TWI812335B - 具有流體供應總成的風力渦輪機 - Google Patents

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芬朵嘉 馬德森
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丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
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Abstract

一種設立在水體中的離岸風力渦輪機(1)，包含：發電機(2)；基座(5)；機艙(6)；塔架(4)，具有安裝至基座(5)之第一端部及支撐機艙(6)的第二端部；電解單元(3)，藉由發電機(2)供電，以從輸入流體(9)、尤其是水產生氫氣(8)；及流體供應總成(21)，用於將輸入流體(9)從配置在水位(31)下方之流體入口(23)供應至配置於水位(31)上方的電解單元(3)，其中流體供應總成(21)包含泵(24)及在流體入口(23)與電解單元(3)之間的流體連接件(22)。

Description

具有流體供應總成的風力渦輪機
本發明有關具有流體供應總成的離岸風力渦輪機。本發明進一步有關將輸入液體供應至離岸風力渦輪機之方法。
風力渦輪機越來越多地使用於產生電能。風力渦輪機典型包含塔架及安裝至塔架上的機艙，輪轂係附接至此機艙。轉子安裝在輪轂，並耦接至發電機。複數個葉片從轉子延伸。葉片係以使得通過葉片之風使轉子轉動的方式定向，藉此驅動發電機。因此，葉片之旋轉能量被傳送至發電機，其接著將機械能轉化為電力，並將電力傳送至輸電網路。
風力渦輪機被放置於提供高風量的地點。這些地點可為偏遠之陸上地點或海上的離岸地點。為了輸送電能，藉由風力渦輪機之發電機所產生的電力傳輸至風電場之輸電變電站，在此其被轉換成高電壓，通常於130-765kV之間，用於透過電力線在輸電網路上長距離傳輸。輸電網路將風電場的偏遠地點連接至輸電網路之變電站，其將電力轉換為與輸電網路相容的電壓。
偏遠風電場之一問題是需要橋接風電場與輸電網路的變電站之間的距離。需要很長之電力線，而安裝成本非常高。
風力渦輪機的技術之目前發展趨向於增加風力渦輪機的大小，用於獲取更多之風能、更長的葉片及更高之塔架。由於風力渦輪機的大小增加，更多之電力被供應至輸電網路，此電力係從風電場輸送至輸電網路的最靠近之輸入點。透過長距離電力線傳送的電力越來越多，導致對纜線之要求越來越高，且成本越來越高。
為了減少藉由輸電網路的電力線所傳送之能量、或完全避免使用長距離的電力線，可在風力渦輪機附近安裝電解單元。包含電解單元之風力渦輪機藉著發電機產生電力，並藉著用風力渦輪機的至少一部分電力所驅動之電解單元產生氫氣。
電解單元係構造成產生氫氣的電力-氣體單元。因此，藉由風力渦輪機產生之能量可使用於電解過程，以生成氫氣及氧氣。這些氣體可在以後使用於燃料電池中生成電能，或使用於產生化學品、如同氨或甲烷。由電解單元生成的氣體可藉由使用管線或藉由將氣體加壓進入容器來輸送，這比直接透過長距離電力線輸送電力之成本低。
電解單元與風力渦輪機的結合使用係由先前技術領域已知，例如在文件US 5,592,028 A中，在此複數個電解單元係連接至風電場，並藉著用風力渦輪機之發電機所產生的電力來產生氫氣。類似地，文件WO 2020/095012 A1敘述用於大規模生產氫氣之離岸風力渦輪機系統，其包括具有脫鹽單元及電解單元的浮動塔架結構。
在具有電解單元之風電場中，氫氣係用輸入流體產生。例如，對於離岸風電場，輸入流體係海水，其在進入電解單元之前被脫鹽。選擇性地，離岸風電場可為坐落於湖泊或任何水體上，且輸入流體係水，其在進入電解單元之前通常要進行過濾。離岸風力渦輪機面臨的問題是，輸入液體必需被供應至電解單元平臺，於此配置電解單元，在此必需克服水位與電解單元平臺之間的高度差。這是藉著流體供應總成來施行達成。傳統之流體供應總成包含用浸沒於水中的泵而懸擱於水中之軟管。設計軟管以保護泵及管線免受來自風及浪的外力。
懸擱式流體供應總成具有軟管撞擊抵靠著塔架的風險，藉此由於強風而損壞自身及塔架。軟管亦暴露至惡劣之環境條件，且通常必需克服高於水位20米以上的高度，因此懸擱式流體供應之損壞導致材料成本及工作時間高，以便替換損壞的部件。
本發明之目的係提供具有流體供應總成之離岸風力渦輪機，其克服由先前技術領域已知的問題。
這是藉由根據請求項1之離岸風力渦輪機及如請求項15將輸入流體供應至離岸風力渦輪機的方法來達成。
根據本發明，設立在水體中的離岸風力渦輪機包含發電機；基座；機艙；塔架，具有安裝至基座之第一端部及支撐機艙的第二端部；電解單元，藉由發電機供電，以從輸入流體、尤其是水產生氫氣；及流體供應總成，用於將輸入流體從配置在水位下方之流體入口供應至配置於水位上方的電解單元。流體供應總成包含泵及在流體入口與電解單元之間的流體連接件。
因此，發電機產生電力，並向電解單元供應所產生之電力的至少一部分，因為兩個部件係電耦接的。
由於發電之波動，例如取決於天氣條件及風力等級，很難以預見離岸風力渦輪機至輸電網路或儲能裝置的電力輸出。藉由使用發電機產生之部分能量來產生氫氣，可減輕此等波動。氫氣可藉由耦接至電解單元的輸出之系統出口自風力渦輪機取出。
因此，藉由發電機產生的至少一部分能量可使用來為電解單元供電，以致輸電網路係不會藉由波動發電設施之發電高峰而超載。此外，如果輸出至輸電網路中存在問題，電力可完全重新定向至電解單元，以致僅只產生氫氣。所產生的氫氣通常呈氣態，其可被壓縮及/或與其他成分混合成液態，其係更易於儲存及/或輸送。
電解單元亦可為混合氣體產生器，其施行電解並生成其他氣體。例如，電解單元可於水及二氧化碳上施行電解，以生成由氫氣及一氧化碳所組成之混合氣體。選擇性地，氫氣可與天然氣混合，其增加氫氣的氫/碳比例，並使其火焰速率比壓縮天然氣高達八倍。
電解單元係使用於從水產生氫氣。因此，如果風力渦輪機安裝在水之附近，亦即河流附近或於海邊，電解單元可使用此水作為至電解單元的輸入，以產生氫氣及氧氣。然而，亦有可能進一步處理氫氣，並獲得其他化合物、如同甲烷或氨。
水係藉由流體供應總成提取。
根據本發明，流體入口包含基座中或塔架中低於水位之開口，輸入流體係經過此開口輸送至電解單元。
因此，基座具有開口或孔洞來收集水。考慮水的潮汐運動，應以使得開口始終浸沒於水位下方之方式來選擇在基座處的開口之位置。
根據本發明的較佳實施例，基座係安裝至水體之底板的基礎結構。
此基座係可為適用於淺水及/或中等深度水域之基礎結構、如同在近岸水域中。基礎結構的類型可從由單樁基礎結構、夾層框架基礎結構、三腳架基礎結構、重力基座基礎結構、吸水桶形成結構、管狀桁架基礎結構或三樁基礎結構所組成之群組來選擇。
因此，離岸風力渦輪機係藉著基礎結構連接至海床或水體的床面。
根據本發明之另一較佳實施例，離岸風力渦輪機係浮動式風力渦輪機，其中基座係浮動式、半浸沒式或浸沒式基座平臺。
基座係可適用於深海水域的浮動式、半浸沒式或浸沒式基座平臺。基座平臺之類型可為選自由浮筒、張力腿平臺TLP或半浮式平臺所組成之群組。
基座平臺可錨定至水下地面，以限制浮動式離岸風力渦輪機在水平方向中、亦即實質上平行於水表面的方向中之運動自由度。浮動式離岸基座典型沒有固定式垂直位置，以能夠補償海平面的變動。對於錨定，其係可能使用至少一條纜線或鏈條，典型是複數條鏈條、纜線或線，後者在航海方面亦稱為繫泊(mooring)。
根據本發明之另一較佳實施例，離岸風力渦輪機更包含將電解單元的至少一部分支撐於水位上方的電解單元平臺。
有了專用之電解單元平臺，電解單元可為比例如藉由將電解單元安裝在機艙上更容易地安裝，且電解單元的至少一部分可被保持於水位上方。
根據本發明之另一較佳實施例，離岸風力渦輪機包含在基座與塔架之間或於基座與電解單元平臺之間的過渡件。
過渡件係設置在基座之頂部。特別較佳類型的耦接件係設置於單樁頂部上之過渡件，在此過渡件包括設置於過渡件的外周邊上之電解單元平臺。
根據本發明的另一較佳實施例，流體供應總成包含用於過濾輸入流體之過濾器。因此，在進入電解單元之前，水中的顆粒及其他物質被過濾掉。
根據本發明之另一較佳實施例，流體入口係配置於足以從地平面移除的距離，用以避免將沙子或其他物質從地平面引入流體入口。此地平面係水體下方之水平面、例如海床水平面。此方法降低過濾的成本，因為需要之能源及過濾器的維護較少。
根據本發明之另一較佳實施例，管線連接流體入口與電解單元。管線可包含在沉箱中、亦即防水擋土結構。
根據本發明的另一較佳實施例，管線至少部分地延伸經過基座之內部。例如，管線至少部分地位於基座的徑向內部，並在平行於基座及/或塔架之軸線的縱長方向中延伸朝風力渦輪機之電解單元平臺。
根據本發明的另一較佳實施例，管線部分地延伸經過塔架之內部。因此，管線部分地位於塔架的外圓周之徑向內部，並在平行於基座及/或塔架的軸線之縱長方向中延伸朝風力渦輪機的電解單元平臺。如果基座與塔架之間的過渡發生在電解單元之位置下方，就屬於此案例。因此，管線的第一部分延伸經過基座，且管線之第二部分延伸經過塔架。
根據本發明的另一較佳實施例，管線係由聚合物材料或環氧樹脂材料所形成，並具有支撐纖維強化件以避免腐蝕。
根據本發明之另一較佳實施例，管線係由玻璃纖維形成。
根據本發明的另一較佳實施例，泵係安裝在管線內側，其中泵可為了檢查及維護工作而經過管線舉升。泵亦可經過管線下降。此外，泵亦可被舉升至水位上方，以保護泵於不使用時不受腐蝕及海洋環境之影響。這亦限制泵及管線上的海洋附著物。
由於惡劣之天氣條件、亦即由於風暴或類似情況，泵亦可被舉升，以保護此泵。
可安裝起重機，以將泵運動至能更容易維修的位置。
根據本發明之另一較佳實施例，過濾器安裝在管線內側，其中過濾器可經過管線舉升用於清潔、檢查及維護工作。
根據本發明的另一較佳實施例，管線被密封，以避免至塔架及/或基座之任何洩漏。洩漏可導致塔架及/或基座的內部零件之腐蝕，且因此應被避免。
此密封可藉由管線與連接至此管線的任何部件之間的栓接法蘭來達成。
根據本發明之另一較佳實施例，流體連接件的至少一部分係在基座及/或塔架處鑽出之通道。因此，於基座、塔架或在基座及塔架兩者處鑽有通道，以連接流體入口與電解單元。因此，作為管線的替代或補充，可使用通道。通道之壁面可用防腐材料來保護，以避免由於水、尤其是鹽水的連續交換，帶來新氧氣及促進腐蝕環境而導致部件之腐蝕。
根據本發明的另一較佳實施例，流體入口包含由防污材料、諸如銅所製成之彎曲接頭，以避免在流體入口上的植物生長、尤其是海洋附著物生長。尤其是，任何惰性材料可使用作防污材料，以防止流體入口上之植物的形成，其阻礙水流動。
根據本發明之另一較佳實施例，密封彎曲的接頭，以避免至塔架及/或基座之任何洩漏。洩漏可導致塔架及/或基座的腐蝕，且因此應被避免。
此密封可藉由彎曲接頭與管線或連接至與彎曲接頭的任何部件之間的栓接法蘭來達成。
本發明之另一態樣有關將輸入流體供應至離岸風力渦輪機的方法，此方法包含以下步驟：經過配置於水位下方之流體入口吸取輸入流體，及藉著泵將輸入液體從液體入口泵送至電解單元。
圖1顯示如先前技術領域中已知的離岸風力渦輪機1之示意圖，包含從電解單元3懸擱用於流體供應的軟管。
離岸風力渦輪機1包含塔架4，機艙6係可旋轉地安裝在塔架之頂部上。離岸風力渦輪機1更包含連接至機艙6的輪轂。複數個葉片係安裝於輪轂上。輪轂係連接至發電機2，並藉著主軸承可繞著轉子軸線旋轉地安裝。離岸風力渦輪機1更包含電解單元平臺32，電解單元3被配置在水位31上方。離岸風力渦輪機1更包含基座5，塔架4安裝於基座上。基座5係安裝至水體底板之基礎結構34。
藉由發電機2產生的電力完全傳送至電解單元3，但其將為亦可能將離岸風力渦輪機1連接至輸電網路，並藉由發電機2所產生之部分電力傳送至輸電網路。電解單元3包含脫鹽單元11及電解單元12、以及脫鹽單元11與電解單元12之間的流體連接件，脫鹽水14係輸送經過此流體連接件。電解單元12及脫鹽單元11兩者係藉由發電機2供電，發電機2係藉著電連接件7連接至兩裝置。
用於電解單元3之輸入流體9係藉著泵24從離岸風力渦輪機1的海中取出之鹽水13。流體供應總成21藉著懸擱式軟管將鹽水13供應至電解單元3。軟管從脫鹽單元11懸擱至基座5外部的水體。鹽水13經過流體入口23進入流體供應總成21，並經過軟管輸送，其在流體入口23與形成電解單元3之一部分的脫鹽單元11之間建立流體連接件22。流體入口23及泵24被浸沒於水位31下方，以吸入鹽水13。
脫鹽水14係電解單元12的輸入流體9。電解裝置具有氫氣輸出口15，所生成之氫氣8係經過氫氣輸出口提取。此氫氣輸出口15係連接至氫氣管線，以將氫氣8輸送至岸上。選擇性地，可將氫氣8裝填於容器中並輸送至岸上。
圖2顯示根據本發明的實施例之離岸風力渦輪機1的示意圖，包含經過基座5之內部擴展的流體連接件22。
在本實施例中，離岸風力渦輪機1包含基座5，塔架4安裝於此基座上。基座5係安裝至水體之底板的基礎結構34、如同單樁。
在基座5之開口允許藉著流體供應總成21的泵24及配置於水位31下方之流體入口23來吸取鹽水13。經過基座5的流體連接件22可形成為通道或管線26。流體連接件22在平行於基座5之軸線及塔架4的軸線之縱長方向中延伸朝離岸風力渦輪機1的電解單元平臺32。此流體連接件22延伸經過基座5之內部、亦即經過基礎結構34的內部。
圖3顯示根據本發明之另一實施例的離岸風力渦輪機1之示意圖，包含在平行於基座5的軸線及塔架4之軸線的縱長方向中延伸朝離岸風力渦輪機1之電解單元平臺32的流體連接件22。此流體連接件22延伸經過基座5之內部，且由於基座5的頂部終止在電解單元平臺32下方，此流體連接件22同樣延伸經過電解單元平臺32下方之塔架4的內部。因此，流體連接件22之第一部分延伸經過基座5、亦即經過基礎結構34的內部，且流體連接件22之第二部分延伸經過塔架4。電解單元平臺32被配置於水位31上方。
經過基座5及塔架4的流體連接件22可形成為通道或管線26。
在基座5之開口允許藉著包含泵24的流體供應總成21來吸取鹽水13。
圖4顯示包含過濾器25、流體入口23、泵24、彎曲接頭27及管線26之流體供應總成21。
鹽水13於進入流體入口23之前通過此過濾器25，因此沙子、植物及其他不需要的物質被擋在流體供應總成21外側。彎曲之接頭27使鹽水13的流向轉彎至直立方向，以便被引導朝佈置於電解單元平臺32上之電解單元3。為了輸送鹽水13，使用管線26，此管線在基座5內側延伸至電解單元平臺32。管線26及彎曲的接頭27係藉由栓接法蘭連接件密封，以避免兩個零件之間的過渡部分中之洩漏。
藉由馬達所驅動的泵24係使用來克服脫鹽單元11與水位31之間的高度差。
圖5顯示配置為根據本發明之另一實施例的浮動式風力渦輪機之離岸風力渦輪機1，具有浸沒式基座平臺33。
浸沒式基座平臺33係藉由複數個撓性耦接構件、如同錨定繩索、錨定纜線及錨定鏈條錨定至水下地面。基座平臺33可為箱形或圓盤形的水箱，具有大的水平延伸部分及相當短之直立延伸部分。
於基座平臺33的開口允許藉著流體供應總成21之泵24來吸取鹽水13。經過基座平臺33的流體連接件22可形成為通道或管線26。流體連接件22在平行於基座平臺33之軸線及塔架4的軸線之縱長方向中延伸朝離岸風力渦輪機1的電解單元平臺32。此流體連接件22延伸經過基座平臺33之內部，且由於基座平臺33的頂部終止在電解單元平臺32下方，此流體連接件22同樣於電解單元平臺32下方延伸經過塔架4之內部。
在其他實施例中，基座平臺33可為柱狀浮筒(spar-buoy)類型。柱狀浮筒由單一的長圓柱形水箱所組成，並藉由將質心盡可能地移至低處來達成穩定性。於又一其他實施例中，基座平臺33可為更複雜之結構，且包括三或更多個浮力柱來支撐此離岸風力渦輪機1。
圖6顯示根據本發明的另一實施例配置為浮動式風力渦輪機之離岸風力渦輪機1，具有半浸沒式基座平臺33。
半浸沒式基座平臺33係藉由複數個撓性耦接構件、如同錨定繩索、錨定纜線及錨定鏈條錨定至水下地面。基座平臺33係以使得基座平臺33的上部保持在水面上方之方式錨定。
流體連接件22的設置係類似於圖5中所顯示者。
1:離岸風力渦輪機 2:發電機 3:電解單元 4:塔架 5:基座 6:機艙 7:電連接件 8:氫氣 9:輸入流體 11:脫鹽單元 12:電解裝置 13:鹽水 14:脫鹽水 15:氫氣輸出 21:流體供應總成 22:流體連接件 23:流體入口 24:泵 25:過濾器 26:管線 27:彎曲接頭 31:水位 32:電解單元平臺 33:基座平臺 34:基礎結構
為了便於理解本發明的特色，並作為本說明書之組成部分，附有一些圖紙，在這些圖面上，具有說明性但非限制性的特色，表示以下內容： 圖1顯示先前技術領域中已知之離岸風力渦輪機的示意圖，包含從電解單元懸擱用於流體供應之軟管。 圖2顯示根據本發明的實施例之離岸風力渦輪機的示意圖，包含擴展經過基座之內部的流體連接件。 圖3顯示根據本發明之另一實施例的離岸風力渦輪機之示意圖，包含經過基座的內部及經過電解單元平臺下方之塔架的內部擴展之流體連接件。 圖4顯示包含過濾器、流體入口、泵、彎曲的接頭及管線之流體供應總成。 圖5顯示配置為根據本發明的另一實施例之浮動式風力渦輪機的離岸風力渦輪機，具有浸沒式基座平臺。 圖6顯示配置為根據本發明之另一實施例的浮動式風力渦輪機之離岸風力渦輪機，具有半浸沒式基座平臺。
1:離岸風力渦輪機
2:發電機
3:電解單元
4:塔架
5:基座
6:機艙
7:電連接件
8:氫氣
9:輸入流體
11:脫鹽單元
12:電解裝置
13:鹽水
14:脫鹽水
15:氫氣輸出
21:流體供應總成
22:流體連接件
23:流體入口
24:泵
26:管線
31:水位
32:電解單元平臺
34:基礎結構

Claims (15)

  1. 一種設立在水體中的離岸風力渦輪機(1)，包含：發電機(2)；基座(5)；機艙(6)；塔架(4)，具有安裝至該基座(5)之第一端部及支撐該機艙(6)的第二端部；電解單元(3)，藉由該發電機(2)供電，以從輸入流體(9)、尤其是水產生氫氣(8)；及流體供應總成(21)，用於將該輸入流體(9)從配置在水位(31)下方之流體入口(23)供應至配置於該水位(31)上方的電解單元(3)，其中該流體供應總成(21)包含泵(24)及該流體入口(23)與該電解單元(3)之間的流體連接件(22)，其特徵在於該流體入口(23)包含在該基座(5)中或該塔架(4)中低於該水位(31)之開口，該輸入流體(9)係經過該開口輸送至該電解單元(3)。
  2. 如請求項1的離岸風力渦輪機(1)，其中該基座(5)係安裝至該水體之底板的基礎結構(34)。
  3. 如請求項1的離岸風力渦輪機(1)，其中該離岸風力渦輪機(1)係浮動式風力渦輪機，其中該基座(5)係浮動式、半浸沒式或浸沒式基座平臺(33)。
  4. 如請求項1至3中任一項的離岸風力渦輪機(1)，其中該離岸風力渦輪機(1)更包含將該電解單元(3)之至少一部分支撐在該水位(31)上方的電解單元平臺(32)。
  5. 如請求項1至3中任一項的離岸風力渦輪機(1)，其中該流體供應總成(21)包含用於過濾該輸入流體(9)之過濾器(25)。
  6. 如請求項1至3中任一項的離岸風力渦輪機(1)，其中該流體入口(23)係配置在足以從地平面移除之距離，用以避免將沙子或其他物質從該地平面引入該流體入口(23)。
  7. 如請求項1至3中任一項的離岸風力渦輪機(1)，其中一管線(26)將該流體入口(23)與該電解單元(3)連接，其中該管線(26)至少部分地延伸經過該基座(5)之內部。
  8. 如請求項7的離岸風力渦輪機(1)，其中該管線(26)部分地延伸經過該塔架(4)之內部。
  9. 如請求項7的離岸風力渦輪機(1)，其中該管線(26)係由聚合物材料或環氧樹脂材料所形成，並具有支撐纖維強化件以避免腐蝕。
  10. 如請求項7的離岸風力渦輪機(1)，其中該泵(24)係安裝在該管線(26)內側，其中該泵(24)可為了檢查及維護工作而經過該管線(26)舉升。
  11. 如請求項7的離岸風力渦輪機(1)，其中該管線(26)被密封，以避免至該塔架(4)及/或該基座(5)之任何洩漏。
  12. 如請求項1的離岸風力渦輪機(1)，其中該流體連接件(22)之至少一部分係於該基座(5)及/或該塔架(4)處鑽出的通道。
  13. 如請求項1的離岸風力渦輪機(1)，其中該流體入口(23)包含由防污材料、諸如銅所製成之彎曲接頭(27)，以避免在該流體入口(23)上的植物生長、尤其是海洋附著物。
  14. 如請求項13的離岸風力渦輪機(1)，其中密封該彎曲接頭(27)，以避免至該塔架(4)及/或該基座(5)之任何洩漏。
  15. 一種將輸入流體(9)供應至如請求項1至14中任一項的離岸風力渦輪機(1)之方法，該方法包含以下步驟：經過配置於該水位(31)下方的流體入口(23)吸取輸入流體(9)，及藉著該泵(24)將該輸入液體(9)從該液體入口(23)泵送至該電解單元(3)。
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