CN118434968A - 带有上塔架电解系统的风力涡轮机和控制该系统的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种风力涡轮机(1)，其包括塔架(2)、通过偏航系统可旋转地安装在塔架(2)上的机舱(3)和承载至少一个风力涡轮机叶片(5)的轮毂(4)。风力涡轮机(1)包括发电机(17)、与发电机(17)相连的交流/直流转换器(18)和与交流/直流转换器(18)的直流电输出相连的用于生产氢的电解系统(19)，电解系统(19)布置在风力涡轮机(1)的上塔架部分中。氢输送管线(8)与电解系统(19)相连，用于将电解系统(19)生产的氢从电解系统(19)中输送出去，氢输送管线(8)至少部分地在风力涡轮机(1)的上塔架部分和塔架(2)的下部分之间在塔架(2)的内部部分(7)中延伸。至少一个氢传感器(9)布置在塔架(2)的内部部分(7)中。

Description

带有上塔架电解系统的风力涡轮机和控制该系统的方法

技术领域

本发明涉及一种包括塔架、机舱和承载至少一个风力涡轮机叶片的轮毂的风力涡轮机。本发明的风力涡轮机还包括电解系统，该电解系统用于通过风力涡轮机生产的电力生成氢。本发明还涉及一种操作构成风力涡轮机的一部分的电解系统和氢输送管线的方法。

背景技术

随着例如使用风力涡轮机或光伏面板生产可再生电能的增加，有必要将生产的部分电能转换为其他类型的能源，这允许储存电能，以及允许将电能用于不适合使用电能的用途，如货轮、飞机、卡车等的燃料。这种电能转换有时被称为"电能转换为X"。

将电能转换为另一类型的能源的一种普遍方法是将电能应用于驱动电解系统，从而从水生产氢。氢随后可以被储存起来，可能是在通过管道或合适的输送容器输送到合适的储存位置之后。氢可直接用作燃料，也可用于生产其他合适的高能量含量产品，例如甲烷、乙醇或氨。

在应用风力涡轮机生产的电能通过电解生产氢时，电能通常被供应到中央设施(例如是变电站或所谓的"能源岛"的形式)，该中央设施接收来自若干风力涡轮机(如来自若干风电场)的电能。这就要求电能以交流电形式输送，以尽量减少输送过程中的损耗。因此，风力涡轮机通常设置有转换器(变流器)，其形式是与风力涡轮机的发电机相连的交流/直流转换器，与电网相连的直流/交流转换器，以及将交流/直流转换器和直流/交流转换器相互连接的直流链路。交流/直流转换器有时称为发电机侧转换器，直流/交流转换器有时称为电网侧转换器。电网侧转换器通常比发电机侧转换器更昂贵。

为了避免将电能从风力涡轮机输送到中央设施，期望的是将电解系统在本地定位在风力涡轮机处或风力涡轮机中。然而，如果氢逸出并出现在风力涡轮机的内部部件中，则会带来潜在的安全隐患。

发明内容

本发明实施例的一个目的是提供一种带有电解系统的风力涡轮机，其制造起来成本有效(经济)，并且操作安全。

本发明实施例的另一个目的是提供一种以成本有效且安全的方式操作构成风力涡轮机的一部分的电解系统和氢输送管线的方法。

根据第一方面，本发明提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架、通过偏航系统可旋转地安装在塔架上的机舱和承载至少一个风力涡轮机叶片的轮毂，该轮毂可旋转地安装在机舱上，该风力涡轮机还包括发电机、与发电机相连的交流/直流转换器和与交流/直流转换器的直流电输出相连的用于生产氢的电解系统，该电解系统布置在风力涡轮机的上塔架部分中，其中，风力涡轮机还包括与电解系统相连的氢输送管线，该氢输送管线用于将电解系统生产的氢从电解系统中输送出去，氢输送管线至少部分地在风力涡轮机的上塔架部分和塔架的下部分之间在塔架的内部部分中延伸，风力涡轮机还包括布置在塔架的内部部分中的至少一个氢传感器。

因此，根据第一方面，本发明提供了一种风力涡轮机，即一种能够从风中提取能量并将其转换为电能的结构。风力涡轮机包括塔架、可旋转地安装在塔架上的机舱和轮毂。塔架在底座部分(其与地基、单桩、过渡件或任何其他合适种类的结构相连，这些结构将风力涡轮机连接到其所在的位置)和与机舱相连的上部分之间延伸。

轮毂承载至少一个风力涡轮机叶片，并可旋转地安装在机舱上。因此，作用在风力涡轮机叶片上的风会使轮毂旋转，风力涡轮机叶片也会随之旋转。轮毂和风力涡轮机叶片构成转子。

机舱通过偏航系统安装在塔架上，从而允许机舱相对于塔架旋转，以便使转子相对于来风的方向适当对准。如果风力涡轮机是逆风向风力涡轮机，偏航系统进行操作以将转子引向来风。如果风力涡轮机是顺风向风力涡轮机，偏航系统进行操作以将转子引向与来风方向相反的方向。

风力涡轮机还包括发电机，其可操作地与旋转轮毂相连(可选地通过齿轮装置)，用于从轮毂的旋转移动生成电能。交流/直流转换器与发电机相连，用于生产氢的电解系统与交流/直流转换器的直流电输出相连。交流/直流转换器有时也被称为整流器。因此，电解系统构成了风力涡轮机的一部分。交流/直流转换器将发电机生产的交流电转换为直流电，直流电被直接供应给电解系统。这样，电解系统就可以靠近(例如在小于5-20米内)电能源布置，而无需将直流电转换成具有合适的电网顺应频率的交流电来将电能在远距离上输送到中央设施，特别是无需要求所生产的电能遵循其他严格的电网质量要求。因此，可以省去直流/交流转换器，从而节省制造成本。此外，还避免了或减少了使用过程中因电力转换和输送而造成的电力损耗。

电解系统布置在风力涡轮机的上塔架部分中。在本背景中，术语"上塔架部分"应解释为是指风力涡轮机位于塔架顶部处或附近，因此靠近发电机(其通常布置在机舱中)的部分。因此，风力涡轮机的上塔架部分可以位于机舱内、位于安装在机舱上的隔舱中、位于塔架内或安装在紧靠机舱下方的塔架外表面上，例如，在叶片与塔架的间隙足以为这种隔舱留出安全空间的情况下，位于塔架的上1/4。因此，氢的生产是在风力涡轮机的上塔架部分进行的，因此与塔架的底座部分有一定的距离。

氢可以作为氢气输送，或者氢可以在输送前在塔架上转换为另一种能量载体，例如氨、甲醇、乙醇，或并入液态有机氢载体(LOHC)中。因此，在本发明的背景中，氢既指氢气，也指并入另一种能量载体或液态有机氢载体中的氢。本文公开的各种实施例的大多数优点涉及氢气和并入氨、乙醇或LOHC中的氢。然而，有些优点只涉及氢气或对氢气特别有利，因此氢优选地是氢气的形式。

风力涡轮机还包括与电解系统相连的氢输送管线，氢输送管线用于将电解系统生产的氢从电解系统中输送出去，例如输送到管道、合适的储存罐等。氢输送管线至少部分地在风力涡轮机的上塔架部分和塔架的下部分之间在塔架的内部部分中延伸。因此，氢输送管线通过塔架壁受到保护，免受环境影响，诸如强风、降水、含盐空气、闪电、野生动物、其他移动物体、经过的风力涡轮机叶片等。此外，通过将氢输送管线布置在塔架的内部部分中，可以确保机舱能够相对于塔架进行偏航移动，而不会损坏氢输送管线。

风力涡轮机还包括布置在塔架的内部部分中的至少一个氢传感器。在风力涡轮机塔架的狭小空间内布置用于输送氢的输送管线时，如果氢输送管线泄漏或受损，可能会带来火灾和爆炸的风险。在这种情况下，氢将进入塔架内部并可能在那里积聚，从而可能导致积聚的氢与空气中的氧混合，在这种混合物被点燃的情况下，可能会引起火灾甚至是爆炸。因此，通过在塔架的内部部分中布置至少一个氢传感器，可以立即检测到氢是否从氢输送管线泄漏到塔架内部，从而可以及时采取适当措施来防止火灾或爆炸。

优选地，至少一个氢传感器布置在塔架的上部分中。由于氢气比大气气体轻，它会自然上升，因此最有可能积聚在塔架的上部分中。因此，通过在塔架的这一部分中布置氢传感器，有效确保了即使塔架内氢浓度较低，也能检测到氢泄漏。

风力涡轮机可以包括两个或更多个氢传感器。在这种情况下，氢传感器可以沿塔架的长度分布，从而允许在塔架内的各个水平(高度)上检测氢的存在。例如，这可以允许确定氢输送管线的泄漏位置，并在当地采取预防措施以提高效率。

因此，尽管电解系统位于能量最佳的上塔架位置，但氢输送管线受到了塔架壁的保护，同时，由于氢传感器的存在，塔架内可能发生氢泄漏导致火灾或爆炸的风险也降到了最低。

因此，根据本发明的风力涡轮机允许以成本有效且安全的方式生产氢，特别是以为人员和设备显著降低风力涡轮机中(尤其是在塔架中)发生火灾和爆炸的风险以及窒息的风险的方式生产氢。

氢输送管线可以设置有单向阀(也称为止回阀)，其布置在氢输送管线的出口处，位于塔架的下部分处。单向阀允许氢离开氢输送管线，朝向外部氢网或(本地)储存设施，但阻止来自外部氢网或储存器的氢进入氢输送管线。

根据该实施例，单向阀或止回阀布置在氢输送管线与外部氢网或(本地)储存设施之间的接口处。根据该实施例，当系统完全操作且电解系统生产氢时，产生的氢通过氢输送管线和单向阀供应给外部氢网。但是，如果由于某种原因，电解系统没有生产氢，和/或氢输送管线没有输送氢，那么单向阀就会阻止来自外部氢网的氢进入氢输送管线。因此，在不需要将氢从氢输送管线输送到外部氢网的情况下，单向阀就会密封住氢输送管线。

例如，在电解系统因检测到氢泄漏或因风力涡轮机电力生产不足而停止的情况下，这可能是相关的。此外，在风力涡轮机安装完成之前，这也可能是相关的。例如，这样就允许在风电场中所有打算向外部氢网供应氢的风力涡轮机安装完成之前使用外部氢网。

特别地，发现单向阀布置在氢输送管线的布置在塔架壁之外的部分中是有利的。发现这样允许塔架和氢输送管线的组合设计，其中在塔架内的氢输送管线上没有任何连接，这降低了氢泄漏的风险。此外，也阻止了来自外部氢网的氢进入塔架的内部部分中。

风力涡轮机还可以包括形成在塔架壁中的至少一个防爆板，每个防爆板都设置在塔架壁的设置有相对于防爆板周向布置的加强边缘的部分中。

根据该实施例，如果塔架的内部部分中泄漏的氢在塔架中引起爆炸，这将导致防爆板炸开，但风力涡轮机的其余部分，特别是塔架的其余部分基本上保持不受影响。塔架壁设置有相对于每个防爆板周向布置的加强边缘，A)以确保塔架的结构能力在防爆板的预期弱化下仍然足够，和/或B)以确保即使防爆板被炸开，塔架的结构完整性仍然基本完好。这大大降低了爆炸情况下塔架结构严重受损的风险。特别是，加强件可以允许在事故发生后对风力涡轮机进行受控维修、退役或拆除，这在其他情况下是无法以安全的方式进行的。

塔架的下部分中布置的检修门可以构成防爆板之一，检修门的门框可以构成加强边缘。

风力涡轮机还可以包括布置在电解系统和氢输送管线的入口之间的至少一个可控阀门。

根据该实施例，可以通过关闭可控阀门来关闭或密封住电解系统与氢输送管线之间的连接。这样，就可以防止电解系统生产的氢进入氢输送管线，从而进入塔架的内部部分。例如，在塔架的内部部分中检测到氢泄漏的情况下，这是相关的。在这种情况下，期望防止更多的氢进入氢输送管线，通过可控阀门可以快速有效地密封住电解系统的供应。类似地，电解系统的辅助设备，诸如干燥器、脱氧器、除雾器和用于将氢与LOHC结合或转换成另一种能量载体的可选转换系统中的泄漏，可能会导致氢从氢输送管线逆向输送到电解系统，而能够密封住电解系统以防止这种情况发生是非常有利的。特别是，发现可控阀门布置在氢输送管线的布置在塔架壁之外的部分中是有利的。发现这样允许塔架和氢输送管线的组合设计，其中在塔架内的氢输送管线中没有任何连接，这降低了氢泄漏的风险。因此，可控阀门可以基于布置在塔架的内部部分中的至少一个氢传感器的传感器读数进行控制，例如，如果塔架内的氢水平超过预定阈值，和/或如果塔架中氢水平的变化率超过预定阈值，则自动关闭阀门。

在塔架的下部分处或附近，在氢输送管线的出口处，可以布置另外的可控阀门。在这种情况下，可以快速有效的方式将氢输送管线与任何可能的氢源完全隔离开，从而在氢输送管线中发生泄漏的情况下防止更多的氢进入塔架的内部部分中。

风力涡轮机还可以包括直接连接到电解系统和/或氢输送管线的应急氢出口通道。根据该实施例，可以通过应急氢出口通道将氢从电解系统和氢输送管线排放到环境大气中。例如，这可能与电解系统如因应急情况(诸如检测到氢泄漏)而停止的情况有关。在这种情况下，可能期望将系统中剩余的任何氢，包括电解系统和氢输送管线中的氢，传送出风力涡轮机，或者至少降低或完全释放电解系统和氢输送管线中的氢的压力，从而防止氢在风力涡轮机内部，特别是在塔架内部积聚。发现在风力涡轮机还包括位于输送管线和电解槽之间的阀门时，具有应急氢出口通道是特别有利的。这允许一个接一个地进行通风，或者在出现泄漏的情况下，可以将气体保存在一个部分中，而不必为了修复泄漏而损失气体。

应急氢出口通道可以例如基于来自至少一个氢传感器的传感器信号和/或基于电解系统的操作状态以如下方式进行操作：在电解系统正常操作时，只要没有检测到氢泄漏，应急氢出口通道就保持关闭，而在电解系统停止和/或检测到氢泄漏的情况下，应急氢出口通道就打开。应急氢出口通道可以配备有燃烧机构，以便对通过出口通道释放的氢进行燃烧。这主要与氢与例如氨、乙醇等结合或并入液态有机氢载体(LOHC)的情况相关。

应急氢出口通道可以例如在机舱中形成，例如在机舱的顶盖部分中形成，其中出口位于顶盖上方和/或机舱后方(在风向上)。如上所述，氢会自然上升，因此，机舱顶盖中形成的应急氢出口通道会自动将氢引出风力涡轮机，并引向环境大气。

风力涡轮机还可以包括至少一个可控通风鼓风机，其布置在塔架壁中、机舱中和/或电解系统的隔舱中形成的通风开口处。通风开口可以优选地远

程和/或自动启动，诸如响应于传感器读数启动。

根据该实施例，包括电解系统的塔架、机舱和/或隔舱设置有至少一个通风开口，可控通风鼓风机布置在该通风开口处。因此，在需要对风力涡轮机的内部部分进行通风的情况下，可以操作通风鼓风机中的至少一个以进行通风，即通过相应的通风开口将塔架内的空气排放到塔架之外。

根据该实施例，塔架设置有至少一个通风开口，可控通风鼓风机布置在该通风开口处。因此，在需要对塔架的内部部分进行通风的情况下，可以操作通风鼓风机中的至少一个以进行通风，即通过相应的通风开口将塔架内的空气排放到塔架之外。

通风鼓风机可以是可控的，即它们可以根据某些标准开启或停止。此外，通风鼓风机的转速可以是可调节的或可控的，从而允许控制空气流过相应的通风开口。进入风力涡轮机的对应空气开口可以配备有脱盐和/或除湿器。对于离案风力涡轮机，发现布置通风鼓风机使得空气通过塔架向下输送，用于使空气进入风力涡轮机的开口布置成靠近风力涡轮机塔架的顶部是有利的，因为这降低了通风空气中的盐分和湿度。

可控通风鼓风机可以例如基于来自布置在塔架的内部部分中的至少一个氢传感器的传感器信号进行控制。通风开口或通风鼓风机的操作可以允许降低氢水平或保持足够低的氢水平，使风力涡轮机和电解槽在维修前或甚至在维修期间继续操作更长时间(以便改进维修/维护计划)。

氢输送管线可以是双壁管道，或包括双壁管道，从而形成在其中输送氢的内管道部分和相对于内管道部分周向布置的外管道部分。

根据该实施例，氢在内管道中进行输送，而内管道则包封在外管道中。因此，如果内管道中发生泄漏，氢将进入内管道和外管道之间的空间，而不是进入塔架的内部部分。这样，塔架中的氢(尤其是H₂)就会减少。这是一个优点，因为氢的存在可能会随着时间的推移使钢材变脆。

至少一个氢传感器可以布置用于测量外管道(即内管道和外管道之间的空间)中的气体。这样就能快速检测出内管道中的泄漏，并在氢进入塔架的内部部分之前采取措施。

内管道和外管道之间的空间中可能会存在通风气体，例如以确保从内管道泄漏的任何氢被排放到外管道之外。通风气体可以是大气中的空气。替

代地，通风气体可以是惰性气体，诸如氮气。应用惰性气体作为通风气体的一个好处是，如果内管道在靠近塔架底部的位置断裂，内管道和外管道之间的空间中存在的气体有被吸入内管道，从而进入氢流的风险。如果通风气体是大气中的空气，这就会引入将氧气引入氢流的风险，从而引入火灾或爆炸风险。但是，如果通风气体是惰性气体，则不会引入这种火灾或爆炸的风险。

风力涡轮机还可以包括应急冲洗系统，该应急冲洗系统用于在内管道部分发生氢泄漏的情况下用通风气体冲洗外管道部分。

根据该实施例，在检测到内管道发生氢泄漏的情况下，外管道会被通风气体主动冲洗，从而有效防止氢进入塔架内部。例如，这可以包括操作鼓风机，驱动通风气体穿过外管道释放到风力涡轮机外部。

如上所述，通风气体可以是大气中的空气或惰性气体，诸如氮气。

作为冲洗外管道的替代方案，可以用通风气体冲洗整个塔架。

电解系统可以布置在机舱内，或者布置在与机舱相连的封闭的、可封闭的或可密封的隔舱中。

根据该实施例，该电解系统通常靠近布置在机舱中的发电机和交流/直流转换器布置。如果电解系统布置在机舱内，则情况尤为如此。此外，通过将电解系统布置在机舱内，电解系统就被布置在风力涡轮机的已经用于容纳风力涡轮机的其他部件的部分内，并且电解系统被机舱的外壁遮蔽。

如果电解系统布置在与机舱相连的封闭的、可封闭的或可密封的隔舱中，则电解系统布置在可与机舱内部隔开或隔离的隔舱内。这样就大大降低了氢泄漏到机舱内的风险，从而为人员和设备降低了在风力涡轮机中，特别是在机舱中发生火灾和爆炸的风险。隔舱可以构成机舱的一部分，但以可密封的方式隔开，从而使氢在电解系统操作期间无法从隔舱进入机舱的主要部分。

容纳电解系统的隔舱可以面向机舱完全封闭。作为替代方案，可以在机舱内部和隔舱之间设置至少一个可气体密封的门、舱口或类似装置，以为例如维护人员提供进入电解系统的通道。

例如，隔舱可以沿着机舱在前表面和与前表面相对布置的后表面之间延伸的侧面与机舱连接，在前表面处，轮毂安装在机舱上。作为替代方案，隔舱可以沿着后表面、沿着顶表面或沿着底表面在与塔架和机舱之间的接

口不重叠的位置与机舱相连。

当电解系统布置在机舱内或布置在与机舱相连的隔舱中时，当机舱进行偏航移动时，电解系统会随着机舱一起旋转，因此可以避免高功率电缆的具有偏航能力的电输送。不过，氢输送管线会经过偏航系统，从而经过相对于彼此移动的部件。

氢输送管线的经过偏航系统的部分可以布置在塔架和机舱外部。根据该实施例，氢输送管线经过风力涡轮机的相对于彼此移动的部件的部分布置在风力涡轮机外部。虽然将氢输送管线的这一部分布置在塔架和机舱外部会增加复杂性水平(因为氢输送管线需要从机舱内部转移到外部，然后再转移到塔架内部)，但发现这样做非常有利，因为在氢输送管线由于相互移动的部件而受损的情况下，氢输送管线中可能产生的泄漏会发生在风力涡轮机外部，这样氢就会直接泄漏到环境大气中，从而防止氢在风力涡轮机内部积聚。

作为替代方案，氢输送管线可以在偏航系统的内部部分中穿过偏航系统。例如，偏航系统可以设置有输送管线导向机构，用于以允许机舱相对于塔架进行偏航移动的方式引导氢输送管线从机舱经过偏航系统到达塔架的内部部分。

输送管线导向机构可以包括电缆链。在本背景中，术语"电缆链"应解释为是指设计用于以允许电缆或软管作为与电缆或软管相连的部件移动而缠绕和解开的方式容纳柔性电缆、软管或类似物的链式结构。电缆链也可称为电缆托架、拖链或能量链。

因此，电缆链适用于引导氢输送管线经过偏航系统，同时保护氢输送管线并允许偏航系统的适当操作。

作为替代方案，输送管线导向机构可以包括电缆小车或任何其他合适种类的导向机构。

氢输送管线可以包括卷绕部分，卷绕部分的直径可以响应于机舱的偏航移动而改变。

根据该实施例，氢输送管线的布置在塔架的内部部分中的部分以卷绕配置进行布置，即氢输送管线遵循螺旋形路径或类似路径。当机舱相对于塔架进行偏航移动时，氢输送管线与电解系统相连的部分将随之旋转。这种旋转移动会传递到氢输送管线的卷绕部分。当偏航移动沿第一方向进行时，会使卷绕部分卷得更紧，从而减小卷绕部分的直径。当偏航移动沿相反的第二方向进行时，卷绕部分将以不太紧的方式卷绕，从而增大卷绕部分的直径。因此，卷绕部分"吸收"氢输送管线中因偏航移动而产生的潜在张力，从而降低氢输送管线受损的风险。发现了卷绕部(线圈)的中心轴线优选地可以与塔架的纵向轴线平行布置，更优选地，卷绕部的中心轴线与塔架的纵向轴线重合。

作为将电解系统布置在机舱内或布置在与机舱相连的隔舱中的替代方案，还可以将电解系统布置在塔架的上部分中，例如布置在塔架的上1/4中。

风力涡轮机还可以包括氢警告指示器，该氢警告指示器布置在塔架的下部分的门开口处和/或机舱与包括电解系统的隔舱之间的门处，当在塔架的内部部分中检测到氢时，氢警告指示器将被激活。这一点尤为重要，因为门的打开/关闭可能会产生火花，特别是如果门被设计成防爆板的话(如本文其他部分所述)，当人员进入空气中氢气含量过高的风力涡轮机或隔舱时，可能会造成门被炸开并伤害人员的风险。

根据该实施例，在通过至少一个氢传感器检测到塔架内存在氢的情况下，警告系统将被激活，包括激活布置在塔架的下部分的门开口处的氢警告指示器。这样，当由于检测到氢存在而认为塔架内的条件不安全时，就会警告人员不要通过门开口进入塔架或隔舱。如上所述，检测到的氢存在可以是检测到的氢水平的形式和/或氢水平的变化率的形式。

氢警告指示器可以是可视的，例如是被开启的灯(可能是闪烁的灯)的形式。替代地或附加地，警告指示器可以是可听的，例如是汽笛警告器或扬声器的形式。警告指示器优选地能从风力涡轮机外部看到和/或听到，以防止人员在认为这不安全的情况下进入风力涡轮机。

当氢警告指示器被激活时，这可能会进一步导致门上的自动锁被激活，从而锁住门，防止人员通过门开口从外部进入风力涡轮机的内部部分。然而，当门以这种方式自动锁定时，仍有可能从内部打开门，以便在氢警告指示器被激活时让已经在风力涡轮机内部的人员逃生。

根据第二方面，本发明提供了一种操作构成风力涡轮机的一部分的电解系统和氢输送管线的方法，风力涡轮机包括塔架、通过偏航系统可旋转地安装在塔架上的机舱、发电机和与发电机相连的交流/直流转换器，电解系统布置在风力涡轮机的上塔架部分中，并与交流/直流转换器的直流电输出相连，氢输送管线至少部分地在风力涡轮机的上塔架部分和塔架的下部分之间在塔架的内部部分中延伸，该方法包括以下步骤：

-利用风力涡轮机生产并从交流/直流转换器的直流电输出供应给电解系统的直流电，通过电解系统生产氢，并通过布置在塔架的内部部分中的氢输送管线将生产的氢从电解系统输送到塔架的下部分中，

-通过布置在塔架的内部部分中的至少一个氢传感器监测塔架的内部部分中的氢水平，以及

-在检测到氢水平超过第一阈值水平和/或氢水平的变化率超过第二阈值水平的情况下，启动应急程序，该应急程序包括停止通过电解系统生产氢的步骤。

因此，根据本发明第二方面的方法是一种操作构成风力涡轮机的一部分的电解系统和氢输送管线的方法，该氢输送管线在风力涡轮机的塔架的内部部分中延伸。例如，风力涡轮机可以是根据本发明的第一方面的风力涡轮机，因此上述说明同样适用于此处。

因此，本领域的技术人员很容易认识到，结合本发明的第一方面描述的任何特征也可以与本发明的第二方面相结合，反之亦然。

在根据本发明的第二方面的方法中，利用风力涡轮机生产并从交流/直流转换器的直流电输出供应给电解系统的直流电通过电解系统生产氢。如上文参照本发明的第一方面所描述的那样，这允许以成本有效的方式并且以最小的电力损失生产氢。

生产的氢通过布置在塔架的内部部分中的氢输送管线从电解系统输送到塔架的下部分。如上文参照本发明的第一方面所描述的那样，这确保了氢输送管线受到塔架壁的保护。

通过布置在塔架的内部部分中的至少一个氢传感器来监测塔架的内部部分中的氢水平。这可以包括监测氢浓度和/或监测氢浓度的变化率。例如，氢浓度的快速增加可能表明氢输送管线出现泄漏，而变化率的增加可能表明泄漏源正在发生演变，并可能随着时间的推移而变得有害。如果风力涡轮机包括布置在塔架内的各种水平的两个或更多个氢传感器，则可以通过将传感器所执行的测量值进行相互比较来确定氢输送管线中的泄漏位置，因为可以假设，靠近泄漏定位的传感器会比远离泄漏定位的传感器更早、可能更明显地检测到氢浓度的增加。

如果检测到氢水平超过第一阈值水平和/或氢水平的变化率超过第二阈值水平，这可能表明塔架内存在的氢处于不安全水平，或接近不安全水平，或泄漏原因正在发生演变。因此，启动应急程序。

应急程序包括停止通过电解系统生产氢的步骤。因此，如果在塔架内检测到氢水平增加和/或氢水平的变化率增加，则停止氢的生产，从而停止氢源。因此，如果氢水平增加和/或氢水平的变化率增加是由于氢输送管线中的泄漏造成的，则确保了停止向氢输送管线供应氢，从而停止向泄漏处供应氢。因此，塔架内氢水平的增加被有效地停止。

应急程序还可以包括关闭布置在电解系统和氢输送管线的入口之间的可控阀门的步骤，从而防止氢从电解系统进入氢输送管线。

即使停止通过电解系统生产氢，在电解系统中和/或在从电解系统通向氢输送管线的布置在塔架的内部部分中的部分的管线或管道中也可能有残余氢。通过关闭布置在电解系统和氢输送管线的入口之间的可控阀门，确保了防止这些残余氢通过氢输送管线的潜在泄漏进入氢输送管线，从而进入塔架的内部部分中。因此，这也限制了塔架内氢水平的潜在增加。

应急程序还可以包括以下步骤：打开直接连接到电解系统和/或氢输送管线的应急氢出口通道，从而将任何残余氢(包括加压氢)从电解系统和氢输送管线排放到环境大气中，可选地随后用诸如氮气的惰性气体冲洗电解系统和/或氢输送管线。

根据该实施例，确保了在停止氢生产时，电解系统中剩余的任何残余氢被排放到风力涡轮机之外，从而防止它们进入氢输送管线，并可能通过氢输送管线中的可能泄漏进入塔架的内部。因此，这也阻止了塔架内的氢水平的增加。此外，这也是一种快速有效地清除系统中残余氢的方法。

应急氢出口通道可以优选地具有布置在机舱中，优选地布置在机舱的顶盖中或附近的出口。由于氢倾向于上升，这自然确保了残余氢离开风力涡轮机进入环境大气。

应急氢出口通道可以与电解系统以及氢输送管线相连。在这种情况下，氢输送管线中的任何残余氢也会通过应急氢出口通道排放到风力涡轮机之外。

应急程序还可以包括控制布置在塔架壁中形成的通风开口处的至少一个可控通风鼓风机的鼓风机转速，从而对塔架的内部部分进行通风。

根据该实施例，作为应急程序的一部分，通过适当操作布置在塔架壁中形成的通风开口处的通风鼓风机，对塔架的内部部分进行通风，从而降低塔架内的氢水平。例如，可以激活沿塔架长度位于相关位置的通风鼓风机，和/或可以调整鼓风机的鼓风机转速。通风鼓风机可以基于来自布置在塔架的内部部分中的一个或多个氢传感器的测量值进行控制。例如，在氢传感器测量到氢水平升高和/或氢水平的变化率较高时，可以激活与氢传感器的位置相对应的位置处布置的通风鼓风机。此外，通风鼓风机的鼓风机转速可以以如下方式进行选择：氢水平高和/或氢水平的变化率高时的结果是，鼓风机转速要高于氢水平低和/或氢水平的变化率低时的鼓风机转速。因此，选择的鼓风机转速与塔架的内部部分的通风需要相对应。

氢输送管线可以是或包括双壁管道，从而形成在其中输送氢的内管道部分和相对于内管道部分周向布置的外管道部分，应急程序还可以包括用通风气体冲洗外管道部分的步骤。

上面已参照本发明的第一方面描述了氢输送管线包括双壁管道的概念。根据该实施例，作为应急程序的一部分，外管道以及因此内管道和外管道之间的空间被冲洗。由此，有效确保了从内管道泄漏到内管道和外管道之间的空间的任何氢被排放到风力涡轮机之外，从而防止它们从外管道进入塔架的内部部分中。

如上文参照本发明的第一方面所描述的那样，通风气体可以是诸如氮气的惰性气体，或者它可以是大气中的空气。

应急程序还可以包括激活布置在塔架的下部分的门开口处或机舱与带有电解系统的隔舱之间的门处的氢警告指示器的步骤。

根据该实施例，如果检测到塔架内的氢水平不安全，则会警告希望通过塔架的下部分处的门进入风力涡轮机的人员不要这样做。如上文参照本发明的第一方面所描述的那样，氢警告指示器可以是可见的和/或可听的，激

活氢警告指示器后，门可以被自动锁定，从而从物理上防止人员进入塔架，直到恢复安全的氢水平。

风力涡轮机的塔架的结构完整性对于在风力涡轮机的上塔架部分中布置有电解槽系统的风力涡轮机的操作至关重要。特别是，发明人认识到，在发生氢爆炸或火灾(不太可能发生)后，维持塔架的结构完整性对于在发生此类事故后安全维修、退役和/或拆除风力涡轮机的能力至关重要。此外，发明人发现，减少氢泄漏风险、提供清除泄漏氢的能力以及在爆炸期间和爆炸后维持结构的组合方法可协同降低在塔架内输送氢的风险。

附图说明

现在将参照附图对本发明作进一步详细描述，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的透视图，

图2是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的塔架的示意性截面图，

图3是根据本发明的一个实施例的包括电解系统的风力涡轮机的示意图，

图4a和图4b是根据本发明的第一实施例的风力涡轮机的截面图，

图5a和图5b是根据本发明的第二实施例的风力涡轮机的截面图，以及

图6a和图6b是根据本发明的第三实施例的风力涡轮机的截面图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机1的透视图。风力涡轮机1包括塔架2、可旋转地安装在塔架2上的机舱3和承载三个风力涡轮机叶片5的轮毂4。

风力涡轮机1还包括电解系统(未显示)，该电解系统布置在机舱3中，并与同样布置在机舱3中的风力涡轮机1的交流/直流转换器(未显示)的直流电输出直接电连接。因此，电解系统在机舱3中利用风力涡轮机1生产的直流电生产氢。

在塔架2的内部部分中，氢输送管线(未图示)从电解系统延伸到塔架2的下部分。这样，电解系统生产的氢就可以被输送到地面。下面将参照图

2进一步详细描述。

图2是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的塔架2的示意性截面图。塔架壁6对塔架2进行了划界，从而限定了塔架2的内部部分7。

在塔架2的内部部分7中，氢输送管线8在布置在风力涡轮机的上塔架部分中(例如机舱中)的电解系统(未显示)和塔架2的下部分之间延伸。这样，电解系统生产的氢就可以通过氢输送管线8输送到风力涡轮机之外。

多个氢传感器9(图中示出三个)布置在塔架2的内部部分7中，并沿塔架2的长度分布。氢传感器9适用于检测塔架2的内部部分7中是否存在氢(例如由于氢输送管线8的泄漏)。氢传感器9可用于检测塔架2的内部部分7中的氢水平和/或氢水平的变化率。如果检测到的氢水平和/或氢水平的变化率超过了一定的阈值，表明塔架2内出现或即将出现不安全条件，则可以启动应急程序，这至少防止了塔架2的内部部分7中的氢水平进一步增加，并可进一步主动降低塔架2的内部部分7中的氢水平。

作为应急程序的第一步骤，停止通过电解系统生产氢。因此，氢源被停止，从而也停止了向氢输送管线8持续供应氢。

第一可控阀门10布置在电解系统和氢输送管线8的入口之间。这允许氢输送管线8与电解系统隔离开，从而与氢源隔离开。作为应急程序的一部分，第一可控阀门10可以被关闭，从而防止电解系统中剩余的任何残余氢进入氢输送管线8，从而可能地通过氢输送管线8中的可能泄漏进入塔架2的内部部分7中。

同样，在氢输送管线8的出口处布置有通向外部氢网(未显示)的第二可控阀门11。这允许将氢输送管线8与外部氢网隔离开，从而防止来自外部氢网的氢进入氢输送管线8，从而可能地通过氢输送管线8中的潜在泄漏进入塔架2的内部部分7。作为应急程序的一部分，第二可控阀门11也可以被关闭。

第二可控阀门11可以由单向阀代替，该单向阀允许氢从氢输送管线8进入外部氢网或(本地)储存设施，但阻止来自外部氢网或(本地)储存设施的氢进入氢输送管线8。

塔架壁6上设置有多个通风开口12，图中显示了其中两个。通风鼓风

机13安装在最上面的通风开口12处。当通风鼓风机13被激活时，如箭头14所示，空气通过最下面的通风开口12被吸入塔架2的内部部分7，如箭头15所示，空气通过最上面的通风开口12被排放到塔架之外。作为应急程序的一部分，可以激活通风鼓风机13，从而将塔架2的内部部分7中存在的氢排放到外部大气中。此外，可以根据检测到的氢水平和/或氢水平的变化率来控制通风鼓风机的转速，从而在需要时提供快速通风。

塔架壁6中形成有多个防爆板16(图中显示了其中三个)。如果塔架2的内部部分7中由于氢积聚而发生爆炸，防爆板16将被炸出，但塔架2的结构的其他部分基本上避免了受损。

图3是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的示意图。由风力涡轮机叶片和轮毂驱动的旋转系统与发电机17相连，发电机17通过旋转系统的机械能生成交流电。发电机17的交流电输出连接到交流/直流转换器18，在这里，发电机17的交流电被转换成直流电。交流/直流转换器18的直流电输出连接到电解系统19，在那里直流电被应用于通过电解生产氢。将氢与LOHC相结合，或将氢结合到另一种能量载体(诸如甲醇、乙醇或氨)中的转换系统(未显示)可以与电解系统相组合，在这种情况下，由电解系统供应给氢输送管线的氢是LOHC、甲醇、乙醇、氨或其他含氢能量载体的形式。

图4a和图4b是根据本发明的第一实施例的风力涡轮机1的截面图。图4b是沿图4a中所示A-A线的截面图。风力涡轮机1包括带有塔架壁6的塔架2、机舱3、轮毂4和三个风力涡轮机叶片5(图中显示了其中两个)。机舱3中布置有电解系统19，该电解系统19用于以上面参照图3描述的方式生产氢。在塔架2的内部部分7中，氢输送管线8从电解系统19延伸至外部氢网(未显示)。

氢输送管线8包括卷绕部分20。当机舱3相对于塔架2进行偏航移动时，如箭头21所示，氢输送管线8与电解系统19相连的部分将随之旋转，从而使氢输送管线8在塔架2的内部部分7中延伸的部分发生扭转或解扭。如图4b所示，这种扭转或解扭会导致氢输送管线8的卷绕部分20收缩或膨胀，即卷绕部分20的直径会依据偏航移动的方向增大或减小。因此，卷绕部分20会"吸收"氢输送管线8中的张力，而不会造成氢输送管线的急剧

扭转或弯曲(否则会因偏航移动而造成)，从而大大降低了在偏航过程中损坏氢输送管线8的风险。

图5a和图5b是根据本发明的第二实施例的风力涡轮机1的截面图。图5b是沿图5a所示A-A线的截面图。图5a和图5b的风力涡轮机1与图4a和图4b的风力涡轮机1非常类似，因此在此不作详细描述。在图5a和图5b中，还显示了供水管线22。供水管线22向电解系统19供水，用于电解过程。供水管线22还包括卷绕部分23，在偏航过程中，该卷绕部分23以与氢输送管线8相同的方式收缩或膨胀。在图5a和图5b中，氢输送管线8和供水管线22的卷绕部分20、23分别以交织的方式布置在塔架2内的大致同一水平上。

图6a和图6b是根据本发明的第三实施例的风力涡轮机1的截面图。图6b是沿图6a所示A-A线的截面图。图6a和图6b的风力涡轮机1与图5a和图5b的风力涡轮机1非常类似，因此在此不作详细描述。在图6a和图6b中，氢输送管线8的卷绕部分20布置在塔架2内比供水管线22的卷绕部分23低的水平上。

在图4-6中，卷绕部以螺旋状配置示出，但其可以替代地是基本平坦的配置，因此所有卷绕部都相互靠近地放置，诸如高度在1米以内。在这种配置中，输送管线偏航系统所需的空间大大减少。

Claims (17)

1.一种风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)包括塔架(2)、通过偏航系统可旋转地安装在所述塔架(2)上的机舱(3)和承载至少一个风力涡轮机叶片(5)的轮毂(4)，所述轮毂(4)可旋转地安装在所述机舱(3)上，所述风力涡轮机(1)还包括发电机(17)、与所述发电机(17)相连的交流/直流转换器(18)和与所述交流/直流转换器(18)的直流电输出相连的电解系统(19)，所述电解系统(19)布置在所述风力涡轮机(1)的上塔架部分中，其中，所述风力涡轮机(1)还包括与所述电解系统(19)相连的氢输送管线(8)，所述氢输送管线(8)用于将所述电解系统(19)生产的氢从所述电解系统(19)中输送出去，所述氢输送管线(8)至少部分地在所述风力涡轮机(1)的上塔架部分和所述塔架(2)的下部分之间在所述塔架(2)的内部部分(7)中延伸，所述风力涡轮机(1)还包括布置在所述塔架(2)的内部部分(7)中的至少一个氢传感器(9)。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述氢输送管线(8)设置有单向阀，所述单向阀在所述塔架(2)的下部分处布置在所述氢输送管线(8)的出口处，所述单向阀允许氢离开所述氢输送管线(8)朝向外部氢网或储存器，但阻止来自所述外部氢网或储存器的氢进入所述氢输送管线(8)。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)还包括所述塔架(2)的壁(6)中形成的至少一个防爆板(16)，每个防爆板(16)都设置在塔架壁(6)的设置有相对于所述防爆板(16)周向布置的加强边缘的部分中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)还包括布置在所述电解系统(19)和所述氢输送管线(8)的入口之间的至少一个可控阀门(10)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)还包括直接连接到所述电解系统(19)和/或所述氢输送管线(8)的应急氢出口通道。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)还包括布置在所述塔架(2)的壁(6)中形成的通风开口(12)处的至少一个可控通风鼓风机(13)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述氢输送管线(8)是或包括双壁管道，从而形成在其中输送氢的内管道部分和相对于所述内管道部分周向布置的外管道部分，优选地，所述风力涡轮机(1)还包括应急冲洗系统，所述应急冲洗系统用于在所述内管道部分发生氢泄露的情况下用通风气体冲洗所述外管道部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述电解系统(19)布置在所述机舱(3)中或布置在与所述机舱(3)相连的封闭的、可封闭的或可密封的隔舱中。

9.根据权利要求9所述的风力涡轮机(1)，其中，所述氢输送管线(8)的经过所述偏航系统的部分布置在所述塔架(2)和所述机舱(3)之外。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述氢输送管线(8)包括卷绕部分(20)，并且其中所述卷绕部分(20)的直径响应于所述机舱(3)的偏航移动而变化。

11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)还包括布置在所述塔架(2)的下部分的门开口处的氢警告指示器，所述氢警告指示器在所述塔架(2)的内部部分(7)中检测到氢的情况下被激活。

12.一种操作构成风力涡轮机(1)的一部分的电解系统(19)和氢输送管线(8)的方法，所述风力涡轮机(1)包括塔架(2)、通过偏航系统可旋转地安装在所述塔架(2)上的机舱(3)、发电机(17)和与所述发电机(17)相连的交流/直流转换器(18)，所述电解系统(19)布置在所述风力涡轮机(1)的上塔架部分中，并与所述交流/直流转换器(18)的直流电输出相连，所述氢输送管线(8)至少部分地在所述风力涡轮机(1)的上塔架部分和所述塔架(2)的下部分之间在所述塔架(2)的内部部分(7)中延伸，所述方法包括以下步骤：

-利用所述风力涡轮机(1)生产并从所述交流/直流转换器(18)的直流电输出供应给所述电解系统(19)的直流电，通过所述电解系统(19)

生产氢，并通过布置在所述塔架(2)的内部部分(7)中的氢输送管线(8)将生产的氢从所述电解系统(19)输送到所述塔架(2)的下部分，

-通过布置在所述塔架(2)的内部部分(7)中的一个或多个氢传感器(9)监测所述塔架(2)的内部部分(7)中的氢水平，以及

-在检测到氢水平超过第一阈值水平和/或氢水平的变化率超过第二阈值水平的情况下，启动应急程序，所述应急程序包括停止通过所述电解系统(19)生产氢的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述应急程序还包括以下步骤：关闭布置在所述电解系统(19)和所述氢输送管线(8)的入口之间的可控阀门(10)，从而防止氢从所述电解系统(19)进入所述氢输送管线(8)。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述应急程序还包括以下步骤：打开直接连接到所述电解系统(19)和/或所述氢输送管线(8)的应急氢出口通道，从而将所述电解系统(19)中的任何残余氢排放到环境大气中。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中，所述应急程序还包括：控制布置在所述塔架(2)的壁(6)中形成的通风开口(12)处的至少一个可控通风鼓风机(13)的鼓风机转速，从而对所述塔架(2)的内部2021P00112WOCN JPHEN

部分(7)进行通风。

16.根据权利要求13-16中任一项所述的方法，其中，所述氢输送管线(8)是或包括双壁管道，从而形成在其中输送氢的内管道部分和相对于所述内管道部分周向布置的外管道部分，并且其中所述应急程序还包括用通风气体冲洗所述外管道部分的步骤。

17.根据权利要求13-17中任一项所述的方法，其中，所述应急程序还包括激活布置在所述塔架(2)的下部分的门开口处的氢警告指示器的步骤。