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TWI774269B - 浮動式風力渦輪機、用於浮動式風力渦輪機的感測器系統及操作浮動式風力渦輪機的方法 - Google Patents

浮動式風力渦輪機、用於浮動式風力渦輪機的感測器系統及操作浮動式風力渦輪機的方法 Download PDF

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TWI774269B
TWI774269B TW110108906A TW110108906A TWI774269B TW I774269 B TWI774269 B TW I774269B TW 110108906 A TW110108906 A TW 110108906A TW 110108906 A TW110108906 A TW 110108906A TW I774269 B TWI774269 B TW I774269B
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湯瑪斯 艾斯班森
卡斯帕 勞森
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丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
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Abstract

敘述用於浮動式風力渦輪機(100)的感測器系統。感測器系統包含：風感測器(160)，構造成提供指示風流(110)之風感測器信號；及處理單元(170)，構造成接收此風感測器信號，並基於此風感測器信號來判定指示浮動式風力渦輪機(100)的浮動式基座(120)相對於浮動式風力渦輪機(100)之環境(108)的空間配置(101、102、103、104、105、106)之資訊。此外，敘述對應的浮動式風力渦輪機(100)及操作浮動式風力渦輪機(100)之方法。

Description

浮動式風力渦輪機、用於浮動式風力渦輪機的感測器系統及操作浮動式風力渦輪機的方法
本發明有關浮動式風力渦輪機的技術領域及操作此等風力渦輪機之方法。
標準的陸上或離岸非浮動式風力渦輪機不具有安裝來測量浮動式風力渦輪機所具有之額外自由度的專用感測器。測量剛體旋轉係關係重大的，以便控制或監控風力渦輪機系統之穩定性。例如，浮舟俯仰角資訊係關係重大的，因為可必需藉由控制浮舟俯仰來使浮動式風力渦輪機穩定。然而，此資訊大致上係不可獲得的。
傳統上，已知兩種方法。根據第一種方法，判定指示來自機艙加速度計或塔架加速度計之浮舟俯仰或浮舟俯仰移動中的變化之資訊，此等加速度計在大多數風力渦輪機中典型作為標準感測器存在。然而，由此方法幾乎不能得知絕對浮舟俯仰角。
根據第二種方法，藉由向系統加入另外的感測器來判定關於浮舟俯仰角之資訊，此等感測器例如判定渦輪機、塔架、或浮動式風力渦輪機的支撐結構之傾斜角的感測器之類。
因此，可能需要一種可靠且有效的方法，以判定浮動式風力渦輪機之空間自由度、例如浮舟俯仰之類。
根據獨立請求項的標的可滿足此需求。藉由附屬請求項敘述本發明之有利實施例。
根據本發明的態樣，用於浮動式風力渦輪機之感測器系統包含構造成提供指示風流的風感測器信號之風感測器。感測器系統更包含處理單元，此處理單元構造成接收風感測器信號，並基於風感測器信號來判定指示浮動式風力渦輪機的浮動式基座相對於浮動式風力渦輪機之環境的空間配置之資訊。
根據本發明的另一態樣，操作浮動式風力渦輪機之方法包含：(i)藉著風感測器提供指示風流的風感測器信號；(ii)藉著處理單元接收風感測器信號；及(iii)藉著處理單元且基於風感測器信號來判定指示浮動式風力渦輪機之浮動式基座相對於浮動式風力渦輪機的環境之空間配置的資訊。
在本申請案之上「下文中，「風力渦輪機」係構造成將風能轉換為電能、尤其是用於分配給電網及/或用於局部能量供應的任何裝置。風力渦輪機可包含塔架、風轉子、機艙、軸桿(尤其是低速軸桿及/或高速軸桿)、齒輪箱、發電機、制動總成、俯仰驅動器、及/或偏轉驅動器。風轉子可為轉子總成，並可包含一個以上之葉片及附接有此等葉片的中央輪轂。風轉子可更包含將轉子輪轂與葉片連接之俯仰軸承。利用俯仰軸承，葉片的定向可為能調整的、即所謂之葉片俯仰。風轉子可為、但不必以傾斜角度向上或向下傾斜。如果風力渦輪機的塔架係平行於轉子平面及/或如果正交於轉子平面之中心軸線水平地延伸，則傾斜角可為零。
「浮動式」風力渦輪機可界定為相對於地理坐標系及/或相對於地球表面的一部分具有空間自由度之任何風力渦輪機，在該地球表面的部分上或上方配置有浮動式風力渦輪機。地球的表面可為海床，於其上方配置有浮動式風力渦輪機。與非浮動式或固定式基礎結構之風力渦輪機相比，空間自由度可為浮動式風力渦輪機的額外空間自由度。浮動式風力渦輪機可為例如安裝在海中、尤其是於海洋中、或在湖泊中。它可安裝於固定基礎結構渦輪機不可行之水深處。複數個浮動式風力渦輪機可安裝在陣列中、例如離岸風場。
浮動式風力渦輪機可包含「浮動式基座」，可相對於「浮動式基座」界定上述空間自由度。浮動式基座可為浮動式平台或浮動式基礎結構。於浮動式基座上，可安裝風力渦輪機、尤其是浮動式風力渦輪機的塔架。複數浮動式風力渦輪機之每一浮動式風力渦輪機可包含各自的浮動式基座，或浮動式基座可藉由二個以上之浮動式風力渦輪機所共享。浮動式基座的運動、尤其是其空間自由度可遭受浮動式基座之一個以上的錨固元件所限制。此等錨固元件可將浮動式基座連接至海床。錨固元件可例如包含繫泊纜繩，此繫泊纜繩可固定至海床或固定至位於海床之重物。
致動系統可構造成調整浮動式基座的空間配置，例如使得空間配置滿足給定準則，例如閾值標準之類。與僅藉由作用在浮動式基座上之風負載及水負載所決定的空間配置相比，調整空間配置可意指浮動式基座之空間配置中的任何變化。調整此空間配置可包括將浮動式基座之參數、例如一個以上的自由度保持恆定。處理單元及/或控制系統可構造成控制此致動系統。浮動式風力渦輪機可以、但不必包含致動系統及/或控制系統。
浮動式風力渦輪機可包含「感測器系統」。感測器系統可至少部分地、尤其是完全地配置於浮動式風力渦輪機上。例如，風感測器可配置在風力渦輪機上，而處理單元可配置於其他位置。感測器系統可構造成向控制系統及/或致動系統提供輸出信號，基於此輸出信號可調整風力渦輪機、尤其是浮動式基座之空間配置。
「風感測器」可為構造成用於在預定的測量點處、尤其是於風感測器之位置處及/或附近測量風流的感測器。風感測器可為安裝在風轉子上、機艙上、塔架上及/或浮動式基座上。它可構造成測量風速度、風速及/或風向之至少一者，其中風速度係向量數量，且風速係表示風速度的絕對值之對應純量數量。風向可被測量為於水平面中的水平風向及/或風向可被測量為在垂直平面中之垂直風向。可相對於地理坐標系傳統地界定水平及垂直面。
風感測器可為一維風感測器，其能夠測量由三維風速度投射至給定方向上之風速。其可為能夠測量投射至二維平面上的風向及風速之二維風感測器。最後，其可為能夠測量風速度、亦即三維空間中的風速及風向之三維風感測器。
風感測器可由尤其是雷射雷達風感測器的光學風感測器、尤其是超音波風感測器之聲響風感測器、尤其是風向標及/或轉杯風速計的機械式風感測器、熱風感測器、及壓力風感測器之至少一者所組成或包含它們的至少一者。
光學風感測器可構造成藉由分析從空氣顆粒及/或懸浮在空氣中之顆粒反射的光、尤其是雷射光來測量風流。所反射之光可已藉由光學風感測器所發出。光學風感測器可構造成測量風速、尤其是在去往或來自風感測器的方向中之風速。其可構造成於不同方向中及/或在離風感測器的不同距離處、亦即於不同之測量點處測量風速。光學風感測器可為安裝至風力渦輪機的機艙、塔架、及/或浮動式基座。
聲響風感測器可構造成藉由分析用聲響風感測器所界定之一個以上的傳輸路徑上之聲波及/或聲脈衝的傳輸時間來測量風流。如果聲波及/或聲脈衝是超音波聲波及/或超音波聲脈衝，則聲風感測器係超音波風感測器。聲響風感測器可構造成在風感測器的位置處測量風速及/或風向。取決於傳輸路徑之數量，其可為一維、二維、或三維風感測器。替代地或附加地，聲響風感測器可構造成藉由分析孔腔中的共振聲波來測量風流，尤其是如果聲響風感測器係聲響共振風感測器。
機械式風感測器可構造成藉由分析用機械式風感測器之可移動部分、例如轉杯風速計的轉杯上之風流所施加的力量來測量風向及/或風速。機械式風感測器可包含轉杯風速計及/或風向標、或由轉杯風速計及/或風向標所組成。其可構造成測量投射至測量平面上之風速的二維風感測器，此測量平面可例如藉由轉杯風速計之一個以上的轉杯之配置所界定。只有風速度平行於測量平面時，其可準確地測量風速。
感測器系統的「處理單元」可界定為能夠處理輸入信號、尤其是感測器信號之任何裝置。處理單元可由能夠施行邏輯及/或算術運算的處理器所組成或包含此處理器。其可包含能接收風感測器信號之輸入及/或可提供指示空間配置的資訊之輸出。
浮動式基座相對環境的「空間配置」可意指浮動式基座相對環境之任何平移或旋轉自由度。例如，可存在有例如浮舟起伏、浮舟橫移、和浮舟縱移的三個平移自由度、及例如浮舟俯仰、浮舟側傾、及浮舟偏轉之三個旋轉自由度。浮舟起伏、浮舟橫移、及浮舟縱移可標示相互正交的方向。浮舟側傾可被界定為環繞浮舟縱移軸線之旋轉。浮舟俯仰可界定為環繞浮舟橫移軸線的旋轉。最後，浮舟偏轉可界定為環繞浮舟起伏軸線之旋轉。空間配置可意指於給定瞬間的單一狀態，或其可意指在給定時間段內之狀態中的變化，例如，浮動式基座之一個以上的自由度中之變動。
自由度可基於風力渦輪機的風轉子平面之定向、風力渦輪機的機艙之偏轉角、風力渦輪機的塔架之傾斜度、在浮動式風力渦輪機處的風向及/或於浮動式風力渦輪機處之波浪方向所界定。替代地或附加地，它們可為基於局部地理坐標系、例如基於垂直方向及/或基於水平面所界定。浮舟起伏、浮舟橫移、及浮舟縱移可為、但不必需彼此正交。這些方向可取決於風力渦輪機的實際空間配置、例如當前配置，或它們可獨立於風力渦輪機之實際空間配置而普遍地界定。
例如，浮舟縱移可為在與轉子平面正交的方向中。浮舟橫移可為與浮舟縱移正交。另外，浮舟橫移可為在水平方向中及/或正交於風力渦輪機之塔架的中心軸線。
可替代地，浮舟橫移可為在平行於轉子平面之方向中上。另外，浮舟橫移可為在水平方向中及/或正交於風力渦輪機的塔架之中心軸線。浮舟縱移可為正交於浮舟橫移。另外，浮舟縱移可為在水平方向中及/或正交於風力渦輪機的塔架之中心軸線。
除了相對轉子平面界定以外，亦可相對風平面界定浮舟橫移及浮舟縱移，此風平面正交於進來的風之風向。轉子平面及風平面可重合，但不是必需重合。
浮舟起伏可為在垂直方向中，平行於風力渦輪機的塔架之中心軸線及/或正交於浮舟橫移及浮舟縱移。
風力渦輪機的「環境」可藉由與風力渦輪機不同之任何物體來判定，尤其是在風力渦輪機附近的物體。此環境可為參考系統，其中此物體是靜態的。環境可為地球之表面、尤其是風力渦輪機配置於其上或上方的地球之表面、尤其是海床。此環境可藉由風流來判定、例如藉由風力渦輪機附近的平均風流及/或藉由不受風力渦輪機所干擾之風流。環境可藉由水流、尤其是風力渦輪機附近的平均水流來判定。
「指示浮動式基座相對於環境之空間配置」的資訊可包含上述平移自由度及/或旋轉自由度的至少一者之值或可能值的範圍。此資訊可指示自由度之至少一者的值中之改變。
此資訊可指示絕對值、尤其是至少一個旋轉自由度的絕對值。此絕對值可相對於浮動式風力渦輪機之平衡空間配置、例如沒有風負載及/或完全平靜的水中、亦即沒有波浪及水流之空間配置來界定。可相對於僅藉由風力渦輪機的結構負載所判定之浮動式風力渦輪機的平衡空間配置來界定絕對值。其可為但不是必需是空間配置，其中風力渦輪機之塔架係完全垂直的及/或轉子平面之軸線係完全水平的。
此資訊可指示在給定時刻之風力渦輪機的空間配置。替代地或附加地，其可指示空間配置隨著時間中之變化、尤其是隨著時間的周期性變化。隨著時間之此週期性變化可尤其是與影響風力渦輪機的浮動式基座之波浪型式有關。其亦可取決於風力渦輪機的結構特徵。
此資訊可僅暗示地指示浮動式基座相對環境之空間配置。例如，此資訊可明確地指示相對不同於浮動式基座的風力渦輪機之一部分、例如塔架或機艙的環境之空間配置，而此不同部分與浮動式基座之間的空間關係是已知。此空間關係可為固定，或其可允許風力渦輪機的不同部分之間、例如浮動式基座與塔架之間、塔架與機艙之間、及/或機艙與風轉子之間的某一自由度。此一自由度可例如考慮由於風負載及/或結構負載之塔架的彎曲，其可考慮風轉子相對於塔架之傾斜角，及/或其可考慮塔架相對於浮動式基座的進一步傾斜角。
上述之感測器系統、包含此感測器系統的浮動式風力渦輪機及/或操作浮動式風力渦輪機之對應方法可為有利的，因為關相浮動式風力渦輪機相對環境之空間配置的資訊對於最佳化浮動式風力渦輪機之操作係有用的。例如，致動系統及/或控制系統可依靠此資訊，以調整浮動式風力渦輪機之空間配置，使得能量產量增加及/或使得對風力渦輪機的故障及/或損壞減少或避免。
使用風感測器來判定資訊可為有利的，因為風感測器典型安裝在傳統之非浮式風力渦輪機中。因此，可不需要在浮動式風力渦輪機中安裝額外感測器來判定資訊。相同的感測器可為能使用於陸上風力渦輪機、具有固定式基礎結構之離岸風力渦輪機、及具有浮動式基礎結構或基座的離岸風力渦輪機。因此，可避免用於額外感測器之成本。而且，相對於傳統風力渦輪機而言，為了容納任何額外感測器，設計改變對於浮動式風力渦輪機可為不是必需的。
根據本發明之實施例，此資訊指示浮動式基座相對環境的旋轉、尤其是浮動式基座之浮舟俯仰、浮舟側傾、及浮舟偏轉的至少一者。旋轉自由度之判定可為尤其重要，因為浮動式基座的旋轉可導致風轉子相對進來之風向不對齊，反之這典型不是用於平移自由度的案例。再者，浮動式基座之旋轉可導致風力渦輪機的部件上之負載增加。
根據本發明的另一實施例，此資訊指示浮舟俯仰。其可為指示絕對之浮舟俯仰角，例如相對於風力渦輪機的平衡空間配置或相對於先前之空間配置的浮舟俯仰角中之相對變化。其可為指示靜態或平衡的浮舟俯仰角，其可藉由風力渦輪機本身、尤其是風力渦輪機之重心、及/或藉由風負載、尤其是在風力渦輪機處的風速來判定。其可指示能取決於在浮動式基座之水動作的變化浮舟俯仰角。
判定浮舟俯仰可為有利的，因為浮舟俯仰可與轉子平面相對於進來之風向的未對齊有關。基於指示浮舟俯仰之資訊，可減少或校正此未對齊。此資訊亦可有助於區別靜態角或平衡角與擺動角之間，其中僅調整浮動式風力渦輪機的靜態或平衡浮舟俯仰角、而不是調整浮動式風力渦輪機之擺動角可為有利的。例如，對應之致動系統可為不能足夠快地反應以調整擺動角及/或例如因為此調整可能需要比所獲得者更多的能量，其不能有效地調整擺動角。替代地，致動系統可構造成抑制浮舟俯仰角之變動。
根據本發明的另一實施例，如果感測器信號指示風感測器的風向與定向之間的垂直角及/或在安裝有風感測器之風力渦輪機的一部分之定向，則可判定指示浮舟俯仰的資訊。後者的定向例如可為風力渦輪機之塔架的中心軸線或正交於中心軸線之平面。
根據本發明的另一實施例，風感測器僅是提供感測器信號之感測器，基於此感測器信號來判定資訊。此實施例可為有利的，以便避免與額外感測器有關之任何費用。此實施例可為尤其簡單及有效。
根據本發明的另一實施例，藉由風感測器所提供之風感測器信號被使用於判定指示浮動式風力渦輪機的風轉子相對浮動式風力渦輪機之塔架及/或浮動式基座的定向之另一資訊、及/或可據以設定風力渦輪機的操作模式、尤其是否關閉風力渦輪機之另一資訊。
因此，除了判定浮動式基座相對於環境的空間配置以外，風感測器可使用於其他目的。因此，風感測器可使用於判定業已安裝在風力渦輪機中之用於這些其他目的之空間配置，其可包含傳統偏轉誤差控制、啟動及關閉極限的監控、及/或對陣風之反應，例如藉由使用雷射雷達輔助式控制。
根據本發明的另一實施例，風感測器、尤其是光學風感測器、諸如雷射雷達風感測器，係構造成在至少二個測量點處及/或於至少二個測量方向中測量風流。感測器信號可包含複數感測器信號分量，其中每一感測器信號分量可對應於測量點及/或測量方向。
此一實施例可為有利的，以改善或擴展關於浮動式基座之空間配置的資訊。例如，風感測器可為能夠僅沿著給定方向測量風速之一維風感測器。在此案例中，進一步測量可為有助於判定在其他方向中的風速。組合之測量結果例如對於判定風向可為有用的。同樣，基於模型及對應之建模假設，可由例如雷射雷達風感測器之至少二個風速測量值、及對應的感測器信號分量推導出角度、尤其是浮舟俯仰角。
再者，此一實施例可允許判定指示風流場之資訊，尤其是在風流不是恆定之案例中，而是在垂直方向中及/或橫越水平面、尤其是於風力渦輪機附近中的改變之情況下。
根據本發明的另一實施例，處理單元更構造成基於指示在至少二個測量點處之風流的風感測器信號來判定風切變(wind shear)，且處理單元基於此風切變來判定資訊。風切變可為垂直或水平之風切變。用於此實施例，光學風感測器、尤其是雷射雷達風感測器可為尤其合適的。
尤其是，如果風切變係及/或被假定為垂直風切變，則所判定之風切變可使用作指示浮動式風力渦輪機的側傾角之資訊。畢竟，如由風感測器所看到的風切變之方向將取決於側傾角而有所不同。以此方式，可判定相對於垂直方向的絕對側傾角。
根據本發明之另一實施例，此資訊指示浮舟側傾。
根據本發明的另一實施例，風感測器包含二個不同之風感測器單元，各構造成提供指示風流、尤其是在各自風感測器處的風流之各自風感測器信號。這些風感測器可安裝在風力渦輪機的不同零件上、例如一個安裝於機艙上，且一個安裝在塔架上及/或浮動式基座上。
此一實施例可允許在例如機艙相對塔架的傳統偏轉之間、及浮動式基座與環境、尤其是環境的風向之間的浮動式偏轉進行區別。如果浮動式基座不對稱且浮動式基座相對環境、尤其是相對環境之風向及/或波浪方向存在較佳的定向，則在傳統偏轉與浮動式偏轉之間進行區別可為有利的。浮動式基座之較佳定向可源自浮動式基座的結構及/或幾何特性，其可例如有助於防止浮動式俯仰角之絕對值變得太大。
根據本發明的另一實施例，此資訊指示浮舟偏轉。
根據本發明之另一實施例，風感測器信號指示風流的仰角。因此，風感測器可構造成測量風流之仰角。風流的仰角可界定為風流與藉由風力渦輪機所界定的參考方向之間的仰角。為此目的，三維超音波感測器及/或二維超音波或機械式感測器可為尤其合適的。此二維感測器可由基本上水平對齊(例如，於傳統風力渦輪機中)翻轉至沿著浮動式風力渦輪機中之垂直平面、尤其是正交於轉子平面的垂直平面對齊。對於傳統之偏轉誤差控制而言，基本水平的對齊可為有利的，而沿著垂直平面之對齊對於判定浮舟俯仰可為有利的。
根據本發明之另一實施例，此資訊指示浮動式基座相對環境的振盪動作、尤其是振盪動作之頻率及/或振幅、尤其是振盪旋轉。振盪動作可對應於動態角度分量。振盪動作可源自波浪、洋流、風、及/或控制器致動。振盪的頻率可為在1/2Hz與1/60Hz之間、尤其是於1/15Hz與1/45Hz之間、尤其是大約1/30Hz。
此振盪可為沿著一個以上的平移自由度。如果振盪係沿著平移自由度，則藉由風感測器所測量之風速可周期性地變化，而此風向可保持恆定。替代地或附加地，振盪可為環繞一個以上的旋轉自由度。如果振盪係環繞旋轉自由度，則藉由風感測器所測量之風向可周期性地變化，而風速可為保持恆定。
指示振盪動作之資訊可為有利的，以便適當地控制致動系統，例如抑制振盪。抑制振盪可有助於增加能量產量及/或防止對風力渦輪機之故障或損壞。
根據本發明的另一實施例，此資訊指示浮動式基座相對環境之偏移、尤其是旋轉偏移。此旋轉偏移可為靜態或平衡角。如果沒有來自風、水流或波浪的力量，則旋轉偏移可為基於風力渦輪機之重心。如果風力渦輪機、尤其是風力渦輪機的塔架之中心軸線係垂直的，則旋轉偏移、尤其是浮舟側傾及浮舟俯仰可界定為零。因此，旋轉偏移可指示風力渦輪機之傾斜。在沒有風或波浪的情況下，尤其是於風速為0 m/s，由於機艙之較重的機頭或前方部分，風力渦輪機可向前傾斜一點。此前傾可對應於稍微大於零的浮舟俯仰偏移。
風負載可改變風力渦輪機上、尤其是風轉子上之推力、亦即力量，導致浮舟俯仰偏移不同於上述在0 m/s處的浮舟俯仰偏移。於低風速時，浮舟俯仰偏移可為較小，但仍為正的，例如在風速3 m/s時為+0.3度。於較大風速及對應之較高風負載時，浮舟俯仰偏移可為負的，亦即風力渦輪機可向後傾斜。例如，浮舟俯仰偏移在10 m/s風速下可為-5.0度，於12 m/s風速下可為-4.0度。風力驅動之洋流可產生與風的推力相反之力量。藉由洋流所產生的此力量可隨著風速改變而增加。在非常大的風速下、尤其是在高於額定風速之風速下，可調整風轉子的葉片俯仰，以致減小風之推力。因此，在非常高的風速下，藉由洋流之力量與風的相反推力相結合可導致與於額定風時之浮舟俯仰偏移(例如，在25 m/s處介於-3.0至+0.5之間)相比較大、但典型仍為負的浮舟俯仰偏移。旋轉偏移、尤其是浮舟俯仰偏移可取決於浮動式基座之設計及/或浮動式基座對水流的敏感性。
動態角度分量可關於偏移振盪。可將此偏移界定為在振盪動作上取平均值。動態角度分量可源自風力渦輪機的結構與其環境、尤其是風、水流及波浪之間的相互作用。例如，於風速為3 m/s時，關於浮舟俯仰偏移之振盪可為+/- 0.5度，在風速為10 m/s時，關於浮舟俯仰偏移的振盪可為+/- 3.0度，於風速為12 m/s時，關於浮舟俯仰偏移之振盪可為+/- 2.5度，及/或在風速為25 m/s時，關於浮舟俯仰偏移的振盪可為+/- 1度。
指示偏移、尤其是旋轉偏移之資訊可為有利的，以便例如相對於風充分地配置風力渦輪機，使得能量產量增加。例如，如果旋轉偏移係浮舟俯仰偏移，則藉著致動系統來配置風力渦輪機可為有利的，使得浮舟俯仰偏移之絕對值為零或至少小於預定閾值、例如6度。此致動系統可構造成在強風之下使風力渦輪機保持直立。例如，在額定風下，圓柱浮標型的浮動式風力渦輪機能以大約3至6度之浮動式俯仰偏移來操作。
如果旋轉偏移係浮舟偏轉偏移，則藉著致動系統來配置風力渦輪機可為有利的，使得浮舟偏轉偏移之絕對值為零或至少小於預定閾值，例如小於或等於10度。超過預定閾值可例如在浮動式風力渦輪機的繫泊系統上具有不利之後果。
根據本發明的另一實施例，處理單元更構造成判定浮動式基座之空間配置是否滿足閾值標準。當空間配置停止滿足閾值標準時，風力渦輪機的操作模式可藉由控制系統所改變。
例如，閾值標準可指定預定角度、例如最大浮舟俯仰角或最大浮舟側傾角。如果浮動式基座之對應角度超過預定角度，則風力渦輪機可關閉。作為另一範例，閾值標準可指定預定頻率、例如浮舟俯仰及/或浮舟側傾的最大振盪頻率。如果浮動式基座動作之對應頻率超過預定頻率，則風力渦輪機可關閉。
根據本發明的另一實施例，基於風流之風向是水平的假設來判定資訊。水平之風流可包括例如5度、尤其是1度的輕微偏差。如果風力渦輪機係安裝在湖泊或海洋中之浮動式風力渦輪機，則上述假設可為合理的，於湖泊或海洋之處，可導致非水平風流的山脈或相關地理特徵典型不存在。
假設水平風流可為有利的以判定浮動式基座相對靜態環境之旋轉、尤其是相對其上方配置風力渦輪機的地球表面之一部分的旋轉。於沒有所提及之假設，僅在使用風感測器的情況下，才可能判定浮動式基座相對於風流之空間配置。
根據本發明的另一實施例，此資訊指示非水平之風流，例如，如果風力渦輪機位於多山的海岸附近。非水平風流可藉由風感測器信號之處理、例如過濾來識別。
根據本發明的另一實施例，此資訊指示相對參考方向之風向，其中參考方向係相對浮動式風力渦輪機、尤其是相對浮動式風力渦輪機的浮動式基座及/或塔架所界定。可相對風力渦輪機之塔架的中心軸線界定參考方向。其可為平行於風力渦輪機之塔架的中心軸線。參考方向可為平行於與風力渦輪機之塔架的中心軸線正交之平面。另外，當投射在上述正交平面上時，參考方向可為平行於轉子平面的正交軸線，及/或當投射在上述正交平面上時，參考方向可為平行於風向。界定參考方向對於判定風力渦輪機相對風及/或相對環境之空間配置可為有利的。
根據本發明之另一實施例，浮動式風力渦輪機包含根據上述態樣或實施例的任一者之感測器系統。
根據本發明的另一實施例，浮動式風力渦輪機包含控制系統，其可包含處理單元。此資訊指示相對參考方向之風向，其中參考方向係相對浮動式風力渦輪機、尤其是相對浮動式風力渦輪機的浮動式基座及/或塔架界定。此控制系統構造成尤其是藉著致動系統旋轉此浮動式風力渦輪機，使得此參考方向係與風向對齊。
對齊不一定是精確的，但是可允許輕微之偏差、例如5度、尤其是1度。對齊可考慮偏移及/或關於偏移的振盪、尤其是僅偏移。對齊可需要風向與參考方向之間的預定角度或角度範圍。此一實施例對於增加風力渦輪機之能量產量及/或防止或減少風力渦輪機的故障或損壞可為有利的。
已參考設備類型請求項敘述一些實施例，另一方面已參考方法類型請求項敘述其他實施例。然而，熟諳本技術領域者將由以上及以下敘述得出，除非以別的方式指出，否則有關此方法類型請求項之特徵及有關設備類型請求項的特徵之任何組合係以此文件揭示。
由下文將敘述的實施例之範例，本發明的以上界定之態樣及其他態樣將變得顯而易見，且參考實施例的範例進行解釋。
附圖中之例示係概要性的。於不同的附圖中，相似或完全相同之元件係設有相同的元件符號。為了清楚及易於理解，有時候對於在較早之圖面中業已為提供元件符號的那些特徵省略元件符號。
於參考附圖之前，將更詳細地敘述示範實施例，將基於已開發本發明的示範實施例總結一些基本考量。
可使用適用於其他/現有風力渦輪機應用之風力感測器來判定浮動式風力渦輪機的剛體旋轉，並將其用作控制及監控系統用之輸入。
浮動式風力渦輪機在水中浮動，並藉由繫泊繩索固持於適當位置中。浮動式風力渦輪機具有六個獨立的自由度，其中浮動式風力渦輪機可移動，亦即三個平移、亦即浮舟縱移、浮舟橫移及浮舟起伏，與三個旋轉，亦即浮舟側傾、浮舟俯仰及浮舟偏轉。
自由度可取決於給定之參考坐標系。在內部出於控制目的，可相對於轉子平面全局地界定它們。因此，縱移可為在正交於轉子平面之方向中，而可與塔架的前後相比，浮舟側傾係環繞縱移軸線旋轉。橫移可正交在縱移方向上，且與塔架側面相比，浮舟俯仰係環繞橫移軸線旋轉。起伏可為沿著塔架指向上方，而偏轉係環繞起伏軸線旋轉。浮舟偏轉及機艙偏轉可為重合，但亦可為有區別的。
根據較佳實施例，一方法利用風感測器、尤其是來自風感測器之風向，以判定浮動式風力渦輪機的旋轉資訊。代替額外感測器中之成本計算來明確地判定旋轉資訊，此想法是使用被使用於、或可被使用於其他/現有功能性的風感測器。因此可存在這些感測器而沒有任何額外之成本或複雜性。
測量概念係使用風感測器以判定相對參考線的風向並將其轉換為旋轉資訊值。
作為風感測器，可使用安裝於機艙上之雷射雷達。安裝在機艙上的雷射雷達通常測量風速及可能之相對風向。於一些構造中，它帶有額外的測量及衍生的功能。雷射雷達典型使用數個掃描點，且其為了耐用性可需要對多數掃描點求平均值。
雷射雷達可在更多維度中測量風向。為了估計浮舟俯仰，測量風流入角度。為了判定浮舟側傾，可測量3D中之風向，以具有可用於相對一參考測量此側傾角的資訊。浮舟偏轉角係在相對風向處測量，並涵蓋浮舟偏轉定向及機艙或傳統偏轉定向。通常，相對風向使用於將機艙偏轉進入風中。
作為風感測器，可使用安裝在機艙上之超音波感測器。安裝在機艙的超音波感測器通常可測量風速率及相對風向。超音波感測器可必需翻轉90度，以在0度浮舟俯仰處測量相對參考線或方向、例如水平線之風向。
大致上，可應用例如過濾之類的處理來補償非水平風流入。這對於在海上安裝浮動式渦輪機，可能性較小。可應用濾波來清潔信號。
當已判定浮舟旋轉時，藉由控制及監控系統即可使用它。例如，它可使用於確保控制器或控制系統減少平均浮舟俯仰角，或確保控制系統對任何振盪的浮舟俯仰角均無反應。如果浮舟俯仰角超過閾值，則監控系統可省略或關閉渦輪機。
上述方法之優點是利用現有的感測器來判定在浮動式渦輪機之控制系統中有用的資訊。作為另一優點，可利用風向資訊來判定浮舟旋轉、例如浮舟俯仰或浮舟側傾。浮舟偏轉有關偏轉控制，且儘管平台偏轉亦需要控制，但業已可經由偏轉誤差控制(亦即渦輪機機艙與風對齊)來解決。最後，完全相同之感測器可使用於陸上風力渦輪機、離岸固定基礎結構風力渦輪機、及離岸浮動式基礎結構風力渦輪機。使用類似的硬體而僅改變軟體是一個成本/複雜性優點。
圖1顯示具有感測器系統之浮動式風力渦輪機100。浮動式風力渦輪機100包含風轉子140、機艙150、塔架130、及浮動式基座120。塔架130係安裝在浮動式基座120上。浮動式基座120在海面107處或海面下方浮動於海水109中。浮動式基座120藉由二條繫泊繩索121錨固至海床108。繫泊繩索121係藉由第一繫泊繩索固定件122固定至浮動式基座120，並藉由第二繫泊繩索固定件123固定至海床108。
與傳統的非浮動式風力渦輪機相比，浮動式風力渦輪機100、尤其是浮動式風力渦輪機100的浮動式基座120具有六個額外之自由度，浮動式風力渦輪機100可在此六個額外自由度中移動。額外的自由度是三個平移自由度，亦即浮舟縱移103、浮舟橫移102、及浮舟起伏101，及三個旋轉自由度，亦即浮舟側傾106、浮舟俯仰105、及浮舟偏轉104。
浮舟起伏103係水平的且在正交於轉子平面之方向中，而浮舟側傾106視為環繞浮舟縱移軸線103的旋轉。浮舟橫移102係水平的且在正交於浮舟縱移103之方向中，而浮舟俯仰105視為環繞浮舟橫移102的旋轉。浮舟起伏101沿著塔架130指向上方，而浮舟偏轉104視為環繞浮舟起伏軸線101之旋轉。
感測器系統包含安裝在機艙150上的風感測器160。風感測器160構造成提供指示風流110之風感測器信號。感測器系統160更包含配置於機艙150中的處理單元170。處理單元170構造成接收風感測器信號，並基於風感測器信號來判定指示浮動式基座120相對浮動式風力渦輪機100之環境、例如相對海床108的空間配置之資訊。空間配置可根據所提及的六個額外自由度來敘述。
圖2顯示圖1之浮動式風力渦輪機100，其中藉由將用在機艙安裝的風感測器160所測量之風向211與參考方向213進行比較來判定浮動式風力渦輪機100的浮舟俯仰105。風向211是平行於海水109之波浪方向214，但不必需為平行於海水109之波浪方向214。參考方向213係相對於參考線212界定，參考線212係相對風力渦輪機100的塔架130界定。參考線212位於與指向風轉子140所定向之方向中的風力渦輪機100之塔架130的中心軸線正交之平面中。可替代地，參考線212可界定為與風轉子平面正交。參考方向213平行於參考線212並指向風力渦輪機100。在圖2中，參考方向213係與風向211對齊，二方向211、213係平行且指向風力渦輪機100。關於風向211及參考方向213的對齊之資訊可指示浮舟俯仰105的浮舟俯仰角α(未示出)為零度。
圖3顯示圖1之浮動式風力渦輪機100，其中藉由將用在機艙安裝的風感測器160所測量之風向211與參考方向213進行比較來判定浮動式風力渦輪機100的浮舟俯仰105。參考方向213係以與相對於圖2所敘述之相同方式來界定。在圖3中，參考方向213係與風向211未對齊，其偏離風向211達參考角度β度。如果風力渦輪機100朝向風及/或於風轉子140的方向中傾斜，則β可界定為負的。如果風力渦輪機100傾斜遠離風及/或在與風轉子140之定向相反的方向中，則β可界定為正的。根據這些界定，β在圖3中為負的、例如-15度。浮舟俯仰角α界定為正交於浮舟橫移102的水平方向315與正交於浮舟橫移102且正交於塔架130之中心軸線131的方向316之間的角度。如果風力渦輪機100傾斜朝風及/或在風轉子140之方向中，浮舟俯仰角α可界定為負的。如果風力渦輪機100遠離風及/或在與風轉子140之定向相反的方向中傾斜，則浮舟俯仰角α可界定為正的。於圖3中，α等於β。因此，關於風向211與參考方向213之間的未對齊之參考角度β的資訊指示相同量之浮舟俯仰角α。
應當注意，「包含」一詞不排除其他元件或步驟，且冠詞「一(a)」或「一(an)」的使用不排除複數個。而且，可組合針對不同實施例所敘述之元件。亦應注意，請求項中的元件符號不應解釋為限制請求項之範圍。
100:風力渦輪機 101:浮舟起伏 102:浮舟橫移 103:浮舟縱移 104:浮舟偏轉 105:浮舟俯仰 106:浮舟側傾 107:海面 108:海床 109:海水 110:風流 120:浮動式基座 121:繫泊繩索 122:第一繫泊繩索固定件 123:第二繫泊繩索固定件 130:塔架 131:中心軸線 140:風轉子 150:機艙 160:感測器系統 170:處理單元 211:風向 212:參考線 213:參考方向 214:波浪方向 315:水平方向 316:方向
圖1顯示根據本發明之示範實施例的具有感測器系統之浮動式風力渦輪機。 圖2顯示與風流對齊的圖1之浮動式風力渦輪機。 圖3顯示未與風流對齊的圖1的浮動式風力渦輪機。
100:風力渦輪機
101:浮舟起伏
102:浮舟橫移
103:浮舟縱移
104:浮舟偏轉
105:浮舟俯仰
106:浮舟側傾
120:浮動式基座
121:繫泊繩索
122:第一繫泊繩索固定件
130:塔架
131:中心軸線
140:風轉子
150:機艙
160:感測器系統
170:處理單元
211:風向
212:參考線
213:參考方向
214:波浪方向
315:水平方向
316:方向

Claims (18)

  1. 一種用於浮動式風力渦輪機(100)的感測器系統，該感測器系統包含：風感測器(160)，構造成提供指示風流(110)之風感測器信號；及處理單元(170)，構造成接收該風感測器信號，並基於該風感測器信號來判定指示該浮動式風力渦輪機(100)的浮動式基座(120)相對於該浮動式風力渦輪機(100)之環境(108)的空間配置之資訊，其中由該風感測器(160)所提供之風感測器信號係使用於判定指示該浮動式風力渦輪機(100)之風轉子(140)相對於該浮動式風力渦輪機(100)的塔架(130)及/或浮動式基座(120)之定向的進一步資訊。
  2. 如請求項1的感測器系統，其中該資訊指示該浮動式基座(120)相對於該環境(108)之旋轉。
  3. 如請求項1的感測器系統，其中該資訊指示該浮動式基座(120)相對於該環境(108)之浮舟俯仰(105)、浮舟側傾(106)、及浮舟偏轉(104)中的至少一者。
  4. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該風感測器(160)構造成在至少二測量點及/或於至少二測量方向中測量該風流(110)。
  5. 如請求項4的感測器系統，其中該處理單元(170)更構造成基於指示在該至少二測量點之風流 (110)的風感測器信號來判定風切變，且其中該處理單元(170)基於該風切變來判定該資訊。
  6. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該風感測器信號指示該風流(110)之仰角(β)。
  7. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該資訊指示該浮動式基座(120)相對於該環境(108)之振盪運動。
  8. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該資訊指示該浮動式基座(120)相對於該環境(108)之振盪運動的頻率及/或振幅。
  9. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該資訊指示該浮動式基座(120)相對於該環境(108)之振盪旋轉。
  10. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該資訊指示該浮動式基座(120)相對於該環境(108)之旋轉偏移。
  11. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該處理單元(170)更構造成判定該浮動式基座(120)之空間配置是否滿足閾值標準。
  12. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該資訊係基於該風流(110)之風向(211)為水平之假設來判定。
  13. 如請求項1至3任一項的感測器系統，其中該資訊指示相對於參考方向(213)之風向(211)，其中該參考方向(213)係相對於該浮動式風力渦輪機(100)界 定。
  14. 如請求項13的感測器系統，其中該參考方向(213)係相對於該浮動式風力渦輪機(100)的浮動式基座(120)及/或塔架(130)界定。
  15. 一種浮動式風力渦輪機(100)，其包含如請求項1至14任一項之感測器系統。
  16. 如請求項15的浮動式風力渦輪機(100)，更包含：控制系統；其中該資訊指示相對於參考方向(213)之風向(211)，其中該參考方向(213)係相對於該浮動式風力渦輪機(100)界定；其中該控制系統構造成旋轉該浮動式風力渦輪機(100)，使得該參考方向(213)係與該風向(211)對齊。
  17. 如請求項16的浮動式風力渦輪機(100)，其中該參考方向(213)係相對於該浮動式風力渦輪機(100)的浮動式基座(120)及/或塔架(130)界定。
  18. 一種操作浮動式風力渦輪機(100)的方法，包含：藉著風感測器(160)提供指示風流(110)之風感測器信號；藉著處理單元(170)接收該風感測器信號；及藉著該處理單元(170)且基於該風感測器信號來判定指示該浮動式風力渦輪機(100)的浮動式基座(120)相對於該浮動式風力渦輪機(100)之環境(108)的空間配置 之資訊，其中由該風感測器(160)所提供之風感測器信號係使用於判定指示該浮動式風力渦輪機(100)之風轉子(140)相對於該浮動式風力渦輪機(100)的塔架(130)及/或浮動式基座(120)之定向的進一步資訊。
TW110108906A 2020-03-25 2021-03-12 浮動式風力渦輪機、用於浮動式風力渦輪機的感測器系統及操作浮動式風力渦輪機的方法 TWI774269B (zh)

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