带有上塔架电解系统的风力涡轮机的制作方法

本发明涉及一种包括塔架、机舱和承载一个或多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。

背景技术：

1、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，以及允许将能源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"。

2、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。氢可以直接用作燃料，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。

3、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，以最小化输送过程中的损耗。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。

4、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，则会带来可能的安全隐患。

技术实现思路

1、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。

2、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一个或多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，氢输送管线沿着塔架的外表面从电解系统的位置延伸到塔架的下部分。

3、因此，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。

4、轮毂承载一个或多个风力涡轮机叶片，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。

5、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(上风向)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(下风向)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。

6、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。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电能源(例如在小于5-20米内)布置，无需将直流电转换成具有合适的电网顺应频率的交流电就能够将电能在远距离上传送到中央设施，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，还避免了因电力转换和输送而造成的电力损耗。

7、电解系统布置在风力涡轮机的上塔架部分中。在本上下文中，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够高来为这种隔舱留出安全空间的情况下，位于塔架的上1/4内。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。

8、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、乙醇，或并入液态有机氢载体(lohc)中。因此，在本发明的上下文中，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。

9、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。

10、通常情况下，到风力涡轮机的机舱以及从风力涡轮机的机舱出来的供应管线、电力电缆等都布置在塔架内部，以保护这些供应管线和电力电缆不受环境影响，包括保护其不受强风、降水、含盐空气、闪电、野生动物等的影响，并确保机舱能够相对于塔架进行偏航移动而不损坏供应管线或电力电缆。然而，在风力涡轮机塔架的狭小(受限)空间内布置用于输送氢的输送管线可能会在输送管线泄漏或损坏的情况下带来火灾和爆炸的风险。在这种情况下，氢会进入塔架内部并在那里积聚，因为氢将不能够容易地经过塔架的内部到达周围环境中。这样积聚的氢与空气中的氧气混合后会被容易地点燃，从而引起火灾甚至是爆炸。

11、不过，在根据本发明的风力涡轮机中，氢输送管线沿着塔架的外表面从电解系统的位置(即从上塔架位置)延伸到塔架的下部分，例如延伸到塔架的底座处或附近的位置，即延伸到塔架与地基、单桩、过渡件或类似物相连的位置。

12、由于氢输送管线沿着塔架的外表面延伸，因此电解系统生产的氢可以从上塔架位置(例如从机舱)输送到风力涡轮机之外，例如输送到管道或合适的储存罐中，而不会有氢泄漏到风力涡轮机内部，特别是塔架内部的风险。因此，火灾和爆炸的风险大大降低。特别是，尽管电解槽在上塔架有最佳的能量定位，塔架的整个长度都不容易有这种氢泄漏和相关联的人员和装备风险。

13、因此，根据本发明的风力涡轮机允许以成本有效、安全的方式生产氢，特别是以显著降低风力涡轮机中，尤其是塔架中的火灾和爆炸对人员和装备造成的风险的方式生产氢。

14、电解系统可以布置在机舱内部。根据该实施例，电解系统靠近发电机和交流/直流转换器布置，发电机和交流/直流转换器通常都布置在机舱中。此外，电解系统布置在风力涡轮机已经在那里用于容置风力涡轮机的其他部件的部分内，电解系统被机舱的外壁遮挡。最后，当机舱进行偏航移动时，电解系统与机舱一起旋转，因此可以避免高功率电缆的可偏航电力输送。

15、作为替代方案，风力涡轮机还可以包括一个或多个与机舱相连的封闭的、可封闭的或可密封的隔舱，电解系统可以布置在一个或多个隔舱中的一个隔舱内部。根据该实施例，当机舱进行偏航移动时，电解系统也将与机舱一起旋转，因为封闭的、可封闭的或可密封的隔舱与机舱相连。不过，在这种情况下，电解系统布置在可与机舱内部隔开或隔离的隔舱内部。这样，氢泄露到机舱内部的风险就会大大降低，这降低了风力涡轮机中，特别是机舱中发生火灾和爆炸对人员和装备的风险。隔舱可以构成机舱的一部分，但以可密封的方式隔开，从而不允许氢在电解槽运行期间从隔舱进入机舱的主要部分。

16、容置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一个或多个可气体密封的门、舱门或类似装置，以便为维护人员等提供进入电解系统的通道。

17、例如，隔舱可以沿着机舱在轮毂安装在机舱上的前表面和与之相反布置的后表面之间延伸的侧面与机舱相连。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。

18、风力涡轮机还可以包括将塔架和机舱相互连接的偏航系统，该偏航系统可以设置有输送管线导向机构，用于引导氢输送管线从机舱经过偏航系统到达塔架的外表面。

19、由于氢输送管线沿着塔架的外表面延伸，因此在机舱偏航过程中，氢输送管线相对于塔架保持不动。但是，如果电解系统与机舱一起旋转，例如当电解系统布置在机舱内部或布置在与机舱相连的隔舱内部，则需要将电解系统和氢输送管线连接起来，连接方式既不能阻碍机舱的偏航，也不能带来氢泄漏风险。

20、根据该实施例，输送管线导向机构在相对于机舱固定布置的电解系统和沿着塔架的外表面延伸的氢输送管线之间提供这样一种连接，允许机舱相对于塔架偏航。换句话说，输送管线导向机构引导氢输送管线安全地经过偏航系统，经过相互可移动的部件，而不阻碍偏航系统进行偏航移动的能力，也不会损坏氢输送管线。

21、输送管线导向机构可以包括电缆链。在本上下文中，术语"电缆链"应解释为是指被设计用于容纳柔性电缆、软管或类似物的链式结构，其方式允许电缆或软管在与电缆或软管相连的部件移动时缠绕或解开。电缆链也可称为电缆托架、拖链或能量链。

22、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，并允许偏航系统适当运行。

23、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。

24、输送管线导向机构可以布置在气密隔舱中。根据该实施例，输送管线导向机构，以及由输送管线导向机构导向的氢输送管线，都容纳在气密隔舱中。因此，如果氢输送管线的这一部分发生氢泄漏，泄漏的氢将被限制在气密隔舱中，氢不会进入风力涡轮机的其他部分，诸如机舱或塔架。因此，塔架和机舱仍然是安全的空间。由于输送管线导向机构的移动特性以及氢输送管线与输送管线导向机构的相互作用，增加了隔舱中发生氢泄漏的风险。优选的是在隔舱中放置合适的传感器(诸如氢传感器)，以便及早检测到氢输送管线的损坏，从而在可能发生危险情况之前采取正确的措施。此外，作为一种安全防范措施，这还允许在进入气密隔舱之前确认气密隔舱内不存在氢。

25、气密隔舱的一个特征是可以设置有防爆板。根据此实施例，在气密隔舱中发生氢泄漏的情况下，如上所述，氢被限制在气密隔舱内，泄漏后可能发生的爆炸将炸开防爆板。因此，风力涡轮机的其他部件，诸如机舱和塔架，不会受到这种爆炸的影响，人员存在在风力涡轮机内部也是安全的。特别是，优选的是防爆板的布置方向能降低风险，诸如与塔架相切或远离机舱向下布置。

26、气密隔舱的一个特征是可以设置有一个或多个舱门，从而允许从机舱和/或从塔架进入气密隔舱内部。根据该实施例，维护人员可以通过一个或多个舱门进入气密隔舱，以便对输送管线导向机构进行检查、维护、修理等。有利地，舱门可以设置有适当的密封件，在舱门封闭时，该密封件为舱门提供气密密封。此外，舱门的打开可能需要经过安全检查，从而确认不存在因氢泄漏而造成的安全隐患。

27、气密隔舱的一个特征是可以设置有通风机构。根据该实施例，在检测到氢泄漏的情况下，可以对气密隔舱进行通风，从而将泄漏的氢从气密隔舱清除，并降低火灾和爆炸的风险。例如，气密隔舱可以设置有一个或多个氢传感器，当气密隔舱内部的氢含量超过预定义的阈值水平时，可以激活通风机构，并可能地激活报警器。氢传感器可以直接与通风机构连接，从而确保在超过预定义的阈值水平时自动激活通风机构。替代地或附加地，通风机构可以以固定的时间间隔激活，可选地可远程激活。

28、作为将输送管线导向机构布置在气密隔舱中的替代方案，输送管线导向机构可以布置在基本上提供风力涡轮机外部的自由进入，但对机舱和塔架基本上气密的隔舱中。这样确保了任何泄漏的氢都能排放到容纳输送管线导向机构的隔舱之外，并防止泄漏的氢进入机舱和塔架。这还能有效防止风力涡轮机中因氢泄漏而发生火灾或爆炸，因为通过隔舱中氢的自然稀释可以防止氢达到易燃浓度。

29、作为将电解系统布置在机舱中或与机舱相连的隔舱中的替代方案，可以将电解系统在机舱附近的位置处(诸如在塔架的上1/4内)安装在塔架的外表面上。根据该实施例，电解系统布置成相对于塔架和氢输送管线是固定不动的。因此，根据该实施例，无需引导氢输送管线经过偏航系统。相反，为了将交流/直流转换器的直流电输出连接到电解系统，必须设置穿过偏航系统的直流电连接。不过，这种经过偏航系统的电连接本身是已知的，或者可以采用与上述针对氢输送管线描述的相同类型。

30、氢输送管线可以在沿塔架长度与风力涡轮机叶片的叶片顶端区域的塔架通过(塔架经过，tower passage)相对应的区域进行加固。对于外部预弯的风力涡轮机叶片，撞击塔架风险最高的可能不是最顶端。因此，这里的叶片顶端区域指的是在极端阵风情况下可能有撞击塔架风险的外叶片部分，通常对应于距离叶片顶端0-5米的区域。

31、由于氢输送管线沿着塔架的外表面延伸，没有被塔架壁遮挡，因此会受到风力涡轮机的周围环境中存在的各种风险因素的影响。其中一个风险因素是风力涡轮机叶片的叶片顶端区域与塔架之间发生碰撞的风险。如果这种碰撞发生在风力涡轮机塔架上定位氢输送管线的位置，可能会对氢输送管线造成严重损坏。

32、因此，根据该实施例，氢输送管线在叶片顶端区域在极端阵风情况下可能与塔架发生碰撞、由此与氢输送管线发生碰撞的区域进行了加固。因此，因叶片顶端碰撞而对氢输送管线造成损坏的风险大大降低。此外，通过仅加固氢输送管线上有与叶片顶端区域发生碰撞的风险的部分，以成本有效的方式获得了风险降低。

33、氢输送管线可以沿着塔架相对于风力涡轮机所在位置的主导风向的背风侧延伸。

34、在本上下文中，术语"主导风向"应解释为是指在风力涡轮机所在位置比其他风向更经常出现的风向。因此，根据该实施例，氢输送管线沿着塔架布置，方式是使其在大部分时间内都相对于来风位于塔架后方。因此，在大多数时间内，塔架都能遮挡氢输送管线以使其免受风的影响，而且氢输送管线也定位在相对于与叶片顶端发生碰撞的危险方式之外。

35、风力涡轮机还可以包括防雷系统(雷电保护系统)，用于保护氢输送管线免受雷击。根据该实施例，降低了氢输送管线直接遭受雷击而引起火灾或爆炸的风险。为氢输送管线提供防雷装置是有利的，因为氢输送管线沿着塔架的外表面布置，因此容易受到直接雷击。优选的是氢输送管线的防雷系统与风力涡轮发电机的引下线系统和塔架构造(如果塔架是导电的)电气等效，以防止失控闪络。

36、例如，防雷装置可以包括金属网格，该金属网格布置在氢输送管线的外部或紧靠氢输送管线上方的位置。金属网格可以与例如构成氢输送管线本身的一部分的导电线连接。例如，氢输送管线可以包括内置的金属网格，或者氢输送管线可以布置在导电管中。在后一种情况下，该构造还可以充当氢收集器，用于检测氢泄漏，例如通过定期或连续测量导电管中的氢积聚量，例如通过布置在导电管顶部的扩散传感器或气体流量传感器。

37、氢输送管线可以是或包括柔性软管。根据该实施例，氢输送管线将能够在一定程度上弯曲，而不会有损坏氢输送管线的风险。这降低了氢泄漏的风险。此外，如果氢输送管线围绕塔架螺旋布置，发现柔性氢输送管线会特别有利，因为这允许通过通过在柔性软管中施加拉力，使氢输送管线被迫朝向塔架，从而方便快速地将氢输送管线固定在塔架上。

38、氢输送管线可以沿塔架的大部分围绕塔架螺旋布置。这可能具有若干优点中的一个或多个。例如，它可以减少涡流引起的振动，和/或它可以允许通过张紧氢输送管线，使其被迫朝向塔架，从而将氢输送管线固定在塔架上，而无需沿着塔架的整个高度的固定元件。

39、氢输送管线至少可以通过张紧氢输送管线暂时固定在塔架上。由于氢输送管线的张紧将迫使氢输送管线朝向塔架，因此允许一种快速安装方式。此外，通过张紧固定氢输送管线允许在维修叶片时(例如需要将叶片检修工具支撑到塔架上)快速释放氢输送管线。

40、发现氢输送管线在塔架底部附近可释放地连接是大体有利的，因为这允许氢输送管线的临时替代连接，或者允许在需要接近塔架表面的情况下解开氢输送管线的螺旋缠绕。氢输送管线优选地在塔架底部的端部处装备有快速释放连接，还优选地装备有单向阀，从而确保没有任何东西从底部进入氢输送管线(除非需要，例如如果风力涡轮机在塔架顶部附近装备有燃料电池的话)。

41、本发明的另一方面涉及一种用电解系统改装风力涡轮机的方法。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一个或多个风力涡轮机叶片的轮毂，其中轮毂可旋转地安装在机舱上。该方法包括在风力涡轮机的上塔架部分中设置电解系统的步骤。优选的是在单独的隔舱中，例如在机舱中、在塔架的上部分中，或者最优选地在主机舱外部(诸如旁边、下面或后面)布置或塔架外表面上布置的隔舱中。该方法还包括以下步骤：提供位于塔架底部和电解系统之间的水输送管线；提供沿着塔架的外表面延伸的氢输送管线，该氢输送管线位于电解槽和塔架底部之间并且沿着塔架的外表面。优选地，氢输送管线沿着塔架的大部分螺旋布置。水输送管线可以与氢输送管线一起布置，也可以布置在塔架内部。