[发明专利]带浮动地基的局部变桨距风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，包括：

‐风力涡轮机塔架，其具有顶部和底部；

‐机舱，该机舱设置在风力涡轮机塔架顶部；

‐转子轮毂，该转子轮毂可转动地安装至机舱；

‐一片或更多风力涡轮机叶片，该叶片安装至转子轮毂，其中风力涡轮机叶片构成旋转平面；以及

‐浮动地基，该地基具有上部，设置为安装至风力涡轮机塔架的底部，其中该地基具有浮体，并设置为安装在具有预定水深的离岸位置。

本发明还涉及一种控制风力涡轮机的方法，包括一片或更多风力涡轮机叶片，该叶片安装至转子轮毂，该轮毂紧接着可旋转地安装至机舱，该机舱设置在风力涡轮机塔架的顶部，该塔架紧接着安装至具有浮体的浮动地基上，其中风力涡轮机叶片在平均风速大于第一风速时调整桨距角。

背景技术

众所周知，在岸上或离岸位置安装风力涡轮机，通常将风力涡轮机成组设置，使得风力涡轮机产生尽可能多的能量。近年来，风力涡轮机的高度和大小与这类大型风力涡轮机所能产生的功率输出一起提升了。由于功率输出与风力涡轮机叶片的大小和长度成正比，因此这些叶片的大小和长度以及风力涡轮机塔架的高度也增大了。现今，由于噪音限制和其他因素，对在离岸位置安置这类大型风力涡轮机提出了更高的要求。

离岸风力涡轮机一般安装在离岸地基（有时称为沿岸地基）上，该地基通过单极钻入海床或者依靠重物或三脚架地基固定至海床。然而，这类地基很贵而且只能用于40米或更浅的水深处。具有一个或三个浮力腔的浮动地基一般用于更深的水域；然而，这类浮动地基通常很贵，并且非常庞大笨重，因为它们需要为风力涡轮机提供稳定的平台。作用在旋转平面上风的推力（有时称为风推力或转子推力）取决于来风的密度，并且在决定这种浮动地基即浮动体的大小和重量时，这是一个重要的因素。

离岸风力涡轮机受制于风廓线，该风廓线与陆地的风廓线不同。离岸风廓线具有比陆上风廓线更恒定、更高速的平均风速。陆上风廓线经常遭遇风切变和湍流，这些降低了平均风速。此外，浮动地基还要承受洋流和海浪运动的推力以及作用在地基水下部分的静水推力。由于各种作用在该结构上的推力，风力涡轮机的倾斜或角旋转会导致风力涡轮机摇摆不定，这成为了风速超过10至14米/秒，例如12米/秒（也称为额定功率）时的主要问题。

失速调节型风力涡轮机容易受来风密度的影响，来风密度在冬夏之间会发生变化，并且在一定的风速的额定功率下，湍流会出现在叶片的上风侧，导致失速，并由此导致载荷量和振动量的增加。由于这类风力涡轮机作为离岸区域的技术方案是很大、重且贵的，因此不是优选技术方案。此外，风作用在这类风力涡轮机上的推力或载荷会影响额定功率的情况，这会导致风力涡轮机叶片周围出现湍流。这使得风力涡轮机承受显著的风暴载荷和应力，造成风力涡轮机失效。在极高风速或阵风的情况下，风力涡轮机承受的载荷和应力将成倍增加。这要求风力涡轮机建造或限定至足以承受这种高载荷和应力。为了达到国际电工委员会定义的等级要求，风力涡轮机生产商通常增加强化材料和/或增加该结构各部分的大小和强度。这随之增加了这类风力涡轮机的生产成本。这类风力涡轮机使得风力涡轮机的效率不受控。

用于离岸区域的桨距调节型风力涡轮机一般将整片风力涡轮机叶片调整桨距角以倾向或逆向风向，使得在额定功率情况下保持相对恒定的功率输出。当风力涡轮机叶片调整桨距角以至逆向风向时，作用在转子轮毂的推力减小，并当风力涡轮机叶片调整桨距角以倾向风向时，推力增大。这造成风力涡轮机相对该结构的重心重复地倾斜或成角度地旋转，当风力涡轮机安置在浮动地基时，这是一个重大的问题。当风力涡轮机朝向风倾斜时，会产生额外风，从而增加了击中旋转平面的相对风。当风力涡轮机向后倾斜离开风时，其会随风移动，从而减少击中旋转平面的相对风。这意味着，如果风力涡轮机安置在浮动地基，会看到击中风力涡轮机的相对风的重复变化，即使来风的风速是恒定的。这些风力涡轮机上的负面的阻尼振荡可具有显著的自我增强效果，这会翻倒该结构或引致该结构失效。