TWI677624B - 離岸風力發電裝置以及離岸風力發電系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種離岸風力發電裝置，其包含一風機、複數個浮台以及複數個連接件。複數個浮台適於承載風機，每一浮台包含一本體以及一連接該本體之底部的底座，底座包含一配重結構。複數個連接件分別連接該複數個浮台。

Description

離岸風力發電裝置以及離岸風力發電系統

本發明係有關於一種發電裝置，特別是關於一種離岸風力發電裝置。

由於核能發電存在安全方面的疑慮，而傳統火力發電有產生空氣危害之缺點，因此發展乾淨且安全的再生能源發電系統是刻不容緩之事。再生能源包含太陽能發電、風力發電以及洋流發電等，其中由於風力來源以海面最為充分，因此風力發力電適於海岸線較長的地區，可降低取得風力來源的成本。

簡單來說，風力發電裝置一般包含一風力渦輪機(簡稱風機，wind turbine)，其主要是藉由空氣流動(即風)轉動葉片來發電。葉輪(rotor)為風力機轉換利用風能最重要的系統之一，其葉片鎖定於輪轂(hub)上，以共同構成葉輪。葉片受風吹之空氣動力作用(包括升力及阻力)繞軸旋轉，擷取風的動能轉動輪轂中的轉子，並經由轉子與輪轂中的定子的電磁轉換作用，進而轉換成有用的電能並加以儲存。

依照設置廠址分類，可分為陸上和海上風力發電裝置。海上風力發電裝置亦可簡單分為固定式和漂浮式兩種類型。其中，固定式海 上風力發電裝置係藉由基樁固定於海底，例如固定於水深較淺的大陸棚。由於遠海的水深過深，將基樁固定於海底的成本可能過高，故固定式海上風力發電裝置較不適合設置於離海岸較遠之地區。相較之下，漂浮式海上風力發電裝置不受到水深的限制，而可適合設置於離海岸較遠處。

習知漂浮式海上風力發電裝置主要是由鋼結構所製成，其製造成本相對過高，且在風力過強時，可能導致此種習知漂浮式海上風力發電裝置傾斜，甚至翻覆。

緣是，為解決上述問題，本發明一實施例提供一種離岸風力發電裝置，其包含一風機、複數個浮台以及複數個連接件。複數個浮台適於承載風機，每一浮台包含一本體以及一連接本體之底部的底座，底座包含一配重結構。複數個連接件分別連接複數個浮台。

本發明另一實施例提供一種離岸風力發電系統，其包含複數個離岸風力發電裝置，彼此相互連接，以整合所產生的電力，並加強個別發電裝置在海面漂浮的穩定度。

1‧‧‧風力發電裝置

2‧‧‧風機

3‧‧‧浮台

4‧‧‧連接件

5‧‧‧支撐台

7‧‧‧儲水槽

22‧‧‧塔架

24‧‧‧葉輪

26‧‧‧輪穀

28‧‧‧葉片

30‧‧‧本體

31‧‧‧底座

32‧‧‧側板

33‧‧‧頂板

34‧‧‧配重結構

35‧‧‧抗蝕層

36‧‧‧閥門

37‧‧‧隔牆

38‧‧‧隔板

39‧‧‧連通孔

42‧‧‧固定管

44‧‧‧固定管

46‧‧‧固定管

48‧‧‧固定管

49‧‧‧欄杆

52‧‧‧容置座

54‧‧‧連接管

56‧‧‧油壓缸

60‧‧‧伺服器

62‧‧‧纜架

64‧‧‧繫纜

66‧‧‧錨定結構

70‧‧‧風力偵測裝置

72‧‧‧管路

300‧‧‧第一空間

310‧‧‧內底面

330‧‧‧頂部容置空間

332‧‧‧頂面

334‧‧‧門

370‧‧‧子空間

A‧‧‧區域

圖1係為根據本發明一實施例之離岸風力發電裝置之立體示意圖；圖2係為圖1之離岸風力發電裝置位於海上的示意圖；圖3係為圖1之離岸風力發電裝置之浮台之內部示意圖；圖4係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置之浮台之內部示意圖；圖5係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置之浮台之內部示意 圖；圖6係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置之浮台之內部示意圖；圖7係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置之浮台之內部示意圖；圖8係為圖1之離岸風力發電裝置之的第一運作示意圖；圖9係為圖1之離岸風力發電裝置之的第二運作示意圖；圖10係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置之浮台之內部示意圖；圖11係為圖9之離岸風力發電裝置之的第一運作示意圖；及圖12係為圖9之離岸風力發電裝置之的第二運作示意圖。

為更清楚了解本創作之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作的申請專利範圍。

本發明的目的之一在於提供一種離岸風力發電裝置以及離岸風力發電系統，其成本較低，可以穩定地漂浮於海面，進而提升其發電效率。

請參考圖1以及圖2，其中圖1係為根據本發明一實施例之離岸風力發電裝置之立體示意圖，圖2係為圖1之離岸風力發電裝置位於海上的示意圖。

在本實施例中，一離岸風力發電裝置1包含一風機2、複數 個浮台3以及複數個連接件4。複數個浮台3適於飄浮於水面上。複數個連接件4分別連接浮台3，以使複數個浮台3彼此固定相連。在本實施例中，浮台3的數量為三個，以使浮台3形成三角形。風機2設置於浮台3之間，並分別連接浮台3。即，浮台3位於風機2之周圍。需要注意的是，單一離岸風力發電裝置1中浮台3的數目非用以限定本發明，在其他實施例中，浮台3可為四、五、六或七以上，以形成一多邊形。

在本實施例中，連接件4包含二平行之固定管42、44，係平行連接於二浮台3之間，以提供水平方向之支撐。而連接件4亦包含另二加勁件46、48，其一端連接浮台3，其另一端係傾斜地連接下方之固定管44。這樣加勁件46、48傾斜的設置可提供垂直方向之支撐。此外，連接件4設有欄杆49於固定管42上，工作人員可沿著固定管42上之欄杆49行走於二浮台3之間。

另，本實施例之離岸風力發電裝置1更可包含一支撐台5，用以支撐風機2，並連接至複數個浮台3。如此，風機2係藉由支撐台5連接浮台3。在本實施例中，支撐台5包含一容置座52以及複數個連接管54。容置座52用以容設風機2，連接管54之每一者之兩端分別樞設於容置座之上部以及浮台3之上部。另外，支撐台5更包含複數個油壓缸56，其相對兩端分別連接容置座52之底部以及複數個浮台3的上部。離岸風力發電裝置1更可包含一伺服器60、一風力偵測裝置70以及避雷針(未繪示)。伺服器60設置於離岸風力發電裝置1中，風力偵測裝置70可設置於浮台3上或其他位置。伺服器60藉由風力偵測裝置70所偵測到的風力及風向，以調整複數個浮台3每一者中的流體的量以調整複數個浮台3每一者的重量，進而平衡風力發電裝置1。伺服器60亦可藉由偵測到的風力及風向調 整複數個油壓缸56的伸縮量以調整風機2的傾斜角度。是以，離岸風力發電裝置1可以根據風力和風向的變化，可調整浮台3的相對位置，並可主動或被動調整油壓缸56，以調整風機2之位置，進而使風機2以最佳的位置和方位面向風以有效擷取風力，提升發電效率。此外，離岸風力發電裝置1更可包含一避雷針(未繪示)，其用以接收雷擊，避免雷擊損壞離岸風力發電裝置1，特別是離岸風力發電裝置1中的風機2。

請參閱圖2，在本實施例中，離岸風力發電裝置1更包含複數個纜架62、複數個繫纜64以及錨定結構66。纜架62固定地設置於浮台3上。繫纜64之一端分別設置於浮台3上，且纜架62可收納繫纜64於其內。繫纜64之另一端適於固定於一位於水底之錨定結構66。此外，繫纜64之長度可設計為大於水面至水底之最短距離，且錨定結構66之設置位置可位於離岸風力發電裝置1正投影於水底之區域外，故繫纜64係可以具有一預度之方式固定位於水面上之離岸風力發電裝置1，以使離岸風力發電裝置1可在一限定範圍內在水上漂浮移動。

請參閱圖1，風機2基本上可為一般習知之風力渦輪機組結構，其包含一塔架22以及一葉輪26。塔架22係插設於容置座52中，且塔架22之另一端連接葉輪24。葉輪24包含一輪穀26和複數個葉片28，輪穀26以可旋轉的方式連接至塔架22。葉片28分別自輪穀26的一側向外延伸。在本實施例中，葉片28的數目為三個。在其他實施例中，葉片28的數目可為1、2或4以上。葉片28的長度可為8公尺至125公尺，因此風機2之直徑最長可達到250公尺。一般來說，風機2的尺寸越大或葉片28的長度愈長，其發電之效率越加。舉例來說，當風機2之直徑達到250公尺時，其發電功率可達到20,000千瓦(KW)。。此外，風機2內可包含有一發 電機(未繪示)，當葉輪24擷取風力而轉動時，可驅使發電機中的轉子轉動並經由轉子與發電機中的定子的電磁轉換作用，進而轉換成而產生電能並加以儲存。

請參照圖1和圖3，其中圖3係為圖1之離岸風力發電裝置1之浮台3之內部示意圖。在本實施例中，複數個浮台3係可由預鑄鋼筋混凝土所製成，以形成預鑄式箱涵，其相較於習知主要由鋼構所製成的離岸風力發電裝置，結構相對簡單，且製造成本可大幅減少。其中，每一浮台3可包含一本體30以及一底座31。本體30為一空心結構，其內部可容納流體，例如水。底座31連接於本體30的底端。詳言之，本體30包含有複數個側板32以及一頂板33，側板32之每一之底部分別連接底座31，側板32再朝向頂板延伸連接，進而形成一空心結構。需要注意的是，底座31包含一配重結構34，其用以增加浮台3下部分之重量，以使浮台3之重心位於浮台3的下側，例如浮台3的底部。由於浮台3為空心結構，整體密度小，而體積大，同時由於浮台3之重心位於下方，進而相較於重心位於中心或上方的浮台3，本案重心位於下方之浮台3可以穩定地浮於水面上。在本實施例中，配重結構34為一板狀結構，其與側板32之底部之形狀對應，且本實施例之配重結構34係可與側板32之底部和本體30一體成型。藉由此空心結構，離岸風力發電裝置1可適於漂浮於水上，且不受水深的影響，得以設置於淺海區，亦或是深海區。

請參照圖4，其係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置1之浮台3之內部示意圖。在本發明中，浮台3可具有一頂部容置空間330，位於本體30相對於底座31之一側。頂部容置空間330內可容納機電設備，操作員可進入頂部容置空間330，對機電設備進行操作。亦或 是，頂部容置空間330可供操作人員置放其他工具和備品零件。此外，浮台3亦設有一相對於欄杆49之門334，其適於連通外界與頂部容置空間330，以供操作員進出於頂部容置空間330。

請參照圖5，其係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置1之浮台3之內部示意圖。在本實施例中，配重結構34包含複數個隔牆37，豎立於底座31之一內底面310上，且隔牆37彼此交錯。詳細來說，本實施例之隔牆37數目為二。隔牆37分別以橫向和縱向的方式(即彼此垂直的X軸以及Y軸)於相對之兩側板32之間延伸，並正交的方式相接於於底座31的中心處。在本實施例中，隔牆37定義出四個相隔開之子空間370。在本實施例中，隔牆37之高度約為本體30高度之六分之一至三分之一之間。

請參照圖6，其係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置1之浮台3之內部示意圖。在本實施例中，複數個隔牆37延伸至本體30之一頂面332，以將本體30內分隔成複數個第一空間300。詳細來說，隔牆37係可定義出相同體積之四個第一空間300。其中，第一空間300之每一內更包含複數個隔板38，豎立於底座31之內底面310上，並界定複數個子空間370於各第一空間300中。在本實施例中，第一空間300之每一內包含一沿著X軸以及沿著Y軸延伸之隔牆37，以彼此正交而形成四個子空間370，且隔牆37之高度大於隔板38之高度。換句話說，在本實施例中，隔牆37和隔板38係設置於底座31之內底面310上，且彼此正交或平行。如此，側牆和隔牆37係以二乘二之排列方式定義出四個第一空間300；側牆、隔牆37和隔板38係以四乘四的排列方式可共同定義出十六個子空間370。同時，本體30內之子空間370之數目係大於第一空間300之數 目。此外，在本實施例中，隔牆37以及隔板38其中至少一者具有一連通孔39，用以連通至少一相鄰之子空間370。如此，流體可經由連通孔39經由控制而流通於各子空間370和各第一空間300內。

請參照圖7，其係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置1之浮台3之內部示意圖。在本實施例中，四隔牆37延伸至本體30之一頂面332，且彼此交錯連接，以將本體30內分隔成九個第一空間300。每一第一空間300內更包含二個隔板38，豎立於底座31之內底面310上，並共同界定四個子空間370。如此，在本實施例中，隔牆37和隔板38定義出三十六個子空間370。同時，本體30內之第一空間300之數目係大於每一第一空間300內之子空間370之數目。此外，在本實施例中，隔牆37以及隔板其中至少一者具有一連通孔39，用以連通至少一相鄰之子空間370。如此，流體可經由連通孔39而流通於各子空間370和各第一空間300內。在本實施例中，舉例來說，浮台3之高度(沿Z軸)為20公尺，長和寬(沿X軸和Y軸)皆為10公尺，底座31的厚度(沿Z軸)為0.5公尺，隔板38的高度(沿Z軸)為1.5公尺，隔板38的厚度(沿X軸和Y軸)為0.5公尺，側牆的厚度(沿X軸和Y軸)為0.5公尺，浮台3之淨重為1534公噸。如此浮台3之結構，可有效抵擋16公噸/平行米(t/m²)之水壓。惟，上述配重結構34之結構和形狀非用以限定本發明，凡是可達成本案配重結構34之功效之結構，係皆屬於本案之範疇。舉例來說，在其他實施例中，隔牆37可僅延伸至側牆之中段且不延伸至頂部。在上述實施例中，本體30之形狀為長方體狀。然而，在其他實施例中，本體30可為圓柱狀、多邊形柱體、錐狀體、截頭圓錐形(未繪示)。

請參照圖8，其係為圖1之離岸風力發電裝置1之第一運作 示意圖。在本實施例中，複數個浮台3每一者包含至少一閥門36和泵(未繪示)，閥門36與外界連通，以用於以引入或排出流體(例如海水)。風力偵測裝置70藉由偵測到的風力及風向調整至少一閥門36引入或排出浮台3之每一的流體以調整浮台3之每一的重量，進而平衡風力發電裝置1。舉例來說，當風機2設置於浮台3上時，可引入流體至其他浮台3中，以使離岸風力發電裝置1於海上達成平衡。浮台3內部分之海水亦可藉由閥門36排出至海中，減輕浮台3之重量，以達成平衡。如此，當離岸風力發電裝置1運轉時，可使風機2穩定地設置於海面上，穩定地擷取風力。此外，浮台3之內壁面可塗佈一抗蝕層35，以防止海水或其他腐蝕性流體之侵蝕。

請參照圖9，其係為圖1之離岸風力發電裝置1之第二運作示意圖，其中離岸風力發電裝置1依據所偵測到的風速和洋流的狀況，將圖式右側之浮台3內之水位昇高，以使離岸風力發電裝置1在海面上達到平衡。然，上述風機2設置於浮台3之其中之一的方式非限定於本發明。

請參照圖10，其係為根據本發明另一實施例之離岸風力發電裝置1之浮台3之內部示意圖。在本實施例中，離岸風力發電裝置1係非利用上述圖8及9實施例中之閥門36引入或排出海水。在本實施例中，離岸風力發電裝置1更包含一儲水槽7，設置於風機2之下方並儲存淡水。儲水槽7經由管路72連通複數個浮台3之本體30之內部。如此，儲水槽7和浮台3共同形成一封閉的供水系統，如圖11所示，其為圖10之離岸風力發電裝置1之的第一運作示意圖。當需要改變浮台3內流體的水量時，浮台3可以從儲水槽7而經由管路72透過閥門(未顯示)引入或排出流體，以使浮台3之間的水位產生改變，如圖12所示，其係為圖9之離岸風力發電裝置1之的第二運作示意圖，其中儲水槽7的部分水經由導引至右側之浮台3中。是 以，本實施例之封閉式的供水系統，流體可藉由內部循環導引至各處，而不會接觸於外界(例如海水)，可提升浮台3內部的清潔。同時，相較於引入或排出海水之閥門36和泵，這種封閉的供水系統不需要強功率之泵，即可輕易使流體流通之所欲之位置。

另外，本案之一實施例可提供一種離岸風力發電系統，其包含複數個上述之離岸風力發電裝置1，可彼此相互連接以形成一串聯或併聯型之風場(wind farm)。其中，離岸風力發電裝置1之數目可根據實際之需求進行調整。

本文中的用語「一」或「一種」係用以敘述本創作之元件及成分。此術語僅為了敘述方便及給予本創作之基本觀念。此敘述應被理解為包括一種或至少一種，且除非明顯地另有所指，表示單數時亦包括複數。於申請專利範圍中和「包含」一詞一起使用時，該用語「一」可意謂一個或超過一個。此外，本文中的用語「或」其意同「及/或」。

除非另外規定，否則諸如「上方」、「下方」、「向上」、「左邊」、「右邊」、「向下」、「本體」、「底座」、「垂直」、「水平」、「側」、「較高」、「下部」、「上部」、「上方」、「下面」等空間描述係關於圖中所展示之方向加以指示。應理解，本文中所使用之空間描述僅出於說明之目的，且本文中所描述之結構之實際實施可以任何相對方向在空間上配置，此限制條件不會改變本發明實施例之優點。舉例來說，在一些實施例之描述中，提供「在」另一元件「上」之一元件可涵蓋前一元件直接在後一元件上(例如，與後一元件實體接觸)的狀況以及一或複數個介入元件位於前一元件與後一元件之間的狀況。

如本文中所使用，術語「大致」、「實質上」、「實質的」及「約」用以描述及考慮微小之變化。當與事件或情形結合使用時，該等術語可 意指事件或情形明確發生之情況以及事件或情形極近似於發生之情況。

以上所述之實施例僅係為說明本創作之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本創作之內容並據以實施，當不能以之限定本創作之專利範圍，依本創作所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本創作之專利範圍內。

Claims (17)

1. 一種離岸風力發電裝置，其包含：一風機；複數個浮台，位於該風機之周圍，並適於承載該風機，每一該等浮台包含：一本體，具有相對之一底部以及一頂面；以及一連接該本體之該底部的底座，該底座包含一配重結構，其中該配重結構包含複數個隔牆，豎立於該底座之一內底面上，該等隔牆彼此交錯，且該等隔牆延伸至該本體之該頂面，以將該本體內分隔成複數個第一空間，其中每一該等第一空間內更包含複數個隔板，該等隔板係豎立於該底座之該內底面上，並界定複數個子空間，且該等隔牆之高度大於該等隔板之高度；以及複數個連接件，分別連接該等浮台。
2. 如請求項1之離岸風力發電裝置，其中該等隔牆以及該等隔板其中至少一者具有一連通孔，用以連通至少一相鄰之該等子空間。
3. 如請求項1之離岸風力發電裝置，其中該等隔牆以及該等隔板彼此正交或平行。
4. 如請求項1之離岸風力發電裝置，其中該等第一空間之數目大於該等子空間之數目。
5. 如請求項1之離岸風力發電裝置，更包含一支撐台，用以支撐該風機，並連接於該等浮台。
6. 如請求項5之離岸風力發電裝置，其中該支撐台包含一容置座以及複數個連接管，該容置座用以容設該風機，該等連接管之每一之兩端分別樞設於該容置座以及該等浮台。
7. 如請求項6之離岸風力發電裝置，其中該支撐台更包含複數個油壓缸，其兩端分別連接該容置座以及該等浮台。
8. 如請求項5之離岸風力發電裝置，其中該等浮台的數量為三個，該等浮台形成三角形，該支撐台設置於該等浮台之間。
9. 如請求項1之離岸風力發電裝置，更包含複數個繫纜，其一端分別設置於該等浮台上，其另一端適於固定於一錨定結構。
10. 如請求項1之離岸風力發電裝置，其中該等複數個浮台係由預鑄鋼筋混凝土所製成。
11. 如請求項7之離岸風力發電裝置，其中該等浮台每一者包含至少一閥門與外界連通，用以引入或排出流體。
12. 如請求項11之離岸風力發電裝置，更包括一風力偵測裝置，設置於該離岸風力發電裝置中，藉由偵測到的風力及風向調整該至少一閥門引入或排出該等浮台每一者的流體的量以調整該等浮台每一者的重量，進而平衡該風力發電裝置。
13. 如請求項11之離岸風力發電裝置，更包括一伺服器，設置於該離岸風力發電裝置中，藉由偵測到的風力及風向調整該等油壓缸的伸縮量以調整該風機的傾斜角度。
14. 如請求項1之離岸風力發電裝置，更包含一儲水槽以及複數個連通管，該儲水槽藉由該等複數個連通管連通該等本體之內部。
15. 如請求項14之離岸風力發電裝置，其中該儲水槽設置於該風機之下方。
16. 如請求項14之離岸風力發電裝置，更包括多個支架，用以將該儲水槽固定於該等浮台。
17. 一種離岸風力發電系統，其包含：複數個如請求項1至16之任一所述之離岸風力發電裝置，彼此相互連接。