[发明专利]利用爬升起重机的高风力涡轮机塔架的架设

说明书

相关申请

本申请是2015年5月28日提交的，题为“Tall Wind Turbine Tower Erection with Climbing Crane”的No.14/724,040号申请，以及2014年12月23日提交的，同样题为“Tall Wind Turbine Tower Erection with Climbing Crane”的No.14/580,471号申请的后续申请。本后续申请要求享有以上两个非临时申请的权益和优先权。这些申请以参考的方式被全部并入本文。本申请还要求2014年7月11日提交的，题为“Modular Wing-Shaped Tower Self-Erection for Increased Wind Turbine Hub Height”的No.62/023744号临时申请的权益和优先权。该No.62/023744号临时申请以参考的方式被全部并入本文。

发明背景

1.技术领域：

本发明涉及使用顺风方向上尺寸大于侧风方向的旋转塔架的发电风力涡轮机。所述塔架可以是模块化的，从而有利于运输和建造。它还可以使用固定的下塔架保持在下塔架顶部的旋转轴承，该旋转轴承支撑被定位在固定下塔架内且在下塔架上方延伸的旋转塔架的旋转。本发明的爬升起重机和建造方法也可以配合非旋转的高塔架一起使用。

2.现有技术

发电风力涡轮机的方案在现有技术中是已知的。大部分都要求建造通常是圆锥形设计的固定的悬臂式塔架，该塔架必须承受来自各个方向的风力负载。其他的塔架包括多支撑腿结构。转子和机舱通常在固定塔架的顶部上进行偏航。在早期技术中已知有限类的旋转塔架。

背景技术

本发明的塔架方案寻求通过在靠近地表的大气边界层区域中实现随高度而增大的风速来提高年发电量(AEP)。在地表附近，摩擦力以及热流与湍流混合效应会导致风速的快速变化。这些效应随高度的增加而减弱。

风速通常被假定采用幂次定律和陆上地点的风切变指数α＝1/7竖直地测量。这种简化的计算得出在轮毂高度从常见的80m增加到150m时，风速大约增加了10％的结论。在风流中的风速和风能之间是三次方关系的情况下，10％的速度增加使风力涡轮机输出在额定功率以内增加了大约1/3多，从而允许涡轮机在低10％的风速下达到额定功率。这种效应将产生更多的总能量，且将随时间的推移更均匀地传递能量，这两点对于风力发电设施而言都是有经济价值的。

在商用风力涡轮机发展的早期，塔架高度依今天的标准来看很低，相对小的转子被用于指定的涡轮机额定功率，这使得转子盘负载通常在400-500瓦/米2的范围内，容量因数(被达到的额定功率的平均值)在20％-30％的范围内。现在所使用的更高的塔架和更大的转子使得转子盘负载在200-300瓦/米2的范围内，容量因数通常超过40％。

高容量因数能更好地利用输电线路，使发电设施更长时间地并网，从电网的角度来看成为一种统计上更加可靠的能源。

通过接触距地面更高位置处的更强劲、更稳定、更可靠的风，引入更高的塔架还将强化这种长期趋势。尤其是在低风速的地点，额外的能量收益量很大，依据具体的地理条件通常能增加1/3至2/3。

开发空中有利风力的关键问题是传统塔架的重量和费用随高度的增加而按比例快速增加，塔架成本的增加能抵消所述的额外收益。美国专利7,891,939 B1和8,061,964 B2(它们以参考的方式被并入本文)的翼形旋转塔架降低了额外高度的成本负担。这是通过使其主强度与推力平面对齐的塔架旋转被实现的，因此通过在该平面内提供大尺寸减少材料的消耗，同时也降低了承载其他方向的负载的需求。

与150m或更高的特高塔架相关的另一个困难是能够大到足以将涡轮机和转子提升到这种塔架上的起重机非常少，它们非常昂贵，并且它们大到无法到达所有所需的风力现场。为了降低高塔架的成本，旋转翼形塔架通过爬升起重机组件在架设期间成为起重机，所述爬升起重机组件利用局部完工的旋转塔架将自己建造到完全高度、在塔架完成后提升涡轮机舱和转子到顶部。这解决了主要的成本问题，否则高塔架不太可能具备广泛使用的市场意义。