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TWI791451B - 包含浮子之浮動支撐結構及具有隨深度改變之截面的起伏板 - Google Patents

包含浮子之浮動支撐結構及具有隨深度改變之截面的起伏板 Download PDF

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TWI791451B
TWI791451B TW106124932A TW106124932A TWI791451B TW I791451 B TWI791451 B TW I791451B TW 106124932 A TW106124932 A TW 106124932A TW 106124932 A TW106124932 A TW 106124932A TW I791451 B TWI791451 B TW I791451B
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寶琳 波索尼特
納維德 薩迪
維克特 杜賓
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法商Ｉｆｐ新能源公司
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Abstract

本發明係關於一種具有一主浮子(2)及一起伏板(3)之浮動支撐結構(1)。起伏板(3)包含隨深度變化之一截面。此外，起伏板(3)具有大於主浮子(2)之水平截面Sc之一最小水平截面Sd1。

Description

包含浮子之浮動支撐結構及具有隨深度改變之截面的起伏板
本發明係關於海上浮動支撐結構領域，特定言之係關於海上風力渦輪領域。 在海上風力渦輪之情況下，浮動支撐結構在已浮現部分中支撐由葉片、轉子、機艙及緊固至浮動支架之塔架組成之風力渦輪。此等浮動支撐結構可藉由拉緊、半拉緊或懸鏈線錨固至海床。浮動支架之目標係提供風力渦輪的浮力及穩定性，以便承受施加在其上之應力並同時限制總成之運動。
許多國家目前正在開發旨在用於安裝海上多兆瓦風力渦輪之各種浮動支撐結構。取決於所考慮之場所之深度，可能有若干設計選項。儘管其等係多樣化的，湧現了若干浮動支援結構系列，其中： -SPAR (單點錨儲存器)型浮子，其特徵在於一細長幾何形狀且包含顯著壓載物，以便將整個結構之重心最大程度地降低，且因此提供穩定性(稱為品質穩定性)， -駁船式浮子係非常寬的淺拖曳支撐結構。其等穩定性係由其等寬水面區域提供(稱為外觀穩定性)。然而，此類型的支撐結構對波動非常敏感， -TLP (張力腿平台)型支撐結構，其等具有藉由提供結構穩定性之拉緊電纜停泊至海床之特定特徵， -半潛式浮子係由藉由提供剛度之臂連接之至少三個浮子組成之支撐結構。此等支撐結構通常具有一低位移及一大的水面區域慣性，因此為其等穩定性提供足夠的恢復力矩。此外，此類型的浮子對於波動的敏感不及駁船。 對於所有浮動支撐系列，主要設計準則係穩定性、由風力引起之推力之反平衡及浮動支撐運動之限制。 為確保浮動支架之穩定性及低運動，一種解決方案在於在浮動支撐結構之浮子處使用亦稱為阻尼板或裙板之一起伏板。起伏板自浮子突出以便顯著地阻尼起伏以及浮動支架之滾動及俯仰運動。 專利申請案FR-3,005,698 (WO-2014/184,454)描述了在用於海上風力渦輪之一浮動支撐結構之上下文中具有一起伏板之一浮動支架之此一實例。本專利申請案之圖4及5中描述之起伏板之主要缺點在於其等歸因於其等小的厚度及其等特定形狀(起伏板之部分之間形成之低角度)而不足夠耐用。 為克服此等缺點，本發明係關於一種具有一主浮子及一起伏板之浮動支架。起伏板包含隨深度變化之一截面，以便自一流體動力學觀點來看係有效的。此外，起伏板具有大於主浮子之水平部分之一最小水平截面，從而保證了起伏板阻力。
本發明係關於一種浮動支撐結構，其包含至少一主浮子及至少一起伏板，該起伏板之水平截面之表面面積大於該主浮子之該水平截面之表面面積，該起伏板被緊固至該主浮子。該起伏板包含具有隨深度變化之一水平截面之至少一部分，該起伏板之該水平截面之最小表面面積Sd1嚴格地大於該主浮子之該水平截面之該表面面積Sc。 根據本發明之一實施例，該起伏板之跨度在1 m與15 m之間、較佳地在3 m與10 m之間的範圍中。 有利的是，該起伏板包含至少一截頭圓錐形。 較佳地，該截頭圓錐形之錐體之頂點處之半角在15°與60°之間的範圍中。 根據本發明之一實施例，該起伏板在該主浮子周邊處之厚度大於或等於1.5 m。 根據一態樣，該起伏板包含均勻分佈在其周邊上之複數個凹口及/或突起。 有利的是，該等凹口及/或該等突起基本上為矩形。 根據一實施方案選項，該起伏板在其下部包含一葉片。 根據一特徵，該起伏板被緊固至該主浮子之基部。 根據一設計，該起伏板包含隨深度增加之一水平截面。 根據一替代方案，該起伏板包含隨深度減少之一水平截面。 替代地，該起伏板包含隨深度增加、接著隨深度減少之一水平截面。 有利的是，該起伏板係由鋼或混凝土製成。 根據本發明之一實施例，該起伏板包含一基本上圓形、六邊形或正方形水平截面。 此外，本發明係關於一種包含一風力渦輪及如前述特徵之任一者之一浮動支撐結構之海上風力渦輪。
本發明係關於一種浮動支撐結構。浮動支撐結構可用作一海上風力渦輪之一基礎，而且亦適用於諸如海上採油及海洋能源回收(熱能、波能、海流能量等)等其他領域。 浮動支撐結構可屬於SPAR型、駁船型、TLP型或半潛式(例如三浮型)浮子系列。 浮動支撐結構包含至少一主浮子及至少一起伏板。主浮子提供浮動支撐浮力。浮動支撐結構可包含彼此連接之一或多個主浮子。藉由非限制性實例，主浮子可具有一基本上細長形狀：高度(在浮動支架之正常使用條件下，沿垂直軸)可等於或大於主浮子之其他水平尺寸。主浮子可具有任何形狀，特別係一平行六面體、圓柱形、稜柱形、圓錐形、截頭形等形狀。主浮子之水平截面之表面面積係由Sc標示。應理解水平截面係當浮動支架處於一「正常」使用位置中時(例如沒有風推力)由一水平平面切割之主浮子(或起伏板)之截面。對於其中主浮子具有一圓柱形之一實施例實例，水平截面為圓形。主浮子可由鋼或混凝土製成。為提供浮力，主浮子可包含充滿空氣之一內部容積。 根據本發明，起伏板被緊固至主浮子。取決於浮動支撐結構之使用位置，起伏板相對於該板之其他尺寸具有一小厚度(當浮子處於「正常」位置中時沿垂直軸之高度)。根據本發明，起伏板具有隨深度變化之一水平截面。因此，起伏板包含隨深度變化之一厚度。此外，起伏板具有由Sd1標示之水平截面之一最小表面面積，其嚴格地大於主浮子之水平截面之表面面積Sc。因此，僅起伏板之周邊可隨深度變化，且起伏板之周邊具有一纖薄端，即厚度減小。具有一最小表面面積之此厚度變化允許具有一結構上耐用起伏板及有助於流體動力阻尼之一纖薄端。 起伏板可由混凝土或金屬(特別係鋼)製成。起伏板可包含將主浮子聯接至起伏板之增強件。當起伏板係由金屬製成時，可特別地使用此等增強件。此等增強件可垂直於該板，且具有隨深度變化之一厚度。 下文描述之各種實施例可經組合以便組合其等效果。 根據本發明之一實施例，起伏板可被緊固至主浮子之基部。此建構使得能夠簡單地設計浮動支撐結構，並同時提供浮動支架之良好阻尼。 替代地，起伏板可被緊固至主浮子之任何點。 根據一實施方案選項，浮動支撐結構包含一單個起伏板。此建構允許促進浮動支架之設計。 替代地，浮動支撐結構可包含緊固在主浮子之不同高度處之複數個起伏板以便最佳化浮動支架之阻尼。 根據一實施例，起伏板具有一水平截面，其形狀與主浮子之水平截面相同且具有更大尺寸。換言之，起伏板之水平截面可與主浮子之水平截面類似。例如，若主浮子為圓柱形，則起伏板之水平截面可為圓形。根據另一實例，若主浮子為平行六面體，則起伏板之水平截面可為矩形。根據一第三實例，若主浮子具有一個六邊形截面，則起伏板之水平截面可為六邊形。 根據一替代方案，起伏板之形狀可不同於主浮子之形狀。例如，主浮子可具有一基本上圓柱形，且起伏板具有一多邊形，例如六邊形，且反之亦然。 根據本發明之一實施例，主浮子及起伏板可相對於彼此居中。 此外，若浮動支撐結構係多浮子型，例如三浮子，則可在每一浮子(例如三個浮子)之基部處提供一起伏板。 根據本發明之一實施例，起伏板水平截面之深度變化在起伏板之整個高度內可為連續的且為線性的：接著，起伏板可具有至少一基本上截頭圓錐形。根據一替代方案，起伏板水平截面之深度變化在起伏板之整個高度內可為連續的但並非線性的，例如凹形、凸形等。替代地，該截面可在一定高度內可變，接著該截面可為恆定的。根據一設計，起伏板可具有一階梯狀變化(即，由不同尺寸之若干板之一堆疊組成)。 根據本發明之一設計，起伏板具有至少一截頭圓錐形部分，以便形成起伏板之水平截面變化。 根據本發明之一實施例，起伏板可具有隨深度增加之一水平截面。因此，在浮動支撐結構之使用位置中，起伏板在其基部具有一較大截面，且在其頂部具有一較小截面。因此，起伏板隨著深度變薄(厚度減少)。起伏板之水平截面之此增加允許產生一流體動力學形狀，有助於起伏、滾動及俯仰阻尼。此建構提供易實施之優點。 在一變型中，起伏板可具有隨深度減少之一水平截面。因此，在浮動支撐結構之使用位置中，起伏板在其頂部具有一較大截面，且具有一較小截面。因此，起伏板在其頂部變薄(厚度減少)。起伏板之水平截面之此減少允許產生一流體動力學形狀，有助於起伏、滾動及俯仰阻尼。 替代地，起伏板之形狀可由兩個截頭圓錐形容積組成，其等較大表面面積之截面在其中心處並列。兩個截頭圓錐形容積較佳地具有相同尺寸。因此，起伏板之水平截面在一第一高度(對應於起伏板之上部)內隨深度增加，接著其在一第二高度(對應於起伏板之下部)內隨深度減少。因此，起伏板在其中心處具有一較大截面，且在基部及頂部處具有一較小截面。此起伏板設計允許產生流體動力學形狀，有助於起伏、滾動及俯仰阻尼。 根據本發明之一實施例，為確保浮動支撐結構之良好阻力，起伏板之跨度範圍可在1 m與15 m之間、較佳地在3 m與10 m之間的範圍中。起伏板之跨度被理解為主浮子之周邊端與起伏板周邊端之間之最小距離。例如，若主浮子及起伏板為圓柱形，則跨度對應於主浮子與起伏板之間之半徑差。根據另一實例，若主浮子及起伏板具有一正方形截面，則該跨度對應於主浮子與起伏板之間之側差的一半。此一跨度保證了起伏板相對於主浮子之尺寸之最小尺寸，允許其增加阻力。出於結構原因，若主缸本身的半徑很大(通常12 m)，則裙板跨度限制在12 m或甚至10 m。 根據本發明之一實施例，在起伏板之周邊上，起伏板之厚度可儘可能地纖薄，較佳地低於1 m，更佳地低於0.5 m。此纖薄厚度允許有助於浮動支撐結構之阻尼。 根據一非限制性實施實例，在起伏板之根端處，起伏板或可能增強件之一厚度可大於或等於1.5 m。換言之，根據一實例，起伏板在主浮子周邊處之厚度可大於或等於1.5 m。該起伏板根端之此厚度允許保證升高板之最佳化阻力。 對於其中起伏板具有一基本上截頭圓錐形之實施例，該截頭圓錐形之錐體之頂點處之半角可在15°與60°之間的範圍中。因此，最佳化起伏板流體動力學。 根據一實施方案選項，起伏板可包含均勻分佈在其周邊上之複數個凹口及/或突起。因此，可增加起伏板之周長，其具有增加其中發生渦流脫落之面積而不增加起伏板之表面面積之效果。凹口及/或突起可具有任何形狀，特別係矩形、半圓形、正弦曲線等。透過加工平板可特別地提供凹口。 根據本發明之一實施例，起伏板可包含自起伏板之基部突出之一葉片、較佳地金屬葉片、且更佳地由鋼製成之葉片。一葉片應被理解為一材料薄片，其突起高於起伏板之整個周邊。葉片厚度可在1 cm與20 cm之間，且其可基本上為5 cm。此葉片允許以一足夠厚的起伏板來提供結構阻力且具有一非常纖薄端部以便最佳化阻尼。 根據一非限制性實施實例，對於具有12 m之一半徑之一主浮子及具有21.5 m之一最大半徑之一起伏板，葉片可具有0.5 m之一長度(介於起伏板之端部與葉片之端部之間)、5 cm之一厚度。 根據一設計，浮動支撐結構可包含永久性壓載物構件。此等永久性壓載物構件可佈置在主浮子之基部處，例如在起伏板上方。永久性壓載物允許浮動支撐結構之靜水平衡。其可由混凝土、海水或任何沉重的固體或液體物質組成。此等各種材料之質量可經分佈以便滿足靜態及動態穩定性準則，且亦降低浮動支撐結構之製造成本。 根據一特徵，浮動支撐結構可包含至少一個且較佳更多個動態壓載物沉箱，其容積可取決於浮動支撐結構之使用條件而進行壓載或卸除壓載。此等沉箱中使用之壓載物可特別為海水。此等動態壓載物沉箱可被包含在主浮子中，例如在起伏板上方，且可能在永久壓載構件上方。動態壓載物沉箱允許校正及調整浮動支撐結構之修整角度，且因此校正及調整佈置在浮動支撐結構上之系統軸。動態壓載物沉箱可被提供在主浮子內、其周邊部分中。 圖1藉由非限制性實例示意性地圖解說明根據本發明之一第一實施例之一浮動支撐結構。浮動支撐結構1包含水平截面Sc之一基本上圓柱形主浮子2。浮動支撐結構1亦包含被緊固至主浮子2之基部之一起伏板3。起伏板3具有嚴格大於主浮子水平截面之一水平截面。起伏板3具有具備一基本上截頭圓錐形之一上部：水平截面以一連續且線性方式在最小水平截面Sd1與最大水平截面Sd2之間增加。起伏板3具有一基本上圓柱形下部：其水平截面與一截面Sd2恆定。 圖2藉由非限制性實例示意性地圖解說明根據本發明之一第二實施例之一浮動支撐結構。浮動支撐結構1包含水平截面Sc之一基本上圓柱形主浮子2。浮動支撐結構1亦包含被緊固至主浮子2之基部之一起伏板3。起伏板3具有嚴格大於主浮子水平截面之一水平截面。起伏板3具有一基本上截頭圓錐形：水平截面以一連續且線性方式在最小水平截面Sd1與最大水平截面Sd2之間增加。 圖3a至3c藉由非限制性實例示意性地圖解說明用於本發明之第二實施例之三個起伏板尺寸。圖3a至3c係浮動支撐結構之半截面圖。 對於圖3a之變型，起伏板3之高度為1.50 m，主浮子2與起伏板3之周邊之間之最小距離(對於水平截面最小表面面積，在一水平平面中)為8 m，且主浮子2與起伏板3之周邊之間之最大距離(對於水平截面最大表面面積，在一水平平面中)為10 m。最大距離對應於起伏板之跨度。 對於圖3b之變型，起伏板3之高度為1.50 m，主浮子2與起伏板3之周邊之間之最小距離(對於水平截面最小表面面積，在一水平平面中)為9 m，且主浮子2與起伏板3之周邊之間之最大距離(對於水平截面最大表面面積，在一水平平面中)為10 m。最大距離對應於起伏板之跨度。 對於圖3c之變型，起伏板3之高度為1.50 m，主浮子2與起伏板3之周邊之間之最小距離(對於水平截面最小表面面積，在一水平平面中)為9.5 m，且主浮子2與起伏板3之周邊之間之最大距離(對於水平截面最大表面面積，在一水平平面中)為10 m。最大距離對應於起伏板之跨度。 圖4藉由非限制性實例示意性地圖解說明根據一第三實施例之一浮動支撐結構。圖4係一浮動支撐結構的一半之一個三維視圖。浮動支架1包含水平截面Sc之一基本上圓柱形主浮子2。浮動支架1亦包含被緊固至主浮子2之基部之一起伏板3。此圖式中未展示起伏板之厚度。起伏板3具有嚴格大於主浮子水平截面之一水平截面。起伏板3具有一基本上截頭圓錐形(未展示)：水平截面以一連續且線性方式在最小水平截面Sd1與最大水平截面Sd2 (未展示)之間增加。此外，起伏板3包含被提供在起伏板3之周邊上之複數個凹口4。凹口4被均勻分佈在此周邊上。凹口基本上具有一矩形形狀。起伏板3可包含5個至30個凹口。 圖5藉由非限制性實例示意性地圖解說明根據一第四實施例之一浮動支撐結構。圖5係一浮動支撐結構之一半截面圖。浮動支架1包含一基本上圓柱形主浮子2。浮動支撐結構1亦包含被緊固至主浮子2之基部之一起伏板3。起伏板3具有嚴格大於主浮子2之水平截面之一水平截面。起伏板3具有一基本上截頭圓錐形：水平截面以一連續且線性方式隨深度在上部最小水平截面與下部最大水平截面之間增加。此外，起伏板3包含突起在起伏板之整個周邊上方之一鋼葉片5。鋼葉片5被緊固至起伏板3之基部。 圖6藉由非限制性實例示意性地圖解說明根據一第五實施例之一浮動支撐結構。圖6係一浮動支撐結構之一截面圖。浮動支架1包含一基本上圓柱形主浮子2。浮動支撐結構1亦包含被緊固至主浮子2之基部之一起伏板3。起伏板3具有嚴格大於主浮子2之水平截面之一水平截面。起伏板3具有一基本上截頭圓錐形：水平截面以一連續且線性方式隨深度在上部最大水平截面與下部最小水平截面之間減少。 圖7藉由非限制性實例示意性地圖解說明根據一第六實施例之一浮動支撐結構。圖7係一浮動支撐結構之一截面圖。浮動支架1包含一基本上圓柱形主浮子2。浮動支撐結構1亦包含被緊固至主浮子2之基部之一起伏板3。起伏板3具有嚴格大於主浮子2之水平截面之一水平截面。起伏板3之形狀係由兩個截頭圓錐形容積組成，其較大表面面積之截面並列。兩個截頭圓錐形容積較佳地具有相同尺寸。因此，起伏板3之水平截面在一第一高度(對應於起伏板3之上部)內隨深度增加，接著其在一第二高度(對應於起伏板3之下部)內隨深度減少。 本發明亦係關於一種在一片水域(例如海)上之風力渦輪裝置。該裝置包含一垂直軸或水平軸風力渦輪及根據上述變型組合之任一者之一浮動支撐結構。例如，一水平軸風力渦輪係由葉片、轉子、機艙及被緊固至浮動支撐結構之塔架製成。浮動支架可藉由拉緊、半拉緊或懸鏈線固定至海床。浮動支撐結構之目標係提供風力渦輪之浮力及穩定性，以便承受施加在其上之應力並抵消由風力引起之推力並同時限制總成之運動。
1‧‧‧浮動支撐結構/浮動支架 2‧‧‧主浮子 3‧‧‧起伏板 4‧‧‧凹口 5‧‧‧葉片 Sc‧‧‧水平截面 Sd1‧‧‧最小水平截面 Sd2‧‧‧最大水平截面Sd2
在參考隨附圖式閱讀藉由非限制性實例給定之實施例之以下描述之後，根據本發明之裝置之其他特徵及優點將係顯而易見的，其中： -圖1圖解說明根據本發明之一第一實施例之一浮動支撐結構， -圖2圖解說明根據本發明之一第二實施例之一浮動支撐結構， -圖3a至3c圖解說明根據本發明第二實施例之三個起伏板尺寸實例， -圖4圖解說明根據本發明之一第三實施例之一浮動支撐結構， -圖5圖解說明根據本發明之一第四實施例之一浮動支撐結構， -圖6圖解說明根據本發明之一第五實施例之一浮動支撐結構，及 -圖7圖解說明根據本發明之一第六實施例之一浮動支撐結構。
1‧‧‧浮動支撐結構
2‧‧‧主浮子
3‧‧‧起伏板
Sc‧‧‧水平截面
Sd1‧‧‧最小水平截面
Sd2‧‧‧最大水平截面Sd2

Claims (13)

  1. 一種海上風力渦輪，其包含一風力渦輪及一浮動支撐結構(1)，其中該浮動支撐結構(1)包含至少一主浮子(2)及至少一起伏板(3)，該起伏板之水平截面之表面面積大於該主浮子(2)之該水平截面之表面面積Sc，該起伏板(3)被緊固至該主浮子(2)，其特徵在於該起伏板(3)包含具有隨深度變化之一水平截面之至少一部分，該起伏板(3)之該水平截面之最小表面面積Sd1嚴格地大於該主浮子(2)之該水平截面之該表面面積Sc，且該起伏板(3)包含均勻分佈在其周邊上之複數個凹口(4)及/或突起。
  2. 如請求項1之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)之跨度在1m與15m之間、較佳地在3m與10m之間的範圍中。
  3. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)包含至少一截頭圓錐形。
  4. 如請求項3之海上風力渦輪，其中該截頭圓錐形之錐體之頂點處之半角在15°與60°之間的範圍中。
  5. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)在主浮子(2)之周邊處之厚度大於或等於1.5m。
  6. 如請求項5之海上風力渦輪，其中該等凹口(4)及/或該等突起基本上 為矩形。
  7. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)在其下部包含一葉片(5)。
  8. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)被緊固至該主浮子(2)之基部。
  9. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)包含隨深度增加之一水平截面。
  10. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)包含隨深度減小之一水平截面。
  11. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)包含隨深度先增加接著再減小之一水平截面。
  12. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)係由鋼或混凝土製成。
  13. 如請求項1或2之海上風力渦輪，其中該起伏板(3)包含一基本上圓形、六邊形或正方形水平截面。
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