CN1856643B - 海上使用的风轮机 - Google Patents

Abstract

一种和海上风轮机的使用有关的方法和装置，包括通过轴(未示出)和发电机(3)相连的风轮机(2)，其被转动地安装在塔(4)上，还包括呈浮体(6)的形式的位于下面的基础，所述的塔(4)被安装在其上。浮体(6)被设计要被这样锚固，使得通过用呈锚固绳、铰链或系绳(7)的形式的锚固方式能够在垂直平面内自由地运动，借以使得，作为波浪对浮体的作用结果，风轮机(2)的运动将作为对运动的阻尼机构，因而从波浪提取能量。通过调节平台的重心与/或用于把浮体连附到海床上的系绳(7)中的张力，调节风轮机的谐振周期。

Description

海上使用的风轮机

技术领域

本发明涉及一种和海上风轮机的使用有关的方法和装置，所述海上风轮机包括通过轴和发电机相连的轴，所述发电机被可转动地安装在塔上，一个地下的基础，所述基础呈浮体或浮力部件的形式，所述的塔被安装在所述基础上。

背景技术

风轮机被越来越多地安装在海上，部分由于空间要求，同时也由于为了最佳地实现恒定的可利用的风力条件(比在陆地上具有较高的平均速度、较低的湍流和较薄的交界面)。目前，它们主要被安装在浅水中，在那里它们可以被容易地置于座落在海床上的基础上。这种设备要求具有可供利用的足够浅的水域。沿着世界大多数海岸，特别是沿着挪威的海岸，一般海水太深而不允许把风轮机安装在海床上。在浅水中安装风轮机也引起和运输这些设施的船只有关的问题。大多数安装船只具有太大的吃水深度，不能在多达10米的水深操作。

因此，使用漂浮支撑结构是一个相关的解决方案。为了使得具有财政上的吸引力，每个风轮机必须具有高的容量，例如为5MW的数量级。具有这样大的输出并通过使用海上的风的性能，期望飘浮支撑结构在能量价格上相对于基于陆地的安装具有竞争力。

关于飘浮支撑结构的现有技术的构思通常基于单一的漂浮结构(例如垂直柱)，该漂浮结构借助于垂直拉线(系绳)被锚固在海床上。其它机身的构思基于半可潜水平台技术。这些都进行了专门的研发，使得在波浪中具有有利的(小的)运动。大多数这些现有技术的风轮机构思的一个共同的特征是：目的在于尽可能多地限制平台的运动。此外，它们可被这样设计，使得它们经受得住极端的海洋条件。对运动所作的要求越严格，在极端情况下经受的力越大。因此，这些要求的组合是昂贵的，因而使得现有技术的基于海洋的风轮机解决方案迄今为止一般是徒劳的。

发明内容

本发明提供一种关于基于海洋的风轮机的解决方案，其中安装是简单而廉价的，同时，除去风能之外，还能够取出波浪的能量。

按照本发明的方法和装置的特征在于，浮体利用系绳或拉线(系链)被锚固或者用铰链连接在海床上，由于波浪对浮体的作用，风轮机的运动将作为对运动的阻尼机构而提取来自波浪的能量。

通过利用在波浪中平台的运动，风轮机将能够产生更多的能量。因而这个能量是从波浪中提取的。因而风轮机作为该运动的阻尼机构而提取否则将被浪费掉的能量。在这个过程中摇晃和颠簸两种运动起作用。

从波浪中提取的能量的数量取决于若干个因素，例如浮体(船体)或浮力元件的设计、锚泊特征和质量分布，即浮体的动态性能。此外，从波浪中提取的能量的数量取决于相对于风的瞬时相对速度风轮机的叶片是如何被控制的，即风轮机叶片的倾斜控制。如果倾斜被保持恒定，则推力和功率系数近似恒定。在另一方面，如果倾斜被这样控制，使得推力和功率系数随相对风速的增加而增加，则从波浪吸收的能量将增加。

如果系统由于波浪而在谐振状态下震荡，则从波浪中提取的能量最大。通过这样设计系统，使得放射阻尼等于来自风轮机的线性化阻尼，则达到理论上的最大能量吸收。(放射阻尼是当一个结构运动时在水中引起产生向外运动的波的阻尼。)

放射阻尼受浮体或浮力元件的几何设计的影响。其主要取决于浮体的半径。在给定的频率下，在俯仰(在应浪时)时放射阻尼和浮体半径的4次幂成比例。涡轮机的阻尼取决于平均风速、涡轮机的半径以及推力系数。

不过，当浮体在非谐振频率下震荡时，也可以从波浪提取能量。在纵摇颠簸时的谐振周期可被调节，例如通过在水箱内注入或抽出压舱物。这使得能够调节平台的重心与/或系绳中的张力。系绳的张力将影响系统的谐振周期。

特别是在低的风速下，当单凭风力不能产生涡轮机的额定功率时，和波浪的相互作用将使得能够产生附加的能量。

在高的风速时(相应地波浪也高)，则可以调节系统的固有周期以避免谐振而减轻运动。这也使得能够减少加于系统的最大负载。

附图说明

下面使用例子并结合附图详细说明本发明，其中：

图1是置于海床上的现有技术的风轮机的简单的示意图；

图2是被锚固在海床上的现有技术的漂浮的风轮机的简单示意图；

图3是按照本发明的风轮机的简单示意图，其处于摇晃和纵摇颠簸运动的自由运动状态；以及

图4-7是基于理论计算的和风轮机的输出相关的各种曲线，具有或没有波浪的影响。

具体实施方式

在如图1-3所示的大致的轮廓中，风轮机1包括通过轴(未示出)和发电机3相连的风轮机2，其被转动地安装在塔4上，还包括支撑结构5，6，塔被固定在支撑结构上。图1表示传统的风轮机，其中塔4被安装在海床上的固定结构5上，图2表示类似的传统的风轮机，其中塔被安装在被淹没的浮体或浮力装置6上，浮体或浮力装置6通过系绳7被锚固在海床上，因而具有非常小的运动。

如上所述，本发明基于这样的理论：如果允许基础具有正的浮力并接受在水平面内的相对大的运动，则可以使得锚固比较简单，因而可以降低结构的费用，同时还可以增加产生的能量。特别是，这种解决方案在一些情况下利用适中的风力能够产生较大的输出。如果假定波浪一般沿着和风的方向相同的方向出现，则风轮机将由于基础(浮体)的运动而前后运动，如图3所示。这将引起风轮机的顺风和逆风交替地周期性运动。因为涡轮机的输出功率大致和风轮机与空气之间的相对速度的立方成比例，(这对于固定斜度的涡轮机是有效的，不过，对于具有可变斜度的风轮机，指数将改变。这根据调节策略可以增加或者减少从波浪提取的能量)，这使得产生附加的能量。这个附加的能量是从波浪提取的。

这个构思的理论基础表示在风力和波浪之间的相互作用如何提供增加的能量产生，并提供相对于没有这种相互作用时的运动减少的波浪引起的运动。当利用谐振时，并当由于波的衍射而产生的阻尼被调整到由于风轮机而产生的阻尼时，可以获得来自波浪的最大功率。不过，应当补充说明：谐振并不是这种工作原理所要求的。

在此探究关于本发明的基础理论的评价和计算似乎是不合适的，因此在下面只给出一些用于说明本发明的例子。

为了更详细地解释本发明，最容易的办法是，假定一种漂浮的风轮机，其中浮体或基础由具有恒定直径的垂直的圆柱构成，如图3所示。通过调节浮力、重量以及重心的位置，能够使得这个系统处于谐振运动，实际上是围绕在吃水线和海床之间的一点的纯旋转运动(纵摇颠簸(pitch))。理论上，可以给出可能从波浪提取的能量的数量，并且证明最佳的是，使由于涡轮机的影响而产生的阻尼等于来自波浪的阻尼(当谐振时这是适用的)。图中所示的位于适度的水深中的系绳可以用在平台和海床之间的铰链连接代替。或者，可以使用更方便的链线锚固装置。

在谐振时可以从波浪提取的最大平均输出由下式给出：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{ex}}=3\frac{{\mathrm{rg}}^3{z}_A^2}{w^3}\frac{B_{55}^{\left(r\right)}{B}_t^{\left(r\right)}}{{(B_{55}^{\left(r\right)}+B_t^{\left(r\right)}+B_{\mathrm{add}}^{\left(r\right)})}^2}\frac{C_P}{C_T}$

其中γ是水的密度，g是重力加速度，ζ是波动的振幅(规则的单色波)，ω是波动的频率，在本例中其被假定等于纵摇颠簸的固有频率，B^(r) ₅₅是和纵摇颠簸运动的谐振膜有关的波动辐射阻尼，B^(r) _t是由于施加于涡轮机上的风力而产生的纵摇颠簸运动的阻尼，B^(r) _add是例如由于作用在塔上的风力和水的粘滞力而产生的附加阻尼。C_P和C_T分别是风轮机的功率系数和推力系数。由作用在涡轮机上的风力而产生的阻尼由下式给出：

$B_t^{\left(r\right)}=C_p{\mathrm{\ρ}}_a\mathrm{\π}{R}^2{(z_a-z_r)}^2{U}_w$

涡轮机的风功率系数C_P的理论最大值是16/27。C_T系数的相应的值是8/9。ρ_a是空气的密度，R是转子的直径，(z_a-z_r)是从转子的中心到纵摇颠簸运动的中心的距离，U_w是作用在转子上的风速。如果B^(r) _add＝0，B^(r) ₅₅＝B^(r) _t，则获得来自波动的最大理论效果。这个最大效果由下式给出：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{ex},\max }=\frac{3}{4}\frac{{\mathrm{rg}}^3{z}_A^2}{w^3}$

图4表示基于陆地的中等功率(600kW)的风轮机的典型的输出曲线。如图所示，这个风轮机只在大约15m/s及以上的风速下能够达到最大输出。基于海洋的风轮机通常被设计用于较高的风速。借助于有效地利用系统的动态性能，可以在小于大约15m/s的风速下提取更多的能量。

图5表示在各种风速下可以从涡轮机获得的附加输出的数量的一个特定的例子。虚线表示通过利用风力和波浪可以获得的输出。实线表示只利用风力时的输出。在这个例子中，基础的半径大约为7米，吃水深度为120米。涡轮机的转子的半径为40米。这相当于具有5MW的数量级的输出的海洋涡轮机。该系统具有大约为10秒的纵摇颠簸固有周期。在本例中，假定波动的振幅和风速成比例(在5m/s的风速下振幅为0.5米，在20m/s的风速下波动振幅增加到2米)，并且系统在大约10秒下以谐振方式震荡。

图6表示利用风力和波浪相对于只利用风力的输出的相对增加(黑实线)。在6m/s下，和只利用风力相比，当除去利用风力还利用波浪的能量时，获得25％以上的额外功率输出。长虚线表示相对于理论的最大值被提取的波浪功率的数量。关于其它的细节，请参见图6。在本例中，使用恒定(固定)的推力和功率系数。通过使用斜度(pitch)控制，可以增加功率。

从波浪提取能量的有利的双重效果是，系统的运动被减少。图7中示出了对于上述的系统每米的波动振幅的纵摇颠簸的响应角度。波动频率从0.02Hz变化到0.25Hz。使用15m/s的恒定的风速。黑实线表示在没有和风力的相互作用的情况下的响应，而虚线表示当具有相互作用时的响应。

应当理解，如权利要求限定的本发明不限于上述的如图3所示的解决方案。本发明的原理也适用于垂直圆柱之外的浮体的其它几何结构。

Claims (8)

1.一种用于安装海上风轮机的方法，所述风轮机包括：通过轴和发电机相连的叶片，其被转动地安装在塔上；以及呈浮体或船体的形式的位于所述塔下面的基础，所述塔被安装在所述基础上，其特征在于，所述方法包括：

通过锚固绳、系绳或链绳将所述浮体锚固到海床，以使得该浮体(6)自由地漂浮着；

通过调节风轮机的重心和/或锚固绳、系绳或链绳中的张力，而调节风轮机的谐振周期，以使得风轮机与波浪谐振地震荡；

借以作为波浪对所述浮体的作用的结果，风轮机的运动将充当对运动的阻尼机构，因而从波浪中提取能量。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

通过在浮体的水箱中注入或抽出镇定物来调节在纵摇颠簸时的风轮机的谐振周期。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

通过在浮体或塔中垂直移动液体或固体镇定物，来调节在纵摇颠簸时的风轮机的谐振周期。

4.如前面权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括：

控制风轮机的叶片的斜度，以达到合适的阻尼效果并由此从波浪中提取能量。

5.一种海上风轮机，包括：

通过轴和发电机相连的风轮机转子，该转子被转动地安装在塔上；

呈浮体的形式的位于塔下面的基础，所述的塔被安装在所述基础上；以及

锚固绳、系绳或链绳，其被连接到所述浮体以使得所述浮体可以沿垂直平面自由地运动；

其中风轮机的重心和/或锚固绳中的张力被调节，以便调节风轮机的谐振周期，以使得风轮机与波浪谐振地震荡；以及

借以作为波浪对所述浮体的作用的结果，风轮机的运动充当对运动的阻尼机构，因而能够从波浪中提取能量。

6.如权利要求5所述的海上风轮机，其中，所述浮体包括水箱，

以及所述风轮机的谐振周期能通过在水箱中注入或抽出镇定物而被调节。

7.如权利要求5所述的海上风轮机，还包括：设置在所述浮体或塔中的液体或固体镇定物，其中所述风轮机的谐振周期能通过在浮体或塔中垂直移动所述液体或固体镇定物而被调节。

8.如前面权利要求6-7中任一项所述的海上风轮机，其中，所述风轮机转子的叶片能够被调节，以便控制叶片的斜度。

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