TWI700872B - 風力渦輪機以及用於將風力渦輪機連接至電網的電耦合器 - Google Patents

風力渦輪機以及用於將風力渦輪機連接至電網的電耦合器 Download PDF

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Abstract

一種用於將風力渦輪機連接至電網的耦合器(10)，該耦合器(10)包括具有至少一第一電連接器(30)的第一支撐件(20)和具有至少一第二電連接器(50)的第二支撐件(40)，其中第二電連接器(50)係與第一電連接器(30)互補。該第一支撐件(20)與該第二支撐件(40)可相對於彼此旋轉，其特徵在於，該至少一第一電連接器(30)可相對於另一電連接器(50)以橫向於該等支撐件(20、40)的平面而移動，以便形成和斷開一電插頭連接，並且，當該等電連接器(30、50)被互相連接以及被分離時，該等電連接器(30、50)係被密封以防止水氣滲透。

Description

風力渦輪機以及用於將風力渦輪機連接至電網的電耦合器
本發明涉及一種用於將風力渦輪機連接至電網的電耦合器。特別地，本發明涉及一種用於將風力渦輪機連接至電網的耦合器，其包括具有至少一第一電連接器的第一支撐件和具有至少一第二電連接器的第二支撐件，其中第二電連接器係與第一電連接器互補，且第一支撐件和第二支撐件可相對於彼此旋轉。
具體而言，本發明涉及一種浮動式風力渦輪機，其可圍繞一錨定點旋轉，且該錨定點大體上為旋轉固定的(rotationally fixed)。
開頭提到的耦合器裝置已可自韓國專利第10-1368777 B1號而為已知。
從韓國專利第10-1368777 B1號而為已知的耦合器，其係配置在陸上風力渦輪機(onshore wind turbine)的塔架中，且係由兩個彼此疊置的支撐件所組成。該等支撐件經設計為盤(disk)，且可相對於彼此旋轉。並且，該等支撐件之中的每一者包括複數個連接器，其係剛性地連接至盤。一個盤的連接器與另一盤的連接器共同形成一插頭連接，其中該插頭連接將被配置在機艙(nacelle)中的渦輪機構件連接至被配置在風力渦輪機的基座中的渦輪機構件。
當風力渦輪機的機艙旋轉時，將被配置在機艙中的電性構件連接至被配置在上部盤中的連接器之電性導體將被扭轉，使得有時需要解開(untwist)電性導體，以使電性導體不被損傷或者甚至被破壞。
為此目的，由於該等盤係遠離彼此而移動，該等盤和連接器因此為分離的。上部盤係旋轉至電性導體被解開的位置，且上部盤和下部盤的連接器在解開起始位置係彼此面對的，並且該等盤係被連接回至該等連接器，以形成一電插頭連接。
已知的耦合器裝置的缺點在於其僅可以在低壓範圍內被操作，因為在中壓或高壓範圍的應用中移除形成為盤的支撐件而缺乏進一步的調整(adaptation)，將可能由於過載或短路而導致渦輪機的損傷。
已知的耦合器裝置的另一個缺點是在具有高濕度的氣候區域中，特別是在使用離岸型風力渦輪機時，耦合器裝置係僅被不充分地保護而難以防止水氣滲透。在這種情況下，特別阻礙的是，形成為盤的支撐件所包含的連接器必須相對於彼此而被分開，使得密封彼此相對移動的盤不僅複雜，而且實際上在此過程中所產生的真空防止了完全密封，並且甚至促進了通過密封件的水氣滲透的情況下，很可能需要自另一個盤而移除一盤。
因此，本發明之目的是創造一種有效地防止水氣滲透的耦合器，特別是還可以被使用於中壓和高壓範圍。
根據本發明，此目的可藉由具有獨立請求項1的特徵的電耦合器和具有獨立請求項10的特徵的風力渦輪機來實現。附屬請求項各自描述了本發明的有利實施方式。
本發明的基本概念是配置支承連接器的支撐件，使得為了形成和 斷開插頭連接，支撐件不必相對於彼此移動，而是僅有連接器中的至少一者必須相對於另一連接器移動。此設計允許連接器的(共同)密封以防水氣，並避免先前技術中所已知的缺點。
根據本發明，因此提供了一種用於將風力渦輪機連接至電網的電耦合器，其包括具有至少一第一電連接器的第一支撐件，具有至少一與第一電連接器互補的第二電連接器之第二支撐件。第一支撐件和第二支撐件可相對於彼此旋轉，至少一連接器可相對於另一連接器移動，以形成和斷開一電插頭連接，並且當該等連接器被互相連接以及被分離時，該等連接器係被密封以防止水氣滲透。
在最簡單的情況下，支撐件可被設計成可以相對於彼此扭轉並且連接器係佈置於其上的框架。
然而，較佳地，支撐件中之每一者被設計成可供連接器插入的盤。特別地，支撐件被設計成相同的盤，該等盤係以一個在另一個的上方而被一致地配置。
或者，一盤的直徑係特別較佳地大於另一盤的直徑，較大的盤形成至少部分地包圍較小的盤之裙部(skirt)。具體而言，在此側部區域中具備將兩個支撐件彼此密封的密封件，此側部區域的配置具有上部盤不在密封件上施加重力並且因此對密封件的磨損為相對較低之優點。
支撐件中之一者為可旋轉的，當該等支撐件被設計為盤時，可旋轉的支撐件的旋轉銷也係位於盤的中心。
較佳地，旋轉驅動器係被配置在旋轉銷之中，其中旋轉驅動器的一部分係連接至一支撐件，且旋轉驅動器的其他部分係連接至另一支撐件。
或者，一支撐件被形成為圍繞另一支撐件的環，在這種情況下，至少一連接器係可在該等支撐件的平面內徑向移動。
根據另一較佳實施方式，提供了一種密封件，其保護介於該等支撐件之間的間隙以防止水氣滲透。
如果特別是在第一支撐件和第二支撐件上分別配置複數個連接器，藉由圍繞該等連接器的共同密封件，可保護該等連接器而防止水氣滲透。
插頭連接係特別地被設計，以使得第一連接器僅可克服彈簧的作用力而從第二連接器被釋放。因此，彈簧係被支承在第一支撐件之上，彈簧的作用力朝向第二連接器而作用在第一連接器之上，且因此耦合器始終設法於使連接器互相連接的狀態。
為了能夠確保連接器相對於彼此的精確定位，亦提供了用於檢測支撐件相對於彼此的旋轉位置的感側器。此感測器係較佳地被設計成絕對式編碼器(absolute encoder)。
相應地，一風力渦輪機亦被主張，該風力渦輪機為浮動式風力渦輪機，其可圍繞一錨定點旋轉，該錨定點以大體上旋轉固定的方式而被錨固，並且第一連接器係剛性地連接至一電性導體，該電性導體係連接至該風力渦輪機的發電電性構件，且第二連接器係連接至隨其旋轉的海底電纜。
因此，在此實施方式之中，風力渦輪機的構件不會導致電性導體的扭轉，而是使浮動式風力渦輪機可旋轉地錨固至錨定點。
較佳地，風力渦輪機包括在電網側上的高負載斷路器(heavy-duty circuit breaker)，其係電性連接至第二連接器。此高負載斷路器可替代地被配置在變電站中，因此並非風力渦輪機的構件。然而，在任何情況下，都應提供一種配置，其中第二連接器在電網側上係電性連接至高負載斷路器，以便使風力渦輪機(特別是電耦合器)斷電。在這種情況下，風力渦輪機必須配備個別的能量儲存器(當然還有個別的控制裝置)，以使得旋轉驅動器能夠以自動方式解開電性導體。
錨定點係特別地被設計成一繫綁浮筒，其以旋轉固定的方式而被錨固。
如果繫綁浮筒係被使用於機械地緊固浮動式風力渦輪機，則耦合器較佳地依次被配置在繫綁浮筒中。然而，耦合器亦可被配置在繫綁浮筒的外部，例如在提供基礎浮力的基礎或浮子之中。
在任何情況下，支撐件係特別較佳地為水平的並且可圍繞一大體上垂直的軸線而相對於彼此旋轉。
最後，提供另一個感測器，其係用於檢測風力渦輪機相對於耦合器的旋轉位置。當超過預定的旋轉角度或預定的旋轉數量時，此感測器藉由相應地被提供的控制裝置而釋放插頭連接。
在這種情況下，亦提供了中央控制裝置，其不僅控制插頭連接的釋放，而且還控制風力渦輪機的關閉，控制高負載斷路器的致動，控制與風電場之控制中心的通信，控制一支撐件的扭轉直到起始位置，控制電性連接的產生，控制高負載電路的致動以及渦輪機的重新啟動。該中央控制裝置也可以被集成在渦輪機的主控制裝置之中，此有利的是提供了個別的備用電池。
本發明特別適用於申請人所開發的浮動式風力渦輪機，該浮動式風力渦輪機已經藉由結合文獻，例如世界專利第2016/000681 A1號和德國專利第10 2016 111 332 B3號，而為已知。
10:電耦合器/耦合器
20:第一支撐件
30:第一電連接器
40:第二支撐件
50:第二電連接器
60:密封件
70:位置感測器/感測器
80:旋轉驅動器
90:電性導體
100:海底電纜
110:高負載斷路器
A:錨定點
S:浮子
F:基礎
WEA:風力渦輪機/浮動式風力渦輪機
參照隨附圖式所示的較佳實施方式而更詳細地解釋本發明。以下圖式顯示：圖1是特別較佳設計的浮動式風力渦輪機的立體圖，該浮動式風力渦輪機包括根據本發明而設計的耦合器； 圖2是特別較佳設計的浮動式風力渦輪機的剖面側視圖，該浮動式風力渦輪機包括根據本發明的耦合器的特別較佳實施方式；圖3是根據圖2中特別較佳設計的耦合器的立體圖；圖4是較佳設計的耦合器的剖面側視圖，該耦合器包括互相連接的連接器；圖5是較佳設計的耦合器的剖面側視圖，該耦合器包括分開的連接器；及圖6是較佳設計的耦合器的剖面側視圖，該耦合器包括相對於彼此扭轉而分開的連接器和支撐件。
圖1是特別較佳設計的浮動式風力渦輪機的立體圖，該浮動式風力渦輪機係被連接至一錨定點以便可繞其旋轉，並且其中根據本發明而設計的耦合器可被有利地使用。
特別地，圖1示出了浮動式風力渦輪機WEA，其藉由海底電纜100而連接至電網。
在這種情況下，圖2是圖1中所示的風力渦輪機WEA的剖面側視圖，其包括根據本發明的耦合器10的特別較佳實施方式。
圖2中所示的浮動式風力渦輪機WEA的細節示出了通過浮子S的橫截面，浮子S係連接至基礎F並且在此區域中提供了用於連接至錨定點A的耦合器10。錨定點A特別係被設計成一繫綁浮筒，風力渦輪機WEA能夠圍繞錨定點旋轉。為此目的，繫綁浮筒包括一基板，該基板係剛性地連接至水體(body of water)的底部並且係被安裝在內部軸承環之中，以使得剛性連接至繫綁浮筒的壁的風力渦輪機WEA可以圍繞該基板而旋轉。因此，該錨定點A係相對於水體的底部以旋轉固定的方式而被錨固並且係被連接至該海底電纜100，該風力渦輪機WEA係藉由海底電纜100而連接至電網。
特別較佳地，將該風力渦輪機WEA連接至電網的高負載斷路器110係被配置在繫綁浮筒的內部，在該高負載斷路器110上，根據本發明的電耦合器10係以旋轉固定的方式而被配置，該電耦合器10將該海底電纜100(間接地)連接至複數個電性導體90，該等電性導體90通向該風力渦輪機WEA的發電電性構件(圖中未示出)。
當該風力渦輪機WEA圍繞大體上為旋轉固定的該錨定點A旋轉時，該等電性導體90(如圖中所示)圍繞著彼此而扭轉並且在達到預定的閾值之後必須被解開，如下文中所解釋。
在圖3中，以立體圖詳細地示出了這種電耦合器10。
該電耦合器10包括上部的該第一支撐件20和下部的該第二支撐件40，該等支撐件可藉由旋轉驅動器80而相對於彼此旋轉。特別地，下部的該第二支撐件40係連接至該海底電纜100的導體，且係與該錨定點A連接而隨其旋轉。上部的該第一支撐件20係連接至通向該風力渦輪機WEA的發電電性構件的該等電性導體90，該第一支撐件20可藉由該旋轉驅動器80而圍繞該第二支撐件40旋轉，以便解開該等電性導體90。
相應地，如圖4所示，當該風力渦輪機WEA處於發電操作狀態時，配置在該第一支撐件20和該第二支撐件40上的連接器30、50係互相連接。
所示該等連接器30、50皆係藉由密封件60而被密封，該密封件60相對於下部的該第二支撐件40而密封上部的該第一支撐件20。在這種情況下，該密封件60係緊固至形成於該第一支撐件20之上的裙部。該第一支撐件20朝向該第二支撐件40延伸且包含該第二支撐件40，並且係側向地被支承在該第二支撐件40的邊緣之上。
該旋轉驅動器80特別地係被設計成使得其一部分(其中可旋轉地安裝有與上部的該第一支撐件20剛性連接的轉軸)係連接至下部的該第二支撐件 40。由於藉由該旋轉驅動器的該部分所驅動的軸線係連接至下部的該第二支撐件40，上部的該第一支撐件20可相對於下部的該第二支撐件40扭轉。該等支撐件20、40相對於彼此的絕對位置係藉由位置感測器70所檢測。為此目的，特別提供剛性地連接至上部的該第一支撐件20的感測器，該感測器係徑向地以下部的該第二支撐件40而定向，並且下部的該第二支撐件40具有指示該第一支撐件20相對於該第二支撐件40的旋轉位置的標記，且該標記可以由該位置感測器70所檢測。該標記例如是允許該等支撐件20、40相對於彼此的旋轉位置之絕對值檢測並且允許受控地接近目標位置的編碼。
或者，可提供以固定方式安裝在該風力渦輪機WEA上的感測器，其中該感測器檢測配置在可旋轉的該第一支撐件20上的標記/編碼；當該風力渦輪機WEA圍繞該錨定點A旋轉的期間，檢測該耦合器10相對於該風力渦輪機WEA的旋轉位置；並且當該等電性導體90被解開時，允許一受控的接近。
如果該風力渦輪機WEA接著圍繞剛性地連接至該錨定點A的電耦合器10旋轉，將使得剛性地連接至上部的該第一支撐件20的該等電性導體90被扭絞在一起，此時則必須解開該等電性導體90。在這種情況下，該風力渦輪機WEA相對於該電耦合器10的旋轉位置將藉由額外的感測器(圖中未示出)所監測，亦即，該額外的感測器監測該風力渦輪機WEA相對於該耦合器10的相對旋轉位置。該額外的感測器對應於上文中所提到的感測器70的替代方案，使得該額外的感測器為可選地可被完全省去。
為了解開連接至上部的該第一支撐件20的該等電性導體90，首先，在第一步驟中，藉由致動被配置在電網側的高負載斷路器110，將渦輪機從電網中移除。該高負載斷路器110特別係被配置在繫綁浮筒之中。
在第二步驟中，該等連接器30、50是分開的。在圖5所示的實施例中，這藉由使被配置在上部的該第一支撐件20中的該連接器30橫向於該等支 撐件20、40的平面而移動來實現。為此目的，可以提供一氣動式、電氣或電磁式的抬升機構。特別地，為每一插頭個別地形成抬升機構，個別的抬升機構係由共同的控制裝置所致動以便協調。為了執行此步驟，需要該風力渦輪機WEA中之個別的能量供應。
如果該等連接器30、50為分離的，則上部的該第一支撐件20可以藉由該旋轉驅動器80而相對於下部的該第二支撐件40旋轉，且因此被該風力渦輪機WEA所扭絞的該等電性導體90可圍繞該錨定點A而旋轉，從而再次被解開。圖6是較佳設計的耦合器的剖面側視圖，該耦合器包括相對於彼此扭轉而分開的連接器和支撐件20、40。
在該等電性導體90已至少部分地被解開之後，儘管較佳完全地，藉由該旋轉驅動器80和該感測器70可接近一旋轉位置，其中該等連接器30、50的旋轉位置可被重新對準並且可以互相連接。
在每種情況下，連接器的抬升機構特別地具有限位開關(limit switch)。此限位開關可以檢查連接器30是否各自處於連接器30、50分離的位置，使得該等支撐件20、40可以相對於彼此旋轉，或者檢查連接器30、50是否為互相連接並且該風力渦輪機可藉由高負載斷路器而重新連接至電網。在這種情況下，該風力渦輪機的控制裝置被設計成使得如果不是所有的連接器30、50再次互相連接的話，在該等電性導體90被解開之後，該高負載斷路器將無法被致動。
在插頭連接發生後，該風力渦輪機WEA可以再次被連接至電網。
10:電耦合器/耦合器
20:第一支撐件
30:第一電連接器
40:第二支撐件
50:第二電連接器
60:密封件
70:位置感測器/感測器
80:旋轉驅動器
90:電性導體

Claims (13)

  1. 一種電耦合器，其係用於將風力渦輪機連接至電網，該電耦合器包括：具有至少一第一電連接器(30)的第一支撐件(20)；具有至少一第二電連接器(50)的第二支撐件(40)，該第二電連接器(50)係與第一電連接器(30)互補；及該第一支撐件(20)與該第二支撐件(40)可相對於彼此旋轉；其特徵在於該至少一第一連接器(30)係可相對於該至少一第二電連接器(50)移動，以便形成和斷開一電插頭連接，且當該等電連接器(30、50)被互相連接以及被分離時，該等電連接器(30、50)係被密封以防止水氣滲透。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電耦合器，其中該等電連接器(30、50)中之至少一者係可橫向於該等支撐件(20、40)的平面而軸向地移動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電耦合器，其中該等電連接器(30、50)中之至少一者係可在該等支撐件(20、40)的平面內徑向地移動。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之電耦合器，其中該等支撐件(20、40)係各自地被設計為盤。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電耦合器，其進一步包含密封件(60)，該密封件(60)保護介於該等支撐件(20、40)之間的空間而防止水氣滲透。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電耦合器，其進一步包含複數個被分別地配置在該第一支撐件(20)和該第二支撐件(40)之上的電連接器(30、50)，該等支撐件(20、40)包括圍繞該等電連接器(30、50)並保護該等電連接器(30、50)免於水氣的共同密封件(60)。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電耦合器，其進一步包含彈簧，該彈簧在該第二電連接器(50)的方向上施加作用力於該第一電連接器(30)之上。
  8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電耦合器，其進一步包含感測器(70)，該感測器(70)檢測該等支撐件(20、40)相對於彼此的相對旋轉位置。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電耦合器，其進一步包含旋轉驅動器(80)，該旋轉驅動器(80)將該等支撐件(20、40)相對於彼此扭轉。
  10. 一種風力渦輪機，該風力渦輪機的特徵在於其包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之電耦合器，且該風力渦輪機係可圍繞經錨固的錨定點(A)旋轉的浮動式風力渦輪機，該錨定點(A)係以大體上旋轉固定的方式而被錨固，並且該第一電連接器(30)係剛性地連接至電性導體(90)，該電性導體(90)係連接至該風力渦輪機的發電電性構件且該第二電連接器(50)係連接至隨其旋轉的海底電纜(100)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之風力渦輪機，其進一步包含高負載斷路器，該高負載斷路器係連接至電網側的該第二電連接器(50)。
  12. 如申請專利範圍第10或11項所述之風力渦輪機，其中該等支撐件(20、40)大體上為水平的並且可圍繞大體上垂直的軸線而相對於彼此旋轉。
  13. 如申請專利範圍第10或11項所述之風力渦輪機，其進一步包含用於檢測該風力渦輪機相對於該電耦合器之旋轉位置的感測器。
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