的電纜13(也稱為第一連接電纜)、電連接至分站9的電纜14(也稱為第二連接電纜)、及電連接電纜13、14的電纜15(也稱為中間電纜)。電纜13及/或電纜14可以比電纜15更可撓的。此具有以下優點：可撓的電纜13、14可以跟隨分站8、9的移動而不是尤其是由於電纜13、14的耗盡而不時地損壞。電纜13、14、15可以設置為具有引線護套的鎧裝電纜。尤其，電纜13、14、15可以被提供至少10、40、100、300或500kV，例如，45kV~275kV。例如，電纜13、14可以包含比電纜15更多的電纜束，以實現增加的可撓性。尤其，電纜13及/或電纜14可以包含比電纜15多至少2、5、10、20或100倍的電纜束。

在分站8、9之間提供較不可撓的電纜15可以降低電纜的成本。因此，至少在分站8及分站9之間的距離D的50、60、70、80、90、95、98、99%使用電纜15可能是有利的。例如，離岸設備7可以包含至少10、20、50、100、150或更多個分站8、9。

另外，提供連接裝置16，連接裝置16包含將電纜13連接至電纜15的電連接部17及圍繞電連接部17的氣體容積18。選擇性地，可以提供將電纜14連接至電纜15的連接裝置19。連接裝置16、19可以是相同的。例如，電纜15的一端部20係連接至連接部17，且電纜15的另一端部21係連接至連接裝置19。供選擇地，另一端部21可以直接地連接至另一個離岸平台(未顯示)或陸上設備。

連接裝置16、19係浸沒在水中。錨固件22、23(例如，由混凝土或鋼製成)尤其是藉由繩索24、25連接至連接裝置16、19。錨固件22、23係構造成將連接裝置16、19保持為浸沒在水中。錨固件22、23位於海床12上。海床12與海平面L之間的距離為H2。海床12與連接裝置16之間的距離為H1，連接裝置16與海平面L之間的距離為H3。尤其，距離H3係為至少10、20、30、40、50m。

例如，電纜15的電纜部分26(見虛線)係置於海床12上。選擇性地，設置在海床12上的管道27係提供用於容納電纜部分26。因此，電纜部分26突伸穿過管道27。因此，管道27係構造成保護電纜部分26免受外部影響。電纜部分26可以是電纜15的最長部分。

第3圖係顯示連接裝置16，尤其是從第2圖。連接裝置16具有圍繞電連接部17及氣體容積18的殼體28。殼體28包含尤其是鐘形的部分29及底板30，底板30具有用於電纜13的開口31(也稱為第一開口)及用於電纜15的開口32(也稱為第二開口)。當浸沒連接裝置16時，開口31及開口32係面向海床12。

部分29容納連接裝置16的內部空間33。氣體係配置在內部空間33內。例如，水34可以進入至內部空間33。然而，連接裝置16係構造成將水34保持在低位準(例如40cm)。

一端部35突伸至內部空間33。端部35藉由電連接部17而電連接至端部20。例如，端部35包含三根導線36、37、38。再者，端部20可以包含三根導線39、40、41。尤其，連接裝置16包含連接導線36及導線39的T形連接器42及/或連接導線37及導線40的T形連接器43及/或連接導線38及導線41的T形連接器44。

例如，導線36、37、38、39、40、41包含AC電力電纜、三相電力電纜及/或訊號電纜及/或通訊電纜。再者，端部20、35可以包含彼此連接的另外導線(未顯示)。每根導線36、37、38、39、40、41可以包含複數個電纜束。尤其，該導線或每根導線36、37、38、39、40、41之尺寸可以設定為至少10、40、100、300或500kV，例如45kV~275kV。

電纜13、15可以藉由設置在開口31、32處的電纜固定件45、46而固定至底板30。供選擇地，底板30可以包含至少兩個、三個、四個、五個、六個或更多個開口或恰好兩個、三個、四個、五個、六個或更多個開口(未顯示)，用於待佈線的各自電纜。底板30可以藉由連接手段47(例如螺釘等等)固定到部分29上。

較佳地，連接裝置16包含用於釋放氣體壓力的閥48。此具有可以避免過壓的優點。尤其，連接裝置16包含用於調整氣體壓力的壓力調整單元49。因此，可以避免壓力下降或壓力損失。外部水34的壓力使氣體被捕獲在殼體28內，且同時氣體基本上防止水34進入殼體28且因此防止水34與電連接部17接觸。同時，連接裝置16作用成浮力構件，以使系統穩定化且能夠輕微地移動。

連接裝置16係構造成在船舶上離岸組裝(見第4至6圖)。另外，電纜13、15及/或導線36、37、38、39、40、41係構造成在船舶上離岸連接(見第4至8圖)。氣體可以是空氣或其他氣體。連接裝置16可以包含壓力感測器56，壓力感測器56係構造成判定內部空間33的壓力或氣體容積18內的壓力。較佳地，連接裝置16可以包含另一感測器(未顯示)，該另一感測器係構造成判定內部空間33內的水位。

例如，為了具有儘可能簡單且免維護的監控系統，可以使用光學線來監控水位。尤其，可以使用用於簡單的非電性水位監測的光纖線。此具有以下優點：可以省略從連接裝置16到浮動基座10的附加電訊號電纜。光纖系統可以基於半透明光學桿中的光波可以作用成非電子位準量測的概念。

較佳地，為了控制內部空間33內的水位，必須保持一定幅度的壓力。壓力依據周圍的水壓而定，且因此依據距離H3而定。可以提供距離H3的量值，使得船舶可以在連接裝置16上方自由地通過。

尤其，連接裝置16也包含一個以上的鉤附接點59，用於將連接裝置16上抬(見第4圖，例如從安裝船舶51)，以及用於錨固件22的一個以上連接點60，用於將連接裝置16保持在固定位置。

連接裝置16可以包含用於連接至壓力維持管線54(見第6圖)的介面62，介面62可以連接至用於在浸沒連接裝置時提供氣體的壓縮機55(見第6圖)。

較佳地，置放在海床12上的一個以上錨固件22用於此用途。較佳地，連接裝置16包含連接至殼體28的永久回收管線(未顯示)。此種回收管線應該較佳地重量很重且足夠長以避免纏繞在船舶的推進齒輪中。

由於水34或空氣可能隨時間進入/離開內部空間33，連接裝置16較佳地也配備有入口58，以允許將附加的氣體從例如服務船舶(未顯示)泵送到內部空間33中。有利地，此設計可以是不涉及潛水員相互作用的類型，且可以經由從連接裝置上方的服務船舶降低及連接/釋放的軟管來完成(例如，類似於用於飛機空中加油的原理)。

尤其，閥48及/或入口58及/或介面62可以設置為一個組件。

尤其，連接裝置16可以表示為「潛水鐘」。例如，連接裝置16可以用於離岸設施之間及/或離岸到岸上的設施之間的離岸電纜(例如電力電纜及/或通訊電纜等等)的任何連接。連接裝置16係構造成連接待浸沒的每種類型的電纜。此種浸沒的電纜連接點需要大量的(及昂貴的)保護，以承受它們所處的苛刻條件。

第4圖係示意性地顯示用於提供離岸電連接部53(見第2圖)之方法的方法步驟S1、S2。尤其，在步驟S1中，在分站8、9附近提供具有連接裝置16的船舶51。在步驟S2中，在船舶51上設置電纜15(也稱為第一電纜)的端部20。較佳地，電纜13(也稱為第二電纜)的端部35係配置在分站8、9上。

電纜13的另一端部52係連接至分站8、9。供選擇地，端部52也可以在已經連接至端部20之後連接至分站。此可以例如在已經浸沒連接裝置16之前或之後完成(見第6圖)。可以提供從海底12回收端部20的初始步驟。較佳地，電纜13比電纜15更可撓的。

第5圖係示意性地顯示用於提供離岸電連接部53(見第2圖)之方法的方法步驟S3、S4。較佳地，在步驟S3中，端部35被傳送到船舶51。尤其，在步驟S4中，電纜15係連接至電纜13以提供電連接部17。尤其，在另外步驟中，兩個電纜13、15及連接裝置16係連接及組裝在船舶51上，如第2或3圖所示。

供選擇地，首先從海床12回收端部35，且之後從海床12回收端部20。

第6圖係示意性地顯示另外的方法步驟S5至S11，其中連接裝置16、電連接部17及端部20、35係浸沒在水中。

尤其，在步驟S5中，壓力維持管線54係連接至連接裝置16，尤其是內部空間33，且連接至船舶51處的壓縮機55。壓縮機55及壓力維持管線54係構造成在浸沒連接裝置16之期間，推動氣體至連接裝置16中，尤其是推動空氣至連接裝置16中。較佳地，在步驟 S6中，連接裝置16或連接部53及較佳地錨固件22係浸沒在水中，尤其是藉由起重機57。

較佳地，在步驟S7中，在降低連接裝置16時調整連接裝置16內部之壓力，尤其是內部空間33之壓力，使得基本上水不會進入連接裝置16，尤其是內部空間33。因此，當浸沒時，電連接部17仍被氣體容積18包圍。較佳地，氣體壓力會隨著連接裝置16的浸沒深度增加而增加。

較佳地，在步驟S8中，錨固件22在連接裝置16之前下降。尤其，連接裝置16可以朝向錨固件22降低直到到達繩索24以連接至錨固件22。尤其，在步驟S9中，連接裝置17係以預壓力來加壓，該預壓力大於待保持的連接裝置內部之壓力。

較佳地，在步驟S10中，當錨固件22擱置在海床12上且連接裝置16置放在所欲距離H1時(見第2圖)，可以斷開壓力維持管線54及/或起重機57，且從連接裝置17移除。在步驟S11中，電纜13、15可以被通電。

供選擇地，連接裝置17也可以最初地置放在所欲距離H1(或所欲位置)。之後，可以建立與壓縮機55的連接。

第7圖係示意性地顯示該方法之方塊圖，其中顯示方法步驟S1至S11。

儘管已經根據較佳實施例來敘述本發明，但是對於熟習此技藝之人士顯而易見的是，在所有實施例中都可以作修改。