离岸垂直轴风力涡轮机及相关联系统及方法

专利名称：离岸垂直轴风力涡轮机及相关联系统及方法
离岸垂直轴风力涡轮机及相关联系统及方法相关申请案交叉参考本申请案请求对在2007年9月13日提出申请的美国临时申请案第60/972，099 号及在2008年1月7日提出申请的美国临时申请案第61/019，117号的优先权，所述两个 临时申请案以引用方式并入本文中。
背景技术：
风力涡轮机将风能转换成电。风力涡轮机的两个主要类型包括水平轴风力涡轮 机及垂直轴风力涡轮机。水平轴风力涡轮机的两个主要类型包括逆风水平轴风力涡轮机 (HAWT)(其在塔逆风时使叶片旋转)且包括顺风水平轴风力涡轮机(HADT)(其在塔顺风时 使叶片旋转)。垂直轴风力涡轮机的两个主要类型包括在不具有升力产生表面的情况下使 叶片旋转的一个类型且包括在具有升力产生翼面的情况下使叶片旋转的戴瑞斯型(VAWT)。不具有拉缆的逆风水平轴风力涡轮机(HAWT) 10显示于图IA中，且具有弯曲叶片 且不具有拉缆的戴瑞斯型垂直轴风力涡轮机(VAWT) 20显示于图IB中。戴瑞斯型垂直轴 风力涡轮机20可具有如图IB中所示的弯曲叶片，或可具有如GeorgeDarrieus (乔治戴瑞 斯)1929年的原始专利中所陈述的直叶片。HAffT 10具有转子12及叶片14，其中提升表面安装在水平轴上且在塔16顶上逆 风引导。属于叶片14的风能使转子12旋转，且耦合到转子12的齿轮箱及其它组件(未显 示)将所述旋转传递到将所述旋转转换成电能的发电机(未显示)。为高效，必须相对于风 的方向引导叶片12。因此，HAffT 10通常具有偏航机构(未显示)以允许叶片14绕塔16旋转。由于叶片14在塔16的逆风面，因此其必须由刚性强硬材料制成，以使得其不会 因风而向后弯曲及撞击塔16。由于需要较多刚性材料，叶片14制造起来较昂贵且是沉重 的。另外，塔的偏航机构必须强硬，以使得其可确定风方向的方向且将叶片14定向为风的 方向。最后，塔16也必须强硬，以使得其可支撑沉重的转子、齿轮箱、发电机及塔16顶部的 其它装备。因此，塔16需要更多材料，建造起来更昂贵且是沉重的。总的来说，如图IA中所示的HAWT 10是“刚性”风力涡轮机，需要更多材料，是沉 重的且具有高重心。另外，其需要经定向以面向风，且需要坚固基础或平台。因此，建造用 以支撑沉重、具有高重心且需要非常稳定的平台的HAWT 10的漂浮平台是非常昂贵的。相比来说，如图IB中所示的VAWT 20具有从地面垂直蔓延的转子22且具有在所 述转子的端处连接的弯曲叶片24。此垂直转子22位于轴承及齿轮箱组件26上且驱动发电 机28。不像HAWT 10, VAffT 20是全方向的且不需要定向到风中。另外，VAWT20具有低重 心，其中其沉重组件(例如，齿轮箱、发电机、制动与控制系统)接近地面定位。因此，VAffT 20不像HAWT的塔(16 ；图1A)那样需要刚性转子22来支撑这些组件。现有技术中VAWT的 实例可在网站www. ecopowerusa. com中找至丨J。HAffT 10已广泛地用于全世界的以地面为基础的风场中。HAWT也已用于欧洲的离 岸风场中。在图2A中，举例来说，第一类型的离岸HAWT 30A具有常规组件转子12及叶片
514，所述组件水平支撑于垂直塔16上。这些常规组件搁放在牢固地附加到海底40的固定 支撑物32上。图2A中所图解说明的离岸HAWT 30A的实例可在2007年2月公开的美国专 利申请公开案2007/0040388及2003年1月16日公开的PCT公开申请案W0/03/004870中 找到。在图2B中，另一类型的离岸HAWT 30B也具有常规组件转子12、叶片14及塔16， 但这些组件搁放在通过缆线36牢固地附加到海底40的漂浮支撑物34上。图2B中所图解 说明的HAWT 30B的实例可在2005年3月10日公开的PCT申请公开案2005/021961中找 到。由于这些现有技术公开案大体揭示许多关于风力涡轮机的设计及操作的众所周知的实 施方案细节，所有所述细节的全部内容以引用方式并入本文中。


图IA显示根据现有技术的基于陆地的逆风水平轴风力涡轮机。图IB显示根据现有技术的基于陆地的垂直轴风力涡轮机。图2A显示根据现有技术的具有固定的离岸支撑物的逆风水平轴风力涡轮机。图2B显示根据现有技术的具有漂浮的离岸支撑物的逆风水平轴风力涡轮机。图3A到3B显示用于较深水域的具有垂直轴风力涡轮机且具有配重的离岸风力涡 轮机的第一实施例的侧视图及俯视图。图4A到4B显示用于较浅水域的离岸风力涡轮机的第二实施例的上透视图及下透 视图。图5A到5B显示漂浮驳船的臂的端的俯视图及截面图，所述臂具有用于通过绞盘 (未显示)升起或降下锚的滑轮系统。图6A到6B显示离岸风力涡轮机的第三实施例的上透视图及下透视图。图7A显示具有可浸没漂浮平台的离岸风力涡轮机的第四实施例的透视图。图7B显示图7A的离岸风力涡轮机，其中以替代形式将拉缆附接到VAWT。图7C显示图7A的可浸没漂浮平台上的水平轴风力涡轮机。图7D显示图7A的可浸没漂浮平台的顺风水平轴风力涡轮机。图8A到8C显示用以在海滩上组装图7A的所揭示离岸风力涡轮机且将其部署到 海中的步骤。图9A到9B显示具有可延伸趾部的离岸风力涡轮机的第五实施例的侧视图及俯视 图。图10显示具有斜倚转子及叶片的离岸风力涡轮机的第六实施例的侧视图。图11是显示与所揭示的离岸风力涡轮机一同使用的模块化漂浮平台的俯视图。图12显示图11的模块化漂浮平台的漂浮元件的截面图。图13A到13C显示用以组装具有便携式锚的所揭示漂浮风力涡轮机的步骤。图14A到14D显示图4A到4B的锚定系统根据不同的海平面进行调整。图15A到15C显示用于所揭示离岸风力涡轮机的各种被动可调整锚定系统。图16A到16B显示用于所揭示离岸风力涡轮机的主动可调整锚定系统。图17A到17B显示具有多个离岸风力涡轮机在离岸位置处互连在一起且连接到基 于陆地的站的布置的风场矩阵。
图18显示具有多个离岸风力涡轮机在离岸位置处互连在一起且连接到脱盐系统 的布置的风场矩阵。
具体实施例方式本文中所揭示的离岸风力涡轮机的实例优选地包含安装在平台上的垂直轴风力 涡轮机(VAWT)。所述VAWT可以是存在或不存在拉缆的戴瑞斯型且可安装在漂浮或固定平 台上。所述VAWT具有垂直转子及发电机，所述转子具有耦合到齿轮箱的弯曲叶片或直叶 片。或者，所述VAWT可具有不具有齿轮箱的直驱式发电机。所述垂直转子可固定地从所述 漂浮或非漂浮平台延伸或可手动地或自动地向下倾斜以搁放在所述平台上。所述平台优 选地具有浮力，以使得其可漂浮到所需离岸目的地且被拖曳回海滩服务区以进行修理及维 护。对于较深水域，平台可以是可半浸没的驳船，其中VAWT从水中延伸出且其中平衡 块在所述平台下方延伸以平衡撞击风力涡轮机的风力。对于将不适应平衡块的垂直距离的 较浅水域，所述平台可像驳船那样漂浮在水面上。优选地，所述驳船是沉重的且由低成本钢 筋混凝土构造。为使材料的使用降到最低，所述驳船优选地不是矩形或圆形形状而是具有 十字形或星形，其具有三个或三个以上臂。举例来说，所述驳船优选地构造有延伸的水平拉 杆以紧固拉缆，以平衡撞击风力涡轮机的风力，且保持所述平台稳定。另外，为延伸其水平 拉杆，其臂中的每一者可具有水平延伸件，其中浮罐在其端处以增加稳定性。对于靠近海岸的甚至更浅水域，漂浮平台上的VAWT可用沉重但成本低的材料(例 如，钢筋混凝土)建造，且可在海滩上建造并组装，推到海中且拖曳到现场。通过用水填充 其浮罐，可将所述漂浮平台降到水中，以直接搁放到海床、湖床或河床上。以此方式，所述平 台在正常操作期间可充当用于VAWT的固定平台或基础，而所述VAWT的垂直转子及叶片在 水面上方延伸。可通过将水从所述浮罐中抽出来使所述平台重新漂浮，以便可将所述VAWT 及平台拖曳回海滩以进行修理及维护。使所述平台重新漂浮且对其进行拖曳以进行修理的 能力与在海上执行这些活动相比可极大降低组装、安装、修理及维护的成本。可使用各种锚定系统来锚定既定漂浮在水面上或其附近的平台，包括经常用于离 岸工业中的悬链锚定系统及张力支腿锚定系统，其用于锚定石油及天然气钻井与生产漂浮 平台。这些锚定系统中的一些锚定系统可具有将平台锚定到海床但允许漂浮的风力涡轮机 根据因潮汐变化或暴风浪涌而导致的海平面的改变被动地进行调整的镇重及滑轮。在一些 实施例中，所述锚定系统不牢固地将所述平台附加到海床，而是仅仅搁放在海床上，此便于 安装及移除VAWT。A.用于较深水域的具有配重的漂浮风力涡轮机的第一实施例图3A到3B中所图解说明的离岸风力涡轮机100的第一实施例具有戴瑞斯型垂直 轴风力涡轮机(VAWT) 50，但可使用其它类型。VAWT 50具有垂直转子52、多个弯曲叶片54、 齿轮箱56、发电机58及内部电组件(未显示)，其中每一者实质上可与和此项技术中已知 的基于陆地的VAWT —同使用的那些组件相同。离岸风力涡轮机100具有在水中支撑VAWT 50的漂浮平台110。一般来说，安装在 漂浮平台110上的VAWT 50可以是悬臂式系统或可通过拉缆拉升起来。如图所示，漂浮平 台110可浸没到水面下方，以使得在正常操作条件下，平台110可将VAWT的叶片52固持在水平面上方以捕捉风。 具有配重114的中央柱112在平台110下方延伸以平衡涡轮机100且保持转子52 在水外相对垂直定向。此配重114平衡具有高度H的风力涡轮机100上的往往使风力涡轮 机100倾斜的风力F的力矩。为使风造成的倾斜降到最低，具有高度W且在平台110下方 延伸长度L的配重114应以WxL至少大于FxH的方式设计。平台110可具有中空或实体构造且可使用各种材料构造。举例来说，平台110可 以是由合成物、玻璃纤维、金属、混凝土或其它材料制成的壳体且可填充有空气或压舱材 料。一般来说，漂浮平台110可以是驳船或可半浸没且可具有延伸的水平拉杆以增加其稳 定性。为使材料的使用降到最低，举例来说，平台110可并非矩形或圆柱形形状，而是可具 有扩展的水平距离以增加其稳定性。以此方式，平台110可具有十字形或星形，其具有3个 或3个以上臂以在水中提供支撑。尽管可用于各种深度的水域中，但此离岸风力涡轮机100适合用于具有大于(举 例来说)30米的深度的较深离岸水域中。当被部署时，涡轮机的平台110可使用此项技术中 已知的任何数目的可用锚定系统锚定到海床40。举例来说，所述锚定系统可以是悬链锚定 系统或张力支腿锚定系统，其用于用于石油及天然气钻井与生产的漂浮平台。如图所示，多 个缆线116及扣件或系留锚117根据拉紧支腿系留布置将平台110直接附加到海床40，但 可使用悬链或其它系留布置。一般来说，缆线116可以是链、钢丝绳、合成纤维绳等，且扣件 或系留锚117可以是嵌入式拖锚、桩、吸力锚或此项技术中已知的任何其它类型的系留锚。 漂浮平台110在三个或三个以上点处锚定到海床的三个或三个以上点处以防止其旋转。本 文稍后揭示可与本发明的实施例一同使用的不同锚定系统的细节。离岸风力涡轮机100不会遭受与此项技术中已知的离岸HAWT相关联问题中的一 些问题。如先前所论述，离岸HAWT必须相对于风向定向且必须牢固地构造及稳定以将转 子、叶片及塔支撑在水平面上方。相比来说，VAWT 50的叶片54不需要朝向风的方向定向， 且VAWT的转子52及叶片54可主要由合成物或其它轻量抗腐蚀材料构造。另外，转子52 及叶片54可以低轮廓在水上方建造，以使得离岸风力涡轮机100可具有较低的重心，不像 必须将沉重的转子、叶片、齿轮箱、发电机及塔高高地支撑在水上方的离岸HAWT。在(举例 来说)50米的高度处，海上的风可显著大于陆地上的风，因此离岸风力涡轮机100上的VAWT 50可具有比其基于陆地的对等物大的能量输出。总而言之，离岸风力涡轮机100的低重心、 全方向及轻量构造使得其易于通过低成本漂浮平台稳定并支撑在水中。B.具有带有三个或三个以上延伸臂及便携式锚的平台的漂浮风力涡轮机的第二 实施例离岸风力涡轮机200的第二实施例图解说明于图4A到4B中。如图4A中所示且 类似于先前实施例，离岸风力涡轮机200具有VAWT 50, VAffT 50具有转子52、弯曲提升叶片 或直提升叶片54、齿轮箱(未显示)、发电机(未显示)或没有齿轮箱的直驱式发电机及其 它常规组件。然而，在此实施例中，转子52及叶片54从安装在漂浮平台或驳船220的表面 上的台210延伸。此平台220可由沉重但成本低的材料制成，例如钢筋混凝土，以增强其在 水上方的稳定性。另外，平台220可具有延伸的水平拉杆，其具有三个或三个以上延伸臂， 以进一步增加其稳定性以及用作供拉缆紧固到的平台。(台210可装纳齿轮箱、发电机或没 有齿轮箱的直驱式发电机及其它常规组件)。拉缆216从平台220延伸到转子52的顶部以
8使所述组合件稳定。通过使用这些拉缆216，转子52及叶片54可由轻量材料制成且可靠近 平台220安装，从而给予离岸风力涡轮机200低轮廓及低重心。平台220既定在正常操作期间漂浮在水面上，且离岸风力涡轮机200可部署在 (举例来说)约15到200米的离岸区域中。一般来说，平台220具有多个臂222，其绕转子 52对称地布置，且在此实施方案中具有三个臂222，但可使用任何数目的臂。臂222给予平 台220相对大的扩展性，同时减少构造平台220所需要的材料量(举例来说，与平台220经 构造而具有正方形或圆形占地面积的情况相比)。优选地，平台220的扩展性是VAWT 50的 高度的至少1. 5倍。不仅平台220具有大的扩展性，而且平台220还优选地具有比其所支撑的VAWT50 大的高度。举例来说，平台220与VAWT 50之间的高度比可以是至少50比1。在一个实施 方案中，平台220可重1000公吨，而VAWT 50可重20公吨。优选地，漂浮平台220由层压 或钢筋混凝土构成且可使用用于制作离岸石油及天然气工业或类似物中的漂浮平台的常 规技术构造。以此方式构造，平台220可具有内部容纳空气、发泡聚苯乙烯或其它压舱媒介 的混凝土壳体，且所述壳体可含有多个内室或分区。以以上方式构造，平台220可以是由低成本材料(例如，钢筋混凝土)制成的具有 浮罐的沉重漂浮表面驳船。漂浮表面驳船220优选地使其浮力中心在其重心上方高距离D， 以使得驳船220可在高波浪中稳定。为使在其最大直径处具有高度H的VAWT50因风力F 的倾斜降到最低，驳船220的重量W优选地足够沉重，以使得WxD远远大于FxH。另外，漂浮 驳船220可具有延伸的水平拉杆以增加其稳定性以及提供用于如图4A中所示紧固VAWT 50 的拉缆216的基础。为使所需要的材料降到最低，低成本驳船220可以是十字形或星形，其 具有3个或3个以上臂，如图4A中所示。沉重的低成本漂浮驳船220也可用于通过或不通 过拉缆支撑HADT或HAWT (未显示)。平台的臂222的每一端包括一对滑轮系统250，且多个锚定缆线230穿过所述平台 的臂222的端中的开口 224且穿过这些滑轮系统250。如图4B中所示，当被部署时，这些锚 定缆线230的第一端连接到支撑在平台220及水面下方的水下镇重240。此镇重240可由 钢筋混凝土构成且可重约300到500吨。当被部署时，锚定缆线230的相对端连接到搁放 在海床上的便携式锚270。这些滑轮系统250及缆线230的双重布置用于平台的臂222中 的每一者上，以用于冗余目的，但其它实施方案可在每一臂222上使用单滑轮系统250。如图所示，锚270可具有反映平台200的三个臂的三角形形状，但此可不为严格地 必要。特定来说，锚270具有三个支脚272，其通过横梁276彼此互连。支脚272在顶部具 有连接器273以用于耦合到锚缆线230且在底表面上具有楔子274以用于在水下定位时啮 合海床。这些支脚272可具有空腔280，从而允许锚270在被拖曳时漂浮。尽管可使用数种 技术在离岸处部署平台220、镇重240及锚270 (如下文更详细揭示)，但一旦被部署，锚270 及镇重240的操作允许平台220相对于海床向上及向下移动，也如稍后更详细论述。此能 力准许平台220根据因潮汐或暴风浪涌所导致的海平面的改变被动地进行调整。C.用于平台的滑轮系统图5A到5B显示漂浮平台的臂222的端的相应俯视图及截面图，从而进一步显露 滑轮系统250的细节。这些滑轮系统250中的每一者具有邻近用于缆线230的开口 224安 装在平台220上的第一滑轮252。来自浸没的镇重(240 ；图4B)，缆线230穿过开口 224且越过此第一滑轮252，到达引导漏斗254。漏斗254将缆线230引导到第二滑轮258，且缆线 230越过此第二滑轮258，在下方到达海床上的浸没锚(270 ；图4B)。此第二滑轮258安装 在可旋转地连接到引导漏斗254的头256，以使得第二滑轮258可相对于引导漏斗254枢轴 旋转。以此方式，缆线230可在第二滑轮258在平台220在水中的任何倾斜期间旋转时保 持在滑轮252/258上。平台220的部分的构造还显示于图5B中。特定来说，如图所示的平台220具有由 层压或钢筋混凝土构成的外壳体221且具有内室223。滑轮系统250支撑在从此壳体221 延伸的趾部上。所述壳体的内室223可填充有空气、发泡聚苯乙烯或任何合适的压舱媒介 且其中可具有经划分的室或其它分区。D.具有四个臂、镇重及锚的漂浮风力涡轮机的第三实施例图6A到6B中所示的离岸风力涡轮机300的第三实施例类似于图4A到4B的离岸 风力涡轮机200，因此相同参考编号用于类似组件。此外，此离岸风力涡轮机300可适合部 署在具有约IOm到50m的深度的水中且可以与图4A到4B的离岸风力涡轮机200类似的方 式部署。在离岸风力涡轮机300的此实施例中，平台220具有四个臂222而不是三个臂。具 有每一者带有双拉缆的四个臂222，涡轮机300可更好地能够处置险恶天气，例如飓风或台 风。如图6B中所示，与此离岸风力涡轮机300 —同使用的便携式锚270优选地具有通过各 种横梁276以正方形图形互连的四个支脚272，以反映平台220的形状。这些支脚272也可 具有空腔280，从而允许锚270在被拖曳时漂浮。E.用于近海岸的浅水域的漂浮风力涡轮机的第四实施例图7A中所图解说明的离岸风力涡轮机400的第四实施例适合部署在可存在于海 岸线附近且深度最高达15米的浅水域中。此外，此离岸风力涡轮机400具有VAWT 50, VAffT 50具有转子52、弯曲叶片54及其它常规组件。转子52安装在可装纳所述常规组件中的一 些组件的短台410上，且拉缆216使转子52稳定到所述平台。短台410又搁放在可浸没漂浮平台420上，漂浮平台420既定搁放在近海岸的较 浅水域中的海床上。此平台420具有支撑台410及VAWT 50的中央部件430且具有通过横 梁422与中央部件430互连的多个趾部440。平台420优选地由钢筋混凝土构成且具有远 远大于相对轻量的VAWT 50的重量。所述平台的趾部440在其底部上具有用于啮合海床的 楔子442且在其顶部上具有用于连接到拉缆216的倾斜台444。尽管图7A中显示拉缆216从所述平台的趾部440延伸，但从VAWT的转子52延伸 的拉缆216可如图7B中所示使用管锚460或类似物连接到海床。当风力涡轮机400被部 署时，临时支架及支撑杆优选地用于将转子52支撑到平台420，因为拉缆216将还未安装。 一旦所述平台浸没到海床，可移除所述临时支架及支撑杆，且可安装拉缆216及管锚460以 支撑转子52。当在海床上彼此临近地部署两个此类风力涡轮机400时，邻近平台420上的 邻近VAWT 50可共享一个或一个以上管锚460以支撑其转子52。尽管显示为具有VAWT 50，但风力涡轮机400可替代地如图7C中所示具有水平轴 风力涡轮机(HAWT) 40，或安装在平台420上的顺风水平轴风力涡轮机(HADT) 45。HADT 40 及HAWT 45两者可具有转子42、叶片44及塔46且可通过或不通过拉缆(未显示)支撑在 漂浮平台420上。如果使用拉缆，那么其可将塔46连接到平台420或连接到海床。如图8A到8B中所示，离岸风力涡轮机400可在海岸线42附近的海滩上分阶段构造。在阶段A、B及C中，举例来说，组装者在沿轨道、滚轮或类似物46朝向海岸线42推组 合件时构造可浸没平台420、塔410、转子52及叶片54。如阶段D，将涡轮机400推到水中 且使其漂浮到其浅位置。最后，在阶段E处，可使可浸没平台420下沉到水中以搁放在海床 40上，以使得转子52及叶片54可从水中延伸以捕捉风。在阶段D中为使可浸没平台420漂浮在水上，可将临时漂浮装置(未显示)(例如， 浮体及缆线)耦合到可浸没平台420，以使其漂浮到近海岸的所需位置，然后在此位置处可 将可浸没平台420降到海床40。或者，可浸没平台420内部可包括允许其漂浮的空腔。如图7A中所示，举例来说，每一趾部440及中央部件430可界定空腔450。这些空 腔450可以是具有一个或一个以上阀452的排成一行的罐。无论如何，填充有空气的这些 内部空腔450允许离岸风力涡轮机400漂浮在水上，以使得其可被拖曳到海岸附近的地点 及从海岸附近的地点拖曳。然而，当空腔450填充有水时，离岸风力涡轮机400在所述浅水 域中下沉，且趾部440上的楔子442啮合海床，而转子52及叶片54从水垂直延伸，如图8A 到8B的阶段E中所最终显示。如图8C中所示，风力涡轮机400A可部署在海床40的相对平坦区域上，以使得平 台420A可水平搁放且转子52从水垂直延伸。由于海床40在所需位置中可能不完全平坦 及水平，因此可针对其将使用的特定位置修改离岸风力涡轮机，以使得转子52将垂直从水 面垂直延伸。如风力涡轮机400B所示，举例来说，可浸没平台420B可经构造而使其趾部 440B中的一者或一者以上经偏斜而与其它趾部不在平面中，以使得可浸没平台420B可以 预定定向安装在不平海床40上，以使得转子52可垂直延伸。如图8C中的风力涡轮机400C所示，操作者可使用对所需位置中的海床40的测量 且可以指定角度的倾斜构造转子52及/或台410，以使得转子52在可浸没平台420B搁放 在不平海床40上时将从水面垂直延伸。或者，如果离岸风力涡轮机400部署在不及理想水 平及平坦度的不平海床上，转子52与台410或台410与可浸没平台420C之间的连接可通 过铰链机构或类似物(未显示)调整，以便可校正(倾斜)转子52以使其垂直延伸。尽管结合VAWT 50图解说明离岸风力涡轮机400，但其更严格的构造及使用非漂 浮可浸没平台420也允许此设计被修改以包括水平轴风力涡轮机(例如，HAffT)。然而，出 于简明的目的，未显示图7及图8A到8C的涡轮机400中使用HAWT。F.具有可延伸趾部及其它特征的第五实施例离岸风力涡轮机500的第五实施例图解说明于图9A到9B中。就像先前实施例， 离岸风力涡轮机500具有VAWT 50, VAffT 50具有转子52、弯曲叶片54、齿轮箱(未显示)、 发电机(未显示)及其它常规组件。离岸风力涡轮机500还具有漂浮平台520，漂浮平台 520具有既定在正常操作期间漂浮在表面上的四个臂522以将转子52垂直支撑在水上方。 如图所示，短塔510将转子52支撑在平台520上，且多个拉缆516将转子52的远端连接到 平台520的边缘，以给转子52提供额外稳定性。对于额外稳定性，臂522的端上的可延伸趾部524可带有漂浮元件526以进一步 增加平台在水面上的扩展性且进一步增加平台的稳定性及浮力。这些趾部524及漂浮元 件526可在离岸风力涡轮机500已被移动到所需离岸位置且准备进行操作之后使用电机延 伸。G.具有可斜倚VAWT的漂浮风力涡轮机的第六实施例
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本发明的离岸风力涡轮机(例如，100、200、300、400及500)可具有牢固地支撑在 涡轮机的平台上以总是从所述平台垂直延伸的VAWT 50。或者，VAWT 50可经设计以斜倚在 所述平台上，此可在拖曳离岸风力涡轮机时有所帮助或在大风条件期间保护VAWT 50。举例来说，图10显示离岸风力涡轮机600，其具有能够斜倚在涡轮机的平台620上 及在平台620上升起的VAWT 50。塔或台610的一个边缘处的铰链式耦合612及相对边缘 处的可释放耦合614将VAWT 50耦合到平台620。当运输离岸风力涡轮机600时或当强风 发生时，塔610可在耦合614处解耦且绕铰链式耦合612枢轴旋转(倾斜)以使VAWT的转 子52及叶片54斜倚在平台620上。类似地，升起VAWT的转子52及叶片54涉及使转子52 绕铰链式耦合612枢轴旋转(倾斜)且使塔610在耦合614处重新耦合以在平台620上将 转子52固定在其垂直位置中。使VAWT 50斜倚在平台620上的及在平台620上升起VAWT 50可手动进行或可远 程且自动地执行。举例来说，平台620上的临时或永久性绞盘628可在接近的暴风之前使 VAffT 50斜倚。操作者可将此类临时绞盘628安装在平台620上，降下VAWT 50，且将临时 绞盘628移动到另一离岸风力涡轮机。或者，来自海岸或附近船只的远程传输可致动可释 放耦合614且可操作永久性地安装在平台620上(或可延伸趾部上)的绞盘628。在任一情况下，当被操作时，绞盘628使用拉缆616使转子52在铰链式耦合612 上枢轴旋转以升起或降下VAWT 50。举例来说，可通过借助受远程控制的绞盘628调整两 个相对组双拉缆616来降下VAWT 50，以使其平坦地躺在漂浮平台620上，而其它两组相对 双拉缆(未显示)保持拉紧。以此方式，如果暴风在离岸风力涡轮机600的区域中发生，那 么操作者可远程使VAWT 50斜倚，以防止破坏且使强风及波浪对VAWT 50的影响降到最低。 在强风过去之后，操作者则可升起VAWT 50。所使用的绞盘628可直接安装在平台620上或 可安装在从平台620延伸的延伸部624上。H.模块化平台构造如先前所论述，本文中所揭示的与离岸风力涡轮机(例如，100、200、300、400及 500)的各种实施例一同使用的平台可由任何合适材料构成，例如层压或钢筋混凝土，且可 构成为填充有空气或压舱材料的壳体。另外，所揭示平台(例如，图4A及6A的平台220) 可构造为一个单元或单件。或者，所揭示平台可具有模块化构造。如图11中所示，举例来说，以模块化方式构造的平台720具有以所需布置附接在 一起的多个互连漂浮元件730，其在此实例中是三臂形状。图中显示中央漂浮元件740在所 述三个臂的中心以用于支撑VAWT(未显示)。平台720的使用漂浮元件730的模块化构造 使得平台720的制造及组装便宜且相对容易。这些漂浮元件730可由任何合适材料构成且 可具有如本文中所揭示的中空或实体构造。在图12中，举例来说，漂浮元件730具有填充 有核心734的混凝土壳体732，所述核心由发泡聚苯乙烯或其它压舱材料构成。这些经填充 壳体732可使用如图所示的那样在内部安装或施加到其表面上的连接器736 (例如，螺栓、 缆线、杆等)端对端及侧对侧地闩锁、绑缚或以其它方式紧固在一起。I.漂浮风力涡轮机的部署及组装先前已参照图8A到8C论述了用于组装及部署图7A的浅水域离岸风力涡轮机400 的细节。图4A到4B及图6A到6B的具有平台220及锚270的VAWT 200及300需要不同 的组装及部署步骤_其中一些步骤显示于图13A到13C中。在这些实例性步骤中，正组装的离岸风力涡轮机是图4A到4B的三臂式离岸风力涡轮机200，但相同步骤可适用于图6A 到6B的四臂式离岸风力涡轮机400。如图13B中所示，涡轮机200的组装可直接在海滩42 上执行，或所述组装可在具有延伸到水中的斜坡的码头44上执行，如图13C中所示。在第一组装阶段A中，组装者彼此邻近地构造平台220与锚270。沿轨道、滚轮或 类似物46朝向海岸线42移动所述组合件，接着，组装者在阶段B、C及D中将所述组合件移 动更靠近海岸线时将台210添加到平台220且安装转子52、叶片54及VAWT 50的其它组 件。在阶段E处，组装者使锚270及平台220漂浮在水中。如先前所述，平台220既 定漂浮在水中，而锚270在被部署时既定搁放在海床40上。为使锚270漂浮，可使用耦合 到锚270的临时漂浮装置(未显示)，例如浮体。或者，如图4B中所示，锚270可在其支脚 272中包括空腔280，其允许锚270漂浮。这些空腔280可以是具有一个或一个以上阀(未 显示)的排成一行的罐，其可被注满或抽空以允许所述锚下沉或漂浮。或者，这些空腔280 可仅仅是支脚272中的开放底部，其可捕获空气从而允许锚270漂浮，且其可注满水从而允 许锚270下沉。在任一情况下，锚270可在需要时漂浮在水上及下沉到海床40。可使用这 些及其它可能性。在阶段F处，组装者接着在部署地点处将锚270部署到海床40。可使用数种技术来将平台220及锚270拖曳到锚270可降到海床40的部署地点。 在第一种技术中，平台220与锚270彼此紧邻地漂浮在水面上且一起被拖曳到所述部署地 点。组装者接着通过填充其支脚中的空腔280来使锚270下沉到海床40。具体来说，组装 者注满锚270的一个支脚272，以使得其接触海床40，且然后完成其它支脚272的注满，以 使得锚270搁放在海床40上。在使锚270下沉时，组装者可将浮物附接到连接到锚270的 缆线230，以便可在水面上收回缆线230。在锚270搁放在海床40上的情况下，组装者使平 台220漂浮在浸没的锚270上方，收回漂浮的缆线230，使来自锚270的缆线230穿过滑轮 系统250，且将缆线230连接到镇重240。最后，组装者使镇重240浸没到平台220下方以 拉紧缆线230且完成安装。在第二种技术中，可首先在陆地上或在浅水域中将锚270堆叠在平台220下方，且 然后可将堆叠的锚270/平台220 —起拖曳到水面上的部署地点。在所述部署地点处，组装 者可使缆线230从平台220穿过系紧到锚270，同时通过绞盘(未显示)将锚270降到海床 40。此过程可需要在平台220周围分阶段使缆线230滑动、松弛及打结的多个步骤。在缆 线230上放置挡块之后，组装者可将绞盘上的缆线230连接到镇重240且将镇重240降到 平台270下以占用缆线230中的松弛部分。组装者可最后释放所述挡块且完成将镇重240 降到平台220下方，以完成安装。在离岸风力涡轮机200被部署的情况下，组装者然后可将 绞盘带到另一平台以对另一组合件重复所述部署步骤。如果风力涡轮机200需要修理，操作者可使用绞盘将镇重240从平台220下方提 上来，将缆线230与镇重240及滑轮系统250拆开，且将浮物附接到缆线230，以便稍后可重 新定位锚270。然后可将拆开的平台220拖曳到海岸进行修理。如果也需要收回锚270，那 么操作者可通过绞盘从海床40提升锚270且然后将组合的平台220与锚270拖曳到海岸。 此外，还可使锚270中的空腔280填充空气以允许其漂浮。J.被动可调整锚定系统图4A到4B及图6A到6B的离岸风力涡轮机200及300具有能够根据因潮汐变化
13或暴风浪涌而导致的海平面的改变被动地进行调整的锚定系统(即，缆线230、镇重240、滑 轮系统250及锚270)。此被动调整的细节显示于图14A到14D中，其中显示图6A到6B的 离岸风力涡轮机300根据海平面的改变进行调整。当海平面上升(图14A到14C)或下降 (图14C到14A)时，平台220相应地在水的平面上上升及下降，同时保持由缆线230、镇重 240、滑轮系统250及锚270锚定。如果在暴风期间显著大的浪涌出现，那么平台220以锚缆 线230的完全程度提升，如图14C中所示。如图14D中所示，如果海平面甚至进一步增加， 那么海平面甚至可没过平台220及VAWT的转子52及叶片54，转子52及叶片54则将至少 部分地保持浸没在水平面下方以用于在暴风或潮汐波浪期间获得保护。除以上锚定系统以外，本文中所揭示的离岸风力涡轮机的各种实施例可使用其它 被动可调整锚定系统，例如图15A到15C中所示。图15A的可调整锚定系统840A使用平台 820上的多个滑轮846。多个锚缆线844穿过这些滑轮846且将单独的镇重842与海床中 的单独锚848互连。将了解，平台820可具有在平台820周围对称连接的数个此类锚定系 统840A以将其锚定到海床40。图15B中的另一被动可调整锚定系统840B将共用镇重843与多个锚缆线844、滑 轮846及锚848 —同使用。图15C中的被动可调整锚定系统840C同样使用共用镇重843， 但使用单个锚缆线845，其穿过镇重843上的滑轮847而且穿过平台820上的滑轮846。借 助本发明，将了解，可使用镇重、缆线、滑轮及锚的其它布置来锚定平台820。K.主动可调整锚定系统先前所论述的各种锚定系统随海平面的改变被动地行动而升高或降低平台。在额 外实施例中，本发明的漂浮风力涡轮机可使用主动可调整锚定系统，所述主动可调整锚定 系统能够临时将离岸风力涡轮机拖拉到水面下以在恶劣的天气条件期间获得保护。在图16A到16B中，举例来说，主动可调整锚定系统840D在平台820上具有一个 或一个以上机械绞盘841，其耦合到通过锚848锚定到海床40的锚缆线846。可操作这些 绞盘841以使用锚缆线846相对于海平面升起或降下离岸风力涡轮机800。以此方式，被操 作的绞盘841可在强风或高波浪发生时缩短缆线846的长度以将离岸风力涡轮机800拉到 水面下方(图16B)，且然后可在所述风或波浪过去之后释放所述缆线以允许离岸风力涡轮 机800漂浮在表面处或其附近(图16A)。尽管显示此绞盘系统与既定漂浮在水面上的平 台820 —同使用且与固定锚848 —同使用，但所述绞盘系统也可与本文中所揭示的各种平 台及锚中的任一种一同使用，尽管未图解说明此类替代方案。当被拖拉到水面下时，VAWT 50可保持固定在平台820上的垂直位置中。或者，如 图16B中所示，VAWT 50可斜倚在平台820上，如图10中所图解说明。在此布置的情况下， VAffT 50可在大风出现时斜倚在平台820上，且整个离岸风力涡轮机800及平台820可如图 16B中所示绞到表面下方以获得保护。通过使VAWT 50斜倚，可减小将离岸风力涡轮机800 拉到水面下方所需要的绞力的量。L. VAffT 的矩阵在典型的实施方案中，大量的所揭示风力涡轮机可用于离岸位置处的风场矩阵 中。所述风力涡轮机可在彼此附近锚定且通过共用电缆互连在一起。在第一实例中，图17A 到17B仅显示具有用于互连多个风力涡轮机的一个布置的风场矩阵900的一部分。在此实 例中，矩阵900使用图4A到4B的漂浮风力涡轮机200，但同样可使用本文中所揭示的任何其它风力涡轮机，例如图7A到7D的非漂浮风力涡轮机。在矩阵900的一个实施方案中，举 例来说，每一离岸风力涡轮机200可具有VAWT 50，VAWT50具有以低成本将海上的风转换成 电的300-kW容量。在具有年平均风速9米/秒的离岸强风区域中，举例来说，每一离岸风 力涡轮机200每年可发1. 0百万kWh的电。在矩阵900中，电力线952将风力涡轮机200连接到电力驳船950。这些电力驳 船950又可通过电力电缆954彼此连接，如图17B中最佳所示。电力驳船950从其所连接 到漂浮风力涡轮机200中的至少一些漂浮风力涡轮机接收电力(即，电流)，且通过一个或 一个以上共用的共享电缆954将此种电力传递到基于陆地的站956或其它电力接收器。为在离岸处安装矩阵900，可使用先前所论述的方法中的任一种将每一离岸风力 涡轮机200组装、拖曳并锚定到位，且将其连接到电网(例如，电力驳船950)以发电。类似 地，每一离岸风力涡轮机200可容易地从矩阵900断开且拖曳回海岸进行修理及维护而不 影响矩阵900的整体。在此方面，使用不牢固地将离岸风力涡轮机200附加到海床的锚定 系统及方法可具有显著好处。举例来说，在图4、6及7的实施例中的每一者中，使用仅仅搁 放在海床40上的锚定系统，此允许使这些锚定系统漂浮以允许从矩阵900容易地安装或移 除特定离岸风力涡轮机。像漂浮风力涡轮机的平台，电力驳船950可漂浮在水面处或其附近，且可与漂浮 风力涡轮机200的平台类似地构造。由于电力驳船950仅仅用作漂浮风力涡轮机200可 连接到的电集线器且不需要携载常规连接器及电缆外的重要硬件(不像涡轮机200)，驳 船950可不需要以与涡轮机200相同的细心程度锚定到海床40。举例来说，且如图17A中 所示，驳船950可仅使用单个缆线951及锚948，其可不能够被动地或主动地调整电力驳船 950的相对深度。在另一实施方案中，驳船950可根本不锚定，而是可仅仅依赖于电力电缆 952来将驳船950保持到相对于经锚定漂浮风力涡轮机200的恰当位置中(假设合适强健 的连接器(未显示)将电力电缆952耦合到电力驳船950)。在任一情况下，驳船950可没 有锚，具有其自己的锚，通过缆线连接到离岸风力涡轮机200的锚，或使用本文中所揭示的 各种锚定系统中的任一种。在图18中所示的另一布置中，矩阵900可连接到附近的离岸平台970以将电力传 递到平台970或某一其它电力接收器。举例来说，如果涉及到石油勘探，那么离岸平台970 可含有用于沿离岸平台(未显示)的钻孔注入新鲜水的脱盐系统960。在平台970上，脱盐 系统960可使用反渗透过程来从海水产生新鲜的水，以便然后可将所述新鲜水用于填充、 水力压裂(fracing)或其它平台操作。由于脱盐系统960可需要大量能量来操作，使用脱 盐系统960附近的风场矩阵900来提供电力可极大促进离岸钻井操作。对优选实施例及其它实施例的前述说明不打算限制或限定申请者所构想的发明 概念的范围或适用性。借助本发明，将了解，关于本文中所揭示的一个实施例所描述的细节 可与本文中所揭示的其它实施例组合或在所述实施例上使用，即使此种组合或使用可能未 在本文中明确显示或叙述。替换揭示本文中所含有的发明概念，申请者期望所有专利权利 由所附权利要求书提供。因此，所附权利要求书既定在最大可能范围内包括归属于以上权 利要求书或其等效物的范围内的所有修改及变更。
1权利要求
一种离岸风力涡轮机，其包含垂直轴风力涡轮机，其包含垂直延伸转子、耦合到所述转子的多个叶片及用于从所述转子的旋转产生电力的发电机；漂浮平台，所述垂直轴风力涡轮机安装在其上，其中所述漂浮平台漂浮在水中以将所述垂直轴风力涡轮机支撑在水面上方；及锚定系统，其耦合到所述漂浮平台以用于在被部署在离岸处时将所述离岸风力涡轮机锚定到海床。
2.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其进一步包含耦合到所述漂浮平台的一侧 的配重，所述侧与上面安装有所述垂直轴风力涡轮机的侧相对，所述配重使所述漂浮平台 克服风力而稳定。
3.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其中所述锚定系统经配置以在被部署在离 岸处时使用扣件将所述漂浮平台直接附加到所述海床。
4.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其中所述锚定系统包含锚，所述锚经配置 以在被部署在离岸处时搁放在所述海床上而不直接附加到所述海床。
5.根据权利要求4所述的离岸风力涡轮机，其中所述锚定系统进一步包含至少一个镇 重，所述镇重经配置以用于在被部署在离岸处时放置在所述漂浮平台与所述锚之间，其中 所述镇重经配置以经由至少一个缆线耦合到所述锚且耦合到所述漂浮平台。
6.根据权利要求5所述的离岸风力涡轮机，其中所述锚定系统允许所述漂浮平台的位 置根据水平面的改变进行调整。
7.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其中所述锚定系统为可漂浮且可下沉的。
8.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其中所述平台包含从所述垂直轴风力涡轮 机水平展开的多个支腿。
9.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其中所述垂直轴风力涡轮机可相对于所述 漂浮平台倾斜。
10.根据权利要求1所述的离岸风力涡轮机，其中所述漂浮平台可被动地或主动地调 整以相对于水平面维持恰当位置。
11.一种离岸风力涡轮机，其包含风力涡轮机，其包含转子、耦合到所述转子的多个叶片及用于从所述转子的旋转产生 电力的发电机；及可浸没平台，所述风力涡轮机安装在其上，其中所述可浸没平台经配置以在被部署在 离岸处时搁放在海床上而不直接附加到所述海床，以使得所述风力涡轮机在水面上方。
12.根据权利要求11所述的离岸风力涡轮机，其中所述风力涡轮机为具有垂直延伸转 子的垂直轴风力涡轮机。
13.根据权利要求11所述的离岸风力涡轮机，其中所述可浸没平台为可漂浮且可下沉的。
14.根据权利要求11所述的离岸风力涡轮机，其中所述可浸没平台包含从所述风力涡 轮机水平展开的多个支腿。
15.根据权利要求11所述的离岸风力涡轮机，其中所述可浸没平台包含空腔，所述空 腔经配置以可控制地被注满或抽空，从而使所述可浸没平台漂浮或下沉。
16.根据权利要求11所述的离岸风力涡轮机，其中所述转子的轴可相对于所述可浸没平台调整。
17.根据权利要求11所述的离岸风力涡轮机，其中所述可浸没平台可调整以允许所述 风力涡轮机在所述可浸没平台搁放在所述海床上时保持垂直。
18.一种用于部署风力涡轮机的方法，其包含使离岸风力涡轮机漂浮到所需离岸位置，所述离岸风力涡轮机包含_ 垂直轴风力涡轮机，其包含垂直延伸转子、耦合到所述转子的多个叶片及用于从所述 转子的旋转产生电力的发电机，漂浮平台，所述垂直轴风力涡轮机安装在其上，其中所述漂浮平台漂浮在水中以将所 述垂直轴风力涡轮机支撑在水面上方，及 锚定系统，其可耦合到所述漂浮平台；及 用所述锚定系统将所述漂浮平台锚定到海床。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述离岸风力涡轮机进一步包含配重，所述配 重耦合到所述漂浮平台的上面安装有所述垂直轴风力涡轮机的相对侧。
20.根据权利要求18所述的方法，其中将所述漂浮平台锚定到所述海床包含使用扣件 将所述漂浮平台直接附加到所述海床。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述锚定系统包含锚，且其中将所述漂浮平台 锚定到所述海床包含将所述锚搁放在所述海床上而不将所述锚直接附加到所述海床。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含将镇重附接到所述锚，其中经由滑轮 将所述镇重耦合到所述漂浮平台。
23.根据权利要求18所述的方法，其中将所述漂浮平台锚定到所述海床包含将锚注
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述锚定系统允许被动地或主动地调整所述漂 浮平台以相对于所述水面维持恰当位置。
25.根据权利要求18所述的方法，其中使所述离岸风力涡轮机漂浮到所需离岸位置包 含使所述漂浮平台及所述锚定系统两者作为单独件或作为堆叠漂浮。
26.根据权利要求18所述的方法，其进一步包含使所述离岸风力涡轮机从所述所需离 岸位置漂浮到海岸上的位置。
27.根据权利要求26所述的方法，其中使所述离岸风力涡轮机从所述所需离岸位置漂 浮到海岸上的位置包含使所述锚定系统漂浮。
28.一种用于部署风力涡轮机的方法，其包含使离岸风力涡轮机漂浮到所需离岸位置，所述离岸风力涡轮机包含_ 风力涡轮机，其包含转子、耦合到所述转子的多个叶片及用于从所述转子的旋转产生 电力的发电机，及可浸没平台，所述风力涡轮机安装在其上；及使所述可浸没平台下沉以最终搁放在海床上，其中不将所述可浸没平台直接附加到所 述海床，且其中所述风力涡轮机保持在水面上方。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述风力涡轮机为具有垂直延伸转子的垂直轴 风力涡轮机。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述可浸没平台包含从所述风力涡轮机水平展 开的多个支腿。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述可浸没平台包含空腔，且其中使所述可浸 没平台下沉包含用水填充所述空腔。
32.根据权利要求28所述的方法，其进一步包含相对于所述下沉的可浸没平台调整所 述转子的轴，其中所述经调整轴大体垂直。
33.根据权利要求28所述的方法，其进一步包含相对于所述海床调整所述可浸没平台 的角度，以使得所述可浸没平台大体水平。
34.根据权利要求28所述的方法，其进一步包含使所述可浸没平台漂浮以将所述离岸 风力涡轮机从所述所需离岸位置移动到海岸上的位置。
35.一种用于收回可移动风力涡轮机的方法，其包含使离岸风力涡轮机从海床升起以漂浮在水中，所述离岸风力涡轮机包含_ 风力涡轮机，其包含转子、耦合到所述转子的多个叶片及用于从所述转子的旋转产生 电力的发电机，及可浸没平台，所述风力涡轮机安装在其上；及 将所述漂浮的离岸风力涡轮机拖曳到海岸。
36.一种用于部署风力涡轮机的方法，其包含在海岸上组装离岸风力涡轮机，所述离岸风力涡轮机具有安装在可浸没平台上的风力 涡轮机；使所述经组装离岸风力涡轮机漂浮到所需离岸位置；将所述可浸没平台浸没到海床，而使所述风力涡轮机在水面上方延伸；及将所述风力涡轮机连接到电力电缆。
37.一种用于收回可移动风力涡轮机的方法，其包含从电力接收器断开离岸风力涡轮机，所述离岸风力涡轮机具有在水面上方延伸的风力 涡轮机且具有浸没到海床的可浸没平台；使所述可浸没平台从所述海床升起以漂浮在水中；及 将所述漂浮的离岸风力涡轮机拖曳到海岸。
全文摘要
本发明揭示一种具有安装在平台上的垂直轴风力涡轮机(VAWT)的离岸风力涡轮机。所述VAWT具有垂直转子及耦合到齿轮箱的弯曲叶片以及发电机。所述VAWT可固定地从所述平台延伸或可能够手动地或自动地斜倚在所述平台上。所述平台可由耦合在一起的模块化元件构成。在离岸处，所述平台可以是半浸没的，其中所述VAWT从水中延伸出且其中平衡块在所述平台下方延伸。或者，所述平台可漂浮在水面上且可具有从所述VAWT向外延伸的数个臂，以增加所述平台的占地面积。为在离岸处锚定所述涡轮机，锚定系统可将所述平台锚定到海床，同时允许漂浮的风力涡轮机根据因潮汐变化或暴风浪涌而导致的海平面的改变被动地或主动地调整。
文档编号F03D11/04GK101939537SQ200880106720
公开日2011年1月5日 申请日期2008年9月11日 优先权日2007年9月13日
发明者亦和·迈克尔·鲍 申请人:浮海风电公司