[发明专利]用于陆基和近海应用的减小轮廓的风力塔架系统

说明书

一种减小轮廓的风力塔架系统包括从基座竖直地向上延伸的细长圆柱形脊芯。涡轮机机舱安装在芯的顶端上。风力涡轮机叶片从机舱伸出。由芯支撑的多个轴向受载的管状臂围绕芯隔开，并通过连续切变翼或分立的支架组件与芯联接。管状臂和切变翼从所述基座向上延伸。管状臂可以被竖直或略微倾斜地设置；缆索可以替代管状臂；浮筒可以替代地面基座。能够支承大型涡轮机以利用高海拔处的强风的这种系统解决了现今庞大且昂贵的风力塔架的缺点，并且提供了更容易且更快制造、运输以及安装的非常高效且具有成本效益的风力塔架。

技术领域

本发明涉及高风力涡轮机塔架。

背景技术

存在这样的广泛共识，世界正朝着风能发电大幅扩张进发。根据美国能源信息管理局(EIA)，2010年风能源仅占美国总发电量的约2％。尽管如此，从2000年至2010年，美国由风产生的电力增长了十五倍以上。EIA报告称，在2013年美国风能超过总体美国电力容量的4％。许多人认为到2030年时，来自风能的电力供应将达到20％。

根据美国能源部，为了在风速较高的高海拔获得更多能源，风力塔架正变得更高。同时，为了降低单位成本，风力涡轮机逐渐变得更大更重，并且叶片变得更长。三角商业杂志报道，“2000年，叶片旋转的风力涡轮机达到了80米，并且到2012年，旋转叶片达到130米的高度。允许高度超过180米可能会是一种变革”。因此，以下考虑至关重要：

风能项目成本的主要组成部分投资于支承结构和基座的制造、运输以及安装。减少上层结构(superstructure)和基座系统的成本以及使得塔架到项目现场的安装和运输更方便，在使风能与其他能源相比更具竞争力的方面是必要的。

目前，最常见的风力塔架结构是锥形管构造：大直径的圆锥形塔架。其为庞大且昂贵的结构。随着塔架更高、涡轮机更大更重和叶片更长的趋势，现今塔架的直径将会继续变得更大，并且总成本急剧上升。现今塔架的制造、运输和架设成本将不成比例地增加，阻碍了风能设施的效率，并使现有的塔架结构越来越不可行。现今，在一些市场中，风力是有竞争力的能源形式。本文提出的创新解决了现今塔架的缺点，为风能成为更广阔市场中的主流能源提供了更大的优势。

根据美国能源部(DOE)2007-2012计划的报告，较高的风力涡轮机塔架由于风切变可以获得高速风(随着在地面之上的高度增加，风速增加)。然而，较高的塔架更昂贵，并且更难运输和架设。为了支承更高的塔架，涡轮机基部的直径通常必须增大。直径大于约4米的基部由于受道路容量、桥梁高度和公用设施线路高度的限制，导致运输成本飞涨。

到迄今安装的所有风力塔架，无论是锥形管还是锥形格栅结构，基本上为相同的基本结构系统：独立式竖直悬臂。多年来，格栅塔架结构一直用于输电线路和天线设施。一种或另一种形式的一些格栅塔架已被用于风力塔架设施。然而，目前最常见的风力塔架结构是锥形管，大直径的圆锥形塔架。其为庞大且昂贵的结构。当这种结构高于约80米时，这种结构的基部直径可超过4米。

塔架结构经受静态和动态力(主要是竖直力，诸如塔架、涡轮机以及叶片的自重)，并经受侧向力，诸如风力和地震力。然而，通常，侧向力驱动着风力塔架的设计。侧向力产生弯曲力矩并使塔架结构摆动。随着塔架变高并且涡轮机变大变重，弯曲力矩和摆动的量大大增加。

由于现今的独立式锥形管塔架结构变得过大，所以其变得极其昂贵，阻碍了风能作为替代能源的竞争力，从而使这种结构系统越来越不可行。为了防止风力塔架设施的成本急剧失控，迫切需要逆转现有塔架系统的局限性。

发明目的

本发明的目的在于提供一种简单的、结构有效且美观的风力涡轮机塔架。

本发明的目的还在于提供一种在制造、运输和安装方面具有成本效益的风力涡轮机塔架。

本发明的目的还在于提供一种可以达到高度并且适应高海拔处的强风的风力涡轮机塔架。