用于支撐近海風力渦輪機的不對稱系泊系統和帶有水收集板的支柱穩定式近海平臺的制作方法

專利名稱：用于支撐近海風力渦輪機的不對稱系泊系統和帶有水收集板的支柱穩定式近海平臺的制作方法
用于支撐近海風力渦輪機的不對稱系泊系統和帶有水收集 板的支柱穩定式近海平臺相關申請的交叉引用本專利申請要求享有2008年4月23日提交的、名稱為“Column-Stabilized Offshore Platform With Water-Entrapment Plates And Asymmetric Mooring System For Support Of Offshore Wind Turbines"的美國臨時專利申請No.61/125,241的優先權，其全部內容通
過引用結合于此。
背景技術：
風力渦輪機為一種轉動設備，其將風的動能轉換成機械能，之后機械能被轉換 成電能。風力渦輪機已經研發用于陸上設施以及近海設施。陸上風力渦輪機固定在底面 上并且位于多風區域中。現有具有豎直布置的主轉子軸的豎直軸風力渦輪機，和具有指 向風的水平轉子軸的水平軸風力渦輪機。水平軸風力渦輪機一般具有塔架和耦聯到塔架 頂部的發電機。發電機可直接或經由變速箱耦聯到轂盤組件和渦輪葉片上。風力渦輪機還用于近海應用。單塔架近海系統安裝在海床中并且限制于深達30 米的淺水。如果渦輪機塔架安裝在更寬的基礎上，例如柵格結構上，則這種淺的深度要 求可擴大到50米。在更深的水中，只有浮動系統是經濟可行的。淺水系統的缺點在于， 通常只有靠近海岸才是淺的。因此，靠近海岸的風力渦輪機會阻擋海岸視野并且給水上 船只和航行器產生導航阻礙以及可能的損害。當前，已經提出了許多用于近海浮動風力渦輪機平臺的構想。通常，它們分為 三個主要類別帆桅、張力腿平臺(TLP' S)和半潛式/混合系統。浮動風力渦輪機平臺 的例子包括 Statoil Norsk-Hydro 海風帆桅(Statoil Norsk-Hydro Hywind spar)(圖 1)、Blue H TLP 最新模型(Blue H TLP recent prototype)(圖 2)、SWAY 帆桅 /TLP 混合系統(SWAY spar/TLP hybrid)(圖 3)、Force Technology WindSea半潛式系統(Force TechnologyWindSea semi submersible)(圖 4)禾口 Trifloater 半潛式系統(Trifloater semi submersible)(圖 5)。 參 照圖1，帆桅為在結構底部載有較大壓載以及在吃水線附近載有浮力罐的長形結構件。為 了穩定的目的，重心必須低于浮力中心。這將確保帆桅將筆直地浮動。使用若干將帆桅 保持在位的繩索而將帆桅系泊在海底。概括而言，由于帆桅的深吃水深度以及對豎直波 浪激勵力的降低的響應性，帆桅型結構比半潛式結構具有更好的升起性能。然而，它們 還比其他系統具有更多的傾斜和搖擺運動，這是因為在這種設計中有利于穩定的水平面 面積減少了。參照圖2，TLP具有將浮子直接連接到海床上的豎直張緊的電纜或鋼管。除了在 安裝階段之外，不必為了穩定性而要求低重心，在安裝階段時可臨時增加浮力模塊以提 供足夠的穩定性。TLP具有非常良好的升起及角運動，但是系泊安裝的復雜性和成本、 由于潮汐變動而引起的鋼筋束張力的變化、以及塔架與系泊系統之間的結構頻率耦聯是 TLP系統的三個主要障礙。當比較不同類型的近海風力渦輪機結構時，由波浪和風引發的運動并不是要考慮的唯一一個性能要素。經濟性也扮演了一個很重要的角色。因此，仔細研究制造、安 裝、交付使用/停止使用的成本以及實現維護方法的便利性是很重要的。相比帆桅(由于 其吃水深度)，以及相比TLP系統(由于在鋼筋束連接之間的低穩定性)，具有淺的吃水 深度和在操作和運輸情況下的良好穩定性的半潛式構件在拖曳、安裝以及交付使用/停 止使用方面明顯成本較低。

發明內容
這里描述了包括至少三個支柱的半潛式近海浮動風力渦輪機平臺。除了至少三 個支柱之外，這里所述的風力渦輪機平臺還包括改進風力渦輪機平臺性能的附加特征。 在圖6所示的實施方式中，浮動風力渦輪機平臺包括在支柱之間使水壓載運動以便保持 塔架豎直對準的主動壓載系統。此外，可將對準傳感器耦聯到所述平臺上以確定風力負 載。更進一步地，根據本說明書的風力渦輪機平臺可包括一個或多個附加特征，例如不 對稱的系泊系統和主動壓載系統，它們便于形成不但能承受環境負載，而且也比其他平 臺設計的重量相對更輕，同時還能使發電的經濟性更佳的結構。包括在這里所述的平臺中的支柱可使用具有水平和豎直聯結梁的管狀桁架系統 彼此耦聯。水平的水收集板附接到部分或所有支柱的底部。風力渦輪機塔架要經受在結 構上高風力負載中的相當大部分，支柱之間的空間實現了穩定性。在一個實施方式中， 如圖6所示，渦輪機塔架附接到其中一個支柱的頂部，該支柱本身通過主梁耦聯到其他 支柱上。這種結構改進了浮動風力渦輪機平臺的結構效率并且允許結構具有相對較輕的 重量。在圖7所示的其他實施方式中，渦輪機塔架直接耦聯在支撐塔架和風力渦輪機 部件的重量的浮力支柱之上。在該實施方式中，其他支柱用于穩定平臺并且保持塔架豎 直對準。此外，主動浮力系統可用于在支柱之間移動壓載。在圖7所示的實施方式中， 由于塔架的重量并不是由外部支柱的浮力來支撐，因此所述平臺在外部支柱和中心塔架 支柱之間不需要太多的結構支撐。與此相對比，在塔架安置在甲板中心的有些現有設計 中，由于塔架和渦輪機的重量以及空氣動力力矩，結構必須在長型結構的中間支撐大的 負載，因此結構相對較重并且可能經濟可行性較低。可容納例如斜度控制系統、變速箱、偏航控制器和發電機中的一個或多個的吊 艙可安裝在塔架之上，并且該吊艙為轂盤和從轂盤延伸的渦輪葉片提供支撐。轂盤可 包括允許調節渦輪葉片的斜度從而使渦輪葉片的轉速在正常的風速范圍內保持恒定的機 構。吊艙可耦聯到偏航控制系統上，該系統使渦輪葉片直接指向風中以實現最佳效率。 通常位于吊艙內的風力渦輪機裝置，例如變速箱和發電機，可位于那里，或者可以安置 在塔架下部或在支柱之上。不具有變速箱的直接驅動式渦輪機也可以與這里所述的平臺 一起使用。由于可變化的風速，由發電機產生的電力的頻率和幅值可能是隨機的。可以 用變壓器、逆變器和整流器來改變電力，從而產生一致的輸出電壓和電流。這些電力部 件可位于吊艙中、塔架底部或在另一個支柱上。風力渦輪機的電力輸出可通過延伸到海 底的電力電纜和發電站傳輸。電纜的一部分不是直接延伸到海底，而是可耦聯到提升電 纜的該部分的浮力機構上。于是，所述電纜可具有彎曲的路徑，這允許浮動風力渦輪機 平臺隨著波浪、水流和潮汐豎直或水平運動而不會在電纜上施加任何明顯的附加張力。
在一個實施方式中，浮動風力渦輪機平臺具有為高強度結構的特殊構造。安裝 在支柱之間的主梁的長度相同并且基本形成等邊三角形。水平聯結梁在主梁長度的大約 三分之一長度處耦聯在相鄰的主梁之間。水平聯結梁和主梁在由主梁形成的三角形的三 個角上形成了附加的等邊三角形。立起聯結梁耦聯在支柱的中部和主梁長度的三分之一 處之間。由立起聯結梁、支柱和主梁形成的三角形基本為直角等腰三角形。這種構造 提供了可支撐所需負載力的堅固結構，同時使建造浮動風力渦輪機平臺所需的材料量最 少。在具體的實施方式中，可將這里所述的浮動風力渦輪機平臺設計為完全在碼頭 區制造和組裝。例如，可使用起重機來組裝可在碼頭區組裝現場完成構建的浮動風力渦 輪機平臺的部件。此外，當需要時，可在碼頭區組裝風力渦輪機部件并使之與平臺和子 結構集成在一起。一旦完全組裝，就可以從浮動風力渦輪機平臺的支柱上完全拆除壓 載，因而，結構可漂出水道到達安裝現場。如果需要額外的浮力來減小吃水深度以便離 開水道，則可將浮力模塊附接到其中一個或多個支柱上以減小吃水深度。當平臺已經到 達更深的水域之后，可拆除浮力模塊，并用水壓載部分地填充支柱以穩定平臺。在將浮動風力渦輪機平臺拖到安裝現場之前，可將海錨固定到海底。當浮動 風力渦輪機平臺運動到位之后，可將系泊繩索緊固到支柱上并且將其收緊到預定的張緊 度。在一個實施方式中，塔架安裝在其中一個支柱上，并且系泊繩索以不對稱的方式布 置，其中，耦聯到支撐渦輪機塔架的支柱上的系泊繩索多于耦聯到其他支柱上的繩索。 例如，如果使用了四個系泊繩索，則其中兩個繩索以大約90度的角度間隔連接到支撐塔 架的支柱上，而其余各支柱上各連接一個繩索。通過另一個示例，如果使用了六個系泊 繩索，則其中四個繩索以大約60度的角度間隔在大約180度的范圍內連接到支撐塔架的 支柱上，而各其他支柱則分別耦聯到單個繩索上。可將系泊繩索的角度構造為與塔架支 柱相交。如果使用了對稱的浮動風力渦輪機平臺，則系泊繩索可以對稱的方式耦聯到平 臺上。例如，可使用總共六個系泊繩索，其中，兩個系泊繩索耦聯到各支柱。系泊繩索可以是由鏈、鋼索和拖動式埋入錨的組合構成的傳統懸鏈式繩索。或 者，系泊繩索可以由致密的聚酯段構成，還包括懸掛在系泊系統的部分上的重質量的配 重塊。在一個實施方式中，錨埋入海底，并且一部分鏈耦聯到錨上。聚酯繩索可附接到 鏈上以便為系泊繩索提供一些彈性。使用時，聚酯繩索的相對端可耦聯到鏈的附加長度 上，該附加長度部分附接到各支柱上的一個或多個張緊機構上。沉重的配重塊可附接到 連接于各支柱上的鏈，以便減小鏈與支柱所成的角度，并且系泊繩索可由耦聯到各支柱 上的機構張緊。如果風力渦輪機和塔架安裝到三個支柱中的一個上，則無風時一個支柱支撐更 多的重量，并且外殼處于不對稱的平衡中。然而，吹到渦輪葉片和塔架上的風力產生作 用于塔架的力矩，該力矩通常朝遠離平臺中心的方向推動塔架。該力矩在塔架支撐支柱 上施加了向下的力，同時減少了施加在并不支撐塔架的獨立支柱上的向下的力。當安裝風力渦輪機時，風力渦輪機將旋轉，并且發電機將發電。然而，風速和 風向可頻繁變化。因此，在某些實施方式中，在根據本說明書的平臺上使用的渦輪機可 設有包括風向傳感器和偏航控制系統的風向系統。在這種實施方式中，風向傳感器將檢 測風向的變化，偏航控制系統則將轉動塔架頂部的吊艙(偏航)以便使渦輪葉片與風向對準。更進一步地，在根據本說明書的平臺上使用的渦輪機可設有檢測風速變化且耦 聯到渦輪機斜度控制系統上的風速傳感器，所述渦輪機斜度控制系統通過引發渦輪葉片 斜度的變化而響應于風速的變化，從而使得輸出功率最佳或使渦輪葉片上的風拖曳力最 小。可商業得到的風向和風速傳感器可從英國的Campbell Scientific有限公司和美國的 NovaLynx公司得到。當作用于塔架和渦輪葉片的風速增大時，風力可使整個浮動風力渦輪機平臺傾 斜偏離豎直對準。為了補償風力(推力)，根據本說明書的風力渦輪機平臺設有利用水 泵來使水在各支柱中運動的內部壓載系統。在一個實施方式中，內部壓載系統包括耦聯 到控制壓載系統的水泵的控制器上的一個或多個對準傳感器。如果對準傳感器檢測到浮 動風力渦輪機平臺朝其中一個支柱傾斜，則內部壓載系統可將水泵出低的浮動支柱并泵 入其他支柱中以便增加低支柱的浮力并且減少其他支柱的浮力。水的這種運動將升高平 臺的低的浮動角，從而使塔架返回到豎直對準。當對準傳感器檢測到豎直對準重新建立 時，可停止泵。由于只需要補償施加在結構上的傾覆力矩，因此在內部壓載系統的一個 實施方式中，不需要從外部泵入額外的水，并且內部壓載系統可以閉循環起作用。由于內部壓載系統的操作要求泵送相當數量的水，因此實現期望壓載調節的響 應時間可以長達15-30分鐘。在一個實施方式中，對準傳感器可以是感測水平面中關于 X和Y軸的轉動運動的兩個陀螺儀。在完美的豎直對準中，X和Y軸陀螺儀將不會檢測 到平臺的任何轉動。然而，如果浮動風力渦輪機平臺中存在任何傾斜，則X和/或Y軸 陀螺儀可檢測到轉動運動。這種對準傳感器可耦聯到控制器上，該控制器在必要時通過 將水泵送到支柱中而響應于不對準，從而校正豎直對準偏差。在一個實施方式中，壓載 系統是將壓載水與周圍海水完全隔絕的封閉系統。在這種實施方式中，由于海水無法進 入支柱，因此不會因為壓載系統的故障而使支柱被涌入水并且平臺不會傾覆。在一個實施方式中，耦聯渦輪機控制系統和壓載系統，因此塔架可以是豎直 的，但是壓載泵可能仍需要起作用直到渦輪機處于最佳的發電模式中。在這種情況下， 改變渦輪葉片斜度以減小推力并保持桅桿豎直。之后，當壓載水從一個支柱泵送到下一 個支柱時，葉片斜度可緩慢轉回其最佳角度。這里所述的風力渦輪機平臺可用作單獨的平臺，或者可替代地，這里所述的平 臺可安置成布置于風力發電場中的多個浮動風力渦輪機平臺的一部分。來自各風力渦輪 機的電能可進行組合并通過單個電纜向發電站傳輸，該發電站可以在陸地上或在單獨的 浮動平臺上。在一個這種實施方式中，其中一個平臺可用于為工作人員或維修提供現 場。這可提供安全的受保護區域，在那里，工人能夠不受惡劣的周圍天氣條件的影響。如果這里所述的浮動風力渦輪機平臺需要返回碼頭進行維修或停止使用，則可 將平臺與系泊繩索和電力電纜斷開，并將其拖回碼頭區組裝現場。在淺的水道中，可抽 空固定的水壓載，因而，可將平臺吃水深度減小到其拖運狀態吃水。如果要進一步減小 拖運狀態吃水，則可在需要時將一個或多個浮力模塊耦聯到支柱上。


圖1示出了帆桅式浮動風力渦輪機平臺；圖2示出了張力腿式浮動風力渦輪機平臺；
圖3示出了張力腿/帆桅式浮動風力渦輪機平臺；圖4示出了對稱的半潛式浮動風力渦輪機平臺；圖5示出了不對稱的半潛式浮動風力渦輪機平臺的透視圖；圖6示出了不對稱的半潛式浮動風力渦輪機平臺；圖7示出了半潛式浮動風力渦輪機平臺的正視圖；圖8示出了半潛式浮動風力渦輪機平臺的俯視圖；圖9示出了連接到浮動風力渦輪機平臺的底部上的水收集板；圖10示出了不對稱的半潛式浮動風力渦輪機平臺的俯視圖；圖11示出了不對稱的半潛式浮動風力渦輪機平臺的俯視圖；圖12示出了具有張緊式系泊繩索系統的半潛式浮動風力渦輪機平臺的正視圖；圖13示出了具有懸鏈式系泊繩索系統的半潛式浮動風力渦輪機平臺的正視圖；圖14示出了壓載控制系統的圖；圖15-17示出了響應于風速變化的浮動風力渦輪機平臺的正視圖；圖18-20示出了響應于風速變化的浮動風力渦輪機平臺的正視圖；圖21-23示出了將浮動風力渦輪機平臺從碼頭區移動到深水中的順序步驟；圖24示出了一組不對稱的半潛式浮動風力渦輪機平臺的布置。
具體實施例方式這里描述了半潛式浮動風力渦輪機平臺。這里所描述的平臺可用在例如近海 風力渦輪機設施中。參照圖6，根據本發明的風力渦輪機系統可包括具有至少三個支柱 102、103的近海平臺105。平坦的水收集板107附接到各支柱102、103的底部。在一 個實施方式中，支柱102、103為圓柱形。然而，也可將支柱構造為適于構建風力渦輪機 平臺的任意形狀。風力渦輪機塔架111直接安置在穩定支柱102上方。不支撐渦輪機塔 架111的兩個獨立的穩定支柱103以大約40到90度的角度與塔架支撐支柱102分開。雖 然在圖中示出的平臺105包括三個支柱102、103，但是在其他實施方式中，平臺也可包 括四個或更多個支柱。支柱102、103與由主梁115、聯結梁116和橫梁117構成的桁架結構互相連接。 主梁115連接到支柱102、103的頂部和底部以及耦聯連接在主梁115與支柱102、103之 間的聯結梁116上。橫梁連接在相鄰的主梁115之間。在一個實施方式中，可將主梁115 構造為使它們與三個支柱102、103相互交叉并且形成等邊三角形。類似地，可將水平聯 結梁117和主梁115構造成形成附加的等邊三角形。在一個實施方式中，立起聯結梁116 連接到支柱102、103的大致中間高度處，并且在主梁的大約三分之一的位置處耦聯到主 梁115上。主梁115、支柱102、103和立起聯結梁116可形成直角等腰三角形。在一 個實施方式中，主梁115、立起聯結梁116和水平聯結梁117優選是具有圓形或矩形橫截 面的中空管結構。或者，主梁115、立起聯結梁116和水平聯結梁117也可以是實心的I 形、H形或T形梁。在其他實施方式中，三個支柱102、103、聯結梁116和水平聯結梁 117可形成適于獲得展示出期望強度、重量、負載支承或其他性能特性的平臺的任意類型 的其他幾何構造。這里所述的這種浮動風力渦輪機平臺設計提供了堅固并且有效的結構。強度可歸因于由支柱、主梁、立起聯結梁和水平聯結梁在平臺角部形成的四面體結構。對該結 構的負載分析顯示，任意變形最可能出現在相鄰四面體之間的主梁115的中間部上。雖 然該結構的幾何條件是很有效的，但是還可以通過增加主梁115、立起聯結梁116和水平 聯結梁117的外徑或壁厚來增加該結構的強度。如果主梁115、立起聯結梁116和水平聯 結梁117為管狀結構，則可通過增加壁厚來顯著延長該結構的疲勞壽命。例如，如果管 的壁厚是標稱管壁厚的兩倍，則該結構的疲勞壽命可比具有標稱管壁厚的結構的疲勞壽 命增加約10到20倍。在主梁115與立起聯結梁116及水平聯結梁117的交點處附近的 很短的部分中，可增加壁厚。在一個實施方式中，渦輪機塔架111的基部的直徑或寬度接近但稍小于塔架111 安置在其上的支柱102的直徑或寬度。這種一致性使得結構的連貫性最大化，并且使得 在平臺105結構的重要區域中的應力集中最小化。應力集中可能在渦輪機塔架111和渦輪 機塔架111安置在其上的支柱102的交界處最高，在該位置，由于風引起的力矩而使得彎 曲矩最高，并且主梁115在該位置連接到其他穩定支柱103上。在一個實施方式中，支柱 102、103的直徑可以一致以便形成筆直的結構，例如筆直的圓柱形結構，而塔架111可 以是在基部較大，并逐漸變細到在頂部的較小的直徑或寬度。可通過將若干具有一致直 徑的管狀部焊接在一起來構建支柱102、103，并可通過將一系列錐形部螺栓連接和/或 焊接在一起來構建塔架111。可使用諸如板、肋和內部凸緣的內部結構來加強支柱102、 103和塔架111。由于支柱102、103只為浮動風力渦輪機平臺提供浮力和穩定性，因此在支柱 103的頂部之間只需要最小的甲板空間119。可在上部主梁115之上放置窄通道，連接各 支柱102、103。平臺105上的附加區域可用于支撐次級結構，例如輔助太陽能電池或波 浪能轉換器的支撐件，以及用于在風力渦輪機塔架111周圍提供通路。在一個實施方式 中，甲板119位于一個或多個穩定支柱102、103之上，并且將穩定支柱和甲板119構造 成使得所預計的最高波峰將不會達到或損壞甲板設備或渦輪葉片101。樓梯和船入塢結構 可附接到任意支柱102、103上。可通過附接到支柱102、103底部的系泊繩索131-141 將平臺105固定到海底。渦輪葉片101長度方向較長，寬度方向較窄，具有很高的縱橫比。渦輪葉片101 在它們的基部連接到轂盤上，電機和致動器可改變葉片101的斜度。可將葉片101的斜 度設定成最優化發電機的電能輸出。這可通過調節葉片的斜度以便在一定的風速范圍內 保持恒定的轉速來實現。在較低的風速下，渦輪葉片的斜度較小，從而它們能保持最大 的轉速。對比而言，在較高的風速下，增大斜度以便防止轉動超過最佳轉速。為了感 測真實風速，風力渦輪機可包括檢測風速的風力計，控制器可根據檢測到的風速來將渦 輪葉片101的斜度調節到合適的傾斜角。商用的渦輪葉片斜度控制系統可從德國的LTi REEnergy公司和德國的Bosch Rexroth公司獲得。將渦輪葉片101精確對準在垂直于風向的取向上致使產生最大的電能。為了便 于這種定位，風力渦輪機可包括偏航控制系統和具有例如檢測任意錯位的風向傳感器的 風向系統。商用傾度傳感器可從德國的Pepper+Fuches公司和美國的MicroStrain公司獲 得。如果風向傳感器檢測到角偏移，則控制器可啟動使吊艙、轂盤和渦輪葉片101轉動 的偏航電機。在一個實施方式中，渦輪葉片101和轂盤耦聯到變速箱上，該變速箱將渦輪葉片101的轉速增大到適于發電的速度。變速箱增大了傳動軸的轉速，該傳動軸耦聯 到發電的發電機上。在另一個實施方式中，使用了直接式驅動渦輪機。其沒有變速箱， 并且傳動軸直接耦聯到發電機上，而發電機可位于吊艙中或塔架中。電輸出一般隨著風速的增大而增加。然而，通常需要每秒大約3米的最小風速 來促使渦輪葉片轉動。對于典型的風力渦輪發電機來說，隨著風速增大到高達大約12米 每秒，功率輸出都將持續增大，在每秒6-12米的風速范圍中，使渦輪葉片傾斜來使電能 產量最佳。在高于12米每秒的風速下，調節典型風力渦輪發電機的渦輪葉片來控制上升 力并且使渦輪機在其最佳速度下轉動，從而保持最大功率輸出。5兆瓦的渦輪發電機可在 每秒大約12米的風速下達到最大的功率輸出。在每秒大約12到25米的更高風速下，發 電機將產生5兆瓦的電能，但是渦輪葉片在更高的傾角下轉動以便降低渦輪葉片上的風 力負載，并且保持最佳的轉速。在大于每秒大約25米的風速下，可關閉風力渦輪機系統 并將其擱置起來。調節渦輪葉片以使風力最小，并且也可將其鎖定(locked down)直到風 速降低，以便防止超速以及對風力渦輪機的損壞。雖然至此已經以不對稱的塔架布局說明了浮動風力渦輪機平臺，但是在其他實 施方式中，塔架對稱地設置在支柱之間。參照圖7和8，示出了塔架111對稱地位于支柱 103之間的浮動風力渦輪機平臺106。圖7圖示了浮動風力渦輪機平臺106的正視圖，圖 8圖示了浮動風力渦輪機平臺106的俯視圖。在這個實施方式中，塔架111安裝在浮力支 柱104上。浮力支柱可以是中空的結構，其提供支撐塔架111、吊艙125、渦輪葉片101 和其他系統部件的重量所需浮力的一部分或全部。由于浮力支柱104大部分是中空的并 且開了大量的水，因此它是不穩定的。為了穩定浮動風力渦輪機平臺106，將浮力支柱 104耦聯到更多個穩定支柱103中的其中三個上，所述穩定支柱103包括穩定塔架111的 壓載系統。浮動風力渦輪機平臺106可具有在穩定支柱103和浮力支柱104之間延伸的 支撐梁108，以及在穩定支柱103和浮力支柱104之間延伸的聯結支撐梁112。浮動風力 渦輪機平臺的其他結構細節與前面參照圖6所描述的相同。這里描述的風力渦輪機平臺包括一個或多個水平的水收集板107，其附接到平臺 支柱中的每一個或多個支柱的基部。將該一個或多個水收集板107安置成使得它們被浸 沒。參照圖9，水收集板107的作用是提供水附加質量以及阻尼。沿其正常方向運動的 邊長為λ的正方形板“收集”的水量大致等于P λ 3，其中，ρ為水的密度。因此， 還公知為水附加質量的大量的收集水與具有大尺寸(substantial dimension)豎向地運動的 正方形板相關聯。具有大的縱橫比的矩形板將收集相對于其面積而言要少得多的水。將水收集板107的形狀和尺寸形成為使得它們致使上升時的平臺附加質量以及 搖晃和傾斜時的附加慣性力矩大幅度增大。由于平臺吃水深度相對較淺，通常為100英 尺或更少，因此不能忽略水收集板上的波浪激勵力。應該進行水動力計算以確定平臺的 響應，同時將附加質量的增加和波浪激勵力考慮進來。可使用商用衍射-輻射軟件，例 如WAMIT，來計算浮動平臺響應。在假想的例子中，對于這些響應計算，考慮承載超過 7,000噸有效負載的15,000噸排水量的平臺。如果沒有水收集板，則平臺的自然周期是大 約12秒，其對應于大風暴期間具有相當可觀能量的頻率帶。最終的共振響應產生了無法 接受的平臺運動，從而導致對平臺結構的損壞。通過增加一個或多個水收集板，在一個 實施方式中，所述一個或多個水收集板從支柱基部徑向向外延伸大約20到30英尺，則可將平臺的自然上升周期大大地延伸到大約20秒，這就產生了可接受的運動響應。因此，如這里所述設置在平臺中的一個或多個水收集板107可使豎向的附加質 量大幅度增加，同時使波浪激勵力的增加最小化，從而導致平臺運動有利地減少。這種 穩定效果對于小平臺來說尤其有利，這是因為對于小平臺來說無法僅通過調節支柱尺寸 和間隔就能得到合適的性能。可調節該一個或多個水收集板107的定位，例如板與給定 支柱102、103的中心的徑向距離，以及該一個或多個水收集板107的構造，例如總體板 面積，以便實現例如豎直附加質量的期望增加和波浪激勵力增加量的減少或最小化。由于其尺寸，水收集板107吸引了較大的水動力負載，包括附加質量和波浪輻 射效應、波浪激勵力以及由于旋渦脫離板107的邊緣而產生的粘性效應。板107必須由 附加的結構構件來支撐，以便經受極大的波浪加載以及由于其所經歷的大量波浪周期而 引起的疲勞損壞。在一個實施方式中，徑向加強件179從支柱103向板的外邊緣延伸， 以便支撐板107。連接到支柱103上的主梁115也提供了對水收集板107的結構支撐， 以及對于總體結構的剛性支撐。用于強化部件的附加板107可包括，例如，由徑向加強 件179支撐的梁架181、在梁架181之間的梁條177、和安裝在支柱102與加強件179之 間的水收集板支桿121。這些結構構件支撐形成水收集板107的面板。這里描述的收集 板可由任意合適的材料，例如鋼制成。為了使水收集板加強件的尺寸適當，必須適當產生在板上發生的各種水動力效 應。這些效應包括環繞水收集板的流體的慣性，產生與平臺的加速度相反的力，尤其 是在豎直方向上；當平臺移動時由平臺產生的輻射波浪，導致能量從平臺上消除；與平 臺外殼相互作用的入射波，產生力；以及粘性效應，其主要是由于旋渦脫離板邊緣引起 的，這還導致能量從平臺轉移到水中。除粘性力之外的所有力都可根據忽略了流體粘性 的衍射-輻射理論來建立模型，并且需要拉普拉斯方程的數解。粘性效應由使用小規模 實驗室實驗結果而建立的經驗模型來確定。水動力可轉換成包括水收集板的平臺浸沒部 上的壓力場，然后可運行結構有限元模型來確定包括加強件和板的所有結構構件中的應 力。有限元模型需要將外殼離散成可對其應用橫梁和/或板理論的小單元。可得到數值 解，提供了船體上的應力水平。之后，就可以確認包括水收集板的外殼的合適尺寸。關 于水收集板的附加信息公開在美國專利Νο.7,086,809和7,281,881中，這些文獻在此通過 引用將其全部內容而結合進來。參照圖10，圖示了浮動風力渦輪機平臺105的俯視圖。為了將浮動風力渦輪機 平臺保持在期望的位置，可使用傳統系泊繩索將平臺105錨定到海床上。例如，在一個 實施方式中，使用不對稱的系泊系統將浮動風力渦輪機平臺固定到海底。在圖10中，圖 示了六個系泊繩索131-141。四個系泊繩索131-137連接到承載風力渦輪機125的支柱 102上，單個系泊繩索139-141連接到各個其他支柱103上。系泊繩索131-141的角度間 隔在各相鄰繩索之間為大約60度。繩索131-141朝支撐風力渦輪機125的支柱102的中 心會聚。風也將使連接到迎風支柱上的迎風系泊繩索中的張力高于其他繩索中的張力。參照圖11，圖示了具有其他系泊構造的浮動風力渦輪機平臺105的俯視圖。在 這個實施方式中，使用了四個系泊繩索151-157來將平臺固定在位。兩個繩索151、153 耦聯到支撐塔架111的支柱102上，系泊繩索155、157各耦聯到其中一個其他支柱103 上。在這個實施方式中，系泊繩索151-157彼此間隔大約90度角。
參照圖12，圖示了這里所述的浮動風力渦輪機平臺105的一個實施方式和其正 面圖。在圖12所示的構造中，各系泊繩索131-141從浮動風力渦輪機平臺105向下向外 傾斜到海底，并且單獨固定及張緊。可將系泊繩索131-141張緊成使得支柱102、103的 浮力在無風時在各系泊繩索131-141上提供相同的張力。當風吹向塔架111和渦輪葉片 101時，風加載力將轉移到系泊繩索131-141，并且抵抗風支撐該結構的迎風繩索將比順 風的繩索處于更大的張力下。可將系泊繩索131-141張緊成使得這些系泊繩索在任何時 間都不會閑擱在海床上，從而使得它們在基本筆直的路徑上延伸。在另一種構造中，系 泊繩索可以類似的不對稱的方式布置在平臺周圍，但是只被拉緊到特定半拉緊的張力， 因此繩索在彎曲的路徑上延伸到海底。由于半拉緊的張緊系統，系泊繩索不會在無風、 無浪或無潮流時以其靜力平衡位置閑擱在海床上。在又一個實施方式中，如圖13所示，結構件105可使用懸鏈系泊系統而固定在 位，其中鏈繩402鋪設在海底。系泊繩索可包括任意合適的材料，諸如例如，金屬鏈、 金屬絲、聚酯或它們的組合。在該示例中，將大抓力機動拖拉埋入錨401安放在海床 中。錨401附接到鋪設于海床上的笨重的鏈402的部分上。鏈402的水平取向幫助將錨 401保持固定在海床內。鏈402連接到長度較長的聚酯繩索403上，該聚酯繩索403提供 了大部分系泊長度。聚酯繩索403為系泊繩索提供了足夠的延展性，以便防止高張緊的 道釘從平臺105轉移到錨401。聚酯繩索403耦聯到另一個長度的鏈405，該鏈405附接 于平臺105。聚酯繩索403保持懸浮在水中，并且在安裝之后永遠不會與海床相接觸。 配重塊404可安放在鏈405和聚酯繩索403之間的連接點上，從而在系泊繩索中形成更尖 銳的彎曲，以便進一步減少道釘的張力并且確保繩索403對錨401水平地拉拽。配重塊 404—般由諸如鋼和混凝土的密度大的材料制成，并且附接到頂部鏈404的底部。配重塊 404在水中的重量顯明大于其附接的鏈405的重量。鏈405可穿過支柱102、103到達張緊裝置407，該張緊裝置407允許單獨調節系 泊繩索張力。張緊裝置407可以是安裝在支柱102、103頂部、沿著支柱102、103安裝 或安裝在支柱102、103內的，例如鏈式頂重器、轆轤、絞盤或其他張緊裝置。為了防止 由于摩擦而導致損壞，可將導纜器或彎曲靴406安置在支柱102、103的基部，允許系泊 繩索穿過水收集板107。在適當地設定張力之后，可鎖定系泊繩索。風力渦輪機通常設計為在正常的風速和風向范圍內操作。吹向渦輪葉片101和 塔架111的風將產生拖曳力，該拖曳力將易于使浮動風力渦輪機平臺105遠離風向傾斜。 如果風在如圖15所示的方向上從支柱102之間到達支柱103上，則由渦輪葉片101和塔 架111產生的轉矩將趨向于將下風處的支柱102推入水中，并且將上風處的支柱103提升 出水面。由于風并不總是在相同的方向上吹，正如這里已經描述的那樣，因此風力渦輪 機可裝備有允許偏航機構，該偏航機構允許吊艙125、轂盤和葉片101圍繞塔架111的頂 部轉動到與風向對準。然而，當風向改變時，塔架111的傾斜方向也將變化。圖12中 在支柱102、103上的水平繩索161指示所設計的浮動水線。當風速和風向改變時，風力 渦輪機可利用內部主動壓載系統來抵消風引發的力和力矩，并且使在設計的浮動水線161 處的結構件105保持在全部穩定的操作條件下。因此，這里描述的風力渦輪機平臺可包括內部主動壓載系統。這種系統的一個 例子可參照圖14來描述和說明。在一個這種實施方式中，支柱102、103是中空的并且容納主動壓載系統201，該主動壓載系統201在支柱102、103內的水箱之間轉移水，以便 將平臺105保持為豎直直立對準，用于最佳的功率輪換效率。例如，當風吹向塔架支柱 102時，傳感器127可檢測風力渦輪機的轉動。傳感器127耦聯到控制器123上，該控制 器123控制泵221來將水從塔架支柱102移開以增加浮力，并且將水增加到其他支柱103 中以增加它們的重量。在一個實施方式中，在各支柱中可有多個泵，來控制通往其他支 柱的獨立水路。工業軸向流動水泵可從韓國現代公司和丹麥的Glynwed公司獲得。控制器也可調節不支撐渦輪機塔架111的支柱103中的水量，以便調節風力渦輪 機的側與側之間的角度。在一個實施方式中，支柱具有檢測水量的傳感器225，在圖14 中用各支柱102、103中的不同水深203來表示水量。支柱102、103之間的水壓載的主 動運動補償了所引發的風力，從而使平臺保持水平。由于主要量的水必須在支柱102、 103之間泵送，因此內部主動壓載系統的響應時間可在大約15到30分鐘之間。由于響 應時間可以相當短，因此通常主動壓載系統將不會設計為消除由于波浪和其他快速作用 力所產生的結構105的快速動力運動。然而，將平臺設計為不利用壓載系統來經受這些 力。將主動壓載系統設計為能將平臺的平均位置保持為水平，并且通過使渦輪機盡可能 地保持直立而使發電量最大。在一個實施方式中，主動壓載系統可以是閉環系統，其構造為通過將壓載系統 中的水與周圍海水完全隔離來防止浮動風力渦輪機平臺105的可能的涌起和沉沒。主動 壓載系統通過促使水流過安裝在各支柱102、103之間的主梁115的電動水泵221而使所 容納的水在支柱102、103之間運動。在這種實施方式中，永遠不允許周圍海水進入主動 壓載系統中。主動壓載系統中的水可以是牽引前在碼頭區加入或使用供給船只加入的淡 水，從而減輕腐蝕問題和其他與海水相關的問題。在一個實施方式中，對準傳感器127包括沿X軸和Y軸安裝的陀螺儀。陀螺儀 輸出表示轉動角速度的信號，其單位可以是度每秒。轉動角速度的積分可得到角位置。 因此，對準傳感器127中的陀螺儀可用于測量平臺和塔架的對準的變化。X軸陀螺儀位 于水平平面中，并且可與浮動風力渦輪機平臺的中心線對準。Y軸加速計也位于水平平 面中，但是與X軸陀螺儀垂直。縱傾角θ是結構關于Y軸的角度，橫傾角φ是結構關于 X軸的角度。當結構完美對準時，X和Y軸陀螺儀將不會檢測到任何加速度。然而， 如果結構在任意方向上傾斜，則X軸陀螺儀將檢測到縱傾轉動(trim rotation)，Y軸陀螺 儀將檢測到橫傾轉動(listrotation)。根據這些信息，就可以使用已知的數學方程來計算轉 角。參照圖15-17，圖示了主動壓載系統可以如何對風速的變化做出反應的示例。根 據對準傳感器的信號，壓載控制器可控制泵來調節各支柱102、103內的水量191，從而 校正豎直對準的角度偏移。當平臺105在可接受的水平角度內時，壓載系統將停止在支 柱102、103之間移動水。在圖15中，浮動風力渦輪機平臺105圖示為在平臺105中心線上方吹的風垂直 對準。已經根據風、當前風速和風向對圓柱體102、103內的水量191進行了適當地調 節。在圖16中，風速增大并且增大的風力導致浮動風力渦輪機平臺105傾斜轉動。對準 傳感器檢測到縱傾轉動，控制器啟動泵來使水從支撐塔架的支柱102移動到其他支柱103 中。在圖17中，浮動風力渦輪機平臺105已經返回水平對準，以便補償由于增大的風速所引發的力。由于在塔架支撐支柱102中的水量191較少，因此在平臺105的塔架端部 處的浮力較大。相反地，其他支柱103中的更高的水量191進一步幫助平臺105縱向轉 動為直立對準。當風向轉變時，主動壓載系統也將調節支柱102、103中的水。參照圖18_20， 圖示了浮動風力渦輪機平臺105，其中，風以從平臺中心線風向轉變90的角度吹動，其 中風來自平臺105的左側。主動壓載系統已經將水從右側支柱水槽191移動到左側支柱 水槽191，因此平臺105基本上是水平的。參照圖19，風速已經降低并且平臺105的橫 傾角已經改變。對準傳感器檢測到平臺105的橫傾角，因此控制器指示泵221使水從左 側支柱水槽191移動到右側支柱水槽191。參照圖20，主動壓載系統已經從左側支柱水 槽191移動水以便增大浮力，并且將更多的水加入到右側支柱水槽191以便增加支柱的重 量。平臺105再次變得水平，并且泵已經停止直到對準傳感器檢測到平臺對準的其他變 化。根據環境條件，這里描述的浮動風力渦輪機平臺具有不同的操作模式。可使用 由鏈式頂重器、鏈和金屬絲段制成的錨定系統來永久地系住平臺。在這種實施方式中， 在極端的天氣條件下，浮動風力渦輪機平臺將不會與系泊繩索脫開或斷開。浮動風力渦 輪機平臺的主要目的是發電，因此可將其設計為使渦輪機的操作時間最大。由于現有的渦輪機在25m/s的風速下停止操作，因此期望風速通常更高的由波 浪引發的運動不會與該操作限制干涉。即，參照圖6，當結構由于波浪力而運動時，塔架 111縱傾轉動，這導致塔架111的頂部水平運動并且使吹向渦輪葉片的大風產生了變化。 如果結構105迎風轉動，則塔架111的頂部將檢測到更快的風速，相反地，如果結構105 遠離風而轉動，則塔架111的頂部將檢測到更慢的風速。這里描述的渦輪機平臺通過利 用固定到支柱102、103底部上的水收集板107而降低了滾動，這抵制豎直運動并且抑制 平臺105的滾動和傾斜運動。通常，有三種根據風速來描述的獨立渦輪葉片模式用于風力渦輪機。在風速低 于每秒12米的第一模式中，對葉片進行優化以便使發電量最大。在風速為每秒12到 25米之間的第二模式中，葉片主動轉動(傾斜)以便減小葉片上的負載并且保持恒定 的最佳轉速。在風速高于每秒25米的第三模式中，整個風力渦輪機被鎖定，處于“幸 存”(survival)模式。在鎖定條件下，渦輪葉片可完全停止，并且葉片角消減到相對于風 的最小拖曳情況。由于風速和風向可快速變化，因此第三模式可發生得非常快。因此， 風力渦輪機必須能夠快速并且精確地檢測并響應風的變化。除了高速的風力關閉過程外，其他條件也可觸發意于保護浮動風力渦輪機平臺 并且使設備損失最小的緊急關閉(ESD)。由于平臺通常是無人操縱的，因此自動及遠程 關閉程序必須在適當位置。各種系統故障或錯誤條件將觸發ESD。例如，主動壓載系統 故障可由不會降低的較大的平均縱傾角或橫傾角和/或泵的異常功率要求來檢測到。另 一種系統故障可由支柱中的漏水引起。這種故障可通過平臺朝泄漏的支柱的縱傾或橫傾 而檢測到，其無法通過起作用的主動壓載系統來補償。如果渦輪葉片承受高于閾值水平 的應力，則系統也應該關閉。這種故障可通過安裝在葉片上的應變儀來檢測。另一種故 障是吊艙無法使渦輪葉片迎風轉動。這可通過所測得的風向和吊艙指向方向之間的差異 來指出。當電源出現故障或浮動風力渦輪機平臺和遠程操作者之間失去聯系時，系統也會關閉。將這里描述的風力渦輪機設計為能夠經濟地制造、安裝和交付使用/停止使 用。例如，為了使制造成本最小，可將結構件設計為，通過提供支柱的大的預組裝圓柱 形節段而使裝配現場的焊接工作最小，這可在車間使用自動焊接設備來有效地生產。這 種制造可在水路附近完成，水路的深度應該足以允許拖曳浮動風力渦輪機平臺。可在碼 頭區具有大型起重機的工廠里安裝塔架、吊艙和渦輪機。通過在碼頭區安裝所有的部 件，則成本能比在開闊水面上將塔架和渦輪機安放在浮動平臺上更低，并且損壞的危險 性更小。圖21-23圖示了將浮動風力渦輪機平臺105從制造現場拖曳到安裝現場的方法。 參照圖21，在制造過程中在碼頭區將塔架111、吊艙125和渦輪葉片101與平臺105完 全組裝，一經完成，用拖船將平臺105拖到安裝現場。由于大部分船塢具有相當淺的水 道，所以可從支柱102、103上拆除水壓載，使得平臺105呈現最小的拖運狀態吃水。浮 動風力渦輪機平臺105在其拖運狀態吃水下是穩定的。由于塔架支柱102支撐了更多的 重量，因此平臺105的這一側將通常具有更深的吃水深度，如果從組裝工廠出來的水道 較淺這可能會有問題。參照圖22，在需要時，為了校正塔架支柱102的較深的吃水深度，可將臨時浮 力模塊291附接到塔架支柱102上，因此各支柱102、103具有相同的最小吃水深度。在 其他實施方式中，如果需要平臺105浮動通過淺的水道，則可將臨時浮力模塊附接到其 他支柱103上以進一步減小吃水深度。參照圖23，一旦平臺105處于較深的水中，就不再需要浮力模塊，因此可將其 拆除。然后，通過水將支柱向下壓載到具有期望吃水深度的平載，例如如大約50英尺 (15m)的吃水深度。雖然較深的吃水深度將增大水動力拖曳力，但是通過水壓載，平臺 105變得穩定得多。從制造現場到安裝現場的運輸路線應該盡可能地短。因此，制造現場的位置可 以是工程特定的。當包括多個浮動風力渦輪機單元的大型近海風力發電場，并且各外殼 必須拖曳很長的距離才能到達風力發電場時，這是特別重要的。合適的安裝船的選擇對 于風力發電場項目的經濟性也是最基本的。用于拖曳風力渦輪機的船應該也能進行系泊 安裝和維修操作。相比需要在安裝現場組裝的系統來說，碼頭區組裝具有許多優點。更具體地， 直接附接到海底的固定近海風力設施要求在近海安裝現場上安裝和維護渦輪機結構，這 可能很難并且費用很高。由于拆卸費用非常高昂，因此基本上所有的修理都必須在近 海安裝現場進行。對比而言，浮動平臺構造只需要配置系泊繩索并將其連接到平臺105 上。當風力渦輪機發生意外故障時，可顛倒安裝順序，將平臺105拖回港口進行修理。浮動風力渦輪機平臺還簡化了近海試運行階段。當將浮動風力渦輪機平臺拖到 現場時，系泊系統需要進行預鋪設并且準備好進行連接。風力渦輪機可通過由錨控制的 船來進行系泊。系泊程序可包括恢復從平臺附接到系泊繩索上的傳信繩索，并且在系泊 繩索的鏈部中進行拖拉。鏈到繩索的鋼索部的連接可在水上完成。可使用鏈式頂重器來 將系泊繩索從平臺張緊。由于渦輪機已經安裝好，因此所涉及的啟動風力渦輪機的程序 比需要現場組裝的風力渦輪機簡單得多，并且也便宜得多。
由于浮動風力渦輪機平臺是動態運動結構，因此使施加在連接發電機與發電站 的電力電纜上的負載力最小是很重要的。一旦浮動風力渦輪機平臺已經正確系泊好后， 就可將先前安裝的近海電力電纜連接到浮動風力渦輪機平臺上。參照圖13，在一個實施 方式中，電力電纜501耦聯到平臺105上的電力配電盤上。電纜沿支柱102的長度方向 在保護殼中延伸，并且在支柱102的底部附近退出。也可將開關裝置從塔架111移到甲 板119上。在這種情況下，電力電纜沿支柱103延伸。海底的電纜501需要是穩定的， 并且需要用諸如套子和/或掩槽的遮蓋物的保護以便防止損壞。比電纜501直接延伸到 海底更好的是，可對電纜501進行圍繞，即將靠近平臺105最低部以及在平臺105最低部 下方的一部分電纜501由多個浮動機構505圍繞。電纜的這部分應該在水中足夠低，以 便防止與在該區域中行駛的船只有任何可能的接觸。雖然使用系泊繩索來固定平臺105， 但是平臺也可不絕對地固定在一個位置。平臺可響應于各種外力運動，所述外力包括大 風、強水流和漲潮/退潮。懶波浮動機構505允許電纜501和平臺105運動，而不會損 壞電纜501。電纜501從懶波浮動機構505延伸到海底，并且可埋在海底內，或者可圍繞 電纜501設置(一個或多個)保護殼。在一個實施方式中，可將多個浮動風力渦輪機平臺布置成陣列。參照圖24，其 圖示了 “風力發電場”中的不對稱的浮動風力渦輪機平臺105的示例性排列。由于當風 流過風力渦輪機時風速減小并且產生渦流，因此，在一個實施方式中，風力渦輪機以大 約等于或大于10個渦輪機轉子直徑的半徑355間隔開，并且布置在垂直于最常見風向335 的多個交錯線329、331、333上。在圖示的實施方式中，風力渦輪機105與六個相鄰的風 力渦輪機105間隔開10倍的渦輪機直徑。由于這種交錯構造，在第一列329中的兩個浮 動風力渦輪機平臺105之間吹來的風將具有到達第二列331中的浮動風力渦輪機平臺105 的無阻路徑。即使風向已經偏離優選方向高達30度，這種風路也將是無阻的。第三列 333中的浮動風力渦輪機平臺105可與第一列329中的浮動風力渦輪機平臺105對齊，然 而，由于它們之間存在大約17個渦輪機轉子直徑的間隔，因此可以忽略由于逆風渦流導 致的功率損失。即使風向轉到使相鄰浮動風力渦輪機平臺105對準的角度上，10個渦輪 機轉子直徑的間隔也將對功率的輸出具有最小的作用。為了使浮動風力渦輪機平臺105使用的電力電纜最短，第一電纜341耦聯第一 列329中的浮動風力渦輪機平臺105，第二電纜343耦聯第二列331中的浮動風力渦輪機 平臺105，第三電纜345耦聯第三列中的浮動風力渦輪機平臺105。然后，將這三個電纜 341、343、345連接到將所有電能傳輸到發電站351的第四電纜347上，發電站353根據 需要分配電能。在一個實施方式中，其中一個平臺349可用作電力分配單元，提供工作 人員和維護崗位。這可提供一個安全的受保護的區域，在那里工人可臨時生活并且得到 保護以防止受到惡劣的周圍天氣條件的影響。在另一個實施方式中，來自各渦輪機的獨立電纜耦聯到海床上的接線盒。每個 接線盒都可以有一定數量的連接。將來自所有連接盒的較大的電纜耦聯到主轂盤上，該 主轂盤使用單個電源線而連接到岸上。在發生故障時可將多余的電纜加到電力網基礎設 施上。在某些具體的實施方式中，這里所述的風力渦輪機平臺和現有技術中的那些之 間的區別在于，渦輪機塔架直接安裝在其中一個支柱上的不對稱的構造。這種構造使風力渦輪機的大部分質量壓在結構的外邊緣上而不是結構的中心上。例如，圖4所示 的〃 Force Technology WindSea"式浮動風力渦輪機結構具有各安裝在不同圓柱體上的三 個塔架和渦輪葉片。正如上面所討論的，公知的是，當由其他近距離間隔開的渦輪葉片 引起渦流時，風力渦輪機的效率降低。渦流和不均勻的空氣流也可將在風力渦輪機系統 中引發振動，這可阻止風力渦輪機的正常操作。這里所述的不對稱的風力渦輪機平臺通 過利用單個塔架和渦輪葉片結構而防止了這些問題。另一種現有的浮動風力渦輪機系統 是圖5所示的“Tri-Floater”，其圖示了安裝在三個支柱中心處的塔架。為了支撐這種重 量，在結構的中心需要相當大數量的材料。這增加了生產這種浮動風力渦輪機平臺設計 所需的制造時間、成本和材料，并且增大了結構中心處的重量。通過將更多的質量處于 中心而不是外邊緣，則需要更小的慣性力來使浮動風力渦輪機平臺擺動。對比而言，這 里所述的不對稱的浮動風力渦輪機平臺通過將所有的風力渦輪機部件安裝在其中一根支 柱上，因此無需附加的支撐結構，從而簡化了構建。同樣，在這種實施方式中通過將質 量向外移動，改善了慣性穩定性。這里所述的安裝在風力渦輪機平臺的其中一個支柱上的單個塔架導致了平臺的 不對稱負載，因為在大部分情況下將來自風力渦輪機的支配力分布施加在相應的支柱 上，而不是靠近平臺的質心。不對稱的系泊系統可與這些負載不對稱加載的平臺一起使 用，其中，連接到具有塔架的支柱上的系泊繩索的數量明顯大于連接到其他支柱上的繩 索的數量。隨著風力渦輪機技術的改進，風力渦輪機的尺寸已經增大。在一個實施方式 中，這里所述的風力渦輪機平臺意于支撐驅動5兆瓦發電機的直徑為400英尺的風力渦輪 機轉子。這種風力渦輪機的估計部件重量在下面的表1中列出。
權利要求
1.一種浮動風力渦輪機平臺，包括a)至少三個穩定支柱，各支柱具有上端、下端以及用于容納壓載流體的內部容積；b)塔架，所述塔架具有上端以及耦聯到所述浮動風力渦輪機平臺上的下端；c)耦聯到發電機上的渦輪機轉子，所述渦輪機轉子和所述發電機靠近所述塔架的上 端安裝；d)主梁，所述主梁使所述至少三個穩定支柱相互連接；e)水收集板，各所述水收集板附接到其中一個所述穩定支柱的下端；和f)壓載控制系統，用于在所述至少三個穩定支柱的內部容積之間移動所述壓載流 體，以便調節所述塔架的豎直對準。
2.如權利要求1所述的浮動風力渦輪機平臺，其中，所述塔架安裝到其中一個支柱的 頂部，其他所述支柱不直接耦聯到所述塔架上。
3.如權利要求2所述的浮動風力渦輪機平臺，進一步包括不對稱地耦聯到所述至少三個穩定支柱上的系泊繩索，其中，至少一半的所述系泊 繩索耦聯到塔架支撐支柱上。
4.如權利要求2所述的浮動風力渦輪機平臺，其中，由相鄰的所述系泊繩索形成的角 度近似相同。
5.如權利要求1所述的浮動風力渦輪機平臺，其中，所述塔架安裝在浮力支柱上，所 述浮力支柱支撐所述塔架的大部分重量并且位于所述至少三個穩定支柱之間。
6.如權利要求1所述的浮動風力渦輪機平臺，其中，所述壓載控制系統包括i)用于發送及接收壓載控制信號的處理器；ii)豎直對準傳感器，所述豎直對準傳感器與所述處理器通信用于檢測所述塔架相對 于重力方向的豎直對準；iii)壓載泵，所述壓載泵與所述處理器通信用于在所述至少三個穩定支柱的內部容積 之間移動壓載流體，從而調節所述塔架的豎直對準。
7.如權利要求6所述的浮動風力渦輪機平臺，其中，所述壓載控制系統進一步包括iv)壓載體積傳感器，所述壓載體積傳感器用于確定容納在所述至少三個穩定支柱的 內部容積內的壓載流體的量。
8.—種浮動平臺，包括a)至少三個穩定支柱，各支柱具有上端、下端以及用于容納壓載流體的內部容積；b)主梁，所述主梁使所述至少三個穩定支柱互相連接；c)水收集板，各所述水收集板附接到其中一個所述穩定支柱的下端；和d)壓載控制系統，用于在所述至少三個穩定支柱的內部容積之間移動所述壓載流 體，以便調節所述至少三個穩定支柱的豎直對準。
9.如權利要求8所述的浮動平臺，進一步包括水平聯結梁，各水平聯結梁耦聯在彼此相鄰的所述主梁之間。
10.如權利要求9所述的浮動平臺，其中，其中三個所述主梁形成等邊三角形的邊， 并且所述主梁的一部分和所述水平聯結梁形成等邊三角形。
11.如權利要求8所述的浮動平臺，進一步包括立起聯結梁，各所述立起聯結梁耦聯在其中一個所述主梁與其中一根所述支柱之間。
12.如權利要求8所述的浮動平臺，其中，所述壓載控制系統包括 i)用于發送及接收壓載控制信號的處理器； )豎直對準傳感器，所述豎直對準傳感器與所述處理器通信用于確定所述至少三個 穩定支柱相對于重力方向的豎直角度；iii)壓載泵，所述壓載泵與所述處理器通信用于在所述至少三個穩定支柱的內部容積 之間移動壓載流體，從而調節所述浮動平臺的水平角度。
13.如權利要求12所述的浮動平臺，其中，所述壓載控制系統進一步包括iv)壓載體積傳感器，所述壓載體積傳感器用于確定容納在所述至少三個穩定支柱的 內部容積中的壓載的量。
14.一種用于半潛式平臺的系泊系統，包括浮力結構，所述浮力結構用于為所述半潛式平臺提供浮力；耦聯到所述浮力結構的系泊繩索；埋在海底中的錨，所述錨耦聯到所述系泊繩索上；其中，至少一半所述系泊繩索附接到所述多個浮力結構中的一個上。
15.如權利要求14所述的系泊系統，其中，相鄰的所述系泊繩索之間的角度基本上相等。
16.如權利要求14所述的系泊系統，其中，各所述系泊繩索包括a)耦聯到其中一個所述浮力結構上的鏈或鋼索的第一部；b)附接到鏈或鋼索的所述第一部上的重塊；c)耦聯到鏈或鋼索的所述第一部上的聚酯部；和d)耦聯到所述聚酯部和其中一個所述錨上的鋼索或鏈的第二部。
17.如權利要求16所述的系泊系統，其中，所述重塊的負浮力大于鏈或鋼索的所述第 一部的負浮力。
18.如權利要求14所述的系泊系統，其中，至少一半所述系泊繩索耦聯到其中一個所 述浮動結構上。
19.一種配置半潛式平臺的方法，包括在碼頭區組裝具有多個支柱的所述半潛式平臺，各所述支柱包含壓載機構； 在碼頭區將塔架組件安裝在所述半潛式平臺上，所述塔架組件包括耦聯到發電機的 渦輪機轉子；從所述支柱移除壓載流體；將所述半潛式平臺從碼頭區的淺水中移動到深度大于100英尺的深水中； 當所述半潛式平臺位于所述深水中時，用壓載流體部分地填充所述支柱； 對所述半潛式平臺進行系泊；檢測所述半潛式平臺的在預定可接受范圍之外的浮動角；和 操作所述壓載機構來校正所述浮動角。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括在碼頭區將壓載模塊附接到其中一個或多個所述支柱上，因而所述半潛式平臺呈現出拖運狀態吃水深度；和在所述半潛式平臺移動到所述深水之前，拆除所述壓載模塊。
21.如權利要求19所述的方法，其中，所述半潛式平臺的所述系泊包括將所述半潛式 平臺附接到多個系泊繩索上，所述系泊繩索固定到海底并且以不對稱的方式附接到所述 浮力結構上。
22.如權利要求21所述的方法，進一步包括將所述發電機連接到電力電纜上，所述電力電纜耦聯到發電站；使所述渦輪機轉子轉動以使所述發電機發電；和通過所述電力電纜將電能輸送到所述發電站。
23.—種操作浮動風力渦輪機平臺的方法，包括a)提供浮動風力渦輪機平臺設備，所述設備具有至少三個穩定支柱，各支柱具有 上端、下端以及用于容納壓載流體的內部容積；耦聯到所述浮動風力渦輪機平臺上的塔 架；安裝在所述塔架的上部上的渦輪機轉子，所述渦輪機轉子耦聯到發電機上；使所述 至少三個穩定支柱互相連接的主梁，附接到所述穩定支柱的下端的水收集板；和壓載控 制系統，所述壓載控制系統包括豎直對準傳感器和一個或多個泵，所述泵用于在所述至 少三個穩定支柱的內部容積之間移動所述壓載流體；b)使所述渦輪機轉子轉動；c)使所述發電機轉動以發電；d)檢測所述浮動風力渦輪機平臺的在預定可接受范圍之外的橫傾角；e)啟動一個或多個泵以便在所述穩定支柱之間移動所述壓載流體；f)檢測所述浮動風力渦輪機平臺的在所述預定可接受范圍內的橫傾角；g)停止所述一個或多個泵，以便停止所述穩定支柱之間的所述壓載流體的運動。
24.如權利要求23所述的方法，進一步包括根據檢測到的風向來控制渦輪機轉子的偏航位置；和根據檢測到的風速來控制所述渦輪機轉子的斜度。
25.如權利要求24所述的方法，進一步包括當所述風速小于12米每秒時，調節所述渦輪機轉子的所述斜度以便使所述發電機的 電輸出最大。
26.如權利要求24所述的方法，進一步包括當所述風速在12米每秒到25米每秒之間時，調節所述渦輪機轉子的傾角以保持恒定 的轉速。
27.如權利要求24所述的方法，進一步包括調節所述渦輪機轉子的斜度以便使所述渦輪機轉子上的風力最小；和當所述風速超過25米每秒時，停止所述渦輪機轉子。
全文摘要
一種包括浮動框架(105)的浮動風力渦輪機平臺，所述浮動框架(105)包括通過水平主梁(115)彼此耦聯的三個支柱(102，103)。風力渦輪機塔架(111)安裝在塔架支撐支柱(102)上以便簡化系統構件并且提高結構強度。渦輪葉片(101)耦聯到在塔架(111)之上轉動的吊艙(125)上。渦輪機的傳動變速箱式發電機和其他電動齒輪可傳統地安裝在吊艙中，或安裝在塔架(111)下端或在塔架支撐支柱(102)的頂部上。浮動框架(105)包括水壓載系統，其在支柱(102，103)之間泵送水以便使塔架(111)處于10豎直對準，而不管風速多大。水收集板(107)安裝在支柱(102，103)的底部以便使浮動平臺(105)由于波而產生的轉動運動最小。
文檔編號B63B35/00GK102015435SQ200980114300
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月6日 優先權日2008年4月23日
發明者克里斯蒂安·切爾梅利, 多米尼克·羅迪耶 申請人:原理動力有限公司