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TWI765613B - 浮動式風力渦輪機設施及操作浮動式風力渦輪機設施的方法 - Google Patents

浮動式風力渦輪機設施及操作浮動式風力渦輪機設施的方法 Download PDF

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TWI765613B
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湯瑪斯 艾斯班森
彼特 Ｍ Ｏ 吉布得
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丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
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Abstract

本發明描述一種浮動式風力渦輪機(10)，其包括：一塔架(2)，其沿著該浮動式風力渦輪機(10)的一縱軸(Z)軸向延伸，附接於該塔架(2)的一上端的一機艙(3)與一轉子(5)，一浮動式基礎(8)，其附接於該塔架(2)的一底端，將該浮動式基礎(8)連接至一固定式結構10的至少一第一繫泊索(21)與一第二繫泊索(22)，一控制器(20)，其構造成控制該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)的長度，使得：若一風向(W2)與水流方向(W1)相反且風速(Vw)低於一額定值(Vr)，則使該第一繫泊索(21)伸長且使該第二繫泊索(22)回縮。

Description

浮動式風力渦輪機設施及操作浮動式風力渦輪機設施的方法
本發明係關於浮動風力渦輪機中的生產領域。
潮汐產生近岸與海灣中及沿海地區河口的海流。這些海流稱之為「潮流」。潮流以規則方式變化而可預測未來變化。潮流可以在與風向相反方向移動，在此情況下，波浪隨風移動，而潮汐於相反方向在較深處移動。
因此，期望提供藉由利用潮流從浮動式風力渦輪機獲得更多電力生產的可能性
此需求由依獨立請求項的主題達成。本發明的較佳實施例係由相關請求項描述。
依本發明的第一態樣，提供一種浮動式風力渦輪機設施。該浮動式風力渦輪機設施包括：一塔架，其沿著該浮動式風力渦輪機的一縱軸軸向延伸，附接於該塔架的一上端的一機艙與一轉子，一浮動式基礎，其附接於該塔架的一底端， 將該浮動式基礎連接至一固定式結構的至少一第一繫泊索與一第二繫泊索，該第一繫泊索相對於一水流方向在該浮動式風力渦輪機的上游，該第二繫泊索相對於該水流方向在該浮動式風力渦輪機的下游，該第一繫泊索與該第二繫泊索的長度係可變的，該第一繫泊索與該第二繫泊索可配置於各自第一與第二中間長度，用以在一預定中間位置固持該浮動式基礎， 一控制器，其構造成控制該第一繫泊索與該第二繫泊索的長度，使得： 若一風向與該水流方向相反且風速低於一額定值，則使該第一繫泊索相對於該第一中間長度伸長且使該第二繫泊索相對於該第二中間長度回縮。
依本發明的第二態樣，提供一種操作上述浮動式風力渦輪機設施的方法。該方法包括以下步驟: 若一風向與該水流方向相反且風速低於一額定值，則使該第一繫泊索相對於該第一中間長度伸長且使該第二繫泊索相對於該第二中間長度回縮。
有利地，本發明得以藉由最佳化單一浮動式風力渦輪機周圍的流動，利用潮汐力最佳化風力渦輪機電力生產。所提出的發明得以藉由向前移動浮動式風力渦輪機(亦即迎風)低於額定風速值以從漂移移動獲得的附加優點而獲得額外能量。向後移動浮動式風力渦輪機(亦即順風方向)高於額定風速，其中風速的顯著降低不影響渦輪機的電力輸出。
所述「固定式結構」係指相對於風與水流固定，例如固定於海床的結構。
所述「預定中間位置」係指浮動式風力渦輪機的位置在第一極端位置與第二極端位置的中間，在第一極端位置中，第一繫泊索完全伸長且第二繫泊索完全回縮，在第二極端位置中，第一繫泊索完全回縮且第二繫泊索完全伸長。該「預定中間位置」可識別為中立位置，其中第一與第二繫泊索恰好允許浮動式風力渦輪機在水流及/或風力下不漂離其理想位置。
依本發明的實施例，控制器進一步構造成： 若該風速未低於一額定值且該水流低於一預定流臨限值，則設定該第一繫泊索與該第二繫泊索於該第一與第二中間長度。
依本發明的實施例，該浮動式基礎包括一可調適拉曳元件以在條件搭配下協助漂移移動。在此情況下，控制器進一步構造成： 若該風向與該水流方向相反且該風速低於一額定值，則最大化在該浮動式基礎上的該主動拉曳元件的拉曳。
依本發明的實施例，該浮動式風力渦輪機設施包括至少一個感測器，用於測量風強度及/或該風向，該至少一個感測器連接至該控制器。或者，可藉由知道風力渦輪機生產的電力而估算該風強度。
依本發明的實施例，該浮動式風力渦輪機設施包括至少一個感測器，用於測量水流方向。或者，可基於先前歷史量測估算該水流方向。
須注意已參考不同主題描述本發明的實施例。尤其是已參考裝置型請求項描述一些實施例，而且已參考方法型請求項描述其他實施例。但除非另有附註，本發明所屬技術領域中具有通常知識者自以上及下述可知，除了屬於一類主題的任意特徵組合外，關於不同主題的特徵亦可任意組合，尤其是裝置型請求項的特徵與方法型請求項的特徵的任意組合，均視為本申請案所揭示。
圖式係概略地例示。注意在不同圖中類似或相同元件均以相同代號表之。
圖1顯示在第一操作條件下之本發明的浮動式風力渦輪機10設施。風力渦輪機10包括塔架2，其沿著浮動式風力渦輪機10的縱軸Z軸向延伸。機艙3附接於塔架2上端。風力渦輪機1進一步包括一風力渦輪機轉子5，其具有三個葉片4(圖1視角僅可看到兩葉片4)。轉子5附接至機艙3以繞轉軸Y轉動。轉軸Y呈水平定向。本發明亦可適用於垂直軸風力渦輪機。浮動式風力渦輪機10進一步包括一浮動式基礎8，其附接至塔架2底端，沿縱軸Z與機艙3軸向相對。在操作中，浮動式基礎8至少部分浸於水中。浮動式基礎8包括一拉曳元件，用以控制浮動式風力渦輪機10的拉曳。依本發明的其他實施例，可不具有拉曳元件18。
浮動式風力渦輪機10設施進一步包括將該浮動式基礎8連接至一固定式結構(例如設於海床上的固定式結構)的一第一繫泊索21與一第二繫泊索22。第一繫泊索21相對於一水流方向W1在該浮動式風力渦輪機的上游，第二繫泊索22相對於該水流方向W1在該浮動式風力渦輪機的下游。該水流方向W1可由潮流方向組成。第一繫泊索21與第二繫泊索22的長度係可變的。海床上可設有用於調整第一繫泊索21與第二繫泊索22長度的絞盤31、32。第一繫泊索21與第二繫泊索22可配置於各自第一與第二中間長度，用以在一預定中間位置固持該浮動式基礎8。中間位置為中立位置，其中第一與第二繫泊索恰好允許浮動式風力渦輪機在水流及/或風力下不漂離其理想位置。
浮動式風力渦輪機10設施進一步包括一控制器20(概略地顯示於圖1)，構造成用於控制第一繫泊索21與第二繫泊索22的長度。依本發明的其他實施例，可具有不只兩條繫泊索。為了操作第一繫泊索21與第二繫泊索22的長度，控制器20可連接至兩個別絞盤31、32。控制器20控制第一繫泊索21與第二繫泊索22的長度使得若轉子5上的風向W2與水流方向W1相反且風速Vw低於額定值Vr，則使第一繫泊索21相對於第一中間長度伸長且使第二繫泊索22相對於第二中間長度回縮。定向與水流方向W1相反的風向W2 (亦即方向W1、W2間角度為180o )可係代表在風力渦輪機10處風向的向量分量。藉由控制第一繫泊索21與第二繫泊索22的長度，控制器20在浮動式風力渦輪機10上施加漂移移動W3，其決定下列電力生產值P： P=0,5 ρˑAˑCpˑV3 ， 其中ρ是空氣密度，A是被轉子5掃過的面積，Cp是性能係數，且V=Vw+Vd是風速Vw與漂移移動速度Vd(亦即浮動式風力渦輪機10在漂移移動W3方向上的速度)的總和。
控制器20進一步構造成若風速Vw未低於一額定值Vr且水流W1低於一預定流臨限值，則設定第一繫泊索21與第二繫泊索22於第一與第二中間長度。亦即，若第一繫泊索21與第二繫泊索22已在該第一與第二中間長度，則其等保持在該長度，否則就移至第一與第二中間長度並保持於該長度。
若浮動式基礎8包括主動拉曳元件18，則控制器20進一步構造成若風向W2與水流方向W1相反且風速Vw低於一額定值Vr，則最大化在浮動式基礎8上的該主動拉曳元件的拉曳。
風力渦輪機10設施進一步包括一個以上的風感測器30，用於測量風速強度Vw及/或風向W2。風感測器30連接至控制器20。風感測器30可設置於機艙3上或風力渦輪機10上的其他便利位置上。依本發明的其他實施例，可藉由知道風力渦輪機生產的電力而估算風強度(例如藉由發明表示式P = 0,5 ρˑAˑCpˑV3 )。
風力渦輪機10設施進一步包括一個以上的水流感測器40，用於測量水流方向W1。水流感測器40連接至控制器20。水流感測器40可設置於機艙3上或風力渦輪機10上的其他便利位置上。依本發明的其他實施例，不具有水流感測器40且係基於先前歷史量測及/或數學模型估算水流方向W1。
2:塔架 3:機艙 4:葉片 5:轉子 8:浮動式基礎 10:浮動式風力渦輪機 18:主動拉曳元件 20:控制器 21:第一繫泊索 22:第二繫泊索 30:風感測器 31:絞盤 32:絞盤 40:水流感測器 W1:水流方向 W2:風向 W3:漂移移動 Y:轉軸 Z:縱軸
自以下待述實施例的實例且參考其解釋可明瞭本發明的上述態樣及進一步態樣。以下將參考實施例的實例詳述本發明，但本發明不以之為限。 圖1顯示本發明之在中立操作條件(neutral operation condition)下的浮動式風力渦輪機的概略圖。
2:塔架
3:機艙
4:葉片
5:轉子
8:浮動式基礎
10:浮動式風力渦輪機
18:主動拉曳元件
20:控制器
21:第一繫泊索
22:第二繫泊索
30:風感測器
31:絞盤
32:絞盤
40:水流感測器
W1:水流方向
W2:風向
W3:漂移移動
Y:轉軸
Z:縱軸

Claims (11)

  1. 一種浮動式風力渦輪機(10)設施，其包括：一塔架(2)，其沿著該浮動式風力渦輪機(10)的一縱軸(Z)軸向延伸，附接於該塔架(2)的一上端的一機艙(3)與一轉子(5)，一浮動式基礎(8)，其附接於該塔架(2)的一底端，將該浮動式基礎(8)連接至一固定式結構的至少一第一繫泊索(21)與一第二繫泊索(22)，該第一繫泊索(21)相對於一水流方向(W1)在該浮動式風力渦輪機(10)的上游，該第二繫泊索(22)相對於該水流方向(W1)在該浮動式風力渦輪機(10)的下游，該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)的長度係可變的，該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)可配置於各自第一與第二中間長度，用以在一預定中間位置固持該浮動式基礎(8)，一控制器(20)，其構造成控制該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)的長度，使得：若一風向(W2)與該水流方向(W1)相反且風速(Vw)低於一額定值(Vr)，則使該第一繫泊索(21)相對於該第一中間長度伸長且使該第二繫泊索(22)相對於該第二中間長度回縮。
  2. 如請求項1之浮動式風力渦輪機(10)設施，其中該控制器(20)構造成： 若該風速(Vw)未低於一額定值(Vr)且該水流(W1)低於一預定流臨限值，則設定該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)於該第一與第二中間長度。
  3. 如請求項1或2之浮動式風力渦輪機(10)設施，其中該浮動式基礎(8)包括一主動拉曳元件(18)，該控制器(20)進一步構造成：若該風向(W2)與該水流方向(W1)相反且該風速(Vw)低於一額定值(Vr)，則最大化在該浮動式基礎(8)上的該主動拉曳元件的拉曳。
  4. 如請求項1或2之浮動式風力渦輪機(10)設施，其進一步包括至少一個感測器(30)，用於測量風強度及/或該風向，該至少一個感測器連接至該控制器。
  5. 如請求項1或2之浮動式風力渦輪機(10)設施，其進一步包括至少一個感測器(40)，用於測量該水流方向。
  6. 一種操作一浮動式風力渦輪機(10)設施的方法，該浮動式風力渦輪機(10)設施包括：一塔架(2)，其沿著該浮動式風力渦輪機(10)的一縱軸(Z)軸向延伸，附接於該塔架(2)的一上端的一機艙(3)與一轉子(5)，一浮動式基礎(8)，其附接於該塔架(2)的一底端，將該浮動式基礎(8)連接至一固定式結構的至少一第一繫泊索(21)與一第二繫泊索(22)，該第一繫泊索 (21)相對於一水流方向(W1)在該浮動式風力渦輪機(10)的上游，該第二繫泊索(22)相對於該水流方向(W1)在該浮動式風力渦輪機(10)的下游，該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)的長度係可變的，該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)可配置於各自第一與第二中間長度，用以在一預定中間位置固持該浮動式基礎(8)，該方法包括以下步驟：若一風向(W2)與該水流方向(W1)相反且風速(Vw)低於一額定值(Vr)，則使該第一繫泊索(21)相對於該第一中間長度伸長且使該第二繫泊索(22)相對於該第二中間長度回縮。
  7. 如請求項6之方法，其中該方法包括以下進一步的步驟：若該風速(Vw)未低於一額定值(Vr)且該水流(W1)低於一預定流臨限值，則設定該第一繫泊索(21)與該第二繫泊索(22)於該第一與第二中間長度。
  8. 如請求項6或7之方法，其中測量該水流方向。
  9. 如請求項6或7之方法，其中估計該水流方向。
  10. 如請求項6或7之方法，其中測量風強度及/或該風向。
  11. 如請求項6或7之方法，其中估計風強度。
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