漂浮式風力發電站的制作方法
【專利摘要】本申請涉及一種改進的，尤其是更簡單、更輕便、更具有機械穩定性以及更具有操作可靠性的能夠漂浮的海上風力發電站(100)。所述發電站能夠通過被構造為電力線與保持纜繩的組合的線纜(110)，而被連接至單個固定位置的錨定點(111)，使得該發電站能夠以六個自由度運動，所述電力線以至少幾乎不受載荷的方式被保持，所述保持纜繩吸收用于將所述風力發電站保持在所述錨定點而產生的所有機械力。聯接器(112)布置在所述線纜與所述風力發電站之間的單個連接點(118)處，所述聯接器由用于進行電連接的滑動聯接器以及用于進行力的機械傳遞的轉動聯接器構造而成。所述風力發電站具有被構造為具有壓載單元(102)和浮力單元(103)的半潛式平臺的支撐單元(101)，尤其是浮體單元，并且所述風力發電站具有固定連接到所述支撐單元的支撐桅桿(104)，并具有固定布置在所述支撐桅桿上的機械艙(105)，所述機械艙具有至少一個轉子(106)和至少一個發電機。在所述連接點與所述轉子的基本豎直的旋轉面之間形成最大可能的水平距離。
【專利說明】
漂浮式風力發電站
技術領域
[0001]本發明涉及一種可漂浮海上風力發電站，即涉及一種在外海域和/或內陸水域的岸外使用的風力發電站。【背景技術】
[0002]DE 20 2010 003 654 U1公開了一種用于生成電力的漂浮式風力發電站，該漂浮式風力發電站具有繞水平旋轉軸線旋轉的轉子葉片。利用配備有多個外殼的筏上的鉸接支架，來以鉸接的方式布置由轉子葉片驅動的電力發電機，其中，經由機械驅動的樞軸接頭將發電機和鉸接支架連接至筏，該樞軸接頭繞水平樞軸操作。在該風力發電站的情況下，通過系船索將連接線纜和錨鏈固定至浮體的兩個首舷，即將連接線纜和錨鏈劃分為多個鏈或線纜。存在柔性線纜連接，該柔性線纜連接允許風力發電站自動定向至風或涌浪。這里，提供與浮體的可拆連接，以用于固定。連接線纜和錨鏈還被錨定至洋底的混凝土箱。柔性線纜連接允許風力發電站自動定向至風或涌浪。為了維護和維修，風力發電站被起重機拖入海港的碼頭，或者被拖入建立在陸地上的中央維護與維修車間，并且通過淹沒浮體來將風力發電站置于陸地上。
[0003]文獻DE 10 2009 040 648 A1公開了一種可漂浮海上風力發電站，其具有漂浮體、 以及在漂浮體上布置并具有桅桿的結構，在桅桿上以可旋轉的方式安裝有驅動發電機的至少一個轉子。該文獻還公開了經由多個鏈環和回轉支承的、可漂浮海上風力發電站至混凝土錨墩的機械耦合，該混凝土錨墩沉在洋底并被稱為地基。為了允許漂浮體繞地基進行暢通的旋轉運動或回轉運動，使得漂浮體的朝向能夠匹配改變的風向，優選經由回轉支承將這些鏈環固定到地基。這里，漂浮體的旋轉運動優選在沒有附加驅動的情況下發生。由于地基上的樞軸點被布置在漂浮體之外，因此該發電站自動旋轉到風中。地基優選為可漂浮、可淹沒設計，因此能夠以漂浮方式運輸整個風力發電站。經由電纜和具有電源引線的另一回轉支承，發生至海底線纜的電耦合。
[0004]根據文獻DE 10 2009 040 648 A1，這里描述的桅桿具有水滴形橫截面輪廓，該水滴形橫截面輪廓造成了桅桿的一種支撐表面輪廓，這種支撐表面輪廓增大了與發生的彎曲力有關的穩定性。由于作用在轉子葉片上的風壓不能被完全轉換為旋轉運動，因此產生了必須被桅桿的結構吸收的相當大的彎曲載荷。通過水滴形橫截面輪廓，其中橫截面與桅桿的縱向延伸垂直定位，不僅能夠實現桅桿的載荷最優化結構，而且能夠減小作用在桅桿上的力。水滴形橫截面輪廓減小了作用在桅桿上的風壓，這使得能夠將結構設計得更加細長輕便，或者能夠使用更大的轉子和發電機。此外，水滴形橫截面輪廓結構導致了當風向改變時，漂浮體更加容易且快速地旋轉到風中，因此，轉子總是相對于風向而被最優定向，而無需復雜的附加調整。
[0005]根據文獻DE 10 2009 040 648 A1，漂浮體還具有被橢圓形或水滴形套管包圍的中心管，從而形成了中間空間。以與桅桿的情況類似的方式，套管提供了在流動方面有利且讓人聯想到機翼結構的輪廓。橢圓形套管或近似水滴形套管包圍與靜力學有關的中心管。可以通過泡沫材料，尤其是向套管提供適當的壓力穩定性的封閉孔或尺寸穩定的跑沫，來填充中間空間。中心管被優選設計為可淹沒的，因此風力發電站的漂浮水平能夠適于各種條件。這里，以能夠以漂浮方式將整個風力發電站拖到期望的使用位置的方式，來選擇中心管的尺寸和漂浮體的尺寸。為了實現風力發電站的增大的穩定性，在使用位置處，風力發電站被錨定并被可選擇地下降。這里，優選的下降深度為水面下5至10米。此外，由此降低了波動和表層流的影響。為了提高風力發電站的水平，例如為了出于維護的目的而將風力發電站拖入海港，相反地，也可以再次掏空中心管。
[0006]發電機與桅桿上的轉子一起布置。轉子和發電機可以布置在桅桿的上端。原則上， 也可以不將發電機直接布置在轉子上，而將發電機置于桅桿內部或者放在漂浮體上的不同位置。然后，需要經由齒輪傳動和傳動元件為各發電機帶來動能。布置在桅桿上被稱為機艙中的發電機，能夠被剛性固定到桅桿，因此無需發生經由旋轉軸承的、轉子和發電機到桅桿的復雜的旋轉固定。這還降低了風力發電站的生產和維護成本。
[0007]文獻DE 10 2010 040 887 A1公開了一種用于在水中支撐至少一個塔的漂浮設備，該漂浮設備具有漂浮式平板結構，以將該設備穩定在水面上，其中，通過該平板結構來支撐所述至少一個塔。該漂浮設備還包括至少一個壓載物，該至少一個壓載物以整個設備的重心位于平板結構的靜水浮力點下方的方式，布置在平板結構下方，因此所述至少一個塔基本垂直于水面。平板結構用作漂浮體并與壓載物相互作用。壓載物還可以被構造為橋梁道碴槽。
[0008]文獻DE 10 2010 040 887 A1描述了構件的旋轉可能性彼此不同的實施例。這些實施例從無論如何都無法實現構件的軸向旋轉的實施例，變化到如下實施例，在該實施例中，塔、塔的延伸部、壓載物以及平板結構能夠繞塔的縱軸進行軸向旋轉。這引起了不同的運動可能性。此外，描述了不同的漂浮體形狀，例如梯形、橢圓形、圓形和具有收斂點的半圓形。在這些形狀中，梯形和具有收斂點的半圓形允許平板結構自動定向至風和/或至流，即水流。
[0009]文獻DE 10 2010 040 887 A1還描述了通過風力發電站的平板結構、塔和/或轉子的適當形狀，能夠實現如下效果:轉子總是沿風向自動旋轉。塔可以具有不同的形狀，例如以水滴形的方式圓柱包裹的形狀，因此，塔(隨著轉子)自動將自身置于風中。以上在可旋轉塔變體的情況下均使用了這種特殊形狀的塔，這是因為除了最小化風載荷之外，還導致了塔自身旋轉到風中。
[0010]文獻DE 10 2010 040 887 A1還描述了根據先張法預應力錨定可能性，可以完全在水面下對平板結構進行拉動和固定，或者作為半潛式平臺而部分在水面下對平板結構進行拉動和固定，其中，壓載物為整個單元帶來了附加穩定。優選如下平板結構，該平板結構自身具有低重心，即，平板結構例如位于水下三分之二處。由此，平板結構更加穩定，并且減小了平板結構的搖擺或平板結構傾斜/翻到的風險。
[0011]文獻DE 11 2011 100 405 T5展示了一種漂浮式風力發電機組，其包括附裝到機艙的轉子、與轉子相連接的上支柱、在上支柱與下支柱之間布置的穩定艙、以及經由萬向接頭以可旋轉的方式連接到下支柱的錨，該萬向接頭允許在所有方向上進行旋轉，其中，穩定艙的浮力中心點相對于縱向中心軸偏心布置，該縱向中心軸貫穿上支柱和下支柱。具有轉子的機艙被固定連接到上支柱。支柱的下錨定點區域中的回轉支承與滑動環一起用于電連接，并且使得支柱和轉子能夠隨風旋轉而無需附加的機械力，并且在過程中使得轉子能夠位于支柱的背風處，滑動環布置在水位線正上方的支柱的橫截面中。結果，產生自動自定向。由于例如在利勃海爾建筑起重機中使用的回轉支承能夠耐水/耐鹽，并且能夠長期在極端條件下使用，因此回轉支承14可以方便地具有與這種回轉支承相同的規格。回轉支承和滑動環方便地具有如下結構，該結構防止在風力發電機組中從發電機向配電網下行的電纜的扭動，該發電機位于風力發電機組的下部的機艙中。[〇〇12] 根據文獻DE 11 2011 100 405 T5,上支柱還具有水滴形或機翼形橫截面，以避免轉子的旋轉區域中的漩渦，并確保支柱后面的最大層流。此外，存在壓載系統，其中，上支柱和下支柱被劃分為不同的室，各室經由各線路延伸到公共連接點，在該公共連接點處，供電線纜在輔助船與風力發電機組之間連接。穩定艙構成了同樣經由獨立線路連接至公共連接點的分離室。壓載系統形成了具有壓載艙和內腔的浮體。
[0013]文獻DE 11 2011 100 405 T5描述了優選為無齒輪結構的水平軸式的風力發電機組。只有與其不同的結構(例如，發電機豎直布置在支柱中)才在機艙中具有齒輪傳動，例如錐齒輪傳動。無齒輪設計還構成了傳統類型。
[0014] 文獻EP 1 269 018 B1或者其作為DE 601 31 072 T2而刊登的譯文公開了一種漂浮式海上風力發電站，其包括安裝在漂浮式下部結構上的至少一個風車，該漂浮式下部結構包括至少兩個具有艙的浮筒，其中所述至少一個風車具有安裝在塔的上端的機房或機室，并且該下部結構通過連接件而被固定在海底或湖底。該下部結構包括至少兩個艙、以及用于在艙之間或者在艙與環境之間轉移液體的至少一個單元。在安裝位置處，借助于錨將風車錨定到海底，利用錨纜或錨鏈將錨連接至下部結構。另外，錨鏈可以有利地配設有海底線纜。海底線纜將風車生成的電力傳送至海底固定的線纜設備，生成的電力從該固定的線纜設備導向海岸。[〇〇15] 在文獻EP 1 269 018 B1或者其作為DE 601 31 072 T2而刊登的譯文中被稱為優選的實施例中，機室被固定地錨定在塔上，并且風車不具有偏航機構。以海底的固定點作為旋轉中心點，因此，風車僅借助于下部結構的偏航而偏航，由此導致了自動自定向。此外，在該文獻中，根據風很少轉向360度或更多的經驗證明，海底線纜的變形、或錨纜的變形、或錨鏈的變形將不會成為問題。此外，塔在風向上比相對于風向橫切的方向上更加細長。為了限制背風區，塔被構造為與機翼輪廓等的形狀相對應的形狀，這約束了輪廓并使該輪廓在風向上符合空氣動力學。
[0016]文獻DE 24 57 368 A1公開了一種具有轉動聯接器的空氣軟管。能夠經由轉動聯接器將壓縮空氣工具連接至空氣軟管。這里，轉動聯接器包括內部連接體和外部連接體。空氣軟管被夾住并固定到內部連接體。外部連接體被擰入工具。內部連接體具有能夠插入中空的外部連接體的管狀的、向前的延伸部。外部連接體和內部連接體能夠在無需相互分離的情況下相互扭動。結果，軟管也能夠在沒有扭矩或壓力被傳遞至軟管的情況下相對于工具扭動。利用所述轉動聯接器避免了軟管的任何彎曲、纏結或其他損壞。[〇〇17]文獻DE 25 32 665 A1公開了一種具有卷繞設備的滑雪板回收線纜/帶條/皮帶系統。卷繞設備包括延伸線纜，利用兩部分轉動聯接器將延伸線纜的一端與回收線纜的環相連接。轉動聯接器允許兩條連接的線纜在彼此相反的方向繞線纜的縱軸扭動。
[0018]文獻W0 02/073032公開了一種漂浮式海上風力發電站，其包括單點錨定系統、漂浮體和風力發電機組。該漂浮體由在洋面上的至少一個三角形浮體中布置的部分構成，并且在三角形的點處經由單點錨定系統而被錨定到洋底，從而總是將漂浮體保持在相對于風一致的朝向。塔錨單元被配置為單點錨定系統。所述塔錨單元具有轉盤形式的塔，以漂浮體可繞塔的錨定點水平旋轉的方式，通過軸承將該塔連接至剛臂。剛臂在漂浮體上的三角形的一個點處橫向突出。通過多個錨鏈和錨將塔錨定在洋底。海底線纜經由塔而連接至漂浮體。
【發明內容】
[0019]問題、方案、優點
[0020]本發明處理如下問題:進一步改進所述類型的可漂浮海上風力發電站，尤其是將這種風力發電站配置為更簡單、更輕便、更具有機械穩定性以及更具有操作可靠性。
[0021]通過包括以下特征的可漂浮海上風力發電站解決該問題。利用被設計為電力線與保持纜繩的組合的線纜，能夠將風力發電站連接至錨定點，從而可以以六個自由度運動，以至少幾乎不受載荷的方式保持電力線，保持纜繩至少基本吸收用于將風力發電站保持在單個按位置固定的錨定點而產生的所有機械力。在線纜與風力發電站之間的單個連接點處布置有聯接器，該聯接器由用于提供電連接的滑動聯接器以及用于提供力的機械傳遞的轉動聯接器形成。風力發電站具有支撐單元，尤其是浮體單元，所述支撐單元被設計為具有壓載單元和浮力單元的半潛式平臺。此外，風力發電站具有固定連接到支撐單元的支撐桅桿，并具有固定布置在所述支撐桅桿上的機械艙，并具有至少一個轉子和至少一個發電機。在連接點與轉子的基本豎直的旋轉面之間形成最大可能的水平距離。
[0022]原則上，可漂浮海上風力發電站相比于在水域(尤其是湖)的底部或在洋底的固定地基上建立的風力發電站，具有如下優點:能夠省去易受環境影響的技術復雜且昂貴的地基結構。同時，整個風力發電站容易操作，即出于安裝和移除以及維護和維修的目的，整個風力發電站能夠容易地被從其使用位置移動到岸附近的位置(尤其是移動到海港等中)，并且相反地，在安裝或維修之后，整個風力發電站能夠被從海港移動到使用位置。僅該結構便導致了成本的顯著降低，同時具有較高的操作備便并降低了環境干涉。
[0023]為了將風力發電站錨定在其使用位置，并且為了傳遞獲得的電能，經由線纜將風力發電站連接至單個固定布置的錨定點，該錨定點固定在使用風力發電站的水域的底部的位置。以如下方式構造用作組合的電力線和保持線的線纜與單個連接點處的風力發電站之間的耦合:電滑動聯接器被提供給電力傳遞，轉動聯接器被提供用于機械力傳遞。這種單個點處(即經由單個線纜的單個錨定點和單個連接點處)的連接或錨定，也被稱為單點連接。該結構確保了風力發電站能夠在由線纜在三個平動自由度的長度尺寸提供的可能性范圍內移動，該三個平動自由度例如對應于使用位置處的笛卡爾坐標，也被稱為X、Y、Z方向，并且由于允許繞三個空間軸(例如笛卡爾坐標系的三個軸，也被稱為X軸、Y軸、Z軸)進行旋轉，因此該結構確保了還附加提供了三個旋轉自由度。因此，線纜與風力發電站之間的耦合允許風力發電站根據風和涌浪在總共6個自由度上進行完全自由運動，而無需強調由此能夠發生的在類型和大小上不允許的線纜。尤其是，由于該結構，即使在風力發電站的任何平動和/或旋轉運動的情況下，線纜既不會斷裂也不會扭動。與錨纜或錨鏈的單獨導向以及電連接線纜的單獨導向相比，還提供了如下優點:將電連接與機械連接相組合的線纜，防止了在單獨導向的情況下由于風力發電站的旋轉運動而發生的扭動。
[0024]此外，線纜的設計用于以如下方式減輕線纜的敏感部分的載荷，并因此用于增大應激能力:以至少幾乎不受載荷的方式保持所述線纜中包括的電力線，而保持纜繩至少基本吸收用于將風力發電站保持在風力發電站的單個按位置固定的錨定點而產生的所有機械力。利用該應變消除，電力線被附加保護免受損壞。
[0025]本發明提供壓載單元和浮力單元，壓載單元優選為壓載艙，壓載艙的填充能夠適于風力發電站的重量、重量分布和操作條件，浮力單元尤其被構造為支撐單元(尤其是浮體結構)包括的或形成所述支撐單元的內腔。所述浮體結構優選形成半潛式平臺。在水面下的操作期間，浮力單元下降一定程度，使得風力發電站在水中的位置盡可能穩定，即，使得在特定的傾斜中，風力發電站的俯仰和翻轉被保持為最小。為此，支撐單元能夠有利地被設計為大量布置壓載艙的雙層底。尤其是，壓載艙被布置在支撐單元中盡可能深的位置，并且當被填充時，壓載艙形成風力發電站的整個重量中盡可能高的重量部分。優選為風力發電站的整個重量的大約70%的重量部分。同時，浮力單元被布置在支撐單元中盡可能高的位置。總的來說，由此實現了如下效果:保持具有高支撐桅桿的風力發電站的結構的質量重心盡可能低。這與支撐單元的足夠大的水平尺寸一起，產生了對抗由于風壓和涌浪而作用在風力發電站上的傾斜力矩的大的恢復力矩，即使該力矩由可能不是來自于前方(即，至少幾乎在轉子的旋轉軸線的方向出現)的風或涌浪而產生。結果，即使在不利的天氣條件的情況下，例如在突然的風向轉變或暴風雨的情況下，也會產生風力發電站在水中的穩定、安全的位置。
[0026]發電機與機械艙以固定的方式一起布置在支撐桅桿上，該機械艙形成了所述發電機的外殼。因此，由于整個風力發電站相對于風定向，因此無需大型、靈敏且非常昂貴的旋轉軸承(也被稱為偏航軸承)。這使得風力發電站更加輕便且機械方面非常穩定，有助于保持整個風力發電站的低的質量重心，并且避免了遭受高載荷的位置處(例如機械艙與支撐桅桿之間的連接)的磨損。另外，由于支撐桅桿固定連接至支撐單元，因此總體來說，出現了由支撐單元、支撐桅桿和機械艙構成的高度穩定的剛性結構單元。
[0027]此外，就如下事實而言，特殊的優點在于風力發電站到線纜的活結式耦合，該事實為，根據本發明的風力發電站被設計為在風前或有風的操作期間，利用風的力效應根據風向自動定向，即繞錨定點自動順風回轉。通過該方式，轉子在風中總是最優，并因此獲得盡可能高的功率產額。這里，該自定向在無需附加設備的情況下發生;尤其是，不需要被關注的并需要附加的結構開銷和能量消耗的驅動或控制單元。例如與總是需要在朝向風(即，迎風)的操作期間，總是經由復雜的機械和控制設備，來定向的風力發電站相比，這是很大的優點。
[0028]優選地，還通過如下事實來促進所述風力發電站的自定向，該事實為在連接點與轉子的基本豎直的旋轉面之間形成盡可能高的水平距離。因此，距側壓力點(即作用在風吹過的表面上的風力的重心)盡可能遠地進行線纜到風力發電站的固定。例如通過支撐桅桿或機械艙，但特別是通過轉子且尤其是轉子的轉子葉片，來確定整個風力發電站的側壓力點。轉子具有至少基本水平的旋轉軸線，并且因此在轉子的旋轉期間，轉子葉片基本上在至少基本豎直面中移動，該豎直面被稱為轉子的豎直旋轉面。作用在轉子上并基本上造就了執行自定向的力的風力的側壓力點，也位于所述面中。
[0029]通過連接點與作用在轉子上的風力的側壓力點(即轉子的基本豎直旋轉面)之間的最遠可能距離，形成盡可能高的水平距離，這導致了執行自定向的力的最大可能的杠桿臂，并且因此，所述力能夠更好地抵消甚至可能的橫向出現的水流，即尤其是洋流。然而，尤其通過保持風力發電站在水中的穩定位置，并因此尤其通過支撐單元的尺寸，限制了距離。
[0030]此外，為此，轉子優先布置在機械艙上，尤其布置在機械艙在操作位置處的背風偵U。該結構增大了線纜到風力發電站在連接點處的固定點與風吹過的轉子表面(即轉子葉片)的側壓力點之間的距離，并因此促進了風力發電站根據風向的有效定向。
[0031]此外，支撐桅桿被有利地設置為彎曲直立，即相對于在操作期間作用的風向的垂線傾斜預定角度，并因此在轉子的旋轉軸線的方向傾斜預定角度。支撐桅桿的所述彎曲一方面提升了轉子上的風壓的側壓力點與風力發電站上風壓的側壓力點之間的距離，另一方面提升了轉子上的風壓的側壓力點與線纜的連接點之間的距離。結果，支撐桅桿與轉子之間的距離也變大，并因此在操作期間實現了轉子上的更好的入射氣流。
[0032]根據本發明的風力發電站的上述特征以特征組合的方式確保了，甚至在極其不利的天氣條件或水流和涌浪下，風力發電站在操作期間也總是被自動定向，并且風力發電站甚至從嚴重傾斜中再次直立放置。
[0033]在從屬權利要求中描繪了本發明的有利改進的特征。
[0034]根據本發明的有利改進，在風力發電站上萬向懸掛具有滑動聯接器和/或轉動聯接器的聯接器。這里，聯接器的各部件，即滑動聯接器和轉動聯接器，能夠具有單獨的或者公共的萬向懸架。通過該結構，實現了所有自由度的特別好的可移動性。
[0035]根據本發明的風力發電站的優選改進，在每種情況下支撐單元具有三個壓載單元和三個浮力單元，其中，浮力單元至少幾乎布置在三角平面圖的角處，該三角平面圖關于至少一個轉子的旋轉軸線至少基本對稱，并且一個壓載單元在每兩個浮力單元之間延伸。這里，在風力發電站的頂視圖中(即，從操作位置上方豎直)看到轉子的旋轉軸線相對于支撐單元的平面圖的位置。以簡單的方式構造支撐單元的至少基本三角形結構，并且該結構提供了較高的機械強度，即尺寸穩定性，這尤其是在海洋中的應用所需要的。另外，所述支撐單元的基本三角形結構提供了較高的水中位置穩定性。因此，總的來說，該結構優選于其他可能的設計。
[0036]在壓載單元中，優選使用成本效益高且普遍可利用的水作為壓載物。同樣可使用優選具有較高比重的其他液體壓載材料。液體壓載材料還由于其簡單的可操作性而有利。然而，也可以使用固體壓載材料，或者壓載單元可以在使用位置處包含固體壓載元件(尤其作為主要重量)與用于填充或整理的液體壓載材料的組合。這樣，例如即使在淺水中，也允許移動風力發電站或者僅移動風力發電站與支撐單元連接的部分。根據本發明的風力發電站在不具有壓載水(因此僅具有較低吃水)的情況下，移動到海港或造船廠。在使用位置處，根據本發明的風力發電站在使用條件下，利用壓載水而具有較高吃水。
[0037]優選利用密封風量來形成浮力單元;也可以選擇性地使用其他物質，優選為氣體或氣態物質。還可以實現利用多孔物質(優選為塑料泡沫)來至少部分填充浮力單元。這種多孔物質允許較高的安全度，以防止浮力單元中的滲漏。這里，還可以選擇性地提供單個固體填料或針對后續整理操作可變的填料。
[0038]在上述特殊構造中，壓載單元和浮力單元由此以即使在由于涌浪或特殊的風條件而傾斜的情況下也會發生風力發電站的自定向的方式，形成了支撐單元，尤其是浮體結構。
[0039]根據本發明的風力發電站的另一有利改進，浮力單元具有帶有附加壓載單元的雙層底。所述附加壓載單元優選被設計為壓載水艙。因此，能夠實現風力發電站的甚至更加靈活的結構、以及對使用條件的甚至更好的適應，尤其是在使用位置處甚至更好的整理。
[0040]在根據本發明的風力發電站的另一優選實施例中，支撐桅桿布置在相對于三角平面圖居中的浮力單元上，該三角平面圖關于至少一個轉子的旋轉軸線至少基本對稱。該中心結構有益于風力發電站的簡單、輕便、穩定的結構。這樣，盡管桅桿高度很大，也能夠實現非常短且直的支撐桅桿。此外，以簡單的方式產生在風力發電站的頂視圖中相對于轉子的旋轉軸線居中的有利的重心位置。
[0041 ]根據本發明的風力發電站的另一實施例，該風力發電站的特征在于，在每種情況下，至少一個(尤其是一個)支柱用于形成支撐桅桿與浮力單元之間的連接，該浮力單元在三角平面圖中布置成側向于旋轉軸線，該三角平面圖關于至少一個轉子的旋轉軸線至少基本對稱。因此，支撐桅桿和支柱形成了尤其三腿結構，在每種情況下，各腿支撐在一個浮力單元上。在具有大量支柱和/或浮力單元的變型例中，多腿結構在各浮力單元上，或僅在選定數量的浮力單元上配設有一個或更多個支撐。該結構增大了整個風力發電站的機械強度，并且同時使得能夠將支撐桅桿的重量以及整個風力發電站的質量重心，保持較低且在中心。此外，由此還能夠以輕便穩定的方式實現支撐單元的結構。
[0042]在根據本發明的風力發電站的有利改進中，壓載單元被設計為結構元件，該結構元件在風力發電站的操作狀態下，被布置在水位線以下，在每種情況下，該結構元件連接至少兩個浮力單元，并具有至少幾乎水平的上側和下側。該結構有助于根據本發明的風力發電站即使在相對高的涌浪的情況下也具有穩定、穩固的位置。涌浪在風力發電站的漂浮結構上施加振蕩的激振力，其中，通過波浪的大小和形狀來確定該振蕩的頻率(激振頻率)。壓載物的高重量部分(例如壓載水)以及壓載單元的至少幾乎水平的水下表面，為風力發電站的漂浮結構提供了較低的其在水中的振蕩位置的固有頻率，該固有頻率比涌浪的激振頻率低得多。結果，振蕩的激振力僅對風力發電站產生了很小的影響，并且因此，風力發電站在涌浪期間最多執行很小的運動。
[0043]在根據本發明的風力發電站的另一實施例中，浮力單元具有小的水位線橫截面。這里，通過操作狀態下的、處于水位線水平的浮力單元的水平橫截面面積，被稱為水位線橫截面。所述水位線橫截面與處于水位線水平的浮力單元的比重一起，確定當浮力單元的浸沒深度改變時由浮力單元引起的浮力的變化。換句話說，通過排出體積及密度(這里是水的密度)，根據阿基米德原理，產生浮力。因此，水位線橫截面(也被稱為水位線表面)越小，當浮力單元的浸沒深度改變時浮力的變化越小。相反地，在涌浪期間浸沒深度改變。然而，在水位線橫截面小的情況下，僅導致了將風力發電站激勵為振蕩的浮力的較小改變，并因此僅導致了風力發電站在涌浪的情況下或由于涌浪而產生的較小運動。
[0044]反過來，另一方面，過小的水位線橫截面表示，當浮力單元的浸沒深度改變時，浮力的變化過小。這樣，例如通過暴風雨期間風力發電站的傾斜而導致的浸沒深度的變化，僅僅引起浮力的過小變化，并因此導致風力發電站上的用于自定向的力過小。
[0045]因此，在本發明的范圍內，術語“小的水位線橫截面”被理解為:在不產生風力發電站上的用于自定向的力的明顯不利降低的情況下，被標定為盡可能小的水位線橫截面，其中，通過浮力元件的幾何形狀和位置，例如通過在支撐單元中將浮力元件布置在外部盡可能遠處，也能夠抵消風力發電站上的力的所述降低的不利影響。
[0046]由于激振力到風力發電站的漂浮結構的傳遞，取決于水位線橫截面的大小，并取決于由于涌浪而導致的出現或浸沒深度，并且由于所述傳遞是不期望的，因此將水位線橫截面選擇為盡可能小。結果，激振力的傳遞被保持為低。而且，結果，風力發電站的固有頻率被保持為低并且避免了共振的出現。由此，風力發電站不執行任何劇烈運動，而是穩固地位于水中。在尺寸示例的模擬計算中，已確定在浪高5.0m的情況下機械艙的加速度在0.4g以下，這對于例如北海中的條件是重要的。
[0047]根據本發明的風力發電站的另一有利實施例的特征在于，浮力單元和/或壓載單元為流線型設計，尤其是在與至少一個轉子的旋轉軸線至少幾乎平行的方向上成流線型。
[0048]由于風向和波浪方向一般不會明顯相互不同，因此，針對至少一個轉子的旋轉軸線的方向上的流線型設計，已選擇細長的水位線橫截面，并且浮力單元的端面或壓載單元的端面迎著風向和波浪方向(即，與風向和波浪方向相反)，從而利用盡可能小的力來分割湍急的涌浪。結果，降低了通過涌浪和/或水流而施加到線纜或保持纜繩的力、施加到風力發電站的聯接器的力、以及施加到錨定點的力，并因此也降低了載荷以及所述結構元件斷裂的風險。
[0049]根據本發明的風力發電站的另一優選實施例的特征在于，質量和浮力重心位置至少近似位于支撐單元的平面圖(即，如從風力發電站的頂視圖看去)的幾何中心點。尤其是在三角平面圖中布置三個浮力單元的結構的情況下，質量和浮力重心有利地至少近似中心布置，即布置在三角平面圖的幾何中心。此外，在質量和浮力重心的結構中，還有利地能夠考慮至少一個轉子的旋轉軸線的方向(即，風力發電站的操作位置的風向)的風壓，因此，甚至在相對高的風強度的情況下，尤其在暴風雨的情況下，風力發電站也不會不期望地急劇順風傾斜。
[0050]為了風力發電站在水中的穩定位置，質量重心優選布置在浮力重心點下方。然而，在根據本發明的風力發電站的情況下，即使質量重心位于浮力重心上方，穩定位置仍能夠保持在水中，并且在風力發電站傾斜的情況下，通過在背風側浸沒支撐單元較大程度而順風移動浮力重心，并且通過支撐單元的結構(尤其是浮力單元)發生該移動，直到關于質量重心產生杠桿臂。因此產生如下力矩，該力矩導致將風力發電機從傾斜設置為直立。這里，出發點為僅移動移位重心。質量重心保留在其位置處。因此，產生了浮力向量與重量向量之間的距離，并因此也產生了設置直立力矩。
[0051]在根據本發明的風力發電站的另一優選實施例中，被設計為電力線和保持纜繩的組合的線纜在錨定點處能夠連接至錨定設備。結果，到操作根據本發明的風力發電站的水域底部(例如洋底)的機械錨定、以及同時到所獲得的電能的用戶的電連接，經由錨設備簡單有效地發生。
[0052]在根據本發明的風力發電站的另一優選實施例中，支撐桅桿具有以輪廓形狀形成的橫截面，尤其是以機翼狀和/或水滴形輪廓形狀形成的橫截面。該結構的目的在于避免支撐桅桿后面的氣流中的頂點，否則，轉子葉片將由于該頂點而移動。尤其是，計劃使用機翼狀或水滴形輪廓。尤其優選使用具有“NACA輪廓”中的一個(S卩，二維標準橫截面的機翼輪廓中的一個)的結構，該結構已被前“美國國家航空咨詢委員會”開發用于設計飛機機翼。因此，與例如具有圓形輪廓的支撐桅桿的設計相比，特別有利的是，能夠以簡單的方式實現至少幾乎無旋渦的氣流。
[0053]另外，具有輪廓形狀的風力發電站的支撐桅桿的結構，促使了風力發電站自定向到各風向，即順風，這是因為以該輪廓的縱向延伸至少幾乎在轉子的旋轉軸線方向的方式來布置該輪廓。因此，當氣流以相對于縱向(并因此相對于旋轉軸線)的直角入射在輪廓上時，在輪廓上(并因此在支撐桅桿上)產生的力，比當氣流在旋轉軸線方向入射時產生的力高很多。這增大了用于自定向的恢復力，同時減小了支撐桅桿在相對于風的最優操作朝向上的風壓，也減小了錨定點，即線纜和聯接器上的壓力。
[0054]另外，具有輪廓形狀的風力發電站的支撐桅桿的結構提供了如下優點:當相對于風進行最優定向時，該輪廓桅桿在主要載荷方向提供了最高的抵抗力矩，因此，用來標定該輪廓桅桿尺寸的壁厚度，例如比如下支撐桅桿的壁厚度小很多，該支撐桅桿具有圓形輪廓，并在各方向具有相同的抵抗力矩，并且因此必須在相對高的載荷在操作期間不會出現的載荷方向配置高的載荷力矩，因此該輪廓超尺寸并導致不必要的昂貴和沉重。
[0055]根據本發明的風力發電站的另一優選實施例，在至少一個轉子與至少一個發電機之間無齒輪地形成了一種非剛性(non-positive)的能量傳遞連接。因此，該連接在轉子與發電機之間不具有任何齒輪傳動，而僅僅具有扭矩的至少基本剛性傳遞，這同樣減小了維護費用，提升了長期操作期間的穩定性并減小了能量損失。
【附圖說明】
[0056]附圖中例示了本發明的示例性實施例，并且下面將更加詳細地描述本發明的示例性實施例，其中，在所有的附圖中，相同的附圖標記被提供給相應的元件，并且省略所述元件的重復描述。在附圖中:
[0057]圖1以示意性立體圖示的方式示出了根據本發明的風力發電站的示例，并且
[0058]圖2示出了根據圖1的風力發電站的示例的示意性側視圖。
【具體實施方式】
[0059]在兩個附圖中，通過附圖標記100來表示根據本發明的可漂浮海上風力發電站的示例性實施例。所述海上風力發電站包括支撐單元101，支撐單元101尤其被構造為浮體單元并在每種情況下利用三個壓載單元102和三個浮力單元103而形成。浮力單元103還優選在雙層底中配備有壓載艙。在每種情況下，浮力單元103布置在基本三角平面圖的角處，并通過一個壓載單元102相互連接。支撐桅桿104略微彎曲(S卩，向支撐單元101的基本三角平面圖的中心傾斜)地布置在第一個浮力單元103上。機械艙105固定地(S卩，尤其是不可旋轉地)布置到支撐桅桿104的上端。機械艙105包含發電機(未例示)，為了通過風力驅動該發電機，轉子106被布置在支撐桅桿104(并因此機械艙105)的背風側，轉子106可繞旋轉軸線117旋轉，旋轉軸線117至少基本水平定向在操作位置。轉子106與發電機之間的非剛性的能量傳遞連接(同樣未例示)優選為無齒輪設計。在支撐桅桿104的近似一半長度處，支柱107連接在兩側(每側一個支柱)，支柱107的端側連接至支撐桅桿104。在每種情況下，支柱107通過其相應另一端支撐在一個浮力單元103上。以此方式，通過支撐單元101、支撐桅桿104和支柱107形成了四面體形式的結構，當在水中漂浮時，所述結構提供了高機械強度以及穩定位置。還通過壓載單元102與浮力單元103的相對結構產生當在水中漂浮時的穩定位置。另夕卜，通過箭頭108指示所例示的風力發電站100在操作期間的背風側，箭頭108用符號表示了風力發電站100的操作期間的風向。
[0060]沿著剖面A-A，支撐桅桿104具有以輪廓形狀形成的橫截面，尤其是以機翼狀和/或水滴形輪廓形狀形成的橫截面，在圖2中的詳細草圖中，以附圖標記109再現了該橫截面。這里優選關于縱軸對稱的所述輪廓形狀提供了流線型設計，根據該流線型設計，當相對于風最優定向時，空氣在不具有旋渦的情況下流動，并在主要載荷方向具有低的風阻和最大的抵抗力矩。結果，支撐桅桿104雖然很輕，但卻被設計為能夠承載極限載荷。這里，為了也實現周圍具有低風阻、高強度以及低重量的最優流動，支柱107優選被配置為具有相同或基本相似的相應輪廓形狀。結果，不僅增大了整個風力發電站的機械穩定性，而且確保了保持整個風力發電站的低的質量重心點以及低的風阻。
[0061]在操作期間，以支撐桅桿104在迎風側、轉子106在背風側的方式，根據風向自動定向風力發電站100。由于在操作期間，風力發電站100在使用其的水域漂浮，因此通過整個風力發電站100在水上的相應旋轉而發生該定向。為此，為了保持在操作位置(S卩，水域中的操作風力發電站的位置)，風力發電站可通過單個線纜110而連接至單個錨定點111，單個線纜110被設計為電力線與保持纜繩的組合，其中，聯接器112布置在線纜110與風力發電站100之間的單個連接點118處，并且針對電連接，聯接器112由滑動聯接器形成，而針對力的機械傳遞，聯接器112由轉動聯接器形成。針對聯接器112的所述結構元件，使用本身已知的設計，因此總的來說，針對聯接器112和線纜110，形成了簡單可靠的設計。結果，通過轉動聯接器至少基本完全吸收了產生的機械力，因此保持滑動聯接器免受由于將風力發電站保持在操作位置而產生的力的機械載荷。
[0062]例如通過水來形成壓載單元102中容納的壓載物，但是也可以使用其他液體物質或至少部分固體壓載物。在至少一些壓載單元102中，為了獲得風力發電站100的更好的整理能力，有利地進行例如劃分為多個壓載艙或固體壓載元件與壓載艙的組合等。例如，為了適應改變的天氣條件(例如涌浪、風強度等)，還可以配置如下設備，利用該設備，在操作期間也能夠實現壓載物的整理。
[0063]為了產生所需的浮力，尤其是空氣或其他氣體，為了減小腐蝕而選擇性地為惰性氣體，布置在浮力單元103中。還能夠利用氣體泡沫(例如塑料泡沫)來選擇性地至少部分填充浮力單元103，結果，提供了與損壞或其他滲漏有關的相對大的抵抗能力，并因此提供了防止下沉的較大的安全性。壓載單元102和浮力單元103以其特定結構，形成了支撐單元101的結構，使得即使在由于涌浪或特殊風向而導致的嚴重傾斜的情況下，也能夠發生風力發電站的自定向。因此，同樣獲得了防止風力發電站100的操作障礙、損壞或者甚至損失的高度安全性。
[0064]在所例示的風力發電站100中，壓載單元102被設計為結構元件，在風力發電站100的操作狀態下，壓載單元102布置在水位線113下方，并具有至少近似水平的上側114和下側115，風力發電站在操作狀態下被浸沒到水位線113，并且如已經描述的，在每種情況下，壓載單元102連接至少兩個浮力單元103。至少近似水平的上側114和下側115為風力發電站100提供了風力發電站100在水中振蕩(S卩，尤其風力發電站100在涌浪期間的翻轉和俯仰運動)的較低的固有頻率，并因此減小的所述運動。
[0065]浮力單元103具有小的水位線橫截面，即處于水位線113水平的小的水平橫截面面積。這減小了涌浪的浮力，該浮力在支撐單元101上激勵了風力發電站100的振蕩，并因此激勵了由涌浪中的該浮力引起的運動。此外，尤其是浮力單元103以及有利地還有壓載單元102是流線型設計，尤其在與轉子106的旋轉軸線117至少近似平行方向成流線型。為此，尤其是浮力單元103被構造為會聚到其端部區域的點，該端部區域與基本在操作位置出現的水流和氣流指向相反。
[0066]總的來說，先前描述的具有壓載單元102和浮力單元103的支撐單元101被設計為半潛式平臺。
[0067]支撐單元101、支撐桅桿104、支柱107、以及機械艙105的流線型設計，導致了通過涌浪或水流、以及風力而施加到線纜110、聯接器112以及錨定點111的力的減小，結果，首先，上述結構元件能夠經受較小的壓力，并且因此更好地免受故障，其次，上述結構元件能夠是相對較輕且節省材料的設計。
[0068]在例示的風力發電站100的情況下，質量重心和浮力重心二者的位置有利地至少近似地位于支撐單元101的頂視圖的幾何中心點。這提供了防止風力發電站100在暴風雨或巨浪中傾斜時翻到的、盡可能定向獨立的安全性。在建立重心時可以附加考慮風壓;例如，通過根據風壓以及由此風力發電站100的傾斜來再循環壓載水，能夠進行壓載物的移動，從而總是在水中維持直線位置，即不發生傾斜的位置。
[0069 ]經由線纜110將風力發電站100在錨定點111處連接到錨設備116，線纜110被設計為電力線與保持纜繩的組合，經由錨設備116產生了風力發電站100在水域底部(尤其是洋底117)的機械錨定、以及到電能傳輸與分配網絡的電連接二者。例如，通過混凝土元件，優選為在操作和錨定位置利用附加壓載物(例如水或尤其為沙子)可填充的混凝土元件，來形成這種類型的錨設備116。替換混凝土元件，錨設備116還可以具有鋼元件。
[0070]在尺寸示例中，風力發電站100具有以下尺寸:
[0071]?從支撐單元101的下側(S卩，從壓載元件102的下側115)到轉子106的旋轉軸線117 的高度:H=105m;
[0072 ] ?水位線113與支撐單元1I的下側(S卩，壓載元件1 2的下側115)之間的浸沒深度:T = 6.50m;
[0073 ] ?連接到118 (即聯接器112)與支撐單元1I的下側(S卩，壓載元件102的下側115)之間的距離:K = 17.50m;
[0074]?支撐桅桿104的橫截面109的輪廓厚度:D = 3.00m;
[0075]籲轉子106的回轉圓直徑:DR= 154.00m;
[0076]?回轉圓距支撐單元101的下側(S卩，壓載元件102的下側115)的距離:HD =28.00m；
[0077]該距離在操作期間與回轉圓距水位線113的距離21.50米相對應。
[0078]在另一尺寸示例中，風力發電站100具有與以上不同的以下尺寸，其中，其余尺寸相同:
[0079]?從壓載元件102的下側115到轉子106的旋轉軸線117的高度:H = 111.50m;
[0080]?水位線113與壓載元件102的下側115之間的浸沒深度:T = 13.0Om;
[0081]?連接到118(即聯接器112)與支撐單元101的下側(S卩，壓載元件102的下側115)之間的距離:K = 24.00m;
[0082]?回轉圓距支撐單元101的下側(S卩，壓載元件102的下側115)的距離:HD =34.50mo
[0083]該后面的尺寸示例被表示為對于抵抗風和涌浪的穩定性尤其有利的。
[0084]出于完整性考慮，應當指出，并未精確地進行圖1和圖2中的例示，以針對根據本發明的風力發電站100的所有示例性實施例或尺寸示例進行度量。
[0085]附圖標記列表
[0086]100可漂浮海上風力發電站
[0087]101支撐單元
[0088]102 101的壓載單元
[0089]103 101的浮力單元
[0090]104支撐桅桿
[0091]105機械艙
[0092]106 轉子
[0093]107 支柱
[0094]108箭頭:風向
[0095]109 104的橫截面(輪廓)
[0096]HO 線纜
[0097]111 110與116之間的錨定點
[0098]112聯接器:滑動聯接器(電)和轉動聯接器(機械)
[0099]113水位線
[0100]114 102 的上側
[0101]115 102 的下側
[0102]116錨設備
[0103]117 106的旋轉軸線
[0104]118 100與110之間的連接點
[0105]A-A橫截面109通過104的剖面
[0106]D 109的輪廓厚度
[0107]DR轉子106的回轉圓直徑
[0108]H 117與115之間的高度
[0109]HD回轉圓DR距支撐單元101的下側的距離
[0110]K 112與115之間的距離
[0111]T 113與115之間的浸沒深度
【主權項】
1.一種可漂浮海上風力發電站(100)，其包括以下特征:?所述風力發電站(100)能夠通過線纜(110)連接至單個位置固定的錨定點(111)，從 而可以以六個自由度運動，所述線纜(110)被設計為電力線與保持纜繩的組合，所述電力線 以至少幾乎不受載荷的方式被保持，所述保持纜繩至少基本吸收用于將所述風力發電站 (100)保持在所述錨定點(111)而產生的所有機械力，其中，聯接器(112)布置在所述線纜 (110)與所述風力發電站(100)之間的單個連接點(118)處，所述聯接器(112)由用于提供電 連接的滑動聯接器以及用于提供力的機械傳遞的轉動聯接器形成；?所述風力發電站(100)具有支撐單元(101)，尤其是浮體單元，所述支撐單元(101)被 設計為具有壓載單元(102)和浮力單元(103)的半潛式平臺；?所述風力發電站(100)具有固定連接到所述支撐單元(101)的支撐桅桿(104)，并具 有固定布置在所述支撐桅桿上的機械艙(105)，并具有至少一個轉子(106)和至少一個發電 機；?在所述連接點(118)與所述轉子(106)的基本豎直的旋轉面之間形成最大可能的水平距離。2.根據權利要求1所述的風力發電站(100)，其特征在于，具有滑動聯接器和/或轉動聯 接器的所述聯接器(112)被萬向懸掛在所述風力發電站(100)上。3.根據權利要求1或2所述的風力發電站(100)，其特征在于，在每種情況下，所述支撐 單元(101)具有三個壓載單元(102)和三個浮力單元(103)，其中，所述浮力單元(103)至少 幾乎布置在三角平面圖的角處，所述三角平面圖關于所述至少一個轉子(106)的旋轉軸線 (117)至少基本對稱，并且一個壓載單元(102)在每兩個浮力單元(103)之間延伸。4.根據權利要求3所述的風力發電站(100)，其特征在于，所述浮力單元(103)具有帶有 附加壓載單元的雙層底。5.根據權利要求3或4所述的風力發電站(100)，其特征在于，所述支撐桅桿(104)布置 在相對于所述三角平面圖居中的浮力單元(103)上，所述三角平面圖關于所述至少一個轉 子(106)的旋轉軸線(117)至少基本對稱。6.根據權利要求3、4或5所述的風力發電站(100)，其特征在于，在每種情況下，至少一 個，尤其是一個支柱(107)用于形成所述支撐桅桿(104)與在所述三角平面圖中布置成側向 于所述旋轉軸線(117)的浮力單元(103)之間的連接，所述三角平面圖關于所述至少一個轉 子(106)的旋轉軸線(117)至少基本對稱。7.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，所述壓 載單元(102)被設計為結構元件，所述結構元件在所述風力發電站(100)的操作狀態下，被 布置在水位線(113)以下，在每種情況下，所述結構元件連接至少兩個浮力單元(103)，并具 有至少幾乎水平的上側(114)和下側(115)。8.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，所述浮 力單元(103)具有小的水位線橫截面。9.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，所述浮 力單元(103)和/或所述壓載單元(102)為流線型設計，尤其是在與所述至少一個轉子(106) 的旋轉軸線(117)至少幾乎平行的方向上成流線型。10.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，質量和浮力重心位置至少幾乎位于所述支撐單元(101)的平面圖的幾何中心點。11.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，被設 計為電力線和保持纜繩的組合的所述線纜(110)在所述錨定點(111)處能夠連接至錨定設 備(116)012.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，所述 支撐桅桿(104)具有以輪廓形狀形成的橫截面(109)，尤其是以機翼狀和/或水滴形輪廓形 狀形成的橫截面(109)。13.根據前述權利要求中的一項或更多項所述的風力發電站(100)，其特征在于，在所 述至少一個轉子(106)與所述至少一個發電機之間無齒輪地形成非剛性的能量傳遞連接。
【文檔編號】B63B35/44GK105980704SQ201480064650
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年9月24日
【發明人】延斯·克魯斯
【申請人】林霍夫海洋公司