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 1A 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 1B 中。戴瑞斯型垂直轴 风力涡轮机 20 可具有如图 1B 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。
HAWT 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， HAWT 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 1A 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 1B 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， VAWT 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， VAWT 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 中找到。
HAWT 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14， 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 WO/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。 附图说明
图 1A 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 1B 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 一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， VAWT 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
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 10m 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 一同使用的便携式锚 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， VAWT 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， HAWT)。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， VAWT 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
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 VAWT 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 一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 一同使用。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 一同使用且与固定锚 848 一同使用， 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， VAWT 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.VAWT 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。