专利名称：用于深水中的离岸风能转换系统的制作方法
技术领域：
本发明的目的是提供一种用于在至少五十米深的水中转换离岸风能的系统，所述 系统设置有位于本体中的电能发电机及附属设备，所述本体浸没于水平面以下并通过封锁 的流体静压加以稳定。
背景技术：
为扩大和优化对用于产生电能的风能转换器的使用，已设想出位于海洋环境中的 通常所说的离岸风力发电站(offshore wind plant)，其应用数量正在稳定增长。这种应用 的优势在于，除具有广泛的可用空间外，还具有理想且更恒定的风力条件和实质上不存在 噪声污染和视觉冲击。目前的离岸风能发电站技术的特征在于，这些技术将对于陆上设备而言所已知的 固定安装概念变换到海洋环境中，从而将风能转换器塔始终以固定的方式固定在海床上或 海床中。从经济的观点来看，这些解决方案仅在深度约50米以内可行，当超过该深度时， 此种方法在经济上变得不可取，这是因为锚定到海床上/中的锚固部件意味着要使用大量 的材料和设施，与海床的连接是风能转换器塔的固定的扩增部分。此外，应用这些固定安装技术需要具有足够的浅水风力区，然而在全世界的大多 数海洋中，在海岸周围，海床均急速变深，因此无法在远离海岸处安装这种系统并且无法避 免视觉冲击和噪声冲击。风能发电站离海岸太近意味着与环境冲击有关的风险。
发明内容
本发明的发明目的是限定位于海洋环境中的风能转换系统，所述风能转换系统不 受上述困难影响并且可用于深水中以将环境冲击降低到最小。另一目的是提高风能系统的 生产率，能够将风能系统布置到具有高的多风性、尤其是具有相对于陆地上的风而言相对 更恒定、因此波动更小的风的海水中。本发明的发明目的克服了上述技术缺陷，因为其是一种深水风能转换系统，所述 深水风能转换系统实质上包括五个子系统i.具有水平轴的转子组，所述转子组具有两个叶片，布置于机舱中；ii.永磁发电机，所述永磁发电机具有至少一个变压器、至少一个整流器以及其它 辅助组件；iii.群组，所述群组用于将系统锚固至海床，从而确保尽管降低来自波浪和风的 载荷，设备也能完全稳定；iv.用于将动力从位于海平面以上约80米处的转子组传递到位于海平面以下约 10米处的发电机的系统；以及v.用于将电力从水下本体传输到陆地的系统。所述深水风能转换系统的特征在于，所述转换系统是通过封锁的流体静压而得到
4稳定，并且所述电能发电机、变压器、整流器和所述辅助组件(即发电ii子系统)位于淹没 于水平面下的本体中，以便有助于以这种配置形式降低重心，从而优化用于操作目的的构 造与优化运输以及系统在深水中的安装，从而降低产生能量的成本。
根据具体参照图1/7至7/7对本发明进行的详细说明，这些优点及其它优点将显 而易见，这些图显示了本发明的绝对非限制性的较佳实施例。具体地说图1是系统的大体配置图；图2是根据两个不同实施例(图2a、图2b)的锚固系统的平面图；图3是以透视图(图3a)和平面图(图3b)显示的水下本体的图；图4是系统的机舱在正常情况下(图4a)和在维修情况下(图4b)的图，其中显 示用于吊起和/或降低转子组以达到安装和维修目的的装置；图5以视图(图5a)和截面图(图5b)显示轴和轮毂之间的连接；以及图6显示叶片的根部的嵌件。
具体实施例方式参见上述图式，风能转换系统(1)包括具有水平轴的转子组(2)，其具有两个叶 片(3)，容纳在机舱(4)内；水下本体(5)，永磁发电机(6)、至少一个变压器(7)和至少一 个整流器(8)容纳在所述水下本体中；用于将整个系统锚固至海床的子系统(9)；用于将动 力从空中的转子组传递到位于海平面以下的发电机的子系统(10)；以及用于将来自水下 本体的电能传输到陆地的子系统(11)。锚固子系统是适用于深水设备的装置，从结构、运输和放置的方面来看非常重要。 锚固子系统包括六腿式结构(12)，六腿式结构(12)通过被流体静压牵引的例如锁链、绳索 或管状杆等元件(14)而锚固至海床。结构(12)与牵引元件(14)之间的连接是由具有机 械棘齿的液压千斤顶(13)执行，其目的是监测和调节张力。参见图2，通过多个由填充有压 载材料的钢筋混凝土制成的砌块(16)，将牵引元件(14)锚固至海床。这些砌块被布置在钢 模板(15)内，并且钢模板在内部和外部被石块(17)包围。应注意，由于混凝土砌块的“杯 子”形状，可通过漂浮而将混凝土砌块拉至现场，从而有利于运输到适当的位置。根据另一 实施例，锚固子系统包括单一的平衡物(16’)，平衡物(16’ )设有至少一个腔体，因而也可 通过漂浮被运输至现场并可在现场填装压载物。有利地，可根据“自我安装”程序来组织整个风能系统向现场的运输。可通过下列 步骤来构造这种程序I.在工地上组装平台(12)及相关基座(16)，所述平台(12)包括液压千斤顶(13) 和重绕牵引装置(14)；II.将I中所述的系统朝深度可允许安装风能系统(1)的码头移动；III.将前述步骤所述的系统运输至所述的现场；以及IV. “就地”卸载基座(16)。详细地说，第一步骤涉及通过液压千斤顶(13)将由平台(12)和基座(16)构成的子系统与牵引装置(14)的相对连接进行组装，以完成锚固子系统(9)。在此步骤中，牵引装 置(14)在其各自的位置上完全重绕，从而允许在靠近海岸的工地区域上执行操作。在第二 步骤中，将如此限定的子系统朝深度可允许安装和接合相关的风能系统(1)的码头运输。 在第三步骤中，进行向所述最终现场的最后运输，而在最后的步骤中，则通过相关的液压千 斤顶(13)将基座(16)卸载到海床上，而液压千斤顶(13)接着将牵引装置(14)释放。用于传输电能的子系统(11)由以下部件组成电缆(18)，所述电缆起始于配电 盘，沿电缆支架(19)延伸一直到在特殊电缆滑车组(20)的引导下到达海底电缆为止，然后 海底电缆继续延伸至陆地并终止于用于进行变压和向高压及中压线路配电的变电站、或者 海底电缆一直延伸到现场中具有封锁的流体静压的平台上的变电站，然后由高压海底电缆 从该变电站输送能量至陆地、直至连接点。如上所述，本发明的主要特征在于水下本体(5)，具有8 + 12米的直径，用于产生 电能和转变电能的所有组件被容纳在所述水下本体内。参见图3，本体(5)具有类似于瓶子 的形状，除瓶颈之外几乎全部淹没在海平面以下。这可通过在本体中形成“发动机室”结构 而获得，所有组件以及压载物隔间被布置在本体的下部中，以便最大程度地降低其重心并 提高在运输和安装过程中的稳定性。通过这种位于海平面之下的创新性的发动机室结构而 获得的优点在于，很容易接近用于产生电能的主要部件。实际上，这些主要部件在高度方面 并没有位于转子组的高度上，因而可避免在安装和维修步骤中使用昂贵的起重船。此外，本 体淹没在具有几乎恒定的低温(即使在夏季)的海水中，这一事实有利于电气部件特别是 整流器和主变压器的功率降所对应的热量排放。此外，由于部件的位置和辅助地使用了在深海中易于使用和移除的压载物，系统 的重心相对于推力中心较低，因而这种结构使安装过程变得安全。如上所述，机器和电气设备位于宽的水下本体的下部中。用于生产电能的主要机 器是永磁发电机(6)，其直径约为4 + 5米(约是水下本体的直径的一半)，且由液压电机 (21)驱动。所述电机(将于下文更详细地描述)由动力传输提供动力，所述动力传输由处 于压力下的油压回路(22)构成，此回路的泵由布置在系统的机舱中并连接到转子本身的 转子轴(23)控制。通过至少一个整流器(8)将如此产生的能量整流至频率为50 + 60HZ 及电压约为600V，随后，通过相对于发电机布置在上平面中的主变压器(7’ )来升高电压 (20 + 35kV范围)。电气部件由用于从控制单元(24)为辅助设施(7”)供电的变压器、低 压(25)和高压(26)面板以及电缆(18)构成，电缆(18)到达海床并向陆地或海洋变电站 延伸。以热量形式消散的功率，据观察，大多数来自整流器和主变压器，这些热量通过多个 冷却系统被排放。首先，水下本体被海水围绕，因此存在自然冷却。接着，提供了冷却回路 供整流器使用(也可以提供类似于前一个回路的第二回路供主变压器使用)，所述冷却回 路包括冷却单元(27)、液压回路(28)以及淡水/海水换热单元(29)。最后，还存在强制空 气冷却单元，所述强制空气冷却单元包括其中整合有过滤器和通风管道(31)的风机(30)。 在水下本体中，冷空气在发电机的平面之下传送；冷空气受热并且由于上升运动以及由于 辅助循环(32)而到达机舱，在形成轻微的过压后排出机舱。在本体(5)的下部中设置隔间(33)，隔间(33)可填充有压载物以将其进一步向下 朝本体的重心移动并进一步提高系统在深海运输和安装操作期间的稳定性。制造原理允许 压载物可根据要求而容易地装载和卸载，并且因此允许液体压载物与锁链或金属绳索型固
6体压载物一起使用，能够利用管道(34)进行装载和卸载并占据容器隔间(33)的被限定的 形状。根据替代实施例，水下本体在其下部中还包含用于生产氢的装置，例如电解槽 (63)、至少一个储蓄槽(64)以及用于将氢输送至陆地的管道(65)。参见图4，机舱(4)形成系统的上部和空中部分。机舱中容纳与两个叶片(3)形成 整体的转子组(2)。转子的特征在于可通过利用定子电路上的整流器系统调节电动失速转 矩而在整个风速范围内改变旋转速度，以保证从转子启动到达到最大功率均以最大的效率 运转。在顶部，杆状的避雷器(35)布置在叶片的相对侧，以对整个结构形成“伞形”避雷 保护，并且避雷器(35)由护套和电缆构成。在机舱的罩之下布置有能够在液压千斤顶(37) 引导下沿其轴线滑动的单轨，所述单轨可占据闲置和维修位置，当单轨被向前推动时，其端 部会露在罩外面。当需要维修时，该装置能够移动转子部(2a)。实际上，转子组被固定至缆 索，所述缆索在单轨的滑轮(36)引导下经过机舱支撑平面的活门(38)并到达暂时位于工 作面(40)中的绞盘(39)，工作面(40)被锚固至转换系统的结构上；这样，绞盘使转子能够 从机舱降低到下面的浮船的平面上，由浮船将转子运输到工地进行特殊的维修。对布置在 水下本体中的部件的维修是使用被位于本体的瓶颈中的单轨支撑的滑轮组(41)来进行， 所述单轨位于门(42)之上并且可通过该门接近。在机舱内还布置有两个重要的子系统-油 压动力传输子系统和液压偏航子系统_的某些部件。具体而言，布置在机舱内的是被转子 轴机械拖动的液压泵组(43)；该液压泵组利用其油单元(44)和其旋转的液压接头(45)、通 过液压回路来驱动油压动力的传递，所述传递是在上部的机舱高度与下部的水下本体核心 之间进行，以将转子的机械动力传递到永磁发电机。泵组(43)还为临近偏航轴承和相关旋 转环(47)布置的偏航电机(46)提供动力。偏航子系统形成第一安全制动系统以液压方 式为该子系统提供动力，由被转子轴拖动的液压泵为相关电机提供动力，并且该子系统在 安全状态下是以液压方式进行控制。因此，也是在没有电力的情况下，运动的转子操作这些 泵，由这些泵使回路增压并移动电机，然后由电机驱动机舱相对于风向以90°旋转，从而实 质上消除风速对叶片的影响，并且因此减慢转子的旋转。使动力油液压偏向一方的可能性 提供了第二安全制动系统，从而增大其转子的失速转矩直到完全阻挡转子为止。图5显示轴与转子(48)以及叶片的轮毂(49)之间的连接。轴由通过带凸缘的接 头(52)连接在一起的本体(50)和T形端头(51)构成。介于轴与轮毂之间的是弹性接头， 用于保护轴和机舱免受由风引起的负荷峰值。所述接头是由两个围绕其各自的轴(53’和 53”)的双重“振荡套管”构成。每个套管均包括多个由弹性体和金属或复合材料形成的圆 锥层(54)以及两个金属端(53a’、53b’、53a”、53b”)，以用于连接至T形端头(51)和轮毂 (49)。T形端头的每个端头的两个套管相互嵌套安装，在安装之前在工作台上沿轴向(X)以 一种方式被预加载，该方式可始终保证弹性体在由转子的机械转矩产生的径向负载Y作用 下保持压缩状态。然后将每一端的两个套管的组合安装在轮毂和轴的T形端头之间，并进 一步进行轴向(X)预加载以平衡由旋转的转子的固有重量产生的轴向负载。此外，在每一 端的两个套管之间布置有金属环(55)，用以限制套管的径向变形并在径向负载过大的情况 下保护弹性体层。另外，如果将T形端头从轴的本体上分离，则可有利地固定双重套管的相对距离
7而使由转子的机械转矩产生的径向负载足够低，这也有利于这些弹性接头的可靠性。最后， 图6详细地显示叶片和轮毂之间的接头。叶片(3)-存在两个叶片-是由玻璃纤维和/或 碳纤维形成的支撑结构以及仍由玻璃纤维和/或碳纤维形成的壳体构成。这些叶片的特征 在于具有支撑结构和轮毂/叶片接头，这适于在安全状态下容许转子达到逃逸速度，从而 形成第三安全制动系统。叶片根部与轮毂之间的接合是通过具有螺纹孔的环形嵌件(58) 实现，螺钉连接至环形嵌件而连接至轮毂，并且在环形嵌件上纵向地布置有碳纤维(59)。从 图6中的图式顺序可以看出，将第一层玻璃纤维或碳纤维和树脂(61)缠绕在支撑结构的心 轴(60)上；然后，布置所述具有螺纹孔的环形嵌件(58)；最后是第二层玻璃纤维或碳纤维 和树脂(62)。这样，在纵向和切向两个方向上布置纤维能在轴向和纵向两个方向上以及在 径向上获得联合抵抗作用，从而确保叶片根部、嵌件和轮毂组的紧密性。
为了在例如发生强紊流或狂浪等严酷的外部条件下保证安全和保护整个所安装 的系统，提供了保护系统，以监测现场所在地理区域中的环境和大气状况以及现场本身的 状况。这种监测系统根据从现有气象站和至少两个探测站得到的相关数据，使用模型来分 析现场所在地理区域的状况，所述至少两个探测站被“特别地”安装在现场附近以可靠地预 报可能发生的意外现象。在紧急情况下，监测系统识别有待证实的迫近的危险并通过激活 用于停止整个系统的程序进行干预。
权利要求
一种用于在比五十米深的水中转换风能的系统(1)，所述系统通过封锁的流体静压而得到稳定，所述系统包括具有水平轴的转子组(2)，所述转子组设有两个叶片(3)并容纳于机舱(4)中；永磁发电机(6)；至少一个变压器(7)和至少一个整流器(8)；以及其它辅助部件；用于将整个系统锚固至海床的子系统(9)；用于将动力从所述转子组传递到所述发电机的子系统(10)；以及用于将电力从水下本体(5)传输到陆地的子系统(11)，所述系统的特征在于，所述电能发电机、所述变压器、所述整流器以及所述辅助部件位于水平面以下的所述水下本体(5)中。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，产生使所述系统稳定所需的流体静压的所 述水下本体(5)被用作发动机室，所述发动机室容纳所述发电机(6)、所述变压器(7)、所述 整流器(8)、中压面板(25)和低压面板(26)以及控制面板(24)。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述水下本体在其上部中还包括用于产生能量的 已知装置(63)、至少一个储蓄槽(64)以及用于将氢输送至陆地的管道(65)。
4.如权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述转子(2)包括通过在支撑和功能结构中 缠绕由合成材料形成的纤维而制成的两个叶片(3)，所述纤维相对于所述叶片的纵向轴线 沿纵向和斜向布置。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述叶片的根部和所述轮毂之间的接头是 刚性类型的，并且是通过具有螺纹孔的环形嵌件(58)制成并设有纵向布置的碳纤维(59)。
6.如权利要求5所述的系统，其中，振荡弹性类型的所述轮毂(49)/所述转子轴(2)接 头是由两个双重“围绕其自身的轴线振荡的套管”(53’、53”)构成。
7.如权利要求6所述的系统，其中，每个套管均包括多个由弹性体和金属或复合材料 形成的圆锥层(54)以及两个金属端(53a’、53b’、53a”、53b”)，以用于与T形端头(51)和 所述轮毂(49)连接。
8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，通过以下方式提供所述弹性体层所需的 预加载将所述T形端头“T”的每一端的所述套管相互嵌置并在安装之前在内部对其进行 预加载。
9.如权利要求6、7或8所述的系统，其中，在每一端的所述两个套管之间布置有金属环 (55)，以用于限制所述套管的径向变形从而保护所述弹性体层。
10.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，能够改变所述转子(2)的速度，以 保证在整个风速范围内从启动到达到最大功率均以最高效率运行。
11.如前述权利要求之一所述的系统，其中，通过由至少一个泵(43)提供的液压偏航 控制来调节所述转子组(2)的旋转速度，所述泵(43)由所述转子轴(48)进行机械操作，所 述液压偏航控制是不需要电能的第一安全制动系统。
12.如前述权利要求之一所述的系统，其中，通过将动力从布置在所述转子高度处的至 少一个液压泵(43)液压传递至布置在淹没于水平面以下的所述本体(5)中的至少一个液 压电机(21)，而将动力从所述转子(2)传递至所述电能发电机(6)。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述液压动力传递回路被用作第二安全制动系 统，以使所述动力回路偏向一方并且因此增大所述转子的失速转矩。
14.如权利要求4及前述权利要求中至少一项所述的系统，其中，所述叶片(3)设置有 所述支撑结构以及所述轮毂和所述叶片之间的接头，所述支撑结构及所述接头适于在安全状态下容许所述转子达到逃逸速度，从而形成第三安全制动系统。
15.如前述权利要求之一所述的系统，其中，所述系统设置有安装在所述机舱(4)上的 杆状避雷器(35)。
16.如前述权利要求之一所述的系统，其中，所述流体静压被锚固子系统(9)阻挡，所 述锚固子系统(9)包括六腿式结构(12)以及锚固在海床上的元件
17.如权利要求16所述的系统，其中，通过多个填充有压载物材料并布置在钢模板 (15)中的砌块(16)将所述元件(14)锚固至海床上，所述钢模板(15)在内部和外部均被石 块(17)包围。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述锚固子系统包括具有至少一个腔体的单一 的平衡物(16，)。
19.如权利要求17或18所述的系统，其中，由于所述砌块(16)的杯状构造或由于所述 腔体，能够通过漂浮而将所述砌块(16)或所述平衡物(16’ )拉至现场。
20.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，用于产生电能的群组包括由液压电 机(21)驱动的永磁发电机(6)。
21.如前述权利要求之一所述的系统，其中，从所述水下本体(5)伸出的电缆(18)由机 械缆索(19)支撑，所述机械缆索被锚固在布置在海床上的相对的砌块(20)上。
22.如前述权利要求之一所述的系统，其中，所述水下本体(5)的下部中的隔间(33)能 够填充有压载物。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述压载物由锁链或金属绳索构成，所述锁链或 金属绳索穿过管道(34)并具有由所述容器隔间(33)限定的形状。
24.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，提供用以监测现场的环境和大气状 况的系统以预防例如强紊流或相对大的浪的严酷的外界状况，所述监测系统根据从现有气 象站和至少两个检测站得到的相关数据，利用模型来分析所述现场所在地理区域的状况， 所述至少两个检测站被“特别地”安装在所述现场本身附近以可靠地预报所述意外现象。
25.一种用于向现场运输和组装如前述权利要求之一所述的风能发电站的方法，其特 征在于“自我安装式”系统，所述方法包括以下步骤i.在工地组装所述平台(12)及相关基座(16)，所述平台(12)包括液压千斤顶(13) 和被缠绕在各自位置内的牵引装置(14)；ii.将i中所述的系统朝深度可允许安装所述风能系统(1)的码头移动；iii.将由前述步骤所述的系统朝所述现场移动；以及iv.将所述基座(16)卸载至海床上。
26.一种用于安装和拆卸如前述权利要求之一所述的用于在深水中转换风能的系统的 所述转子(2)的装置，所述装置包括单轨(36)，所述单轨(36)布置在所述机舱(4)中、可借 助液压千斤顶(37)而沿其轴线移动，滑轮固定在所述单轨上以引导和支撑滑轮；所述缆索 一方面接合所述转子组，另一方面通过位于所述机舱的支撑平面中的活门(38)而到达绞 盘(39)，所述绞盘(39)布置在被锚固于所述转换系统的结构上的工作面(40)上，以使转子 能够从其工作位置降低到下面的支撑表面，反之亦然，而不需要使用起重船或浮船。
全文摘要
一种在深水中转换风能的系统，所述系统通过封锁的流体静压而得到稳定，所述系统包括具有水平轴的一组转子，其具有两个叶片并容纳于机舱中；一个永磁发电机；至少一个变压器和至少一个整流器；以及其它辅助部件；用于将系统锚固至海床上的群组；用于将动力从转子组传递到发电机的子系统；以及用于将电力从水下本体传输到陆地的子系统，所述系统的特征在于，所述电能发电机、变压器、整流器以及所述辅助部件位于水平面以下的水下本体中。
文档编号F03D11/04GK101981306SQ200880108337
公开日2011年2月23日 申请日期2008年9月22日 优先权日2007年9月24日
发明者西维斯特洛·卡鲁索, 马丁·贾库包斯基 申请人:布鲁H知识产权塞浦路斯有限公司