CN117693628A - 具有被容纳在塔架内的电解单元的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机(1)包括发电机(2)、基座(5)、机舱(6)、具有安装到基座(5)的第一端和支撑机舱(6)的第二端的塔架(4)、以及由发电机(2)供电以从输入流体(9)、特别是水来产生氢(6)的电解单元(3)，其中，电解单元(3)借助于电连接装置(7)被电联接到发电机(2)，其中，电解单元(3)被容纳在塔架(4)内。

Description

具有被容纳在塔架内的电解单元的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种具有被容纳在塔架内的电解单元的风力涡轮机。本发明还涉及一种借助于这种风力涡轮机产生氢的方法。

背景技术

风力涡轮机越来越多地用于产生电能。风力涡轮机通常包括塔架和安装在塔架上的机舱，毂附接到机舱。转子安装在毂处并且联接到发电机。多个叶片从转子延伸。叶片被定向成使得经过叶片的风转动转子，从而驱动发电机。因此，叶片的旋转能量被传递到发电机，发电机然后将机械能转换成电力并且将电力传递到电网。

风力涡轮机被放置在提供高风量的位置。这些位置可能是遥远的陆上位置或者是海上的离岸位置。为了输送电能，由风力涡轮机的发电机产生的电力行进到风电场的传输变电站，在这里电力被转换成通常在130-765kV之间的高电压，用于通过电力线在传输电网上进行长距离传输。传输电网将风电场的遥远位置连接到电网的变电站，该变电站将电力变换成与电网兼容的电压。

遥远风电场的问题在于，需要桥接风电场和电网的变电站之间的距离。需要长的电力线，而其具有非常高的安装成本。

风力涡轮机技术的当前发展倾向于增加风力涡轮机的尺寸，以便利用更长的叶片和更高的塔架来获取更多的风能。由于风力涡轮机的尺寸不断增大，更多的电力被供应到电网，其将从风电场被输送到电网的最近输入点。增加在长距离电力线上传输的电力会导致对电缆的更高要求和更高的成本。

为了减少由传输电网的电力线传递的能量的量或者完全避免使用长距离电力线，可以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力，并且借助于由风力涡轮机的电力的至少一部分驱动的电解单元产生氢。

电解单元是被构造成产生氢的电力至气体单元。因此，由风力涡轮机产生的能量可在电解过程中使用，以产生氢和氧。这些气体可以在以后用于在燃料电池中产生电能或用于生产化学品，例如氨或甲烷。从电解单元产生的气体可以通过使用管道或通过将气体加压到容器中来进行输送，这比直接在长距离电力线上输送电力更便宜。

从现有技术中，例如在文献US 5,592,028A中，已知电解单元与风力涡轮机组合使用，其中，多个电解槽被连接到风电场，并借助于由风力涡轮机的发电机产生的电力来产生氢。

电解单元通常安装在向大气开放的电解单元平台上。由于风力涡轮机位置的恶劣环境条件，电解单元的部件暴露于雨和污物，并且对于安装在海洋处的离岸风力涡轮机而言，暴露于盐。这导致部件的金属的快速腐蚀。为了防止腐蚀，所安装的风力涡轮机的部件通常被容纳在大容器中，所述部件包括暴露于大气的金属部件，例如安装在风力涡轮机的电解单元平台上的电解单元。然而，容器的使用增加了风力涡轮机的重量和材料成本，并且使得部件的维护困难。另外，在打开容器以检查和维护被容纳在内的部件的情况下，这些部件被暴露于大气。对于离岸风力涡轮机的情况，布置在电解单元平台上的电解单元还暴露于大气中的高的盐水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有电解单元的风力涡轮机，该电解单元被保护以免受恶劣天气条件和/或腐蚀性环境的影响，该风力涡轮机克服了现有技术中已知的问题。

这通过根据权利要求1的风力涡轮机和根据权利要求12的借助于风力涡轮机产生氢的方法来实现。

根据本发明，一种风力涡轮机包括发电机、基座、机舱、具有安装到基座的第一端和支撑机舱的第二端的塔架、以及由发电机供电以从输入流体特别是水来产生氢的电解单元，其中，电解单元借助于电连接装置被电联接到发电机。

发电机产生电力，并将所产生的电力的至少一部分供应给电解单元，因为这两个部件借助于电连接装置而电联接。

由于例如取决于天气条件和风水平的发电波动，难以预见风力涡轮机向电网或向能量存储装置的电力输出。通过使用由发电机产生的能量的一部分来产生氢，可以减轻波动。氢可以通过系统出口从风力涡轮机中取出，该系统出口联接到电解单元的输出。

因此，由发电机产生的能量的至少一部分可以用于为电解单元供电，使得电网不会由于波动的发电设施的发电峰值而过载。此外，如果发生了电网的输出的问题，则电力可以被完全重新引导到电解单元，使得仅产生氢。所产生的氢通常为气态，其可以被压缩和/或与其它组分混合至更易于储存和/或运输的液态。

电解单元也可以是进行电解并产生其它气体的混合气体发生器。例如，电解单元可以对水和二氧化碳进行电解，以产生由氢和一氧化碳构成的混合气体。替代地，氢气可以与天然气混合，这增加了氢气的氢/碳比，并且使其火焰速度是压缩天然气的高达八倍。

电解单元用于从水产生氢。因此，风力涡轮机可以安装在水附近，即河流、湖泊或海洋处，并且电解单元可以使用该水作为电解单元的输入以产生氢和氧。还可以进一步处理氢并得到其它化合物，例如甲烷或氨。

根据本发明，电解单元被容纳在塔架内。将电解单元容纳在塔架内具有以下优点：塔架的封闭结构保护电解单元免受恶劣天气条件和腐蚀性环境的影响。由于电解单元所包括的电气和金属部件，电解单元对恶劣环境(例如雨水)非常敏感。

另外，对于风力涡轮机，特别是安装在海洋处的离岸风力涡轮机，在电解单元被容纳在塔架内的情况下，避免了持续暴露于含盐的开放大气，这种持续暴露极大地加速了腐蚀。通过将电解单元布置在塔架内，可以避免对保护电解单元的大容器的需要，所述电解单元例如是从安装在塔架外的电解单元平台上的电解单元已知的那些。

根据本发明的优选实施例，电解单元被容纳在塔架的上部中，特别是在塔架的上三分之一中。电解单元布置在该高度是有利的，因为电解单元放置得越高，空气中的盐和水含量越低，从而减少电解单元的部件的腐蚀。此外，电解单元布置在塔架处越高，发电机和电解单元之间的电连接装置越短，这降低了用于电力传输和用于控制设备的电缆的成本。由于发电机所产生的高电流，这种电缆具有高成本。因此，使用较短的电缆显著地降低了电气设备的成本。

根据本发明的另一优选实施例，电解单元从偏航轴承悬挂。电解单元可以布置在底板上或在偏航轴承处支撑电解单元的结构上。电解单元可由偏航轴承的联接到塔架的部件支撑或者由偏航轴承的联接到机舱的部件支撑。

根据本发明的另一优选实施例，电解单元可旋转地联接到机舱。这有利于避免电解单元和发电机之间的电连接装置的任何电缆扭转，因为这两个部件在偏航过程期间一起旋转。另外，用于电连接装置的电缆由于通过该电缆传输的高电流而已经具有高成本，因此如果电缆还需要承受扭转，则成本甚至会上升更多。

例如，电解单元可以从偏航轴承悬挂并且联接到机舱，而与此同时被容纳在塔架的上部中。由于这些特征的上述益处，这是特别有利的。

根据本发明的另一优选实施例，电解单元联接到塔架并由塔架支撑。即使用于电连接装置的电缆必须承受扭转，将电解单元直接联接在塔架处的益处是电解单元在偏航期间不旋转。对于敏感设备，这有利于避免任何损坏。另外，如果电解单元由塔架直接支撑，则流体供应连接装置和氢输出连接装置不需要承受扭转。

根据本发明的另一优选实施例，电连接装置足够长以允许在偏航期间机舱和塔架之间的相对运动。电连接装置的长度被选择成使得发电机和电解单元之间的相对运动不会压迫和损坏连接这两个单元的电缆。用于电缆的支撑件可以布置在塔架处，使得电缆不接触地面并且避免踩在电缆上的任何伤害。

根据本发明的另一优选实施例，电解单元被支撑在底板上。电解单元可以被支撑在多个底板上。底板可以联接到塔架或联接到机舱。

根据本发明的另一优选实施例，所述风力涡轮机是竖立在水体中的离岸风力涡轮机。

电解单元用于从水产生氢。因此，风力涡轮机可以安装在水附近，并且水借助于流体供应组件被抽取。通过将涡轮机直接竖立在水体上，输入流体不必被运输到风力涡轮机位置，因为其可在现场获得。在使用水进行电解之前可能需要对水进行适当的过滤和清洁。

根据本发明的另一优选实施例，风力涡轮机被构造为漂浮式风力涡轮机，其中，基座是漂浮式、半浸没式或浸没式基座平台。

基座是漂浮式、半浸没式或浸没式基座平台，其可以适用于深水。基座平台的类型可以从由漂浮体、张紧支腿平台TLP或半浸没式平台组成的组中选择。

基座平台可锚定到水下地面以限制漂浮式离岸风力涡轮机在水平方向上(即，在基本上平行于水面的方向上)的移动自由度。漂浮式离岸基座通常不具有固定的竖直位置以能够补偿海平面变化。为了锚定，可以使用至少一个缆索或链条，通常是多个链条、缆索或绳索，后者在航海环境中也被称为系泊设备。

根据本发明的另一优选实施例，所述风力涡轮机还包括流体供应组件，用于将输入流体从布置在水位下方的流体入口供应到电解单元，其中，流体入口包括在水位下方的基座中的或塔架中的开口，输入流体通过该开口被输送到电解单元。

因此，流体供应组件例如借助于泵并且通过流体入口和电解单元之间的流体连接装置将输入流体从被构造成布置在水位下方的流体入口供应到布置在水位上方的电解单元，该泵被构造成从水体泵送输入流体。

水借助于流体供应组件被抽取。

因此，基座或塔架具有开口或孔以收集水。考虑到水的潮汐运动，开口在基座处或在塔架处的位置应当被选择成使得开口总是浸没在水位下方。

根据本发明的另一个优选实施例，基座是诸如单桩的地基。

基座是可以适用于浅水和/或中等深度的水(例如沿海水中)的地基。

地基的类型可以从由单桩地基、外套框架地基、三脚架地基、重力基座地基、抽吸桶结构、管状桁架地基或三桩基座组成的组中选择。

因此，离岸风力涡轮机借助于地基连接到海床或水体的床。

根据本发明的另一优选实施例，在塔架处产生过压以避免任何氢气积聚。这有利于避免塔架内存在任何爆炸性气体混合物，爆炸性气体混合物可能导致工人严重受伤和设备损坏。

本发明的又一方面涉及一种借助于根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机产生氢的方法，所述方法包括以下步骤：将电力从发电机供应到被容纳在塔架内的电解单元以产生氢。

附图说明

为了便于理解本发明的特征并且作为本说明书的组成部分，附上了一些附图页，具有说明性而非限制性特征的图在其上，以下被呈现：

图1示出了现有技术中已知的风力涡轮机的示意图，其包括平台和安装在平台上的电解单元。

图2示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机，其包括容纳在塔架内并且联接到塔架的电解单元。

图3示出了根据本发明的另一实施例的风力涡轮机，其包括容纳在塔架内并且从偏航轴承悬挂的电解单元。

具体实施方式

图1示出了现有技术中已知的风力涡轮机1的示意图，其包括电解单元平台32和安装在电解单元平台32上的电解单元3。

风力涡轮机1包括塔架4，叶片6可旋转地安装在塔架4的顶部上。风力涡轮机1还包括毂，毂连接到机舱6。多个叶片安装在毂上。毂连接到发电机2，并且借助于主轴承围绕转子轴线可旋转地安装。风力涡轮机1还包括电解单元平台32，电解单元3布置在该平台上，位于水位31上方。风力涡轮机1还包括基座5，塔架4安装在基座5上。基座5是安装到水体的底部的地基。

由发电机2产生的电力被完全传输到电解单元3，但是也可以将风力涡轮机1连接到电网并且将由发电机2产生的电力的一部分传输到电网。电解单元3包括脱盐单元11和电解装置12，以及脱盐单元11和电解装置12之间的流体连接装置，脱盐水14通过该流体连接装置被输送。电解装置12和脱盐单元11二者由发电机2供电，发电机2借助于电连接装置7被连接到这两个装置。

用于电解单元3的输入流体9是借助于泵24从风力涡轮机1的海中取出的盐水13。流体供应组件21借助于悬挂的软管将盐水13供应到电解单元3。软管从脱盐单元11悬挂到位于基座5外部的水体。盐水13通过流体入口23进入流体供应组件21并通过软管输送，这在流体入口23和形成电解单元3的一部分的脱盐单元11之间形成流体连接装置22。流体入口23和泵24浸没在水位31下方以抽吸盐水13。

脱盐水14是电解装置12的输入流体9。电解装置具有氢输出部15，通过该氢输出部15抽取所产生的氢8。该氢输出部15连接到氢管道以在岸上输送氢8。替代地，可以将氢8填充在容器中并在岸上输送。

图2示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机1，其包括容纳在塔架4内并且联接到塔架4的电解单元3。

在该实施例中，风力涡轮机1是离岸风力涡轮机，其竖立在水体中并且包括其上安装有塔架4的基座5。基座5是安装到水体的底部的地基，例如单桩。

塔架4处的开口允许借助于流体供应组件21的泵24和设置在水位31下方的流体入口23来抽吸盐水13。穿过塔架4的流体连接装置22可以被形成为通道或管道。流体连接装置22在平行于塔架4的轴线的纵向方向上朝向风力涡轮机1的电解单元3延伸。

电解单元3被容纳在塔架4的上部中，特别是在塔架4的上三分之一中。将电解单元3布置在该高度是有利的，因为电解单元3放置得越高，空气中的盐和水含量越低，从而减少了电解单元3的部件的腐蚀。另外，将电解单元3布置在塔架4内增加了电解单元3的保护，使其免受可能损坏电气部件的恶劣天气条件(例如雨水)的影响。另外，持续暴露于含盐的开放大气加速了腐蚀，因此将电解单元3容纳在塔架4内有利于避免更快的腐蚀，在如现有技术中已知的被安装在电解单元平台32上的电解单元3的情况下，会存在更快的腐蚀。如果电解单元3被容纳在塔架4内，则可以避免需要大容器来保护电解单元3免受环境影响。

电解单元3被安装在两个底板41上。在较低的底板上安装脱盐单元11，脱盐单元11联接到流体供应组件21。在较高的底板上安装电解装置12，电解装置12联接到用于供应脱盐水14的脱盐单元11。电解装置12和脱盐单元11二者借助于电连接装置7被电联接到发电机2，其中，电连接装置7足够长以允许在偏航期间机舱6和塔架4之间的相对运动。这在偏航期间是有利的，因为发电机2旋转而电解单元3是静止的，因为电解单元3联接到塔架4。用于电连接装置7的支撑件布置在塔架4处，使得电缆不接触地面并且避免踩在电缆上的任何伤害。

由电解单元3产生的氢8被带到风力涡轮机1的氢输出部15，这可以通过管道或通道来实现。塔架4可以具有用于塔架4处的氢输出部15的第二开口，如该图所示，或者使用流体供应组件的已经给定的开口以用于氢输出部5。

图3示出了根据本发明的另一实施例的风力涡轮机1，其包括容纳在塔架4内并且从偏航轴承42悬挂的电解单元3。

在该图中示出了具有内偏航驱动器的偏航轴承42的截面图。偏航轴承42允许机舱6借助于多个滚动或滑动元件相对于塔架4旋转。在这种情况下，使用多个滑动元件。

电解单元3从偏航轴承42的联接到机舱6的部件悬挂，并且因此，电解单元3可旋转地连接到机舱6。电解单元3布置在底板41上。柔性软管可以用作流体供应组件21的流体连接装置22和/或用作电解单元3与氢输出部15的连接装置，因为在偏航期间，将发生电解单元3与塔架4和联接到塔架4的部件的相对运动。

附图标记列表

1风力涡轮机

2发电机

3电解单元

4塔架

5基座

6机舱

7电连接装置

8氢

9输入流体

11脱盐单元

12电解装置

13盐水

14脱盐水

15氢输出部

21流体供应组件

22流体连接装置

23流体入口

24泵

31水位

32电解单元平台

41底板

42偏航轴承。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机(1)，包括：

发电机(2)；

基座(5)；

机舱(6)；

塔架(4)，所述塔架(4)具有安装到所述基座(5)的第一端和支撑所述机舱(6)的第二端；以及

电解单元(3)，所述电解单元(3)由所述发电机(2)供电以从输入流体(9)、特别是水来产生氢(6)，

其中，所述电解单元(3)借助于电连接装置(7)被电联接到所述发电机(2)，

其特征在于，所述电解单元(3)被容纳在所述塔架(4)内。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述电解单元(3)被容纳在所述塔架(4)的上部中，特别是所述塔架(4)的上三分之一中。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述电解单元(3)从偏航轴承(42)悬挂。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述电解单元(3)可旋转地联接到所述机舱(6)。

5.根据权利要求1至3所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述电解单元(3)联接到所述塔架(4)并由所述塔架(4)支撑。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述电连接装置(7)足够长以允许在偏航期间所述机舱(6)和所述塔架(4)之间的相对运动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述电解单元(3)被支撑在底板(41)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述风力涡轮机(1)是竖立在水体中的离岸风力涡轮机。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述风力涡轮机(1)被构造为漂浮式风力涡轮机，其中，所述基座(5)是漂浮式、半浸没式或浸没式基座平台。

10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述风力涡轮机(1)还包括流体供应组件(21)，用于将所述输入流体(9)从布置在水位(31)下方的流体入口(23)供应到所述电解单元(3)，其中，所述流体入口(23)包括在所述水位(31)下方的所述基座(5)或所述塔架(4)中的开口，所述输入流体(9)通过所述开口被输送到所述电解单元(3)。

11.根据权利要求1至8所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述基座(5)是地基(34)，例如单桩。

12.借助于根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)来产生氢的方法，所述方法包括以下步骤：将电力从所述发电机(2)供应到被容纳在所述塔架(4)内的所述电解单元(3)以产生氢。