CN117128136A - 用于风力涡轮机的氢歧管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的氢歧管。本发明涉及一种风电场(20)，其包括多个风力涡轮机(1)，每个风力涡轮机(1)包括发电机(2)、机舱(6)和支撑机舱(6)的塔架(4)。风力涡轮机(1)中的至少两个中的每一个还包括：电解单元(3)，其电耦接到所述风力涡轮机(1)的发电机(2)，以产生氢气；及氢输出部(8)，其将产生的氢气从风力涡轮机(1)中向外输送。每个氢输出部(8)借助于歧管输入部(11)连接到歧管(10)，其中，歧管(10)布置在海平面(30)上方并且包括第一歧管输出部(12)，该第一歧管输出部构造成连接到第一氢管线(21)，以用于将由风电场(20)产生的氢气从风电场(20)中向外输送。

Description

用于风力涡轮机的氢歧管
技术领域
本发明涉及一种包括多个风力涡轮机的风电场。本发明还涉及多个风电场。
背景技术
风力涡轮机越来越多地被用于产生电能。风力涡轮机通常包括塔架和安装在塔架上的机舱，轮毂被附接到该机舱。转子被安装在该轮毂处并且耦接到发电机。多个叶片从该转子延伸。这些叶片以如下方式定向，即：使得越过叶片的风使转子转动，从而驱动发电机。因此，叶片的旋转能被传递到发电机，然后该发电机将机械能转化成电并将电传输到电网。
风力涡轮机被放置在提供高风量的位置处。这些位置可以是远程陆上位置或海上的离岸位置。对于电能的输送，由风力涡轮机的发电机产生的功率输送到风电场的输电变电站，在那里将其转换成通常在130-765kV之间的高压，以便通过电力线在输电网上长距离传输。输电网将风电场的远程位置连接到电网的变电站，该变电站将电转换成与电网兼容的电压。
远程风电场的一个问题在于需要跨越(bridge)风电场与电网的变电站之间的距离。需要具有非常高的安装成本的长电力线。
风力涡轮机的技术的当前发展趋向于增加风力涡轮机的尺寸以便收集更多的风能，而具有更长的叶片和更高的塔架。由于风力涡轮机的尺寸不断增加，更多的功率被提供给电网，这些功率将从风电场输送到最近的电网输入点。增加通过长距离电力线传送的功率导致对电缆的更高要求和更高的成本。
为了减少由输电网的电力线传送的能量或者完全避免使用长距离电力线，可在风力涡轮机附近安装电解单元。包括电解单元的风力涡轮机借助于发电机产生电功率，并且借助于由风力涡轮机的至少一部分功率驱动的电解单元来产生氢气。
电解单元是构造成产生氢气的电转气(power-to-gas)单元。因此，由风力涡轮机产生的能量可用于电解过程中，以产生氢气和氧气。这些气体随后可用于在燃料电池中产生电能或产生化学品，例如氨或甲烷。来自该电解单元的产生气体可通过使用管线或者通过将气体加压到容器中来输送，这比直接通过长距离电力线传输电更便宜。氢气的输送，特别是在管线系统中的输送，比直接将电输送到岸要便宜。
因此，需要为由风力涡轮机产生的氢气到达期望的目的地提供安全的输送系统。
将电解单元与风力涡轮机相结合使用从现有技术中是已知的，例如在文献US 5,592,028 A中，其中多个电解池(electrolysis cell)被连接到风电场，并且借助于风力涡轮机的发电机所产生的电来产生氢气。类似地，文献WO 2020/095012 A1描述了一种用于大规模生产氢气的离岸风力涡轮机系统，其包括具有脱盐单元和电解单元的浮塔结构。
在海上，各自包括电解单元的多个风力涡轮机被布置在风电场中。这些风力涡轮机的电解单元并联地连接到氢管线，以用于将产生的氢气输出到期望的位置，通常为陆上位置。管线与电解单元的输出的这种连接是在海底完成的。
这种类型的在海平面以下的连接使得维护和修理任务变得困难，因为氢气收集器不容易接近。另外，盐水和海洋生长物(marine growth)会导致耦接的快速劣化。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种风电场，其具有风力涡轮机的电解单元的氢输出与氢管线的改进连接。
这通过根据权利要求1的风电场以及根据权利要求15的多个风电场来实现。
根据本发明，一种风电场包括多个风力涡轮机。每个风力涡轮机包括发电机、机舱和支撑机舱的塔架。
该塔架具有安装到风力涡轮机的基座的第一端和支撑机舱的第二端。
根据本发明，所述风力涡轮机中的至少两个中的每一个还包括：电解单元，其电耦接到所述风力涡轮机的发电机，以用于产生氢气；以及氢输出部，其用于将产生的氢气从所述风力涡轮机中向外输送。
借助于由风力涡轮机的发电机产生的能量，从输入流体、特别是水产生氢气。
因此，发电机产生电功率并向电解单元供应所产生的功率的至少一部分，因为这两个部件电耦接。
由于功率产生的波动，这例如取决于天气条件和风力水平，难以预见风力涡轮机向电网或储能装置的功率输出。通过使用由发电机产生的部分能量来产生氢气，可减轻波动。氢气可通过系统出口或耦接到电解单元的输出的氢输出部而从风力涡轮机中取出。
因此，由发电机产生的至少一部分能量可用于为电解单元供电，使得电网不会因波动的发电设施的功率产生峰值而过载。另外，如果对电网的输出出现问题，则可将功率完全重定向到电解单元，使得仅产生氢气。所产生的氢气通常呈气态，其可被压缩和/或与其他组分混合成更易于储存和/或输送的液态。
该电解单元也可以是执行电解并产生其他气体的混合气体发生器。例如，电解单元可对水和二氧化碳执行电解，以产生由氢气和一氧化碳制成的混合气体。可替代地，氢气可与天然气混合，这增加了氢气的氢/碳比，并且使其火焰速度高达压缩天然气的八倍。
电解单元可被收容在例如容器的壳体中。该电解单元的壳体可为容器。由于风力涡轮机位置的恶劣环境条件，电解单元的部件会暴露于雨水和污垢，以及对于安装在海洋处的海上风力涡轮机会暴露于盐。这导致部件的金属的快速腐蚀。为了防止腐蚀，所安装的包括暴露于大气的金属部分的风力涡轮机的部件，例如安装在风力涡轮机的平台上的电解单元，通常被收容在容器中。
根据本发明，每个氢输出部借助于歧管输入部连接到歧管，其中，所述歧管被布置在海平面上方，并且包括第一歧管输出部，所述第一歧管输出部构造成连接到第一氢管线，以用于将由所述风电场产生的氢气从所述风电场中向外输送。
通过使歧管布置在海平面上方，可保护每个风力涡轮机的氢输出部的耦接件免受盐水的恶劣腐蚀环境影响。该措施大大增加了氢耦接件的使用寿命，并使得修理或维护工作对于工人来说更容易，这是因为歧管容易接近。
歧管与每个风力涡轮机的氢输出部的连接可通过产生气体的风力涡轮机和歧管之间的分立气体管线来实现。
该歧管借助于第一歧管输出部来耦接到第一氢管线。
根据本发明的一个优选实施例，该歧管被布置在风力涡轮机中的一个处。
该歧管可被布置在产生气体的风力涡轮机处。可替代地，该歧管可被布置在不产生气体的风力涡轮机处，即没有电解单元的风力涡轮机处。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管被布置在风力涡轮机的平台处。
平台便利了维护和修理工作，这是因为技术人员可在平台上行走以便执行任务。该平台被安装在高于海平面的塔架处，这保护布置在该平台上的部件免受由于盐水引起的腐蚀。因此，该歧管可容易地接近并且受到保护以防腐蚀。
该平台可将电解单元的至少一部分支撑在水位以上。利用专用平台，与例如将电解单元安装在机舱上相比，可更容易地安装电解单元，并且可将电解单元的至少一部分保持在水位以上。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管被布置在风力涡轮机的塔架内。
将歧管布置在塔架内保护歧管的连接免受海上位置的恶劣环境条件以及携带盐水的盐分的风的影响。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管被布置在风力涡轮机的机舱处。
该歧管可被放置在机舱内，该机舱保护歧管的连接免受海上位置的恶劣环境条件和携带盐水的盐分的风的影响。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管被布置在风力涡轮机的基础处。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管被收容在例如容器的壳体中。由于风力涡轮机位置的恶劣环境条件，歧管的入口和出口会暴露于雨水和污垢，以及对于安装在海洋处的海上风力涡轮机会暴露于盐。这导致部件的金属的快速腐蚀。为了防止腐蚀，歧管可被收容在容器中。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管包括阀，该阀包括至少处于歧管输入部中的一个处的阀。
阀可开启和封闭风力涡轮机的氢输出部和歧管之间的氢流。例如在维护或修理任务期间，或者如果管线中存在阻塞或任何其他问题，可停止该流。
特别有利的是，在歧管的每一个歧管输入部处具有阀，以更好地控制通过歧管的氢流。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管包括处于第一歧管输出部处的阀。
例如在维护或修理任务期间，或者如果管线中存在阻塞或任何其他问题，该阀可阻止歧管和氢管线之间的流动。
根据本发明的另一个优选实施例，该阀为止回阀。
止回阀是一种单向阀，其在流动方向上没有流时会自动关闭，这防止氢气在其已通过止回阀的情况下返回到风力涡轮机。这有利于避免可能导致爆炸的压力积累。
根据本发明的另一个优选实施例，风电场还包括用于监测氢流的控制系统。
该控制系统可监测氢流，以例如检查是否存在泄漏，以及电解单元是否应关闭，以避免可能损伤风力涡轮机部件和工人的任何爆炸。该控制系统可监测歧管处或管线内的氢气的流动和压力。
根据本发明的另一个优选实施例，该歧管包括第二歧管输出部，该第二歧管输出部构造成连接到第二氢管线，以用于将由风电场产生的氢气从风电场中向外输送。
具有两个氢管线确保了在由于例如管线阻塞而发生故障的情况下，氢气仍可通过第二管线输出。这避免了氢气积聚在管线中和压力增加，这可能导致爆炸。
根据本发明的另一个优选实施例，所述多个风力涡轮机被布置在至少两个风力涡轮机阵列中，每个风力涡轮机阵列包括至少一个歧管，其中，每个风力涡轮机阵列的歧管借助于氢连接来耦接到至少另一个风力涡轮机阵列的歧管。
风力涡轮机阵列的歧管的互连具有如下优点，即：如果特定风力涡轮机阵列的一个管线由于例如阻塞而失效，则氢流可被转移到另一个歧管。因此，通过将该流转移通过操作中的风力涡轮机阵列，并且随后将氢气从风电场中向外输出，氢气仍然可通过另一个风力涡轮机阵列从风电场中向外输出。
根据本发明的另一个优选实施例，每个风力涡轮机阵列的歧管被直接连接到所述第一氢管线和/或任何另外的氢管线，以用于将由所述风电场产生的氢气从所述风电场中向外输送。
这对于在阻塞的情况下或由于维护原因而从每个歧管中向外高效提取氢气是特别有利的，并且其进一步减轻了由于积聚的氢气引起的爆炸风险。
本发明的又一方面涉及多个风电场，其中，每个风电场的歧管都借助于氢连接来耦接到至少另一个风电场的歧管。
附图说明
为了便于理解本发明的特征并作为本说明书的组成部分，附上一些附图，在这些附图上具有说明性而非限制性的附图标记，呈现了以下附图：
图1示出了根据本发明的第一实施例的包括连接到歧管的多个风力涡轮机的风电场。
图2示出了根据本发明的第二实施例的包括连接到歧管的多个风力涡轮机的另一风电场。
图3示出了根据本发明的另一实施例的包括连接到歧管的多个风力涡轮机的另一风电场。
图4示出了布置在风力涡轮机的平台处的歧管。
图5示出了根据本发明的一个实施例的多个互连的风力涡轮机阵列。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的多个互连的风力涡轮机阵列。
图7示出了根据本发明的另一个实施例的多个互连的风力涡轮机阵列。
具体实施方式
图1示出了包括多个风力涡轮机1的风电场20。这些风力涡轮机各自包括发电机2、机舱6和支撑机舱6的塔架4以及电解单元3和氢输出装置8，该电解单元3电耦接到发电机2，以用于产生氢气，该氢输出部8用于将产生的氢气从风力涡轮机中向外输送。
每个氢输出部8借助于歧管输入部11连接到歧管10，其中，该歧管10被布置在海平面30上方，并且包括第一歧管输出部12，该第一歧管输出部12构造成连接到第一氢管线21，以用于将由风电场20产生的氢气从风电场20中向外输送。
图2示出了根据本发明的第二实施例的另一个风电场20，其包括连接到歧管10的多个风力涡轮机1。除了本发明的第一实施例的特征之外，该图中所示的第二实施例还包括第二歧管输出部13，其构造成连接到第二氢管线22，以用于将由风电场20产生的氢气从风电场20中向外输送。
图3示出了根据本发明的另一实施例的另一个风电场20，其包括连接到歧管11的多个风力涡轮机1。该歧管11包括构造成连接到第一氢管线21的第一歧管输出部12。
图4示出了布置在风力涡轮机1的平台7处的歧管10，该歧管10包括多个歧管输入部11和第一歧管输出部12。
图5至图7示出了呈不同构造的多个互连的风力涡轮机阵列23。每个风力涡轮机阵列23的第一和第二歧管输出部12、13被连接到相邻的风力涡轮机阵列23或者连接到第一或第二氢管线21、22。
通过使每个风电场20的歧管10借助于氢连接来耦接到至少另一个风电场20的歧管10，可在多个风电场20的情况下实现与图5至图7中所示的连接类似的连接。
附图标记
1 风力涡轮机
2 发电机
3 电解单元
4 塔架
6 机舱
7 平台
8 氢输出部
10 岐管
11 歧管输入部
12 第一歧管输出部
13 第二歧管输出部
20 风电场
21 第一氢管线
22 第二氢管线
23 风力涡轮机阵列
30 海平面

Claims (15)

1.一种风电场(20)，包括多个风力涡轮机(1)，每个风力涡轮机(1)包括发电机(2)、机舱(6)和支撑所述机舱(6)的塔架(4)，
其中，所述风力涡轮机(1)中的至少两个中的每一个还包括：电解单元(3)，其电耦接到所述风力涡轮机(1)的所述发电机(2)，以用于产生氢气；以及氢输出部(8)，其用于将产生的氢气从所述风力涡轮机(1)中向外输送，
其特征在于，每个氢输出部(8)借助于歧管输入部(11)连接到歧管(10)，其中，所述歧管(10)被布置在海平面(30)上方，并且包括第一歧管输出部(12)，所述第一歧管输出部(12)构造成连接到第一氢管线(21)，以用于将由所述风电场(20)产生的氢气从所述风电场(20)中向外输送。
2.根据权利要求1所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)被布置在所述风力涡轮机(1)中的一个处。
3.根据权利要求2所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)被布置在所述风力涡轮机(1)的平台(7)处。
4.根据权利要求2所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)被布置在所述风力涡轮机(1)的所述塔架(4)内。
5.根据权利要求2所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)被布置在所述风力涡轮机(1)的所述机舱(6)处。
6.根据权利要求2所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)被布置在所述风力涡轮机(1)的基础处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)被收容在例如容器的壳体中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)包括至少处于所述歧管输入部(11)中的一个处的阀。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)包括处于所述第一歧管输出部(12)处的阀。
10.根据权利要求8或9所述的风电场(20)，其中，所述阀为止回阀。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，所述风电场(20)还包括用于监测氢流的控制系统。
12.根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，所述歧管(10)包括第二歧管输出部(13)，所述第二歧管输出部(13)构造成连接到第二氢管线(22)，以用于将由所述风电场(20)产生的氢气从所述风电场(20)中向外输送。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，所述多个风力涡轮机(1)被布置在至少两个风力涡轮机阵列(23)中，每个风力涡轮机阵列(23)包括至少一个歧管(10)，其中，每个风力涡轮机阵列(23)的所述歧管(10)借助于氢连接来耦接到至少另一个风力涡轮机阵列(23)的所述歧管(10)。
14.根据权利要求13所述的风电场(20)，其中，每个风力涡轮机阵列(23)的所述歧管(10)被直接连接到所述第一氢管线(21)和/或任何另外的氢管线，以用于将由所述风电场(20)产生的氢气从所述风电场(20)中向外输送。
15.多个根据前述权利要求中任一项所述的风电场(20)，其中，每个风电场(20)的歧管(10)都借助于氢连接来耦接到至少另一个风电场(20)的歧管(10)。
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