具有灭火系统的风力涡轮机的制作方法

本发明涉及一种包括灭火系统的风力涡轮机。本发明还涉及一种操作所述风力涡轮机的方法。

背景技术：

1、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，毂部附接到机舱上。转子安装在毂部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，经过叶片的风转动所述转子，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量转换成电力并且将电力传递到电网。

2、风力涡轮机放置在提供高风量的位置。这些位置可以是遥远的陆上位置或在海上的海上位置。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输电变电站，在输电变电站中，电力被转换成通常在130-765kv之间的高电压，以用于通过电力线在输电网上进行长距离传输。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。

3、遥远风电场的问题在于，需要桥接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。

4、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，以便通过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增加，更多的电力被供应到电网，该电力将从风电场被输送到电网的最近输入点。增加通过长距离电力线传输的电力导致对电缆的更高要求和更高的成本。

5、为了减少由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至少一部分电力驱动的电解单元产生氢气。

6、电解单元是被配置成产生氢气的电力至气体单元(power-to-gas unit)。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。这些气体可以在之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运输，这比直接通过长距离电力线运输电力更便宜。

7、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结合的使用，其中多个电解单元连接到风电场，并且借助于由风力涡轮机的发电机产生的电力来产生氢气。类似地，文献wo 2020/095012a1描述了一种用于大规模生产氢气的海上风力涡轮机系统，其包括具有脱盐单元和电解单元的浮动塔架结构。

8、在具有电解单元的风电场中，由于在风力涡轮机和电解单元中使用的电气设备以及由于任何其它原因，火灾可能开始发生。由于存在由电解单元产生的氢气，风力涡轮机处的火灾是非常危险的，并且可能导致严重的材料和人身伤害。气态氢气的可燃性在风力涡轮机用于产生氢气时导致与氢气相关的爆炸的风险。这是商业和安全风险两者，因为氢气不仅可能损坏风力涡轮机本身，而且没有气味并且通常不可被可能不知不觉地在爆炸性环境中工作的人员检测到。因此，应尽可能快地扑灭源自风力涡轮机的火灾以降低这种风险。

9、常见的灭火系统，例如wo2004098718a1中公开的用于建筑物的灭火系统，使用通常与水混合的灭火剂来灭火。然而，由于风力涡轮机处可用的空间有限并且这些灭火剂需要定期检查，因为它们具有到期日，所以这种解决方案对于海上风力涡轮机是不可行的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供具有灭火系统的风力涡轮机，该灭火系统减轻与在产生氢气的风力涡轮机处开始的火灾相关联的风险。

2、这通过根据权利要求1的风力涡轮机和根据权利要求15的操作风力涡轮机的方法来实现。

3、根据本发明，竖立在水体中的风力涡轮机包括：发电机；基座；机舱；塔架，其具有安装到基座的第一端和支撑机舱的第二端；电解单元，其由发电机供电以从输入流体(特别是水)产生氢气；以及流体供应组件，其用于将输入流体从布置在水平面下方的流体入口供应到布置在水平面上方的电解单元。所产生的氢气可以通过氢气输出从风力涡轮机中取出。

4、因此，发电机产生电力，并且将所产生的电力的至少一部分供应给电解单元，因为两个部件被电联接。

5、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到电网或到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气，可以减轻波动。氢气可以通过与电解单元的输出联接的系统出口从风力涡轮机中取出。

6、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，使得电网不因波动的发电设施的发电峰值而过载。此外，如果在到电网的输出中出现问题，则电力可以被完全重新引导到电解单元，使得仅产生氢气。所产生的氢气通常为气态，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。

7、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，以产生由氢气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，并且使其火焰速度高达压缩天然气的八倍。

8、根据本发明，风力涡轮机还包括灭火系统，所述灭火系统通过流体连接而连接到流体供应组件，流体连接用于将输入流体供应到所述灭火系统。

9、因此，流体供应组件既用于将输入流体供应至电解装置，又用于将输入流体供应至灭火系统。

10、流体供应组件可以使用相同的流体连接以向电解装置和灭火系统两者供应输入流体，或者流体供应组件可以使用两个单独的流体连接。通过具有相同的流体连接，可以节省成本。然而，通过具有两个单独的流体连接，系统的可靠性增加。

11、具有连接到流体供应组件的灭火系统的优点在于，如果流体供应组件已经就位以用于将输入流体供应到电解装置，则这是不需要任何复杂的结构变化的成本有效的解决方案。所述灭火系统也可以用作包括流体供应组件的现有风力涡轮机的“附加”解决方案。

12、灭火系统可以与其它安全系统结合以使爆炸的危险最小化，所述其它安全系统是例如氢气净化系统。灭火系统通过用输入流体冷却风力涡轮机的部件来保护所述部件免受火灾和源自火灾的热量。灭火系统也可以用作预防措施，以防止其它部件着火和受损。

13、根据本发明的优选实施例，灭火系统包括备用电力单元，用于在火灾的情况下和/或在来自发电机的电力的短路的情况下向流体供应组件的部件和/或灭火系统供应电力。这是确保灭火系统将在火灾情况下工作的附加安全措施。备用电力单元可以布置在具有增加的防火措施的模块中。

14、例如，在主电力系统故障的情况下，备用电力单元向泵以及灭火系统和流体输入组件的阀或喷嘴供电。因此，在任何给定的情况下，灭火系统将继续操作。备用能源可以是为泵和灭火系统提供能量的电池或燃料电池。该备用能量供应可以避开火灾，并且可以与任何其它设备分开放置，例如尽可能远离可能是发生火灾的源的任何设备，例如电解槽、变压器和其它电气设备。备用系统也可以放置在塔架或机舱内。

15、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统是喷淋灭火系统。

16、根据本发明的优选实施例，喷淋灭火系统包括具有多个喷嘴的水平喷洒喷嘴装置。

17、水平喷洒喷嘴装置可以是系统管道，并且喷嘴可以是安装到所述系统管道的喷洒器。每个喷洒器可以与系统管道选择性地流体连通，并且可以具有常闭状态，由此系统管道通常是干的。

18、选择性的流体连通允许打开和关闭特定的喷洒器和/或喷嘴，使得灭火系统仅向所选择的特定模块供应输入流体。

19、根据本发明的另一优选实施例，喷嘴布置在框架处，所述框架用于支撑和用于将输入流体引导到喷嘴。框架可包括管道以向喷嘴提供流体。

20、喷嘴可以集成在框架中。框架可以包括单独附接的水管。替代地，框架可以是中空的，并允许输入流体流过其中心或流过延伸通过框架的内部部分的管。

21、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统包括阀。在喷嘴打开以让输入流体流出灭火系统之前，阀可以打开以用输入流体填充灭火系统。

22、根据本发明的另一优选实施例，流体入口包括在基座中或在塔架中位于水平面下方的开口，输入流体通过该开口被输送到电解单元。

23、因此，基座具有开口或孔以收集水。考虑到水的潮汐运动，基座处的开口的位置应当被选择成使得开口总是浸没在水平面以下。

24、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海上风力涡轮机。

25、电解单元用于从水产生氢气。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。

26、根据本发明的优选实施例，基座是安装到水体的床层的地基。

27、该基座是可以适用于浅水和/或中等深水、例如沿海水中的地基。地基的类型可以选自由单桩地基、护套框架地基、三脚架地基、基于重力的地基、吸力桶结构、管状桁架地基或三桩地基组成的组。

28、因此，风力涡轮机借助于地基连接到海床或水体的床层。

29、根据本发明的另一优选实施例，风力涡轮机是浮动式风力涡轮机，其中基座是浮动式、半潜式或潜式基座平台。

30、该基座是浮动式、半潜式或潜式基座平台，其可以适用于深水。基座平台的类型可以从由浮动体、张力腿平台tlp或半潜式平台组成的组中选择。

31、基座平台可以锚定到水下地面以限制浮动式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)的运动自由度。浮动海上基座通常没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或链，通常是多个链、缆或索，后者在航海环境中也被称为系泊设备。

32、根据本发明的另一优选实施例，风力涡轮机还包括电解单元平台，该电解单元平台将电解单元的至少一部分支撑在水平面上方。

33、利用专用的电解单元平台，与例如通过将电解单元安装在机舱上相比，电解单元可以更容易地被安装，并且电解单元的至少一部分可以保持在水平面上方。

34、根据本发明的另一优选实施例，电解单元平台支撑用于存储设备(例如电解单元)的多个容器。由于风力涡轮机位置的恶劣环境条件，电解单元的部件暴露于雨和污垢，以及暴露于安装在海上的海上风力涡轮机的盐。这导致部件的金属的快速腐蚀。为了防止腐蚀，风力涡轮机的包括暴露于大气的金属部件的安装部件(例如，安装在风力涡轮机的电解单元平台上的电解单元)通常容纳在容器中。

35、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统布置在电解单元平台处或附近，特别是靠近容器。由于容纳在容器中的电气设备，与风力涡轮机的其它部件(例如中空塔架部分)相比，在那里发生火灾的可能性增加。因此，将灭火系统布置在容器附近是有利的。

36、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统布置在机舱处或附近。机舱包含电气设备，例如发电机或变压器和电缆，因此将灭火系统布置在机舱处是有利的。

37、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统布置在塔架处或附近。源自风力涡轮机的任何部分的火可扩大到塔架，从而引起来自火和热的若干损害。为了防止这种情况，灭火系统可以布置在塔架处。此外，将灭火系统布置在塔架处或附近的优点是，该系统能够冷却塔架，从而防止在塔架附近发生火灾的情况下损坏塔架。这保持了风力涡轮机的主结构在火灾情况下的安全，防止了对风力涡轮机的严重损坏。

38、因此，灭火系统可以布置在风力涡轮机的多个部分处。灭火系统也可以布置在机舱和电解单元平台两者处或者布置在塔架和电解单元平台两者处。灭火系统还可以另外布置在塔架处，从而使灭火系统的部件布置在塔架处，其它部件布置在机舱处，并且其它部件布置在电解单元平台处。因此，在特定位置发生火灾的情况下，该火可以用布置在该特定位置的灭火系统的部件来扑灭。

39、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统包括气体灭火器，例如co2灭火器，其可安装在对输入流体敏感的模块中，所述模块是例如机舱的内部部件。这避免了水损坏这些部件。

40、根据本发明的另一优选实施例，电解单元包括脱盐单元，其中，供应到灭火系统的输入流体在到达灭火系统之前被引导通过脱盐单元，以避免盐和其它杂质阻塞灭火系统。与脱盐水相比，这种措施减少了源自盐水的腐蚀。

41、根据本发明的另一优选实施例，流体供应组件包括用于过滤输入流体的过滤器。因此，水中的颗粒和其它物质在进入电解单元之前被过滤。清洁单元还可以具有定向到过滤器的喷嘴以清洁过滤器。

42、根据本发明的另一优选实施例，流体供应组件包括用于将加压输入流体引导到灭火系统的泵。泵被配置成从水体泵送输入流体并使其通过流体入口和灭火系统之间的流体连接。

43、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统包括火灾检测器，该火灾检测器布置成检测火灾的特征，并产生指示传感器检测到火灾的输出信号。

44、火灾检测器可以适于检测与火灾相关联的温度或从火灾发出的废气。如果检测到火灾，火灾检测器产生指示火灾的输出信号，以警告工人火灾的存在并激活灭火系统。

45、火灾检测器还可以用于停止氢气的产生和/或在火灾的情况下从电解单元中清除氢气，以使爆炸的风险最小化。

46、传感器还可以被配置成检测风力涡轮机的模块的过热，这可以自动地启动灭火系统以冷却模块并防止火灾的形成。

47、灭火系统可将输入流体散布在容器的顶部上，以防止水进入容器内部并损坏设备，但同时冷却容器。

48、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统由控制单元控制，其中当火灾检测器检测到火灾的存在时，控制单元启动灭火系统。

49、提供了控制单元，其监测火灾检测器是否已经检测到火灾。因此，控制单元与火灾检测器连通，并且还与灭火系统的阀或喷嘴连通，并且与输入流体组件连通，以响应于指示火灾的输出信号而启动灭火系统。

50、根据本发明的另一优选实施例，灭火系统可由操作者手动启动。因此，通过触发信号，例如通过按下按钮，灭火系统被手动地启动。

51、根据本发明的另一优选实施例，流体供应组件包括柔性软管和软管绞盘，该软管绞盘被配置成旋转以将软管缠绕在软管绞盘上，其中，流体入口布置在柔性软管的端部处。

52、流体供应组件的软管是柔性的，以便能够将软管缠绕在软管绞盘上。因此，通过旋转软管绞盘，柔性软管可以从升高位置降低到降低位置，或者反之亦然。流体供应组件可以包括用于旋转软管绞盘的装置，以便在软管绞盘上缠绕软管，从而从软管的降低位置改变到软管的升高位置。

53、升高位置可以是软管完全滚动到水平面上方所在的位置，而降低位置是软管的流体入口浸没在水平面以下所在的位置。

54、在降低位置，软管可以从软管绞盘悬置而没有任何支撑或引导装置，即，其可以自由悬置。

55、软管可以是例如中空管，其可以被加强以获得更好的耐久性。

56、如果风力涡轮机包括电解单元平台，则该平台提供了可以布置例如软管绞盘的部件的开放空间。工人容易接近，因此简化了在软管绞盘处的维护工作，或者如果是手动完成的话，简化了软管绞盘的旋转。例如，由于软管绞盘布置在平台处，所以如果软管被提升至平台，则软管可以更容易得多地被清洁以去除海洋生长物。

57、作为软管绞盘的替代，柔性软管可以是固定的扬水机。

58、根据本发明的另一优选实施例，软管的长度根据水平面进行调节。例如，当需要输入流体时，软管可以降低到低潮液面以下，以始终在水平面以下。替代地，当需要输入流体时，软管可根据潮差和波浪调节到水平面以下，从而具有最小的软管长度，这有利于防止软管撞击地基或塔架壁。这里，如果检测到火灾，则软管的流体入口自动地部署在水平面以下。

59、根据本发明的另一个优选实施例，流体供应组件还包括位于流体入口处或附近的潜水泵。

60、因此，在软管内或在软管的端部处，安装了潜水泵以将流体泵送至电解单元。

61、根据本发明的另一优选实施例，泵安装在软管内部，其中泵可以被提升通过软管以用于检查和维护工作。泵也可通过软管下降。另外，泵也可以升高到水平面以上，以保护泵在其不使用时免受腐蚀和海洋环境的影响。这也限制了泵和软管上的海洋生长物。

62、泵也可能由于恶劣的天气条件(即，由于风暴等)而被升起，以保护泵。

63、可以安装起重机以将泵移动到更容易维修所述泵所在的位置。

64、根据本发明的另一优选实施例，流体供应组件还包括附接在流体入口处或附近的配重。配重加强软管以便具有直的软管并且避免软管撞击塔架壁、地基壁或其它部件。配重还使软管稳定以抵抗波浪、水流或风。所添加的配重取决于现场条件。

65、根据本发明的另一优选实施例，流体供应组件还包括用于引导和支撑软管的引导装置。引导装置有利于将软管保持在适当位置并避免软管的摆动，软管的摆动会导致对塔架壁、地基壁或其它部件的撞击并导致损坏。

66、根据本发明的另一优选实施例，引导装置包括由梁支撑的钟形件，软管被引导通过该梁。钟形件用作漏斗，以在从升高位置降低到水平面以下的降低位置时容易地抓住悬置软管。梁可以附接到地基、塔架或任何其它部件，以便为引导装置提供稳定性和支撑。

67、根据本发明的另一优选实施例，引导装置包括中空壳体，软管被引导通过该壳体。因此，软管被容纳在中空壳体中，中空壳体例如是沉箱，即，水密保持结构。

68、中空壳体可以被确定尺寸成允许软管在中空壳体内升高和降低。因此，中空壳体类似于将软管从升高位置引导到降低位置以及从降低位置引导到升高位置的引导通道。

69、根据本发明的另一优选实施例，在特定时间之后或周期性地升高和降低软管，以保持中空壳体清洁。例如，每天上下移动软管一次以保持中空壳体清洁。软管还可以包括刮擦器，以在中空壳体中降低或升高时清除任何海洋生长物。

70、根据本发明的另一优选实施例，流体供应组件包括用于过滤输入流体的过滤器。因此，水中的颗粒和其它物质在进入电解单元之前被过滤。

71、根据本发明的另一优选实施例，过滤器安装在软管内部，其中过滤器可被提升通过软管以进行清洁、检查和维护工作。

72、根据本发明的另一优选实施例，流体入口在软管的降低位置中布置在离地平面足够远的距离处，以避免将沙子或其它物质从地平面引入到流体入口中。地平面是水体以下的平面，例如海床平面。由于需要较少的能量和过滤器的维护，该方法降低了过滤的成本。

73、根据本发明的另一优选实施例，流体入口由防污材料(例如，铜)制成，以避免流体入口上的植物生长，特别是海洋生长物。特别地，任何惰性材料都可以用作防污材料，以防止植物在流体入口上形成，所述植物会阻碍水流。

74、由于只有一个流体连接必须被清洁以清除海洋生长物，所以使用流体供应组件的相同流体连接来向电解单元和灭火系统两者供应输入流体简化了清洁软管的过程。

75、本发明的又一方面涉及一种将输入流体供应到风力涡轮机的灭火系统的方法，包括以下步骤：借助于流体供应组件来吸入输入流体；以及借助于流体连接将输入流体从流体供应组件引导到灭火系统。