漂浮式风力发电站的制作方法
【专利摘要】本申请涉及一种改进的，尤其是更简单、更轻便、更具有机械稳定性以及更具有操作可靠性的能够漂浮的海上风力发电站(100)。所述发电站能够通过被构造为电力线与保持缆绳的组合的线缆(110)，而被连接至单个固定位置的锚定点(111)，使得该发电站能够以六个自由度运动，所述电力线以至少几乎不受载荷的方式被保持，所述保持缆绳吸收用于将所述风力发电站保持在所述锚定点而产生的所有机械力。联接器(112)布置在所述线缆与所述风力发电站之间的单个连接点(118)处，所述联接器由用于进行电连接的滑动联接器以及用于进行力的机械传递的转动联接器构造而成。所述风力发电站具有被构造为具有压载单元(102)和浮力单元(103)的半潜式平台的支撑单元(101)，尤其是浮体单元，并且所述风力发电站具有固定连接到所述支撑单元的支撑桅杆(104)，并具有固定布置在所述支撑桅杆上的机械舱(105)，所述机械舱具有至少一个转子(106)和至少一个发电机。在所述连接点与所述转子的基本竖直的旋转面之间形成最大可能的水平距离。
【专利说明】
漂浮式风力发电站
技术领域
[0001]本发明涉及一种可漂浮海上风力发电站，即涉及一种在外海域和/或内陆水域的岸外使用的风力发电站。【背景技术】
[0002]DE 20 2010 003 654 U1公开了一种用于生成电力的漂浮式风力发电站，该漂浮式风力发电站具有绕水平旋转轴线旋转的转子叶片。利用配备有多个外壳的筏上的铰接支架，来以铰接的方式布置由转子叶片驱动的电力发电机，其中，经由机械驱动的枢轴接头将发电机和铰接支架连接至筏，该枢轴接头绕水平枢轴操作。在该风力发电站的情况下，通过系船索将连接线缆和锚链固定至浮体的两个首舷，即将连接线缆和锚链划分为多个链或线缆。存在柔性线缆连接，该柔性线缆连接允许风力发电站自动定向至风或涌浪。这里，提供与浮体的可拆连接，以用于固定。连接线缆和锚链还被锚定至洋底的混凝土箱。柔性线缆连接允许风力发电站自动定向至风或涌浪。为了维护和维修，风力发电站被起重机拖入海港的码头，或者被拖入建立在陆地上的中央维护与维修车间，并且通过淹没浮体来将风力发电站置于陆地上。
[0003]文献DE 10 2009 040 648 A1公开了一种可漂浮海上风力发电站，其具有漂浮体、 以及在漂浮体上布置并具有桅杆的结构，在桅杆上以可旋转的方式安装有驱动发电机的至少一个转子。该文献还公开了经由多个链环和回转支承的、可漂浮海上风力发电站至混凝土锚墩的机械耦合，该混凝土锚墩沉在洋底并被称为地基。为了允许漂浮体绕地基进行畅通的旋转运动或回转运动，使得漂浮体的朝向能够匹配改变的风向，优选经由回转支承将这些链环固定到地基。这里，漂浮体的旋转运动优选在没有附加驱动的情况下发生。由于地基上的枢轴点被布置在漂浮体之外，因此该发电站自动旋转到风中。地基优选为可漂浮、可淹没设计，因此能够以漂浮方式运输整个风力发电站。经由电缆和具有电源引线的另一回转支承，发生至海底线缆的电耦合。
[0004]根据文献DE 10 2009 040 648 A1，这里描述的桅杆具有水滴形横截面轮廓，该水滴形横截面轮廓造成了桅杆的一种支撑表面轮廓，这种支撑表面轮廓增大了与发生的弯曲力有关的稳定性。由于作用在转子叶片上的风压不能被完全转换为旋转运动，因此产生了必须被桅杆的结构吸收的相当大的弯曲载荷。通过水滴形横截面轮廓，其中横截面与桅杆的纵向延伸垂直定位，不仅能够实现桅杆的载荷最优化结构，而且能够减小作用在桅杆上的力。水滴形横截面轮廓减小了作用在桅杆上的风压，这使得能够将结构设计得更加细长轻便，或者能够使用更大的转子和发电机。此外，水滴形横截面轮廓结构导致了当风向改变时，漂浮体更加容易且快速地旋转到风中，因此，转子总是相对于风向而被最优定向，而无需复杂的附加调整。
[0005]根据文献DE 10 2009 040 648 A1，漂浮体还具有被椭圆形或水滴形套管包围的中心管，从而形成了中间空间。以与桅杆的情况类似的方式，套管提供了在流动方面有利且让人联想到机翼结构的轮廓。椭圆形套管或近似水滴形套管包围与静力学有关的中心管。可以通过泡沫材料，尤其是向套管提供适当的压力稳定性的封闭孔或尺寸稳定的跑沫，来填充中间空间。中心管被优选设计为可淹没的，因此风力发电站的漂浮水平能够适于各种条件。这里，以能够以漂浮方式将整个风力发电站拖到期望的使用位置的方式，来选择中心管的尺寸和漂浮体的尺寸。为了实现风力发电站的增大的稳定性，在使用位置处，风力发电站被锚定并被可选择地下降。这里，优选的下降深度为水面下5至10米。此外，由此降低了波动和表层流的影响。为了提高风力发电站的水平，例如为了出于维护的目的而将风力发电站拖入海港，相反地，也可以再次掏空中心管。
[0006]发电机与桅杆上的转子一起布置。转子和发电机可以布置在桅杆的上端。原则上， 也可以不将发电机直接布置在转子上，而将发电机置于桅杆内部或者放在漂浮体上的不同位置。然后，需要经由齿轮传动和传动元件为各发电机带来动能。布置在桅杆上被称为机舱中的发电机，能够被刚性固定到桅杆，因此无需发生经由旋转轴承的、转子和发电机到桅杆的复杂的旋转固定。这还降低了风力发电站的生产和维护成本。
[0007]文献DE 10 2010 040 887 A1公开了一种用于在水中支撑至少一个塔的漂浮设备，该漂浮设备具有漂浮式平板结构，以将该设备稳定在水面上，其中，通过该平板结构来支撑所述至少一个塔。该漂浮设备还包括至少一个压载物，该至少一个压载物以整个设备的重心位于平板结构的静水浮力点下方的方式，布置在平板结构下方，因此所述至少一个塔基本垂直于水面。平板结构用作漂浮体并与压载物相互作用。压载物还可以被构造为桥梁道碴槽。
[0008]文献DE 10 2010 040 887 A1描述了构件的旋转可能性彼此不同的实施例。这些实施例从无论如何都无法实现构件的轴向旋转的实施例，变化到如下实施例，在该实施例中，塔、塔的延伸部、压载物以及平板结构能够绕塔的纵轴进行轴向旋转。这引起了不同的运动可能性。此外，描述了不同的漂浮体形状，例如梯形、椭圆形、圆形和具有收敛点的半圆形。在这些形状中，梯形和具有收敛点的半圆形允许平板结构自动定向至风和/或至流，即水流。
[0009]文献DE 10 2010 040 887 A1还描述了通过风力发电站的平板结构、塔和/或转子的适当形状，能够实现如下效果:转子总是沿风向自动旋转。塔可以具有不同的形状，例如以水滴形的方式圆柱包裹的形状，因此，塔(随着转子)自动将自身置于风中。以上在可旋转塔变体的情况下均使用了这种特殊形状的塔，这是因为除了最小化风载荷之外，还导致了塔自身旋转到风中。
[0010]文献DE 10 2010 040 887 A1还描述了根据先张法预应力锚定可能性，可以完全在水面下对平板结构进行拉动和固定，或者作为半潜式平台而部分在水面下对平板结构进行拉动和固定，其中，压载物为整个单元带来了附加稳定。优选如下平板结构，该平板结构自身具有低重心，即，平板结构例如位于水下三分之二处。由此，平板结构更加稳定，并且减小了平板结构的摇摆或平板结构倾斜/翻到的风险。
[0011]文献DE 11 2011 100 405 T5展示了一种漂浮式风力发电机组，其包括附装到机舱的转子、与转子相连接的上支柱、在上支柱与下支柱之间布置的稳定舱、以及经由万向接头以可旋转的方式连接到下支柱的锚，该万向接头允许在所有方向上进行旋转，其中，稳定舱的浮力中心点相对于纵向中心轴偏心布置，该纵向中心轴贯穿上支柱和下支柱。具有转子的机舱被固定连接到上支柱。支柱的下锚定点区域中的回转支承与滑动环一起用于电连接，并且使得支柱和转子能够随风旋转而无需附加的机械力，并且在过程中使得转子能够位于支柱的背风处，滑动环布置在水位线正上方的支柱的横截面中。结果，产生自动自定向。由于例如在利勃海尔建筑起重机中使用的回转支承能够耐水/耐盐，并且能够长期在极端条件下使用，因此回转支承14可以方便地具有与这种回转支承相同的规格。回转支承和滑动环方便地具有如下结构，该结构防止在风力发电机组中从发电机向配电网下行的电缆的扭动，该发电机位于风力发电机组的下部的机舱中。[〇〇12] 根据文献DE 11 2011 100 405 T5,上支柱还具有水滴形或机翼形横截面，以避免转子的旋转区域中的漩涡，并确保支柱后面的最大层流。此外，存在压载系统，其中，上支柱和下支柱被划分为不同的室，各室经由各线路延伸到公共连接点，在该公共连接点处，供电线缆在辅助船与风力发电机组之间连接。稳定舱构成了同样经由独立线路连接至公共连接点的分离室。压载系统形成了具有压载舱和内腔的浮体。
[0013]文献DE 11 2011 100 405 T5描述了优选为无齿轮结构的水平轴式的风力发电机组。只有与其不同的结构(例如，发电机竖直布置在支柱中)才在机舱中具有齿轮传动，例如锥齿轮传动。无齿轮设计还构成了传统类型。
[0014] 文献EP 1 269 018 B1或者其作为DE 601 31 072 T2而刊登的译文公开了一种漂浮式海上风力发电站，其包括安装在漂浮式下部结构上的至少一个风车，该漂浮式下部结构包括至少两个具有舱的浮筒，其中所述至少一个风车具有安装在塔的上端的机房或机室，并且该下部结构通过连接件而被固定在海底或湖底。该下部结构包括至少两个舱、以及用于在舱之间或者在舱与环境之间转移液体的至少一个单元。在安装位置处，借助于锚将风车锚定到海底，利用锚缆或锚链将锚连接至下部结构。另外，锚链可以有利地配设有海底线缆。海底线缆将风车生成的电力传送至海底固定的线缆设备，生成的电力从该固定的线缆设备导向海岸。[〇〇15] 在文献EP 1 269 018 B1或者其作为DE 601 31 072 T2而刊登的译文中被称为优选的实施例中，机室被固定地锚定在塔上，并且风车不具有偏航机构。以海底的固定点作为旋转中心点，因此，风车仅借助于下部结构的偏航而偏航，由此导致了自动自定向。此外，在该文献中，根据风很少转向360度或更多的经验证明，海底线缆的变形、或锚缆的变形、或锚链的变形将不会成为问题。此外，塔在风向上比相对于风向横切的方向上更加细长。为了限制背风区，塔被构造为与机翼轮廓等的形状相对应的形状，这约束了轮廓并使该轮廓在风向上符合空气动力学。
[0016]文献DE 24 57 368 A1公开了一种具有转动联接器的空气软管。能够经由转动联接器将压缩空气工具连接至空气软管。这里，转动联接器包括内部连接体和外部连接体。空气软管被夹住并固定到内部连接体。外部连接体被拧入工具。内部连接体具有能够插入中空的外部连接体的管状的、向前的延伸部。外部连接体和内部连接体能够在无需相互分离的情况下相互扭动。结果，软管也能够在没有扭矩或压力被传递至软管的情况下相对于工具扭动。利用所述转动联接器避免了软管的任何弯曲、缠结或其他损坏。[〇〇17]文献DE 25 32 665 A1公开了一种具有卷绕设备的滑雪板回收线缆/带条/皮带系统。卷绕设备包括延伸线缆，利用两部分转动联接器将延伸线缆的一端与回收线缆的环相连接。转动联接器允许两条连接的线缆在彼此相反的方向绕线缆的纵轴扭动。
[0018]文献W0 02/073032公开了一种漂浮式海上风力发电站，其包括单点锚定系统、漂浮体和风力发电机组。该漂浮体由在洋面上的至少一个三角形浮体中布置的部分构成，并且在三角形的点处经由单点锚定系统而被锚定到洋底，从而总是将漂浮体保持在相对于风一致的朝向。塔锚单元被配置为单点锚定系统。所述塔锚单元具有转盘形式的塔，以漂浮体可绕塔的锚定点水平旋转的方式，通过轴承将该塔连接至刚臂。刚臂在漂浮体上的三角形的一个点处横向突出。通过多个锚链和锚将塔锚定在洋底。海底线缆经由塔而连接至漂浮体。
【发明内容】
[0019]问题、方案、优点
[0020]本发明处理如下问题:进一步改进所述类型的可漂浮海上风力发电站，尤其是将这种风力发电站配置为更简单、更轻便、更具有机械稳定性以及更具有操作可靠性。
[0021]通过包括以下特征的可漂浮海上风力发电站解决该问题。利用被设计为电力线与保持缆绳的组合的线缆，能够将风力发电站连接至锚定点，从而可以以六个自由度运动，以至少几乎不受载荷的方式保持电力线，保持缆绳至少基本吸收用于将风力发电站保持在单个按位置固定的锚定点而产生的所有机械力。在线缆与风力发电站之间的单个连接点处布置有联接器，该联接器由用于提供电连接的滑动联接器以及用于提供力的机械传递的转动联接器形成。风力发电站具有支撑单元，尤其是浮体单元，所述支撑单元被设计为具有压载单元和浮力单元的半潜式平台。此外，风力发电站具有固定连接到支撑单元的支撑桅杆，并具有固定布置在所述支撑桅杆上的机械舱，并具有至少一个转子和至少一个发电机。在连接点与转子的基本竖直的旋转面之间形成最大可能的水平距离。
[0022]原则上，可漂浮海上风力发电站相比于在水域(尤其是湖)的底部或在洋底的固定地基上建立的风力发电站，具有如下优点:能够省去易受环境影响的技术复杂且昂贵的地基结构。同时，整个风力发电站容易操作，即出于安装和移除以及维护和维修的目的，整个风力发电站能够容易地被从其使用位置移动到岸附近的位置(尤其是移动到海港等中)，并且相反地，在安装或维修之后，整个风力发电站能够被从海港移动到使用位置。仅该结构便导致了成本的显著降低，同时具有较高的操作备便并降低了环境干涉。
[0023]为了将风力发电站锚定在其使用位置，并且为了传递获得的电能，经由线缆将风力发电站连接至单个固定布置的锚定点，该锚定点固定在使用风力发电站的水域的底部的位置。以如下方式构造用作组合的电力线和保持线的线缆与单个连接点处的风力发电站之间的耦合:电滑动联接器被提供给电力传递，转动联接器被提供用于机械力传递。这种单个点处(即经由单个线缆的单个锚定点和单个连接点处)的连接或锚定，也被称为单点连接。该结构确保了风力发电站能够在由线缆在三个平动自由度的长度尺寸提供的可能性范围内移动，该三个平动自由度例如对应于使用位置处的笛卡尔坐标，也被称为X、Y、Z方向，并且由于允许绕三个空间轴(例如笛卡尔坐标系的三个轴，也被称为X轴、Y轴、Z轴)进行旋转，因此该结构确保了还附加提供了三个旋转自由度。因此，线缆与风力发电站之间的耦合允许风力发电站根据风和涌浪在总共6个自由度上进行完全自由运动，而无需强调由此能够发生的在类型和大小上不允许的线缆。尤其是，由于该结构，即使在风力发电站的任何平动和/或旋转运动的情况下，线缆既不会断裂也不会扭动。与锚缆或锚链的单独导向以及电连接线缆的单独导向相比，还提供了如下优点:将电连接与机械连接相组合的线缆，防止了在单独导向的情况下由于风力发电站的旋转运动而发生的扭动。
[0024]此外，线缆的设计用于以如下方式减轻线缆的敏感部分的载荷，并因此用于增大应激能力:以至少几乎不受载荷的方式保持所述线缆中包括的电力线，而保持缆绳至少基本吸收用于将风力发电站保持在风力发电站的单个按位置固定的锚定点而产生的所有机械力。利用该应变消除，电力线被附加保护免受损坏。
[0025]本发明提供压载单元和浮力单元，压载单元优选为压载舱，压载舱的填充能够适于风力发电站的重量、重量分布和操作条件，浮力单元尤其被构造为支撑单元(尤其是浮体结构)包括的或形成所述支撑单元的内腔。所述浮体结构优选形成半潜式平台。在水面下的操作期间，浮力单元下降一定程度，使得风力发电站在水中的位置尽可能稳定，即，使得在特定的倾斜中，风力发电站的俯仰和翻转被保持为最小。为此，支撑单元能够有利地被设计为大量布置压载舱的双层底。尤其是，压载舱被布置在支撑单元中尽可能深的位置，并且当被填充时，压载舱形成风力发电站的整个重量中尽可能高的重量部分。优选为风力发电站的整个重量的大约70%的重量部分。同时，浮力单元被布置在支撑单元中尽可能高的位置。总的来说，由此实现了如下效果:保持具有高支撑桅杆的风力发电站的结构的质量重心尽可能低。这与支撑单元的足够大的水平尺寸一起，产生了对抗由于风压和涌浪而作用在风力发电站上的倾斜力矩的大的恢复力矩，即使该力矩由可能不是来自于前方(即，至少几乎在转子的旋转轴线的方向出现)的风或涌浪而产生。结果，即使在不利的天气条件的情况下，例如在突然的风向转变或暴风雨的情况下，也会产生风力发电站在水中的稳定、安全的位置。
[0026]发电机与机械舱以固定的方式一起布置在支撑桅杆上，该机械舱形成了所述发电机的外壳。因此，由于整个风力发电站相对于风定向，因此无需大型、灵敏且非常昂贵的旋转轴承(也被称为偏航轴承)。这使得风力发电站更加轻便且机械方面非常稳定，有助于保持整个风力发电站的低的质量重心，并且避免了遭受高载荷的位置处(例如机械舱与支撑桅杆之间的连接)的磨损。另外，由于支撑桅杆固定连接至支撑单元，因此总体来说，出现了由支撑单元、支撑桅杆和机械舱构成的高度稳定的刚性结构单元。
[0027]此外，就如下事实而言，特殊的优点在于风力发电站到线缆的活结式耦合，该事实为，根据本发明的风力发电站被设计为在风前或有风的操作期间，利用风的力效应根据风向自动定向，即绕锚定点自动顺风回转。通过该方式，转子在风中总是最优，并因此获得尽可能高的功率产额。这里，该自定向在无需附加设备的情况下发生;尤其是，不需要被关注的并需要附加的结构开销和能量消耗的驱动或控制单元。例如与总是需要在朝向风(即，迎风)的操作期间，总是经由复杂的机械和控制设备，来定向的风力发电站相比，这是很大的优点。
[0028]优选地，还通过如下事实来促进所述风力发电站的自定向，该事实为在连接点与转子的基本竖直的旋转面之间形成尽可能高的水平距离。因此，距侧压力点(即作用在风吹过的表面上的风力的重心)尽可能远地进行线缆到风力发电站的固定。例如通过支撑桅杆或机械舱，但特别是通过转子且尤其是转子的转子叶片，来确定整个风力发电站的侧压力点。转子具有至少基本水平的旋转轴线，并且因此在转子的旋转期间，转子叶片基本上在至少基本竖直面中移动，该竖直面被称为转子的竖直旋转面。作用在转子上并基本上造就了执行自定向的力的风力的侧压力点，也位于所述面中。
[0029]通过连接点与作用在转子上的风力的侧压力点(即转子的基本竖直旋转面)之间的最远可能距离，形成尽可能高的水平距离，这导致了执行自定向的力的最大可能的杠杆臂，并且因此，所述力能够更好地抵消甚至可能的横向出现的水流，即尤其是洋流。然而，尤其通过保持风力发电站在水中的稳定位置，并因此尤其通过支撑单元的尺寸，限制了距离。
[0030]此外，为此，转子优先布置在机械舱上，尤其布置在机械舱在操作位置处的背风侦U。该结构增大了线缆到风力发电站在连接点处的固定点与风吹过的转子表面(即转子叶片)的侧压力点之间的距离，并因此促进了风力发电站根据风向的有效定向。
[0031]此外，支撑桅杆被有利地设置为弯曲直立，即相对于在操作期间作用的风向的垂线倾斜预定角度，并因此在转子的旋转轴线的方向倾斜预定角度。支撑桅杆的所述弯曲一方面提升了转子上的风压的侧压力点与风力发电站上风压的侧压力点之间的距离，另一方面提升了转子上的风压的侧压力点与线缆的连接点之间的距离。结果，支撑桅杆与转子之间的距离也变大，并因此在操作期间实现了转子上的更好的入射气流。
[0032]根据本发明的风力发电站的上述特征以特征组合的方式确保了，甚至在极其不利的天气条件或水流和涌浪下，风力发电站在操作期间也总是被自动定向，并且风力发电站甚至从严重倾斜中再次直立放置。
[0033]在从属权利要求中描绘了本发明的有利改进的特征。
[0034]根据本发明的有利改进，在风力发电站上万向悬挂具有滑动联接器和/或转动联接器的联接器。这里，联接器的各部件，即滑动联接器和转动联接器，能够具有单独的或者公共的万向悬架。通过该结构，实现了所有自由度的特别好的可移动性。
[0035]根据本发明的风力发电站的优选改进，在每种情况下支撑单元具有三个压载单元和三个浮力单元，其中，浮力单元至少几乎布置在三角平面图的角处，该三角平面图关于至少一个转子的旋转轴线至少基本对称，并且一个压载单元在每两个浮力单元之间延伸。这里，在风力发电站的顶视图中(即，从操作位置上方竖直)看到转子的旋转轴线相对于支撑单元的平面图的位置。以简单的方式构造支撑单元的至少基本三角形结构，并且该结构提供了较高的机械强度，即尺寸稳定性，这尤其是在海洋中的应用所需要的。另外，所述支撑单元的基本三角形结构提供了较高的水中位置稳定性。因此，总的来说，该结构优选于其他可能的设计。
[0036]在压载单元中，优选使用成本效益高且普遍可利用的水作为压载物。同样可使用优选具有较高比重的其他液体压载材料。液体压载材料还由于其简单的可操作性而有利。然而，也可以使用固体压载材料，或者压载单元可以在使用位置处包含固体压载元件(尤其作为主要重量)与用于填充或整理的液体压载材料的组合。这样，例如即使在浅水中，也允许移动风力发电站或者仅移动风力发电站与支撑单元连接的部分。根据本发明的风力发电站在不具有压载水(因此仅具有较低吃水)的情况下，移动到海港或造船厂。在使用位置处，根据本发明的风力发电站在使用条件下，利用压载水而具有较高吃水。
[0037]优选利用密封风量来形成浮力单元;也可以选择性地使用其他物质，优选为气体或气态物质。还可以实现利用多孔物质(优选为塑料泡沫)来至少部分填充浮力单元。这种多孔物质允许较高的安全度，以防止浮力单元中的渗漏。这里，还可以选择性地提供单个固体填料或针对后续整理操作可变的填料。
[0038]在上述特殊构造中，压载单元和浮力单元由此以即使在由于涌浪或特殊的风条件而倾斜的情况下也会发生风力发电站的自定向的方式，形成了支撑单元，尤其是浮体结构。
[0039]根据本发明的风力发电站的另一有利改进，浮力单元具有带有附加压载单元的双层底。所述附加压载单元优选被设计为压载水舱。因此，能够实现风力发电站的甚至更加灵活的结构、以及对使用条件的甚至更好的适应，尤其是在使用位置处甚至更好的整理。
[0040]在根据本发明的风力发电站的另一优选实施例中，支撑桅杆布置在相对于三角平面图居中的浮力单元上，该三角平面图关于至少一个转子的旋转轴线至少基本对称。该中心结构有益于风力发电站的简单、轻便、稳定的结构。这样，尽管桅杆高度很大，也能够实现非常短且直的支撑桅杆。此外，以简单的方式产生在风力发电站的顶视图中相对于转子的旋转轴线居中的有利的重心位置。
[0041 ]根据本发明的风力发电站的另一实施例，该风力发电站的特征在于，在每种情况下，至少一个(尤其是一个)支柱用于形成支撑桅杆与浮力单元之间的连接，该浮力单元在三角平面图中布置成侧向于旋转轴线，该三角平面图关于至少一个转子的旋转轴线至少基本对称。因此，支撑桅杆和支柱形成了尤其三腿结构，在每种情况下，各腿支撑在一个浮力单元上。在具有大量支柱和/或浮力单元的变型例中，多腿结构在各浮力单元上，或仅在选定数量的浮力单元上配设有一个或更多个支撑。该结构增大了整个风力发电站的机械强度，并且同时使得能够将支撑桅杆的重量以及整个风力发电站的质量重心，保持较低且在中心。此外，由此还能够以轻便稳定的方式实现支撑单元的结构。
[0042]在根据本发明的风力发电站的有利改进中，压载单元被设计为结构元件，该结构元件在风力发电站的操作状态下，被布置在水位线以下，在每种情况下，该结构元件连接至少两个浮力单元，并具有至少几乎水平的上侧和下侧。该结构有助于根据本发明的风力发电站即使在相对高的涌浪的情况下也具有稳定、稳固的位置。涌浪在风力发电站的漂浮结构上施加振荡的激振力，其中，通过波浪的大小和形状来确定该振荡的频率(激振频率)。压载物的高重量部分(例如压载水)以及压载单元的至少几乎水平的水下表面，为风力发电站的漂浮结构提供了较低的其在水中的振荡位置的固有频率，该固有频率比涌浪的激振频率低得多。结果，振荡的激振力仅对风力发电站产生了很小的影响，并且因此，风力发电站在涌浪期间最多执行很小的运动。
[0043]在根据本发明的风力发电站的另一实施例中，浮力单元具有小的水位线横截面。这里，通过操作状态下的、处于水位线水平的浮力单元的水平横截面面积，被称为水位线横截面。所述水位线横截面与处于水位线水平的浮力单元的比重一起，确定当浮力单元的浸没深度改变时由浮力单元引起的浮力的变化。换句话说，通过排出体积及密度(这里是水的密度)，根据阿基米德原理，产生浮力。因此，水位线横截面(也被称为水位线表面)越小，当浮力单元的浸没深度改变时浮力的变化越小。相反地，在涌浪期间浸没深度改变。然而，在水位线横截面小的情况下，仅导致了将风力发电站激励为振荡的浮力的较小改变，并因此仅导致了风力发电站在涌浪的情况下或由于涌浪而产生的较小运动。
[0044]反过来，另一方面，过小的水位线横截面表示，当浮力单元的浸没深度改变时，浮力的变化过小。这样，例如通过暴风雨期间风力发电站的倾斜而导致的浸没深度的变化，仅仅引起浮力的过小变化，并因此导致风力发电站上的用于自定向的力过小。
[0045]因此，在本发明的范围内，术语“小的水位线横截面”被理解为:在不产生风力发电站上的用于自定向的力的明显不利降低的情况下，被标定为尽可能小的水位线横截面，其中，通过浮力元件的几何形状和位置，例如通过在支撑单元中将浮力元件布置在外部尽可能远处，也能够抵消风力发电站上的力的所述降低的不利影响。
[0046]由于激振力到风力发电站的漂浮结构的传递，取决于水位线横截面的大小，并取决于由于涌浪而导致的出现或浸没深度，并且由于所述传递是不期望的，因此将水位线横截面选择为尽可能小。结果，激振力的传递被保持为低。而且，结果，风力发电站的固有频率被保持为低并且避免了共振的出现。由此，风力发电站不执行任何剧烈运动，而是稳固地位于水中。在尺寸示例的模拟计算中，已确定在浪高5.0m的情况下机械舱的加速度在0.4g以下，这对于例如北海中的条件是重要的。
[0047]根据本发明的风力发电站的另一有利实施例的特征在于，浮力单元和/或压载单元为流线型设计，尤其是在与至少一个转子的旋转轴线至少几乎平行的方向上成流线型。
[0048]由于风向和波浪方向一般不会明显相互不同，因此，针对至少一个转子的旋转轴线的方向上的流线型设计，已选择细长的水位线横截面，并且浮力单元的端面或压载单元的端面迎着风向和波浪方向(即，与风向和波浪方向相反)，从而利用尽可能小的力来分割湍急的涌浪。结果，降低了通过涌浪和/或水流而施加到线缆或保持缆绳的力、施加到风力发电站的联接器的力、以及施加到锚定点的力，并因此也降低了载荷以及所述结构元件断裂的风险。
[0049]根据本发明的风力发电站的另一优选实施例的特征在于，质量和浮力重心位置至少近似位于支撑单元的平面图(即，如从风力发电站的顶视图看去)的几何中心点。尤其是在三角平面图中布置三个浮力单元的结构的情况下，质量和浮力重心有利地至少近似中心布置，即布置在三角平面图的几何中心。此外，在质量和浮力重心的结构中，还有利地能够考虑至少一个转子的旋转轴线的方向(即，风力发电站的操作位置的风向)的风压，因此，甚至在相对高的风强度的情况下，尤其在暴风雨的情况下，风力发电站也不会不期望地急剧顺风倾斜。
[0050]为了风力发电站在水中的稳定位置，质量重心优选布置在浮力重心点下方。然而，在根据本发明的风力发电站的情况下，即使质量重心位于浮力重心上方，稳定位置仍能够保持在水中，并且在风力发电站倾斜的情况下，通过在背风侧浸没支撑单元较大程度而顺风移动浮力重心，并且通过支撑单元的结构(尤其是浮力单元)发生该移动，直到关于质量重心产生杠杆臂。因此产生如下力矩，该力矩导致将风力发电机从倾斜设置为直立。这里，出发点为仅移动移位重心。质量重心保留在其位置处。因此，产生了浮力向量与重量向量之间的距离，并因此也产生了设置直立力矩。
[0051]在根据本发明的风力发电站的另一优选实施例中，被设计为电力线和保持缆绳的组合的线缆在锚定点处能够连接至锚定设备。结果，到操作根据本发明的风力发电站的水域底部(例如洋底)的机械锚定、以及同时到所获得的电能的用户的电连接，经由锚设备简单有效地发生。
[0052]在根据本发明的风力发电站的另一优选实施例中，支撑桅杆具有以轮廓形状形成的横截面，尤其是以机翼状和/或水滴形轮廓形状形成的横截面。该结构的目的在于避免支撑桅杆后面的气流中的顶点，否则，转子叶片将由于该顶点而移动。尤其是，计划使用机翼状或水滴形轮廓。尤其优选使用具有“NACA轮廓”中的一个(S卩，二维标准横截面的机翼轮廓中的一个)的结构，该结构已被前“美国国家航空咨询委员会”开发用于设计飞机机翼。因此，与例如具有圆形轮廓的支撑桅杆的设计相比，特别有利的是，能够以简单的方式实现至少几乎无旋涡的气流。
[0053]另外，具有轮廓形状的风力发电站的支撑桅杆的结构，促使了风力发电站自定向到各风向，即顺风，这是因为以该轮廓的纵向延伸至少几乎在转子的旋转轴线方向的方式来布置该轮廓。因此，当气流以相对于纵向(并因此相对于旋转轴线)的直角入射在轮廓上时，在轮廓上(并因此在支撑桅杆上)产生的力，比当气流在旋转轴线方向入射时产生的力高很多。这增大了用于自定向的恢复力，同时减小了支撑桅杆在相对于风的最优操作朝向上的风压，也减小了锚定点，即线缆和联接器上的压力。
[0054]另外，具有轮廓形状的风力发电站的支撑桅杆的结构提供了如下优点:当相对于风进行最优定向时，该轮廓桅杆在主要载荷方向提供了最高的抵抗力矩，因此，用来标定该轮廓桅杆尺寸的壁厚度，例如比如下支撑桅杆的壁厚度小很多，该支撑桅杆具有圆形轮廓，并在各方向具有相同的抵抗力矩，并且因此必须在相对高的载荷在操作期间不会出现的载荷方向配置高的载荷力矩，因此该轮廓超尺寸并导致不必要的昂贵和沉重。
[0055]根据本发明的风力发电站的另一优选实施例，在至少一个转子与至少一个发电机之间无齿轮地形成了一种非刚性(non-positive)的能量传递连接。因此，该连接在转子与发电机之间不具有任何齿轮传动，而仅仅具有扭矩的至少基本刚性传递，这同样减小了维护费用，提升了长期操作期间的稳定性并减小了能量损失。
【附图说明】
[0056]附图中例示了本发明的示例性实施例，并且下面将更加详细地描述本发明的示例性实施例，其中，在所有的附图中，相同的附图标记被提供给相应的元件，并且省略所述元件的重复描述。在附图中:
[0057]图1以示意性立体图示的方式示出了根据本发明的风力发电站的示例，并且
[0058]图2示出了根据图1的风力发电站的示例的示意性侧视图。
【具体实施方式】
[0059]在两个附图中，通过附图标记100来表示根据本发明的可漂浮海上风力发电站的示例性实施例。所述海上风力发电站包括支撑单元101，支撑单元101尤其被构造为浮体单元并在每种情况下利用三个压载单元102和三个浮力单元103而形成。浮力单元103还优选在双层底中配备有压载舱。在每种情况下，浮力单元103布置在基本三角平面图的角处，并通过一个压载单元102相互连接。支撑桅杆104略微弯曲(S卩，向支撑单元101的基本三角平面图的中心倾斜)地布置在第一个浮力单元103上。机械舱105固定地(S卩，尤其是不可旋转地)布置到支撑桅杆104的上端。机械舱105包含发电机(未例示)，为了通过风力驱动该发电机，转子106被布置在支撑桅杆104(并因此机械舱105)的背风侧，转子106可绕旋转轴线117旋转，旋转轴线117至少基本水平定向在操作位置。转子106与发电机之间的非刚性的能量传递连接(同样未例示)优选为无齿轮设计。在支撑桅杆104的近似一半长度处，支柱107连接在两侧(每侧一个支柱)，支柱107的端侧连接至支撑桅杆104。在每种情况下，支柱107通过其相应另一端支撑在一个浮力单元103上。以此方式，通过支撑单元101、支撑桅杆104和支柱107形成了四面体形式的结构，当在水中漂浮时，所述结构提供了高机械强度以及稳定位置。还通过压载单元102与浮力单元103的相对结构产生当在水中漂浮时的稳定位置。另夕卜，通过箭头108指示所例示的风力发电站100在操作期间的背风侧，箭头108用符号表示了风力发电站100的操作期间的风向。
[0060]沿着剖面A-A，支撑桅杆104具有以轮廓形状形成的横截面，尤其是以机翼状和/或水滴形轮廓形状形成的横截面，在图2中的详细草图中，以附图标记109再现了该横截面。这里优选关于纵轴对称的所述轮廓形状提供了流线型设计，根据该流线型设计，当相对于风最优定向时，空气在不具有旋涡的情况下流动，并在主要载荷方向具有低的风阻和最大的抵抗力矩。结果，支撑桅杆104虽然很轻，但却被设计为能够承载极限载荷。这里，为了也实现周围具有低风阻、高强度以及低重量的最优流动，支柱107优选被配置为具有相同或基本相似的相应轮廓形状。结果，不仅增大了整个风力发电站的机械稳定性，而且确保了保持整个风力发电站的低的质量重心点以及低的风阻。
[0061]在操作期间，以支撑桅杆104在迎风侧、转子106在背风侧的方式，根据风向自动定向风力发电站100。由于在操作期间，风力发电站100在使用其的水域漂浮，因此通过整个风力发电站100在水上的相应旋转而发生该定向。为此，为了保持在操作位置(S卩，水域中的操作风力发电站的位置)，风力发电站可通过单个线缆110而连接至单个锚定点111，单个线缆110被设计为电力线与保持缆绳的组合，其中，联接器112布置在线缆110与风力发电站100之间的单个连接点118处，并且针对电连接，联接器112由滑动联接器形成，而针对力的机械传递，联接器112由转动联接器形成。针对联接器112的所述结构元件，使用本身已知的设计，因此总的来说，针对联接器112和线缆110，形成了简单可靠的设计。结果，通过转动联接器至少基本完全吸收了产生的机械力，因此保持滑动联接器免受由于将风力发电站保持在操作位置而产生的力的机械载荷。
[0062]例如通过水来形成压载单元102中容纳的压载物，但是也可以使用其他液体物质或至少部分固体压载物。在至少一些压载单元102中，为了获得风力发电站100的更好的整理能力，有利地进行例如划分为多个压载舱或固体压载元件与压载舱的组合等。例如，为了适应改变的天气条件(例如涌浪、风强度等)，还可以配置如下设备，利用该设备，在操作期间也能够实现压载物的整理。
[0063]为了产生所需的浮力，尤其是空气或其他气体，为了减小腐蚀而选择性地为惰性气体，布置在浮力单元103中。还能够利用气体泡沫(例如塑料泡沫)来选择性地至少部分填充浮力单元103，结果，提供了与损坏或其他渗漏有关的相对大的抵抗能力，并因此提供了防止下沉的较大的安全性。压载单元102和浮力单元103以其特定结构，形成了支撑单元101的结构，使得即使在由于涌浪或特殊风向而导致的严重倾斜的情况下，也能够发生风力发电站的自定向。因此，同样获得了防止风力发电站100的操作障碍、损坏或者甚至损失的高度安全性。
[0064]在所例示的风力发电站100中，压载单元102被设计为结构元件，在风力发电站100的操作状态下，压载单元102布置在水位线113下方，并具有至少近似水平的上侧114和下侧115，风力发电站在操作状态下被浸没到水位线113，并且如已经描述的，在每种情况下，压载单元102连接至少两个浮力单元103。至少近似水平的上侧114和下侧115为风力发电站100提供了风力发电站100在水中振荡(S卩，尤其风力发电站100在涌浪期间的翻转和俯仰运动)的较低的固有频率，并因此减小的所述运动。
[0065]浮力单元103具有小的水位线横截面，即处于水位线113水平的小的水平横截面面积。这减小了涌浪的浮力，该浮力在支撑单元101上激励了风力发电站100的振荡，并因此激励了由涌浪中的该浮力引起的运动。此外，尤其是浮力单元103以及有利地还有压载单元102是流线型设计，尤其在与转子106的旋转轴线117至少近似平行方向成流线型。为此，尤其是浮力单元103被构造为会聚到其端部区域的点，该端部区域与基本在操作位置出现的水流和气流指向相反。
[0066]总的来说，先前描述的具有压载单元102和浮力单元103的支撑单元101被设计为半潜式平台。
[0067]支撑单元101、支撑桅杆104、支柱107、以及机械舱105的流线型设计，导致了通过涌浪或水流、以及风力而施加到线缆110、联接器112以及锚定点111的力的减小，结果，首先，上述结构元件能够经受较小的压力，并且因此更好地免受故障，其次，上述结构元件能够是相对较轻且节省材料的设计。
[0068]在例示的风力发电站100的情况下，质量重心和浮力重心二者的位置有利地至少近似地位于支撑单元101的顶视图的几何中心点。这提供了防止风力发电站100在暴风雨或巨浪中倾斜时翻到的、尽可能定向独立的安全性。在建立重心时可以附加考虑风压;例如，通过根据风压以及由此风力发电站100的倾斜来再循环压载水，能够进行压载物的移动，从而总是在水中维持直线位置，即不发生倾斜的位置。
[0069 ]经由线缆110将风力发电站100在锚定点111处连接到锚设备116，线缆110被设计为电力线与保持缆绳的组合，经由锚设备116产生了风力发电站100在水域底部(尤其是洋底117)的机械锚定、以及到电能传输与分配网络的电连接二者。例如，通过混凝土元件，优选为在操作和锚定位置利用附加压载物(例如水或尤其为沙子)可填充的混凝土元件，来形成这种类型的锚设备116。替换混凝土元件，锚设备116还可以具有钢元件。
[0070]在尺寸示例中，风力发电站100具有以下尺寸:
[0071]?从支撑单元101的下侧(S卩，从压载元件102的下侧115)到转子106的旋转轴线117 的高度:H=105m;
[0072 ] ?水位线113与支撑单元1I的下侧(S卩，压载元件1 2的下侧115)之间的浸没深度:T = 6.50m;
[0073 ] ?连接到118 (即联接器112)与支撑单元1I的下侧(S卩，压载元件102的下侧115)之间的距离:K = 17.50m;
[0074]?支撑桅杆104的横截面109的轮廓厚度:D = 3.00m;
[0075]籲转子106的回转圆直径:DR= 154.00m;
[0076]?回转圆距支撑单元101的下侧(S卩，压载元件102的下侧115)的距离:HD =28.00m；
[0077]该距离在操作期间与回转圆距水位线113的距离21.50米相对应。
[0078]在另一尺寸示例中，风力发电站100具有与以上不同的以下尺寸，其中，其余尺寸相同:
[0079]?从压载元件102的下侧115到转子106的旋转轴线117的高度:H = 111.50m;
[0080]?水位线113与压载元件102的下侧115之间的浸没深度:T = 13.0Om;
[0081]?连接到118(即联接器112)与支撑单元101的下侧(S卩，压载元件102的下侧115)之间的距离:K = 24.00m;
[0082]?回转圆距支撑单元101的下侧(S卩，压载元件102的下侧115)的距离:HD =34.50mo
[0083]该后面的尺寸示例被表示为对于抵抗风和涌浪的稳定性尤其有利的。
[0084]出于完整性考虑，应当指出，并未精确地进行图1和图2中的例示，以针对根据本发明的风力发电站100的所有示例性实施例或尺寸示例进行度量。
[0085]附图标记列表
[0086]100可漂浮海上风力发电站
[0087]101支撑单元
[0088]102 101的压载单元
[0089]103 101的浮力单元
[0090]104支撑桅杆
[0091]105机械舱
[0092]106 转子
[0093]107 支柱
[0094]108箭头:风向
[0095]109 104的横截面(轮廓)
[0096]HO 线缆
[0097]111 110与116之间的锚定点
[0098]112联接器:滑动联接器(电)和转动联接器(机械)
[0099]113水位线
[0100]114 102 的上侧
[0101]115 102 的下侧
[0102]116锚设备
[0103]117 106的旋转轴线
[0104]118 100与110之间的连接点
[0105]A-A横截面109通过104的剖面
[0106]D 109的轮廓厚度
[0107]DR转子106的回转圆直径
[0108]H 117与115之间的高度
[0109]HD回转圆DR距支撑单元101的下侧的距离
[0110]K 112与115之间的距离
[0111]T 113与115之间的浸没深度
【主权项】
1.一种可漂浮海上风力发电站(100)，其包括以下特征:?所述风力发电站(100)能够通过线缆(110)连接至单个位置固定的锚定点(111)，从 而可以以六个自由度运动，所述线缆(110)被设计为电力线与保持缆绳的组合，所述电力线 以至少几乎不受载荷的方式被保持，所述保持缆绳至少基本吸收用于将所述风力发电站 (100)保持在所述锚定点(111)而产生的所有机械力，其中，联接器(112)布置在所述线缆 (110)与所述风力发电站(100)之间的单个连接点(118)处，所述联接器(112)由用于提供电 连接的滑动联接器以及用于提供力的机械传递的转动联接器形成；?所述风力发电站(100)具有支撑单元(101)，尤其是浮体单元，所述支撑单元(101)被 设计为具有压载单元(102)和浮力单元(103)的半潜式平台；?所述风力发电站(100)具有固定连接到所述支撑单元(101)的支撑桅杆(104)，并具 有固定布置在所述支撑桅杆上的机械舱(105)，并具有至少一个转子(106)和至少一个发电 机；?在所述连接点(118)与所述转子(106)的基本竖直的旋转面之间形成最大可能的水平距离。2.根据权利要求1所述的风力发电站(100)，其特征在于，具有滑动联接器和/或转动联 接器的所述联接器(112)被万向悬挂在所述风力发电站(100)上。3.根据权利要求1或2所述的风力发电站(100)，其特征在于，在每种情况下，所述支撑 单元(101)具有三个压载单元(102)和三个浮力单元(103)，其中，所述浮力单元(103)至少 几乎布置在三角平面图的角处，所述三角平面图关于所述至少一个转子(106)的旋转轴线 (117)至少基本对称，并且一个压载单元(102)在每两个浮力单元(103)之间延伸。4.根据权利要求3所述的风力发电站(100)，其特征在于，所述浮力单元(103)具有带有 附加压载单元的双层底。5.根据权利要求3或4所述的风力发电站(100)，其特征在于，所述支撑桅杆(104)布置 在相对于所述三角平面图居中的浮力单元(103)上，所述三角平面图关于所述至少一个转 子(106)的旋转轴线(117)至少基本对称。6.根据权利要求3、4或5所述的风力发电站(100)，其特征在于，在每种情况下，至少一 个，尤其是一个支柱(107)用于形成所述支撑桅杆(104)与在所述三角平面图中布置成侧向 于所述旋转轴线(117)的浮力单元(103)之间的连接，所述三角平面图关于所述至少一个转 子(106)的旋转轴线(117)至少基本对称。7.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，所述压 载单元(102)被设计为结构元件，所述结构元件在所述风力发电站(100)的操作状态下，被 布置在水位线(113)以下，在每种情况下，所述结构元件连接至少两个浮力单元(103)，并具 有至少几乎水平的上侧(114)和下侧(115)。8.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，所述浮 力单元(103)具有小的水位线横截面。9.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，所述浮 力单元(103)和/或所述压载单元(102)为流线型设计，尤其是在与所述至少一个转子(106) 的旋转轴线(117)至少几乎平行的方向上成流线型。10.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，质量和浮力重心位置至少几乎位于所述支撑单元(101)的平面图的几何中心点。11.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，被设 计为电力线和保持缆绳的组合的所述线缆(110)在所述锚定点(111)处能够连接至锚定设 备(116)012.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，所述 支撑桅杆(104)具有以轮廓形状形成的横截面(109)，尤其是以机翼状和/或水滴形轮廓形 状形成的横截面(109)。13.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的风力发电站(100)，其特征在于，在所 述至少一个转子(106)与所述至少一个发电机之间无齿轮地形成非刚性的能量传递连接。
【文档编号】B63B35/44GK105980704SQ201480064650
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年9月24日
【发明人】延斯·克鲁斯
【申请人】林霍夫海洋公司