專(zhuān)利名稱(chēng)：用于支撐近海風(fēng)力渦輪機(jī)的不對(duì)稱(chēng)系泊系統(tǒng)和帶有水收集板的支柱穩(wěn)定式近海平臺(tái)的制作方法
用于支撐近海風(fēng)力渦輪機(jī)的不對(duì)稱(chēng)系泊系統(tǒng)和帶有水收集 板的支柱穩(wěn)定式近海平臺(tái)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本專(zhuān)利申請(qǐng)要求享有2008年4月23日提交的、名稱(chēng)為“Column-Stabilized Offshore Platform With Water-Entrapment Plates And Asymmetric Mooring System For Support Of Offshore Wind Turbines"的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.61/125,241的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通
過(guò)引用結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)為一種轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，其將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，之后機(jī)械能被轉(zhuǎn)換 成電能。風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)研發(fā)用于陸上設(shè)施以及近海設(shè)施。陸上風(fēng)力渦輪機(jī)固定在底面 上并且位于多風(fēng)區(qū)域中?，F(xiàn)有具有豎直布置的主轉(zhuǎn)子軸的豎直軸風(fēng)力渦輪機(jī)，和具有指 向風(fēng)的水平轉(zhuǎn)子軸的水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)。水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)一般具有塔架和耦聯(lián)到塔架 頂部的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)可直接或經(jīng)由變速箱耦聯(lián)到轂盤(pán)組件和渦輪葉片上。風(fēng)力渦輪機(jī)還用于近海應(yīng)用。單塔架近海系統(tǒng)安裝在海床中并且限制于深達(dá)30 米的淺水。如果渦輪機(jī)塔架安裝在更寬的基礎(chǔ)上，例如柵格結(jié)構(gòu)上，則這種淺的深度要 求可擴(kuò)大到50米。在更深的水中，只有浮動(dòng)系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可行的。淺水系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于， 通常只有靠近海岸才是淺的。因此，靠近海岸的風(fēng)力渦輪機(jī)會(huì)阻擋海岸視野并且給水上 船只和航行器產(chǎn)生導(dǎo)航阻礙以及可能的損害。當(dāng)前，已經(jīng)提出了許多用于近海浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的構(gòu)想。通常，它們分為 三個(gè)主要類(lèi)別帆桅、張力腿平臺(tái)(TLP' S)和半潛式/混合系統(tǒng)。浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái) 的例子包括 Statoil Norsk-Hydro 海風(fēng)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(tǒng)(SWAY spar/TLP hybrid)(圖 3)、Force Technology WindSea半潛式系統(tǒng)(Force TechnologyWindSea semi submersible)(圖 4)禾口 Trifloater 半潛式系統(tǒng)(Trifloater semi submersible)(圖 5)。 參 照?qǐng)D1，帆桅為在結(jié)構(gòu)底部載有較大壓載以及在吃水線(xiàn)附近載有浮力罐的長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)件。為 了穩(wěn)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(dòng)。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(duì)豎直波 浪激勵(lì)力的降低的響應(yīng)性，帆桅型結(jié)構(gòu)比半潛式結(jié)構(gòu)具有更好的升起性能。然而，它們 還比其他系統(tǒng)具有更多的傾斜和搖擺運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)樵谶@種設(shè)計(jì)中有利于穩(wěn)定的水平面 面積減少了。參照?qǐng)D2，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(wěn)定性而要求低重心，在安裝階段時(shí)可臨時(shí)增加浮力模塊以提 供足夠的穩(wěn)定性。TLP具有非常良好的升起及角運(yùn)動(dòng)，但是系泊安裝的復(fù)雜性和成本、 由于潮汐變動(dòng)而引起的鋼筋束張力的變化、以及塔架與系泊系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)頻率耦聯(lián)是 TLP系統(tǒng)的三個(gè)主要障礙。當(dāng)比較不同類(lèi)型的近海風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，由波浪和風(fēng)引發(fā)的運(yùn)動(dòng)并不是要考慮的唯一一個(gè)性能要素。經(jīng)濟(jì)性也扮演了一個(gè)很重要的角色。因此，仔細(xì)研究制造、安 裝、交付使用/停止使用的成本以及實(shí)現(xiàn)維護(hù)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(tǒng)(由于在鋼筋束連接之間的低穩(wěn)定性)，具有淺的吃水 深度和在操作和運(yùn)輸情況下的良好穩(wěn)定性的半潛式構(gòu)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(fā)明內(nèi)容
這里描述了包括至少三個(gè)支柱的半潛式近海浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)。除了至少三 個(gè)支柱之外，這里所述的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)還包括改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)性能的附加特征。 在圖6所示的實(shí)施方式中，浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)包括在支柱之間使水壓載運(yùn)動(dòng)以便保持 塔架豎直對(duì)準(zhǔn)的主動(dòng)壓載系統(tǒng)。此外，可將對(duì)準(zhǔn)傳感器耦聯(lián)到所述平臺(tái)上以確定風(fēng)力負(fù) 載。更進(jìn)一步地，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)可包括一個(gè)或多個(gè)附加特征，例如不 對(duì)稱(chēng)的系泊系統(tǒng)和主動(dòng)壓載系統(tǒng)，它們便于形成不但能承受環(huán)境負(fù)載，而且也比其他平 臺(tái)設(shè)計(jì)的重量相對(duì)更輕，同時(shí)還能使發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性更佳的結(jié)構(gòu)。包括在這里所述的平臺(tái)中的支柱可使用具有水平和豎直聯(lián)結(jié)梁的管狀桁架系統(tǒng) 彼此耦聯(lián)。水平的水收集板附接到部分或所有支柱的底部。風(fēng)力渦輪機(jī)塔架要經(jīng)受在結(jié) 構(gòu)上高風(fēng)力負(fù)載中的相當(dāng)大部分，支柱之間的空間實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性。在一個(gè)實(shí)施方式中， 如圖6所示，渦輪機(jī)塔架附接到其中一個(gè)支柱的頂部，該支柱本身通過(guò)主梁耦聯(lián)到其他 支柱上。這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)了浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)效率并且允許結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較輕的 重量。在圖7所示的其他實(shí)施方式中，渦輪機(jī)塔架直接耦聯(lián)在支撐塔架和風(fēng)力渦輪機(jī) 部件的重量的浮力支柱之上。在該實(shí)施方式中，其他支柱用于穩(wěn)定平臺(tái)并且保持塔架豎 直對(duì)準(zhǔn)。此外，主動(dòng)浮力系統(tǒng)可用于在支柱之間移動(dòng)壓載。在圖7所示的實(shí)施方式中， 由于塔架的重量并不是由外部支柱的浮力來(lái)支撐，因此所述平臺(tái)在外部支柱和中心塔架 支柱之間不需要太多的結(jié)構(gòu)支撐。與此相對(duì)比，在塔架安置在甲板中心的有些現(xiàn)有設(shè)計(jì) 中，由于塔架和渦輪機(jī)的重量以及空氣動(dòng)力力矩，結(jié)構(gòu)必須在長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)的中間支撐大的 負(fù)載，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)較重并且可能經(jīng)濟(jì)可行性較低。可容納例如斜度控制系統(tǒng)、變速箱、偏航控制器和發(fā)電機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)的吊 艙可安裝在塔架之上，并且該吊艙為轂盤(pán)和從轂盤(pán)延伸的渦輪葉片提供支撐。轂盤(pán)可 包括允許調(diào)節(jié)渦輪葉片的斜度從而使渦輪葉片的轉(zhuǎn)速在正常的風(fēng)速范圍內(nèi)保持恒定的機(jī) 構(gòu)。吊艙可耦聯(lián)到偏航控制系統(tǒng)上，該系統(tǒng)使渦輪葉片直接指向風(fēng)中以實(shí)現(xiàn)最佳效率。 通常位于吊艙內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)裝置，例如變速箱和發(fā)電機(jī)，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(qū)動(dòng)式渦輪機(jī)也可以與這里所述的平臺(tái) 一起使用。由于可變化的風(fēng)速，由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力的頻率和幅值可能是隨機(jī)的?？梢?用變壓器、逆變器和整流器來(lái)改變電力，從而產(chǎn)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(gè)支柱上。風(fēng)力渦輪機(jī)的電力輸出可通過(guò)延伸到海 底的電力電纜和發(fā)電站傳輸。電纜的一部分不是直接延伸到海底，而是可耦聯(lián)到提升電 纜的該部分的浮力機(jī)構(gòu)上。于是，所述電纜可具有彎曲的路徑，這允許浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī) 平臺(tái)隨著波浪、水流和潮汐豎直或水平運(yùn)動(dòng)而不會(huì)在電纜上施加任何明顯的附加張力。
在一個(gè)實(shí)施方式中，浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)具有為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的特殊構(gòu)造。安裝 在支柱之間的主梁的長(zhǎng)度相同并且基本形成等邊三角形。水平聯(lián)結(jié)梁在主梁長(zhǎng)度的大約 三分之一長(zhǎng)度處耦聯(lián)在相鄰的主梁之間。水平聯(lián)結(jié)梁和主梁在由主梁形成的三角形的三 個(gè)角上形成了附加的等邊三角形。立起聯(lián)結(jié)梁耦聯(lián)在支柱的中部和主梁長(zhǎng)度的三分之一 處之間。由立起聯(lián)結(jié)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(gòu)造 提供了可支撐所需負(fù)載力的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，同時(shí)使建造浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)所需的材料量最 少。在具體的實(shí)施方式中，可將這里所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)為完全在碼頭 區(qū)制造和組裝。例如，可使用起重機(jī)來(lái)組裝可在碼頭區(qū)組裝現(xiàn)場(chǎng)完成構(gòu)建的浮動(dòng)風(fēng)力渦 輪機(jī)平臺(tái)的部件。此外，當(dāng)需要時(shí)，可在碼頭區(qū)組裝風(fēng)力渦輪機(jī)部件并使之與平臺(tái)和子 結(jié)構(gòu)集成在一起。一旦完全組裝，就可以從浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的支柱上完全拆除壓 載，因而，結(jié)構(gòu)可漂出水道到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)。如果需要額外的浮力來(lái)減小吃水深度以便離 開(kāi)水道，則可將浮力模塊附接到其中一個(gè)或多個(gè)支柱上以減小吃水深度。當(dāng)平臺(tái)已經(jīng)到 達(dá)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(wěn)定平臺(tái)。在將浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)拖到安裝現(xiàn)場(chǎng)之前，可將海錨固定到海底。當(dāng)浮動(dòng) 風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到位之后，可將系泊繩索緊固到支柱上并且將其收緊到預(yù)定的張緊 度。在一個(gè)實(shí)施方式中，塔架安裝在其中一個(gè)支柱上，并且系泊繩索以不對(duì)稱(chēng)的方式布 置，其中，耦聯(lián)到支撐渦輪機(jī)塔架的支柱上的系泊繩索多于耦聯(lián)到其他支柱上的繩索。 例如，如果使用了四個(gè)系泊繩索，則其中兩個(gè)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(gè)繩索。通過(guò)另一個(gè)示例，如果使用了六個(gè)系泊 繩索，則其中四個(gè)繩索以大約60度的角度間隔在大約180度的范圍內(nèi)連接到支撐塔架的 支柱上，而各其他支柱則分別耦聯(lián)到單個(gè)繩索上?？蓪⑾挡蠢K索的角度構(gòu)造為與塔架支 柱相交。如果使用了對(duì)稱(chēng)的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，則系泊繩索可以對(duì)稱(chēng)的方式耦聯(lián)到平 臺(tái)上。例如，可使用總共六個(gè)系泊繩索，其中，兩個(gè)系泊繩索耦聯(lián)到各支柱。系泊繩索可以是由鏈、鋼索和拖動(dòng)式埋入錨的組合構(gòu)成的傳統(tǒng)懸鏈?zhǔn)嚼K索?；?者，系泊繩索可以由致密的聚酯段構(gòu)成，還包括懸掛在系泊系統(tǒng)的部分上的重質(zhì)量的配 重塊。在一個(gè)實(shí)施方式中，錨埋入海底，并且一部分鏈耦聯(lián)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(shí)，聚酯繩索的相對(duì)端可耦聯(lián)到鏈的附加長(zhǎng)度 上，該附加長(zhǎng)度部分附接到各支柱上的一個(gè)或多個(gè)張緊機(jī)構(gòu)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(lián)到各支柱 上的機(jī)構(gòu)張緊。如果風(fēng)力渦輪機(jī)和塔架安裝到三個(gè)支柱中的一個(gè)上，則無(wú)風(fēng)時(shí)一個(gè)支柱支撐更 多的重量，并且外殼處于不對(duì)稱(chēng)的平衡中。然而，吹到渦輪葉片和塔架上的風(fēng)力產(chǎn)生作 用于塔架的力矩，該力矩通常朝遠(yuǎn)離平臺(tái)中心的方向推動(dòng)塔架。該力矩在塔架支撐支柱 上施加了向下的力，同時(shí)減少了施加在并不支撐塔架的獨(dú)立支柱上的向下的力。當(dāng)安裝風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)將旋轉(zhuǎn)，并且發(fā)電機(jī)將發(fā)電。然而，風(fēng)速和 風(fēng)向可頻繁變化。因此，在某些實(shí)施方式中，在根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的平臺(tái)上使用的渦輪機(jī)可 設(shè)有包括風(fēng)向傳感器和偏航控制系統(tǒng)的風(fēng)向系統(tǒng)。在這種實(shí)施方式中，風(fēng)向傳感器將檢 測(cè)風(fēng)向的變化，偏航控制系統(tǒng)則將轉(zhuǎn)動(dòng)塔架頂部的吊艙(偏航)以便使渦輪葉片與風(fēng)向?qū)?zhǔn)。更進(jìn)一步地，在根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的平臺(tái)上使用的渦輪機(jī)可設(shè)有檢測(cè)風(fēng)速變化且耦 聯(lián)到渦輪機(jī)斜度控制系統(tǒng)上的風(fēng)速傳感器，所述渦輪機(jī)斜度控制系統(tǒng)通過(guò)引發(fā)渦輪葉片 斜度的變化而響應(yīng)于風(fēng)速的變化，從而使得輸出功率最佳或使渦輪葉片上的風(fēng)拖曳力最 小。可商業(yè)得到的風(fēng)向和風(fēng)速傳感器可從英國(guó)的Campbell Scientific有限公司和美國(guó)的 NovaLynx公司得到。當(dāng)作用于塔架和渦輪葉片的風(fēng)速增大時(shí)，風(fēng)力可使整個(gè)浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)傾 斜偏離豎直對(duì)準(zhǔn)。為了補(bǔ)償風(fēng)力(推力)，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)設(shè)有利用水 泵來(lái)使水在各支柱中運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部壓載系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，內(nèi)部壓載系統(tǒng)包括耦聯(lián) 到控制壓載系統(tǒng)的水泵的控制器上的一個(gè)或多個(gè)對(duì)準(zhǔn)傳感器。如果對(duì)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)到浮 動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)朝其中一個(gè)支柱傾斜，則內(nèi)部壓載系統(tǒng)可將水泵出低的浮動(dòng)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(yùn)動(dòng)將升高平 臺(tái)的低的浮動(dòng)角，從而使塔架返回到豎直對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)對(duì)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)到豎直對(duì)準(zhǔn)重新建立 時(shí)，可停止泵。由于只需要補(bǔ)償施加在結(jié)構(gòu)上的傾覆力矩，因此在內(nèi)部壓載系統(tǒng)的一個(gè) 實(shí)施方式中，不需要從外部泵入額外的水，并且內(nèi)部壓載系統(tǒng)可以閉循環(huán)起作用。由于內(nèi)部壓載系統(tǒng)的操作要求泵送相當(dāng)數(shù)量的水，因此實(shí)現(xiàn)期望壓載調(diào)節(jié)的響 應(yīng)時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)15-30分鐘。在一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)準(zhǔn)傳感器可以是感測(cè)水平面中關(guān)于 X和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)陀螺儀。在完美的豎直對(duì)準(zhǔn)中，X和Y軸陀螺儀將不會(huì)檢測(cè) 到平臺(tái)的任何轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，如果浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)中存在任何傾斜，則X和/或Y軸 陀螺儀可檢測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這種對(duì)準(zhǔn)傳感器可耦聯(lián)到控制器上，該控制器在必要時(shí)通過(guò) 將水泵送到支柱中而響應(yīng)于不對(duì)準(zhǔn)，從而校正豎直對(duì)準(zhǔn)偏差。在一個(gè)實(shí)施方式中，壓載 系統(tǒng)是將壓載水與周?chē)Ｋ耆艚^的封閉系統(tǒng)。在這種實(shí)施方式中，由于海水無(wú)法進(jìn) 入支柱，因此不會(huì)因?yàn)閴狠d系統(tǒng)的故障而使支柱被涌入水并且平臺(tái)不會(huì)傾覆。在一個(gè)實(shí)施方式中，耦聯(lián)渦輪機(jī)控制系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)，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(jī)處于最佳的發(fā)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(dāng)壓載水從一個(gè)支柱泵送到下一 個(gè)支柱時(shí)，葉片斜度可緩慢轉(zhuǎn)回其最佳角度。這里所述的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)可用作單獨(dú)的平臺(tái)，或者可替代地，這里所述的平 臺(tái)可安置成布置于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中的多個(gè)浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的一部分。來(lái)自各風(fēng)力渦輪 機(jī)的電能可進(jìn)行組合并通過(guò)單個(gè)電纜向發(fā)電站傳輸，該發(fā)電站可以在陸地上或在單獨(dú)的 浮動(dòng)平臺(tái)上。在一個(gè)這種實(shí)施方式中，其中一個(gè)平臺(tái)可用于為工作人員或維修提供現(xiàn) 場(chǎng)。這可提供安全的受保護(hù)區(qū)域，在那里，工人能夠不受惡劣的周?chē)鞖鈼l件的影響。如果這里所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)需要返回碼頭進(jìn)行維修或停止使用，則可 將平臺(tái)與系泊繩索和電力電纜斷開(kāi)，并將其拖回碼頭區(qū)組裝現(xiàn)場(chǎng)。在淺的水道中，可抽 空固定的水壓載，因而，可將平臺(tái)吃水深度減小到其拖運(yùn)狀態(tài)吃水。如果要進(jìn)一步減小 拖運(yùn)狀態(tài)吃水，則可在需要時(shí)將一個(gè)或多個(gè)浮力模塊耦聯(lián)到支柱上。


圖1示出了帆桅式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)；圖2示出了張力腿式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)；
圖3示出了張力腿/帆桅式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)；圖4示出了對(duì)稱(chēng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)；圖5示出了不對(duì)稱(chēng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的透視圖；圖6示出了不對(duì)稱(chēng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)；圖7示出了半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的正視圖；圖8示出了半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的俯視圖；圖9示出了連接到浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的底部上的水收集板；圖10示出了不對(duì)稱(chēng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的俯視圖；圖11示出了不對(duì)稱(chēng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的俯視圖；圖12示出了具有張緊式系泊繩索系統(tǒng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的正視圖；圖13示出了具有懸鏈?zhǔn)较挡蠢K索系統(tǒng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的正視圖；圖14示出了壓載控制系統(tǒng)的圖；圖15-17示出了響應(yīng)于風(fēng)速變化的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的正視圖；圖18-20示出了響應(yīng)于風(fēng)速變化的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的正視圖；圖21-23示出了將浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)從碼頭區(qū)移動(dòng)到深水中的順序步驟；圖24示出了一組不對(duì)稱(chēng)的半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的布置。
具體實(shí)施例方式這里描述了半潛式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)。這里所描述的平臺(tái)可用在例如近海 風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施中。參照?qǐng)D6，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)可包括具有至少三個(gè)支柱 102、103的近海平臺(tái)105。平坦的水收集板107附接到各支柱102、103的底部。在一 個(gè)實(shí)施方式中，支柱102、103為圓柱形。然而，也可將支柱構(gòu)造為適于構(gòu)建風(fēng)力渦輪機(jī) 平臺(tái)的任意形狀。風(fēng)力渦輪機(jī)塔架111直接安置在穩(wěn)定支柱102上方。不支撐渦輪機(jī)塔 架111的兩個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)定支柱103以大約40到90度的角度與塔架支撐支柱102分開(kāi)。雖 然在圖中示出的平臺(tái)105包括三個(gè)支柱102、103，但是在其他實(shí)施方式中，平臺(tái)也可包 括四個(gè)或更多個(gè)支柱。支柱102、103與由主梁115、聯(lián)結(jié)梁116和橫梁117構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)互相連接。 主梁115連接到支柱102、103的頂部和底部以及耦聯(lián)連接在主梁115與支柱102、103之 間的聯(lián)結(jié)梁116上。橫梁連接在相鄰的主梁115之間。在一個(gè)實(shí)施方式中，可將主梁115 構(gòu)造為使它們與三個(gè)支柱102、103相互交叉并且形成等邊三角形。類(lèi)似地，可將水平聯(lián) 結(jié)梁117和主梁115構(gòu)造成形成附加的等邊三角形。在一個(gè)實(shí)施方式中，立起聯(lián)結(jié)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(lián)到主 梁115上。主梁115、支柱102、103和立起聯(lián)結(jié)梁116可形成直角等腰三角形。在一 個(gè)實(shí)施方式中，主梁115、立起聯(lián)結(jié)梁116和水平聯(lián)結(jié)梁117優(yōu)選是具有圓形或矩形橫截 面的中空管結(jié)構(gòu)?；蛘?，主梁115、立起聯(lián)結(jié)梁116和水平聯(lián)結(jié)梁117也可以是實(shí)心的I 形、H形或T形梁。在其他實(shí)施方式中，三個(gè)支柱102、103、聯(lián)結(jié)梁116和水平聯(lián)結(jié)梁 117可形成適于獲得展示出期望強(qiáng)度、重量、負(fù)載支承或其他性能特性的平臺(tái)的任意類(lèi)型 的其他幾何構(gòu)造。這里所述的這種浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)固并且有效的結(jié)構(gòu)。強(qiáng)度可歸因于由支柱、主梁、立起聯(lián)結(jié)梁和水平聯(lián)結(jié)梁在平臺(tái)角部形成的四面體結(jié)構(gòu)。對(duì)該結(jié) 構(gòu)的負(fù)載分析顯示，任意變形最可能出現(xiàn)在相鄰四面體之間的主梁115的中間部上。雖 然該結(jié)構(gòu)的幾何條件是很有效的，但是還可以通過(guò)增加主梁115、立起聯(lián)結(jié)梁116和水平 聯(lián)結(jié)梁117的外徑或壁厚來(lái)增加該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。如果主梁115、立起聯(lián)結(jié)梁116和水平聯(lián) 結(jié)梁117為管狀結(jié)構(gòu)，則可通過(guò)增加壁厚來(lái)顯著延長(zhǎng)該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。例如，如果管 的壁厚是標(biāo)稱(chēng)管壁厚的兩倍，則該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可比具有標(biāo)稱(chēng)管壁厚的結(jié)構(gòu)的疲勞壽 命增加約10到20倍。在主梁115與立起聯(lián)結(jié)梁116及水平聯(lián)結(jié)梁117的交點(diǎn)處附近的 很短的部分中，可增加壁厚。在一個(gè)實(shí)施方式中，渦輪機(jī)塔架111的基部的直徑或?qū)挾冉咏孕∮谒?11 安置在其上的支柱102的直徑或?qū)挾取＿@種一致性使得結(jié)構(gòu)的連貫性最大化，并且使得 在平臺(tái)105結(jié)構(gòu)的重要區(qū)域中的應(yīng)力集中最小化。應(yīng)力集中可能在渦輪機(jī)塔架111和渦輪 機(jī)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(fēng)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(wěn)定支柱103上。在一個(gè)實(shí)施方式中，支柱 102、103的直徑可以一致以便形成筆直的結(jié)構(gòu)，例如筆直的圓柱形結(jié)構(gòu)，而塔架111可 以是在基部較大，并逐漸變細(xì)到在頂部的較小的直徑或?qū)挾?。可通過(guò)將若干具有一致直 徑的管狀部焊接在一起來(lái)構(gòu)建支柱102、103，并可通過(guò)將一系列錐形部螺栓連接和/或 焊接在一起來(lái)構(gòu)建塔架111?？墒褂弥T如板、肋和內(nèi)部凸緣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)支柱102、 103和塔架111。由于支柱102、103只為浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)提供浮力和穩(wěn)定性，因此在支柱 103的頂部之間只需要最小的甲板空間119?？稍谏喜恐髁?15之上放置窄通道，連接各 支柱102、103。平臺(tái)105上的附加區(qū)域可用于支撐次級(jí)結(jié)構(gòu)，例如輔助太陽(yáng)能電池或波 浪能轉(zhuǎn)換器的支撐件，以及用于在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架111周?chē)峁┩贰Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施方式 中，甲板119位于一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定支柱102、103之上，并且將穩(wěn)定支柱和甲板119構(gòu)造 成使得所預(yù)計(jì)的最高波峰將不會(huì)達(dá)到或損壞甲板設(shè)備或渦輪葉片101。樓梯和船入塢結(jié)構(gòu) 可附接到任意支柱102、103上?？赏ㄟ^(guò)附接到支柱102、103底部的系泊繩索131-141 將平臺(tái)105固定到海底。渦輪葉片101長(zhǎng)度方向較長(zhǎng)，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(pán)上，電機(jī)和致動(dòng)器可改變?nèi)~片101的斜度?？蓪⑷~片101的斜 度設(shè)定成最優(yōu)化發(fā)電機(jī)的電能輸出。這可通過(guò)調(diào)節(jié)葉片的斜度以便在一定的風(fēng)速范圍內(nèi) 保持恒定的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。在較低的風(fēng)速下，渦輪葉片的斜度較小，從而它們能保持最大 的轉(zhuǎn)速。對(duì)比而言，在較高的風(fēng)速下，增大斜度以便防止轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)最佳轉(zhuǎn)速。為了感 測(cè)真實(shí)風(fēng)速，風(fēng)力渦輪機(jī)可包括檢測(cè)風(fēng)速的風(fēng)力計(jì)，控制器可根據(jù)檢測(cè)到的風(fēng)速來(lái)將渦 輪葉片101的斜度調(diào)節(jié)到合適的傾斜角。商用的渦輪葉片斜度控制系統(tǒng)可從德國(guó)的LTi REEnergy公司和德國(guó)的Bosch Rexroth公司獲得。將渦輪葉片101精確對(duì)準(zhǔn)在垂直于風(fēng)向的取向上致使產(chǎn)生最大的電能。為了便 于這種定位，風(fēng)力渦輪機(jī)可包括偏航控制系統(tǒng)和具有例如檢測(cè)任意錯(cuò)位的風(fēng)向傳感器的 風(fēng)向系統(tǒng)。商用傾度傳感器可從德國(guó)的Pepper+Fuches公司和美國(guó)的MicroStrain公司獲 得。如果風(fēng)向傳感器檢測(cè)到角偏移，則控制器可啟動(dòng)使吊艙、轂盤(pán)和渦輪葉片101轉(zhuǎn)動(dòng) 的偏航電機(jī)。在一個(gè)實(shí)施方式中，渦輪葉片101和轂盤(pán)耦聯(lián)到變速箱上，該變速箱將渦輪葉片101的轉(zhuǎn)速增大到適于發(fā)電的速度。變速箱增大了傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，該傳動(dòng)軸耦聯(lián) 到發(fā)電的發(fā)電機(jī)上。在另一個(gè)實(shí)施方式中，使用了直接式驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。其沒(méi)有變速箱， 并且傳動(dòng)軸直接耦聯(lián)到發(fā)電機(jī)上，而發(fā)電機(jī)可位于吊艙中或塔架中。電輸出一般隨著風(fēng)速的增大而增加。然而，通常需要每秒大約3米的最小風(fēng)速 來(lái)促使渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于典型的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，隨著風(fēng)速增大到高達(dá)大約12米 每秒，功率輸出都將持續(xù)增大，在每秒6-12米的風(fēng)速范圍中，使渦輪葉片傾斜來(lái)使電能 產(chǎn)量最佳。在高于12米每秒的風(fēng)速下，調(diào)節(jié)典型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的渦輪葉片來(lái)控制上升 力并且使渦輪機(jī)在其最佳速度下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保持最大功率輸出。5兆瓦的渦輪發(fā)電機(jī)可在 每秒大約12米的風(fēng)速下達(dá)到最大的功率輸出。在每秒大約12到25米的更高風(fēng)速下，發(fā) 電機(jī)將產(chǎn)生5兆瓦的電能，但是渦輪葉片在更高的傾角下轉(zhuǎn)動(dòng)以便降低渦輪葉片上的風(fēng) 力負(fù)載，并且保持最佳的轉(zhuǎn)速。在大于每秒大約25米的風(fēng)速下，可關(guān)閉風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng) 并將其擱置起來(lái)。調(diào)節(jié)渦輪葉片以使風(fēng)力最小，并且也可將其鎖定(locked down)直到風(fēng) 速降低，以便防止超速以及對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)的損壞。雖然至此已經(jīng)以不對(duì)稱(chēng)的塔架布局說(shuō)明了浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，但是在其他實(shí) 施方式中，塔架對(duì)稱(chēng)地設(shè)置在支柱之間。參照?qǐng)D7和8，示出了塔架111對(duì)稱(chēng)地位于支柱 103之間的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)106。圖7圖示了浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)106的正視圖，圖 8圖示了浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)106的俯視圖。在這個(gè)實(shí)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(jié)構(gòu)，其提供支撐塔架111、吊艙125、渦輪葉片101 和其他系統(tǒng)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(kāi)了大量的水，因此它是不穩(wěn)定的。為了穩(wěn)定浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)106，將浮力支柱 104耦聯(lián)到更多個(gè)穩(wěn)定支柱103中的其中三個(gè)上，所述穩(wěn)定支柱103包括穩(wěn)定塔架111的 壓載系統(tǒng)。浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)106可具有在穩(wěn)定支柱103和浮力支柱104之間延伸的 支撐梁108，以及在穩(wěn)定支柱103和浮力支柱104之間延伸的聯(lián)結(jié)支撐梁112。浮動(dòng)風(fēng)力 渦輪機(jī)平臺(tái)的其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與前面參照?qǐng)D6所描述的相同。這里描述的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)包括一個(gè)或多個(gè)水平的水收集板107，其附接到平臺(tái) 支柱中的每一個(gè)或多個(gè)支柱的基部。將該一個(gè)或多個(gè)水收集板107安置成使得它們被浸 沒(méi)。參照?qǐng)D9，水收集板107的作用是提供水附加質(zhì)量以及阻尼。沿其正常方向運(yùn)動(dòng)的 邊長(zhǎng)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(zhì)量的大量的收集水與具有大尺寸(substantial dimension)豎向地運(yùn)動(dòng)的 正方形板相關(guān)聯(lián)。具有大的縱橫比的矩形板將收集相對(duì)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(shí)的平臺(tái)附加質(zhì)量以及 搖晃和傾斜時(shí)的附加慣性力矩大幅度增大。由于平臺(tái)吃水深度相對(duì)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(lì)力。應(yīng)該進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算以確定平臺(tái)的 響應(yīng)，同時(shí)將附加質(zhì)量的增加和波浪激勵(lì)力考慮進(jìn)來(lái)?？墒褂蒙逃醚苌?輻射軟件，例 如WAMIT，來(lái)計(jì)算浮動(dòng)平臺(tái)響應(yīng)。在假想的例子中，對(duì)于這些響應(yīng)計(jì)算，考慮承載超過(guò) 7,000噸有效負(fù)載的15,000噸排水量的平臺(tái)。如果沒(méi)有水收集板，則平臺(tái)的自然周期是大 約12秒，其對(duì)應(yīng)于大風(fēng)暴期間具有相當(dāng)可觀(guān)能量的頻率帶。最終的共振響應(yīng)產(chǎn)生了無(wú)法 接受的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損壞。通過(guò)增加一個(gè)或多個(gè)水收集板，在一個(gè) 實(shí)施方式中，所述一個(gè)或多個(gè)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(tái)的自然上升周期大大地延伸到大約20秒，這就產(chǎn)生了可接受的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此，如這里所述設(shè)置在平臺(tái)中的一個(gè)或多個(gè)水收集板107可使豎向的附加質(zhì) 量大幅度增加，同時(shí)使波浪激勵(lì)力的增加最小化，從而導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)動(dòng)有利地減少。這種 穩(wěn)定效果對(duì)于小平臺(tái)來(lái)說(shuō)尤其有利，這是因?yàn)閷?duì)于小平臺(tái)來(lái)說(shuō)無(wú)法僅通過(guò)調(diào)節(jié)支柱尺寸 和間隔就能得到合適的性能?？烧{(diào)節(jié)該一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)水收集板107的構(gòu)造，例如總體板 面積，以便實(shí)現(xiàn)例如豎直附加質(zhì)量的期望增加和波浪激勵(lì)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(dòng)力負(fù)載，包括附加質(zhì)量和波浪輻 射效應(yīng)、波浪激勵(lì)力以及由于旋渦脫離板107的邊緣而產(chǎn)生的粘性效應(yīng)。板107必須由 附加的結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)支撐，以便經(jīng)受極大的波浪加載以及由于其所經(jīng)歷的大量波浪周期而 引起的疲勞損壞。在一個(gè)實(shí)施方式中，徑向加強(qiáng)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(duì)水收集板107的結(jié)構(gòu)支撐， 以及對(duì)于總體結(jié)構(gòu)的剛性支撐。用于強(qiáng)化部件的附加板107可包括，例如，由徑向加強(qiáng) 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(qiáng)件179之 間的水收集板支桿121。這些結(jié)構(gòu)構(gòu)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(qiáng)件的尺寸適當(dāng)，必須適當(dāng)產(chǎn)生在板上發(fā)生的各種水動(dòng)力效 應(yīng)。這些效應(yīng)包括環(huán)繞水收集板的流體的慣性，產(chǎn)生與平臺(tái)的加速度相反的力，尤其 是在豎直方向上；當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)時(shí)由平臺(tái)產(chǎn)生的輻射波浪，導(dǎo)致能量從平臺(tái)上消除；與平 臺(tái)外殼相互作用的入射波，產(chǎn)生力；以及粘性效應(yīng)，其主要是由于旋渦脫離板邊緣引起 的，這還導(dǎo)致能量從平臺(tái)轉(zhuǎn)移到水中。除粘性力之外的所有力都可根據(jù)忽略了流體粘性 的衍射-輻射理論來(lái)建立模型，并且需要拉普拉斯方程的數(shù)解。粘性效應(yīng)由使用小規(guī)模 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果而建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)確定。水動(dòng)力可轉(zhuǎn)換成包括水收集板的平臺(tái)浸沒(méi)部 上的壓力場(chǎng)，然后可運(yùn)行結(jié)構(gòu)有限元模型來(lái)確定包括加強(qiáng)件和板的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng) 力。有限元模型需要將外殼離散成可對(duì)其應(yīng)用橫梁和/或板理論的小單元。可得到數(shù)值 解，提供了船體上的應(yīng)力水平。之后，就可以確認(rèn)包括水收集板的外殼的合適尺寸。關(guān) 于水收集板的附加信息公開(kāi)在美國(guó)專(zhuān)利Νο.7,086,809和7,281,881中，這些文獻(xiàn)在此通過(guò) 引用將其全部?jī)?nèi)容而結(jié)合進(jìn)來(lái)。參照?qǐng)D10，圖示了浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105的俯視圖。為了將浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī) 平臺(tái)保持在期望的位置，可使用傳統(tǒng)系泊繩索將平臺(tái)105錨定到海床上。例如，在一個(gè) 實(shí)施方式中，使用不對(duì)稱(chēng)的系泊系統(tǒng)將浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)固定到海底。在圖10中，圖 示了六個(gè)系泊繩索131-141。四個(gè)系泊繩索131-137連接到承載風(fēng)力渦輪機(jī)125的支柱 102上，單個(gè)系泊繩索139-141連接到各個(gè)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(fēng)力渦輪機(jī)125的支柱102的中 心會(huì)聚。風(fēng)也將使連接到迎風(fēng)支柱上的迎風(fēng)系泊繩索中的張力高于其他繩索中的張力。參照?qǐng)D11，圖示了具有其他系泊構(gòu)造的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105的俯視圖。在 這個(gè)實(shí)施方式中，使用了四個(gè)系泊繩索151-157來(lái)將平臺(tái)固定在位。兩個(gè)繩索151、153 耦聯(lián)到支撐塔架111的支柱102上，系泊繩索155、157各耦聯(lián)到其中一個(gè)其他支柱103 上。在這個(gè)實(shí)施方式中，系泊繩索151-157彼此間隔大約90度角。
參照?qǐng)D12，圖示了這里所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105的一個(gè)實(shí)施方式和其正 面圖。在圖12所示的構(gòu)造中，各系泊繩索131-141從浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105向下向外 傾斜到海底，并且單獨(dú)固定及張緊?？蓪⑾挡蠢K索131-141張緊成使得支柱102、103的 浮力在無(wú)風(fēng)時(shí)在各系泊繩索131-141上提供相同的張力。當(dāng)風(fēng)吹向塔架111和渦輪葉片 101時(shí)，風(fēng)加載力將轉(zhuǎn)移到系泊繩索131-141，并且抵抗風(fēng)支撐該結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)繩索將比順 風(fēng)的繩索處于更大的張力下?？蓪⑾挡蠢K索131-141張緊成使得這些系泊繩索在任何時(shí) 間都不會(huì)閑擱在海床上，從而使得它們?cè)诨竟P直的路徑上延伸。在另一種構(gòu)造中，系 泊繩索可以類(lèi)似的不對(duì)稱(chēng)的方式布置在平臺(tái)周?chē)?，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(tǒng)，系泊繩索不會(huì)在無(wú)風(fēng)、 無(wú)浪或無(wú)潮流時(shí)以其靜力平衡位置閑擱在海床上。在又一個(gè)實(shí)施方式中，如圖13所示，結(jié)構(gòu)件105可使用懸鏈系泊系統(tǒng)而固定在 位，其中鏈繩402鋪設(shè)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(jī)動(dòng)拖拉埋入錨401安放在海床 中。錨401附接到鋪設(shè)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(nèi)。鏈402連接到長(zhǎng)度較長(zhǎng)的聚酯繩索403上，該聚酯繩索403提供 了大部分系泊長(zhǎng)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(tái)105轉(zhuǎn)移到錨401。聚酯繩索403耦聯(lián)到另一個(gè)長(zhǎng)度的鏈405，該鏈405附接 于平臺(tái)105。聚酯繩索403保持懸浮在水中，并且在安裝之后永遠(yuǎn)不會(huì)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(diǎn)上，從而在系泊繩索中形成更尖 銳的彎曲，以便進(jìn)一步減少道釘?shù)膹埩Σ⑶掖_保繩索403對(duì)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(guò)支柱102、103到達(dá)張緊裝置407，該張緊裝置407允許單獨(dú)調(diào)節(jié)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(nèi)的，例如鏈?zhǔn)巾斨仄?、轆轤、絞盤(pán)或其他張緊裝置。為了防止 由于摩擦而導(dǎo)致?lián)p壞，可將導(dǎo)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(guò)水收集板107。在適當(dāng)?shù)卦O(shè)定張力之后，可鎖定系泊繩索。風(fēng)力渦輪機(jī)通常設(shè)計(jì)為在正常的風(fēng)速和風(fēng)向范圍內(nèi)操作。吹向渦輪葉片101和 塔架111的風(fēng)將產(chǎn)生拖曳力，該拖曳力將易于使浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105遠(yuǎn)離風(fēng)向傾斜。 如果風(fēng)在如圖15所示的方向上從支柱102之間到達(dá)支柱103上，則由渦輪葉片101和塔 架111產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將趨向于將下風(fēng)處的支柱102推入水中，并且將上風(fēng)處的支柱103提升 出水面。由于風(fēng)并不總是在相同的方向上吹，正如這里已經(jīng)描述的那樣，因此風(fēng)力渦輪 機(jī)可裝備有允許偏航機(jī)構(gòu)，該偏航機(jī)構(gòu)允許吊艙125、轂盤(pán)和葉片101圍繞塔架111的頂 部轉(zhuǎn)動(dòng)到與風(fēng)向?qū)?zhǔn)。然而，當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，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(shè)計(jì)的浮動(dòng)水線(xiàn)。當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向改變時(shí)，風(fēng)力 渦輪機(jī)可利用內(nèi)部主動(dòng)壓載系統(tǒng)來(lái)抵消風(fēng)引發(fā)的力和力矩，并且使在設(shè)計(jì)的浮動(dòng)水線(xiàn)161 處的結(jié)構(gòu)件105保持在全部穩(wěn)定的操作條件下。因此，這里描述的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)可包括內(nèi)部主動(dòng)壓載系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的一個(gè) 例子可參照?qǐng)D14來(lái)描述和說(shuō)明。在一個(gè)這種實(shí)施方式中，支柱102、103是中空的并且容納主動(dòng)壓載系統(tǒng)201，該主動(dòng)壓載系統(tǒng)201在支柱102、103內(nèi)的水箱之間轉(zhuǎn)移水，以便 將平臺(tái)105保持為豎直直立對(duì)準(zhǔn)，用于最佳的功率輪換效率。例如，當(dāng)風(fēng)吹向塔架支柱 102時(shí)，傳感器127可檢測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器127耦聯(lián)到控制器123上，該控制 器123控制泵221來(lái)將水從塔架支柱102移開(kāi)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(gè)實(shí)施方式中，在各支柱中可有多個(gè)泵，來(lái)控制通往其他支 柱的獨(dú)立水路。工業(yè)軸向流動(dòng)水泵可從韓國(guó)現(xiàn)代公司和丹麥的Glynwed公司獲得?？刂破饕部烧{(diào)節(jié)不支撐渦輪機(jī)塔架111的支柱103中的水量，以便調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪 機(jī)的側(cè)與側(cè)之間的角度。在一個(gè)實(shí)施方式中，支柱具有檢測(cè)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(lái)表示水量。支柱102、103之間的水壓載的主 動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償了所引發(fā)的風(fēng)力，從而使平臺(tái)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(nèi)部主動(dòng)壓載系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間可在大約15到30分鐘之間。由于響 應(yīng)時(shí)間可以相當(dāng)短，因此通常主動(dòng)壓載系統(tǒng)將不會(huì)設(shè)計(jì)為消除由于波浪和其他快速作用 力所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)105的快速動(dòng)力運(yùn)動(dòng)。然而，將平臺(tái)設(shè)計(jì)為不利用壓載系統(tǒng)來(lái)經(jīng)受這些 力。將主動(dòng)壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能將平臺(tái)的平均位置保持為水平，并且通過(guò)使渦輪機(jī)盡可能 地保持直立而使發(fā)電量最大。在一個(gè)實(shí)施方式中，主動(dòng)壓載系統(tǒng)可以是閉環(huán)系統(tǒng)，其構(gòu)造為通過(guò)將壓載系統(tǒng) 中的水與周?chē)Ｋ耆綦x來(lái)防止浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105的可能的涌起和沉沒(méi)。主動(dòng) 壓載系統(tǒng)通過(guò)促使水流過(guò)安裝在各支柱102、103之間的主梁115的電動(dòng)水泵221而使所 容納的水在支柱102、103之間運(yùn)動(dòng)。在這種實(shí)施方式中，永遠(yuǎn)不允許周?chē)ＫM(jìn)入主動(dòng) 壓載系統(tǒng)中。主動(dòng)壓載系統(tǒng)中的水可以是牽引前在碼頭區(qū)加入或使用供給船只加入的淡 水，從而減輕腐蝕問(wèn)題和其他與海水相關(guān)的問(wèn)題。在一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)準(zhǔn)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(zhuǎn)動(dòng)角速度的信號(hào)，其單位可以是度每秒。轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的積分可得到角位置。 因此，對(duì)準(zhǔn)傳感器127中的陀螺儀可用于測(cè)量平臺(tái)和塔架的對(duì)準(zhǔn)的變化。X軸陀螺儀位 于水平平面中，并且可與浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。Y軸加速計(jì)也位于水平平 面中，但是與X軸陀螺儀垂直?？v傾角θ是結(jié)構(gòu)關(guān)于Y軸的角度，橫傾角φ是結(jié)構(gòu)關(guān)于 X軸的角度。當(dāng)結(jié)構(gòu)完美對(duì)準(zhǔn)時(shí)，X和Y軸陀螺儀將不會(huì)檢測(cè)到任何加速度。然而， 如果結(jié)構(gòu)在任意方向上傾斜，則X軸陀螺儀將檢測(cè)到縱傾轉(zhuǎn)動(dòng)(trim rotation)，Y軸陀螺 儀將檢測(cè)到橫傾轉(zhuǎn)動(dòng)(listrotation)。根據(jù)這些信息，就可以使用已知的數(shù)學(xué)方程來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn) 角。參照?qǐng)D15-17，圖示了主動(dòng)壓載系統(tǒng)可以如何對(duì)風(fēng)速的變化做出反應(yīng)的示例。根 據(jù)對(duì)準(zhǔn)傳感器的信號(hào)，壓載控制器可控制泵來(lái)調(diào)節(jié)各支柱102、103內(nèi)的水量191，從而 校正豎直對(duì)準(zhǔn)的角度偏移。當(dāng)平臺(tái)105在可接受的水平角度內(nèi)時(shí)，壓載系統(tǒng)將停止在支 柱102、103之間移動(dòng)水。在圖15中，浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105圖示為在平臺(tái)105中心線(xiàn)上方吹的風(fēng)垂直 對(duì)準(zhǔn)。已經(jīng)根據(jù)風(fēng)、當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向?qū)A柱體102、103內(nèi)的水量191進(jìn)行了適當(dāng)?shù)卣{(diào) 節(jié)。在圖16中，風(fēng)速增大并且增大的風(fēng)力導(dǎo)致浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)準(zhǔn) 傳感器檢測(cè)到縱傾轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器啟動(dòng)泵來(lái)使水從支撐塔架的支柱102移動(dòng)到其他支柱103 中。在圖17中，浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105已經(jīng)返回水平對(duì)準(zhǔn)，以便補(bǔ)償由于增大的風(fēng)速所引發(fā)的力。由于在塔架支撐支柱102中的水量191較少，因此在平臺(tái)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(jìn)一步幫助平臺(tái)105縱向轉(zhuǎn) 動(dòng)為直立對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí)，主動(dòng)壓載系統(tǒng)也將調(diào)節(jié)支柱102、103中的水。參照?qǐng)D18_20， 圖示了浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105，其中，風(fēng)以從平臺(tái)中心線(xiàn)風(fēng)向轉(zhuǎn)變90的角度吹動(dòng)，其 中風(fēng)來(lái)自平臺(tái)105的左側(cè)。主動(dòng)壓載系統(tǒng)已經(jīng)將水從右側(cè)支柱水槽191移動(dòng)到左側(cè)支柱 水槽191，因此平臺(tái)105基本上是水平的。參照?qǐng)D19，風(fēng)速已經(jīng)降低并且平臺(tái)105的橫 傾角已經(jīng)改變。對(duì)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)到平臺(tái)105的橫傾角，因此控制器指示泵221使水從左 側(cè)支柱水槽191移動(dòng)到右側(cè)支柱水槽191。參照?qǐng)D20，主動(dòng)壓載系統(tǒng)已經(jīng)從左側(cè)支柱水 槽191移動(dòng)水以便增大浮力，并且將更多的水加入到右側(cè)支柱水槽191以便增加支柱的重 量。平臺(tái)105再次變得水平，并且泵已經(jīng)停止直到對(duì)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)到平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)的其他變 化。根據(jù)環(huán)境條件，這里描述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)具有不同的操作模式?？墒褂?由鏈?zhǔn)巾斨仄鳌㈡満徒饘俳z段制成的錨定系統(tǒng)來(lái)永久地系住平臺(tái)。在這種實(shí)施方式中， 在極端的天氣條件下，浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)將不會(huì)與系泊繩索脫開(kāi)或斷開(kāi)。浮動(dòng)風(fēng)力渦 輪機(jī)平臺(tái)的主要目的是發(fā)電，因此可將其設(shè)計(jì)為使渦輪機(jī)的操作時(shí)間最大。由于現(xiàn)有的渦輪機(jī)在25m/s的風(fēng)速下停止操作，因此期望風(fēng)速通常更高的由波 浪引發(fā)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)與該操作限制干涉。即，參照?qǐng)D6，當(dāng)結(jié)構(gòu)由于波浪力而運(yùn)動(dòng)時(shí)，塔架 111縱傾轉(zhuǎn)動(dòng)，這導(dǎo)致塔架111的頂部水平運(yùn)動(dòng)并且使吹向渦輪葉片的大風(fēng)產(chǎn)生了變化。 如果結(jié)構(gòu)105迎風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)，則塔架111的頂部將檢測(cè)到更快的風(fēng)速，相反地，如果結(jié)構(gòu)105 遠(yuǎn)離風(fēng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，則塔架111的頂部將檢測(cè)到更慢的風(fēng)速。這里描述的渦輪機(jī)平臺(tái)通過(guò)利 用固定到支柱102、103底部上的水收集板107而降低了滾動(dòng)，這抵制豎直運(yùn)動(dòng)并且抑制 平臺(tái)105的滾動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)。通常，有三種根據(jù)風(fēng)速來(lái)描述的獨(dú)立渦輪葉片模式用于風(fēng)力渦輪機(jī)。在風(fēng)速低 于每秒12米的第一模式中，對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化以便使發(fā)電量最大。在風(fēng)速為每秒12到 25米之間的第二模式中，葉片主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)(傾斜)以便減小葉片上的負(fù)載并且保持恒定 的最佳轉(zhuǎn)速。在風(fēng)速高于每秒25米的第三模式中，整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)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(duì)于風(fēng) 的最小拖曳情況。由于風(fēng)速和風(fēng)向可快速變化，因此第三模式可發(fā)生得非常快。因此， 風(fēng)力渦輪機(jī)必須能夠快速并且精確地檢測(cè)并響應(yīng)風(fēng)的變化。除了高速的風(fēng)力關(guān)閉過(guò)程外，其他條件也可觸發(fā)意于保護(hù)浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái) 并且使設(shè)備損失最小的緊急關(guān)閉(ESD)。由于平臺(tái)通常是無(wú)人操縱的，因此自動(dòng)及遠(yuǎn)程 關(guān)閉程序必須在適當(dāng)位置。各種系統(tǒng)故障或錯(cuò)誤條件將觸發(fā)ESD。例如，主動(dòng)壓載系統(tǒng) 故障可由不會(huì)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(lái)檢測(cè)到。另 一種系統(tǒng)故障可由支柱中的漏水引起。這種故障可通過(guò)平臺(tái)朝泄漏的支柱的縱傾或橫傾 而檢測(cè)到，其無(wú)法通過(guò)起作用的主動(dòng)壓載系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償。如果渦輪葉片承受高于閾值水平 的應(yīng)力，則系統(tǒng)也應(yīng)該關(guān)閉。這種故障可通過(guò)安裝在葉片上的應(yīng)變儀來(lái)檢測(cè)。另一種故 障是吊艙無(wú)法使渦輪葉片迎風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)。這可通過(guò)所測(cè)得的風(fēng)向和吊艙指向方向之間的差異 來(lái)指出。當(dāng)電源出現(xiàn)故障或浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)和遠(yuǎn)程操作者之間失去聯(lián)系時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)關(guān)閉。將這里描述的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)為能夠經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)為，通過(guò)提供支柱的大的預(yù)組裝圓柱 形節(jié)段而使裝配現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作最小，這可在車(chē)間使用自動(dòng)焊接設(shè)備來(lái)有效地生產(chǎn)。這 種制造可在水路附近完成，水路的深度應(yīng)該足以允許拖曳浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)。可在碼 頭區(qū)具有大型起重機(jī)的工廠(chǎng)里安裝塔架、吊艙和渦輪機(jī)。通過(guò)在碼頭區(qū)安裝所有的部 件，則成本能比在開(kāi)闊水面上將塔架和渦輪機(jī)安放在浮動(dòng)平臺(tái)上更低，并且損壞的危險(xiǎn) 性更小。圖21-23圖示了將浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105從制造現(xiàn)場(chǎng)拖曳到安裝現(xiàn)場(chǎng)的方法。 參照?qǐng)D21，在制造過(guò)程中在碼頭區(qū)將塔架111、吊艙125和渦輪葉片101與平臺(tái)105完 全組裝，一經(jīng)完成，用拖船將平臺(tái)105拖到安裝現(xiàn)場(chǎng)。由于大部分船塢具有相當(dāng)淺的水 道，所以可從支柱102、103上拆除水壓載，使得平臺(tái)105呈現(xiàn)最小的拖運(yùn)狀態(tài)吃水。浮 動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105在其拖運(yùn)狀態(tài)吃水下是穩(wěn)定的。由于塔架支柱102支撐了更多的 重量，因此平臺(tái)105的這一側(cè)將通常具有更深的吃水深度，如果從組裝工廠(chǎng)出來(lái)的水道 較淺這可能會(huì)有問(wèn)題。參照?qǐng)D22，在需要時(shí)，為了校正塔架支柱102的較深的吃水深度，可將臨時(shí)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(shí)施方式中，如果需要平臺(tái)105浮動(dòng)通過(guò)淺的水道，則可將臨時(shí)浮力模塊附接到其 他支柱103上以進(jìn)一步減小吃水深度。參照?qǐng)D23，一旦平臺(tái)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(guò)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(dòng)力拖曳力，但是通過(guò)水壓載，平臺(tái) 105變得穩(wěn)定得多。從制造現(xiàn)場(chǎng)到安裝現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸路線(xiàn)應(yīng)該盡可能地短。因此，制造現(xiàn)場(chǎng)的位置可 以是工程特定的。當(dāng)包括多個(gè)浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)單元的大型近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，并且各外殼 必須拖曳很長(zhǎng)的距離才能到達(dá)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)時(shí)，這是特別重要的。合適的安裝船的選擇對(duì) 于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性也是最基本的。用于拖曳風(fēng)力渦輪機(jī)的船應(yīng)該也能進(jìn)行系泊 安裝和維修操作。相比需要在安裝現(xiàn)場(chǎng)組裝的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，碼頭區(qū)組裝具有許多優(yōu)點(diǎn)。更具體地， 直接附接到海底的固定近海風(fēng)力設(shè)施要求在近海安裝現(xiàn)場(chǎng)上安裝和維護(hù)渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，這 可能很難并且費(fèi)用很高。由于拆卸費(fèi)用非常高昂，因此基本上所有的修理都必須在近 海安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。對(duì)比而言，浮動(dòng)平臺(tái)構(gòu)造只需要配置系泊繩索并將其連接到平臺(tái)105 上。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)生意外故障時(shí)，可顛倒安裝順序，將平臺(tái)105拖回港口進(jìn)行修理。浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)還簡(jiǎn)化了近海試運(yùn)行階段。當(dāng)將浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)拖到 現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，系泊系統(tǒng)需要進(jìn)行預(yù)鋪設(shè)并且準(zhǔn)備好進(jìn)行連接。風(fēng)力渦輪機(jī)可通過(guò)由錨控制的 船來(lái)進(jìn)行系泊。系泊程序可包括恢復(fù)從平臺(tái)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(jìn)行拖拉。鏈到繩索的鋼索部的連接可在水上完成?？墒褂面?zhǔn)巾斨仄鱽?lái) 將系泊繩索從平臺(tái)張緊。由于渦輪機(jī)已經(jīng)安裝好，因此所涉及的啟動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)的程序 比需要現(xiàn)場(chǎng)組裝的風(fēng)力渦輪機(jī)簡(jiǎn)單得多，并且也便宜得多。
由于浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)是動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此使施加在連接發(fā)電機(jī)與發(fā)電站 的電力電纜上的負(fù)載力最小是很重要的。一旦浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)已經(jīng)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(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)上。參照?qǐng)D13，在一個(gè)實(shí)施 方式中，電力電纜501耦聯(lián)到平臺(tái)105上的電力配電盤(pán)上。電纜沿支柱102的長(zhǎng)度方向 在保護(hù)殼中延伸，并且在支柱102的底部附近退出。也可將開(kāi)關(guān)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(wěn)定的， 并且需要用諸如套子和/或掩槽的遮蓋物的保護(hù)以便防止損壞。比電纜501直接延伸到 海底更好的是，可對(duì)電纜501進(jìn)行圍繞，即將靠近平臺(tái)105最低部以及在平臺(tái)105最低部 下方的一部分電纜501由多個(gè)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)505圍繞。電纜的這部分應(yīng)該在水中足夠低，以 便防止與在該區(qū)域中行駛的船只有任何可能的接觸。雖然使用系泊繩索來(lái)固定平臺(tái)105， 但是平臺(tái)也可不絕對(duì)地固定在一個(gè)位置。平臺(tái)可響應(yīng)于各種外力運(yùn)動(dòng)，所述外力包括大 風(fēng)、強(qiáng)水流和漲潮/退潮。懶波浮動(dòng)機(jī)構(gòu)505允許電纜501和平臺(tái)105運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)損 壞電纜501。電纜501從懶波浮動(dòng)機(jī)構(gòu)505延伸到海底，并且可埋在海底內(nèi)，或者可圍繞 電纜501設(shè)置(一個(gè)或多個(gè))保護(hù)殼。在一個(gè)實(shí)施方式中，可將多個(gè)浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)布置成陣列。參照?qǐng)D24，其 圖示了 “風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)”中的不對(duì)稱(chēng)的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105的示例性排列。由于當(dāng)風(fēng) 流過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)風(fēng)速減小并且產(chǎn)生渦流，因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，風(fēng)力渦輪機(jī)以大 約等于或大于10個(gè)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑的半徑355間隔開(kāi)，并且布置在垂直于最常見(jiàn)風(fēng)向335 的多個(gè)交錯(cuò)線(xiàn)329、331、333上。在圖示的實(shí)施方式中，風(fēng)力渦輪機(jī)105與六個(gè)相鄰的風(fēng) 力渦輪機(jī)105間隔開(kāi)10倍的渦輪機(jī)直徑。由于這種交錯(cuò)構(gòu)造，在第一列329中的兩個(gè)浮 動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105之間吹來(lái)的風(fēng)將具有到達(dá)第二列331中的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105 的無(wú)阻路徑。即使風(fēng)向已經(jīng)偏離優(yōu)選方向高達(dá)30度，這種風(fēng)路也將是無(wú)阻的。第三列 333中的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105可與第一列329中的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105對(duì)齊，然 而，由于它們之間存在大約17個(gè)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑的間隔，因此可以忽略由于逆風(fēng)渦流導(dǎo) 致的功率損失。即使風(fēng)向轉(zhuǎn)到使相鄰浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105對(duì)準(zhǔn)的角度上，10個(gè)渦輪 機(jī)轉(zhuǎn)子直徑的間隔也將對(duì)功率的輸出具有最小的作用。為了使浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105使用的電力電纜最短，第一電纜341耦聯(lián)第一 列329中的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105，第二電纜343耦聯(lián)第二列331中的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī) 平臺(tái)105，第三電纜345耦聯(lián)第三列中的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)105。然后，將這三個(gè)電纜 341、343、345連接到將所有電能傳輸?shù)桨l(fā)電站351的第四電纜347上，發(fā)電站353根據(jù) 需要分配電能。在一個(gè)實(shí)施方式中，其中一個(gè)平臺(tái)349可用作電力分配單元，提供工作 人員和維護(hù)崗位。這可提供一個(gè)安全的受保護(hù)的區(qū)域，在那里工人可臨時(shí)生活并且得到 保護(hù)以防止受到惡劣的周?chē)鞖鈼l件的影響。在另一個(gè)實(shí)施方式中，來(lái)自各渦輪機(jī)的獨(dú)立電纜耦聯(lián)到海床上的接線(xiàn)盒。每個(gè) 接線(xiàn)盒都可以有一定數(shù)量的連接。將來(lái)自所有連接盒的較大的電纜耦聯(lián)到主轂盤(pán)上，該 主轂盤(pán)使用單個(gè)電源線(xiàn)而連接到岸上。在發(fā)生故障時(shí)可將多余的電纜加到電力網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè) 施上。在某些具體的實(shí)施方式中，這里所述的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)和現(xiàn)有技術(shù)中的那些之 間的區(qū)別在于，渦輪機(jī)塔架直接安裝在其中一個(gè)支柱上的不對(duì)稱(chēng)的構(gòu)造。這種構(gòu)造使風(fēng)力渦輪機(jī)的大部分質(zhì)量壓在結(jié)構(gòu)的外邊緣上而不是結(jié)構(gòu)的中心上。例如，圖4所示 的〃 Force Technology WindSea"式浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)具有各安裝在不同圓柱體上的三 個(gè)塔架和渦輪葉片。正如上面所討論的，公知的是，當(dāng)由其他近距離間隔開(kāi)的渦輪葉片 引起渦流時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)的效率降低。渦流和不均勻的空氣流也可將在風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng) 中引發(fā)振動(dòng)，這可阻止風(fēng)力渦輪機(jī)的正常操作。這里所述的不對(duì)稱(chēng)的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)通 過(guò)利用單個(gè)塔架和渦輪葉片結(jié)構(gòu)而防止了這些問(wèn)題。另一種現(xiàn)有的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng) 是圖5所示的“Tri-Floater”，其圖示了安裝在三個(gè)支柱中心處的塔架。為了支撐這種重 量，在結(jié)構(gòu)的中心需要相當(dāng)大數(shù)量的材料。這增加了生產(chǎn)這種浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì) 所需的制造時(shí)間、成本和材料，并且增大了結(jié)構(gòu)中心處的重量。通過(guò)將更多的質(zhì)量處于 中心而不是外邊緣，則需要更小的慣性力來(lái)使浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)擺動(dòng)。對(duì)比而言，這 里所述的不對(duì)稱(chēng)的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)通過(guò)將所有的風(fēng)力渦輪機(jī)部件安裝在其中一根支 柱上，因此無(wú)需附加的支撐結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化了構(gòu)建。同樣，在這種實(shí)施方式中通過(guò)將質(zhì) 量向外移動(dòng)，改善了慣性穩(wěn)定性。這里所述的安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的其中一個(gè)支柱上的單個(gè)塔架導(dǎo)致了平臺(tái)的 不對(duì)稱(chēng)負(fù)載，因?yàn)樵诖蟛糠智闆r下將來(lái)自風(fēng)力渦輪機(jī)的支配力分布施加在相應(yīng)的支柱 上，而不是靠近平臺(tái)的質(zhì)心。不對(duì)稱(chēng)的系泊系統(tǒng)可與這些負(fù)載不對(duì)稱(chēng)加載的平臺(tái)一起使 用，其中，連接到具有塔架的支柱上的系泊繩索的數(shù)量明顯大于連接到其他支柱上的繩 索的數(shù)量。隨著風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)的改進(jìn)，風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸已經(jīng)增大。在一個(gè)實(shí)施方式 中，這里所述的風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)意于支撐驅(qū)動(dòng)5兆瓦發(fā)電機(jī)的直徑為400英尺的風(fēng)力渦輪 機(jī)轉(zhuǎn)子。這種風(fēng)力渦輪機(jī)的估計(jì)部件重量在下面的表1中列出。
權(quán)利要求
1.一種浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，包括a)至少三個(gè)穩(wěn)定支柱，各支柱具有上端、下端以及用于容納壓載流體的內(nèi)部容積；b)塔架，所述塔架具有上端以及耦聯(lián)到所述浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)上的下端；c)耦聯(lián)到發(fā)電機(jī)上的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和所述發(fā)電機(jī)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(gè)穩(wěn)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(gè)所述穩(wěn)定支柱的下端；和f)壓載控制系統(tǒng)，用于在所述至少三個(gè)穩(wěn)定支柱的內(nèi)部容積之間移動(dòng)所述壓載流 體，以便調(diào)節(jié)所述塔架的豎直對(duì)準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，其中，所述塔架安裝到其中一個(gè)支柱的 頂部，其他所述支柱不直接耦聯(lián)到所述塔架上。
3.如權(quán)利要求2所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，進(jìn)一步包括不對(duì)稱(chēng)地耦聯(lián)到所述至少三個(gè)穩(wěn)定支柱上的系泊繩索，其中，至少一半的所述系泊 繩索耦聯(lián)到塔架支撐支柱上。
4.如權(quán)利要求2所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，其中，由相鄰的所述系泊繩索形成的角 度近似相同。
5.如權(quán)利要求1所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，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(gè)穩(wěn)定支柱之間。
6.如權(quán)利要求1所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，其中，所述壓載控制系統(tǒng)包括i)用于發(fā)送及接收壓載控制信號(hào)的處理器；ii)豎直對(duì)準(zhǔn)傳感器，所述豎直對(duì)準(zhǔn)傳感器與所述處理器通信用于檢測(cè)所述塔架相對(duì) 于重力方向的豎直對(duì)準(zhǔn)；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(gè)穩(wěn)定支柱的內(nèi)部容積 之間移動(dòng)壓載流體，從而調(diào)節(jié)所述塔架的豎直對(duì)準(zhǔn)。
7.如權(quán)利要求6所述的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，其中，所述壓載控制系統(tǒng)進(jìn)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(gè)穩(wěn)定支柱的 內(nèi)部容積內(nèi)的壓載流體的量。
8.—種浮動(dòng)平臺(tái)，包括a)至少三個(gè)穩(wěn)定支柱，各支柱具有上端、下端以及用于容納壓載流體的內(nèi)部容積；b)主梁，所述主梁使所述至少三個(gè)穩(wěn)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(gè)所述穩(wěn)定支柱的下端；和d)壓載控制系統(tǒng)，用于在所述至少三個(gè)穩(wěn)定支柱的內(nèi)部容積之間移動(dòng)所述壓載流 體，以便調(diào)節(jié)所述至少三個(gè)穩(wěn)定支柱的豎直對(duì)準(zhǔn)。
9.如權(quán)利要求8所述的浮動(dòng)平臺(tái)，進(jìn)一步包括水平聯(lián)結(jié)梁，各水平聯(lián)結(jié)梁耦聯(lián)在彼此相鄰的所述主梁之間。
10.如權(quán)利要求9所述的浮動(dòng)平臺(tái)，其中，其中三個(gè)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(lián)結(jié)梁形成等邊三角形。
11.如權(quán)利要求8所述的浮動(dòng)平臺(tái)，進(jìn)一步包括立起聯(lián)結(jié)梁，各所述立起聯(lián)結(jié)梁耦聯(lián)在其中一個(gè)所述主梁與其中一根所述支柱之間。
12.如權(quán)利要求8所述的浮動(dòng)平臺(tái)，其中，所述壓載控制系統(tǒng)包括 i)用于發(fā)送及接收壓載控制信號(hào)的處理器； )豎直對(duì)準(zhǔn)傳感器，所述豎直對(duì)準(zhǔn)傳感器與所述處理器通信用于確定所述至少三個(gè) 穩(wěn)定支柱相對(duì)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(gè)穩(wěn)定支柱的內(nèi)部容積 之間移動(dòng)壓載流體，從而調(diào)節(jié)所述浮動(dòng)平臺(tái)的水平角度。
13.如權(quán)利要求12所述的浮動(dòng)平臺(tái)，其中，所述壓載控制系統(tǒng)進(jìn)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(gè)穩(wěn)定支柱的 內(nèi)部容積中的壓載的量。
14.一種用于半潛式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)，包括浮力結(jié)構(gòu)，所述浮力結(jié)構(gòu)用于為所述半潛式平臺(tái)提供浮力；耦聯(lián)到所述浮力結(jié)構(gòu)的系泊繩索；埋在海底中的錨，所述錨耦聯(lián)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(gè)浮力結(jié)構(gòu)中的一個(gè)上。
15.如權(quán)利要求14所述的系泊系統(tǒng)，其中，相鄰的所述系泊繩索之間的角度基本上相等。
16.如權(quán)利要求14所述的系泊系統(tǒng)，其中，各所述系泊繩索包括a)耦聯(lián)到其中一個(gè)所述浮力結(jié)構(gòu)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(lián)到鏈或鋼索的所述第一部上的聚酯部；和d)耦聯(lián)到所述聚酯部和其中一個(gè)所述錨上的鋼索或鏈的第二部。
17.如權(quán)利要求16所述的系泊系統(tǒng)，其中，所述重塊的負(fù)浮力大于鏈或鋼索的所述第 一部的負(fù)浮力。
18.如權(quán)利要求14所述的系泊系統(tǒng)，其中，至少一半所述系泊繩索耦聯(lián)到其中一個(gè)所 述浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上。
19.一種配置半潛式平臺(tái)的方法，包括在碼頭區(qū)組裝具有多個(gè)支柱的所述半潛式平臺(tái)，各所述支柱包含壓載機(jī)構(gòu)； 在碼頭區(qū)將塔架組件安裝在所述半潛式平臺(tái)上，所述塔架組件包括耦聯(lián)到發(fā)電機(jī)的 渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子；從所述支柱移除壓載流體；將所述半潛式平臺(tái)從碼頭區(qū)的淺水中移動(dòng)到深度大于100英尺的深水中； 當(dāng)所述半潛式平臺(tái)位于所述深水中時(shí)，用壓載流體部分地填充所述支柱； 對(duì)所述半潛式平臺(tái)進(jìn)行系泊；檢測(cè)所述半潛式平臺(tái)的在預(yù)定可接受范圍之外的浮動(dòng)角；和 操作所述壓載機(jī)構(gòu)來(lái)校正所述浮動(dòng)角。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括在碼頭區(qū)將壓載模塊附接到其中一個(gè)或多個(gè)所述支柱上，因而所述半潛式平臺(tái)呈現(xiàn)出拖運(yùn)狀態(tài)吃水深度；和在所述半潛式平臺(tái)移動(dòng)到所述深水之前，拆除所述壓載模塊。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述半潛式平臺(tái)的所述系泊包括將所述半潛式 平臺(tái)附接到多個(gè)系泊繩索上，所述系泊繩索固定到海底并且以不對(duì)稱(chēng)的方式附接到所述 浮力結(jié)構(gòu)上。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括將所述發(fā)電機(jī)連接到電力電纜上，所述電力電纜耦聯(lián)到發(fā)電站；使所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以使所述發(fā)電機(jī)發(fā)電；和通過(guò)所述電力電纜將電能輸送到所述發(fā)電站。
23.—種操作浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的方法，包括a)提供浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)設(shè)備，所述設(shè)備具有至少三個(gè)穩(wěn)定支柱，各支柱具有 上端、下端以及用于容納壓載流體的內(nèi)部容積；耦聯(lián)到所述浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)上的塔 架；安裝在所述塔架的上部上的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子耦聯(lián)到發(fā)電機(jī)上；使所述 至少三個(gè)穩(wěn)定支柱互相連接的主梁，附接到所述穩(wěn)定支柱的下端的水收集板；和壓載控 制系統(tǒng)，所述壓載控制系統(tǒng)包括豎直對(duì)準(zhǔn)傳感器和一個(gè)或多個(gè)泵，所述泵用于在所述至 少三個(gè)穩(wěn)定支柱的內(nèi)部容積之間移動(dòng)所述壓載流體；b)使所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；c)使所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以發(fā)電；d)檢測(cè)所述浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的在預(yù)定可接受范圍之外的橫傾角；e)啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)泵以便在所述穩(wěn)定支柱之間移動(dòng)所述壓載流體；f)檢測(cè)所述浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的在所述預(yù)定可接受范圍內(nèi)的橫傾角；g)停止所述一個(gè)或多個(gè)泵，以便停止所述穩(wěn)定支柱之間的所述壓載流體的運(yùn)動(dòng)。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)檢測(cè)到的風(fēng)向來(lái)控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的偏航位置；和根據(jù)檢測(cè)到的風(fēng)速來(lái)控制所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的斜度。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述風(fēng)速小于12米每秒時(shí)，調(diào)節(jié)所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的所述斜度以便使所述發(fā)電機(jī)的 電輸出最大。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述風(fēng)速在12米每秒到25米每秒之間時(shí)，調(diào)節(jié)所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的傾角以保持恒定 的轉(zhuǎn)速。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的斜度以便使所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的風(fēng)力最??；和當(dāng)所述風(fēng)速超過(guò)25米每秒時(shí)，停止所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
全文摘要
一種包括浮動(dòng)框架(105)的浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)，所述浮動(dòng)框架(105)包括通過(guò)水平主梁(115)彼此耦聯(lián)的三個(gè)支柱(102，103)。風(fēng)力渦輪機(jī)塔架(111)安裝在塔架支撐支柱(102)上以便簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)件并且提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。渦輪葉片(101)耦聯(lián)到在塔架(111)之上轉(zhuǎn)動(dòng)的吊艙(125)上。渦輪機(jī)的傳動(dòng)變速箱式發(fā)電機(jī)和其他電動(dòng)齒輪可傳統(tǒng)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(dòng)框架(105)包括水壓載系統(tǒng)，其在支柱(102，103)之間泵送水以便使塔架(111)處于10豎直對(duì)準(zhǔn)，而不管風(fēng)速多大。水收集板(107)安裝在支柱(102，103)的底部以便使浮動(dòng)平臺(tái)(105)由于波而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)最小。
文檔編號(hào)B63B35/00GK102015435SQ200980114300
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者克里斯蒂安·切爾梅利, 多米尼克·羅迪耶 申請(qǐng)人:原理動(dòng)力有限公司