1.本发明涉及一种包括安全系统的风力涡轮机。本发明还涉及一种操作所述风力涡轮机的方法。
背景技术：
2.风力涡轮机越来越多地被用于产生电能。风力涡轮机通常包括塔架和安装在塔架上的机舱，轮毂被附接到该机舱。转子被安装在该轮毂处并且耦接到发电机。多个叶片从该转子延伸。这些叶片以如下方式定向，即：使得越过叶片的风使转子转动，从而驱动发电机。因此，叶片的旋转能被传递到发电机，然后该发电机将机械能转化成电并将该电传输到电网。
3.风力涡轮机在放置在提供高风量的位置处。这些位置可以是远程陆上位置或海上的离岸位置。对于电能的输送，风力涡轮机的发电机所产生的功率输送到风电场的输电变电站，在那里将其转换成通常在130-765kv之间的高压，以便通过电力线在输电网上长距离传输。输电网将风电场的远程位置连接到电网的变电站，该变电站将电转换成与电网兼容的电压。
4.远程风电场的一个问题在于需要跨越（bridge）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。
5.风力涡轮机的技术的当前发展趋向于增加风力涡轮机的尺寸以便收集更多的风能，而具有更长的叶片和更高的塔架。由于风力涡轮机的尺寸不断增加，更多的功率被提供给电网，这些功率将从风电场输送到最近的电网输入点。增加通过长距离电力线传送的功率导致对电缆的更高要求和更高的成本。
6.为了减少输电网的电力线传送的能量或者完全避免使用长距离电力线，可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功率，并且借助于由风力涡轮机的至少一部分功率驱动的电解单元来产生氢气。
7.电解单元是构造成产生氢气的电转气（power-to-gas）单元。因此，风力涡轮机所产生的能量可用于电解过程中，以产生氢气和氧气。这些气体随后可用于在燃料电池中产生电能或产生化学品，例如氨或甲烷。来自该电解单元的产生气体可通过使用管线或者通过将气体加压到容器中来输送，这比直接通过长距离电力线传输电更便宜。
8.将电解单元与风力涡轮机相结合使用从现有技术中是已知的，例如在文献us 5,592,028 a中，其中多个电解池（electrolysis cell）被连接到风电场，并且借助于风力涡轮机的发电机所产生的电来产生氢气。类似地，文献wo 2020/095012 a1描述了一种用于大规模生产氢气的离岸风力涡轮机系统，其包括具有脱盐单元和电解单元的浮塔结构。
9.在具有电解单元的风电场中，可能会出现如下状况，即：当由于电转气单元中、储气设备中或总体的风力涡轮机中发生故障时，需要由技术人员检查风力涡轮机以找出问题的根源所在。要由技术人员检查系统的其他状况在定期的维护工作期间出现。在此类情况下，由于技术人员操作的安全性原因，必须将风力涡轮机中并且特别是电解单元中的气体
从风力涡轮机中排出。
10.当风力涡轮机被用于产生氢气时，气态氢的可燃性与泄漏的氢气可能被滞留在风力涡轮机内部的可能性相结合导致与氢气相关的火灾或爆炸的风险。这既是商业风险又是安全风险，因为氢气不仅可能损伤风力涡轮机自身，而且还是无味的，并且通常无法被可能不知情地在爆炸性环境中工作的人员检测到。因此，氢气泄漏物与空气中的氧混合可能会导致爆炸性混合物，并且电气设备的小火花就可能会导致爆炸。
技术实现要素：
11.本发明的一个目的在于提供具有安全系统的风力涡轮机，该安全系统减轻与氢气生产相关联的风险，特别是在技术人员在现场操作的情况下。
12.这通过根据权利要求1的风力涡轮机和根据权利要求12的操作该风力涡轮机的方法来实现。
13.根据本发明，风力涡轮机包括发电机、电解单元、系统入口和系统出口，其中，电解单元由发电机供电，以由输入流体、特别是水产生氢气，其中，产生的氢气可通过系统出口从风力涡轮机中取出。
14.因此，发电机产生电功率并向电解单元供应所产生的功率的至少一部分，因为这两个部件电耦接。
15.由于功率产生的波动，这例如取决于天气条件和风力水平，难以预见离岸风力涡轮机向电网或储能装置的功率输出。通过使用发电机所产生的部分能量来产生氢气，可减轻波动。该氢气可通过耦接到电解单元的输出的系统出口而从风力涡轮机中取出。
16.因此，发电机所产生的至少一部分能量可用于为电解单元供电，使得电网不会因波动的发电设施的功率产生峰值而过载。另外，如果对电网的输出出现问题，则可将功率完全重定向到电解单元，使得仅产生氢气。所产生的氢气通常呈气态，其可被压缩和/或与其他组分混合成更易于储存和/或运输的液态。
17.该电解单元也可以是执行电解并产生其他气体的混合气体发生器。例如，电解单元可对水和二氧化碳执行电解，以产生由氢气和一氧化碳制成的混合气体。可替代地，氢气可与天然气混合，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。
18.根据本发明，该风力涡轮机还包括由控制单元控制的安全系统，该安全系统构造成借助于分布在风力涡轮机的平台上的多个气体出口将氢气从风力涡轮机中排出，并且构造成将氢气释放到大气。
19.借助于该安全系统，可在技术人员或其他人员进入风力涡轮机之前，从风力涡轮机的含有氢气的部件和模块排出氢气，从而降低形成爆炸性空气-氢气混合物的风险以及对风力涡轮机的位置处的任何人的伤害。电解单元的氢气排出防止了氧气和氢气的爆炸性混合物在风力涡轮机的管网中和模块处积聚。
20.气体出口位置可处于布置电解单元的平台上，但也可处于塔架上或机舱上。
21.气体出口位置可基于待排出的气体或气体混合物的密度，例如氢气、甲烷和氨气由于其较低的密度将上升，而较重的气体将下沉。
22.选择气体出口位置的标准之一是考虑到气体流动应发生在远离人、即远离技术人员可能停留的路径并且远离风力涡轮机平台的方向上。
23.选择气体出口位置的另一个标准是考虑到气体流动应发生在远离电气设备的方向上，以避免任何可能的火灾，所述电气设备例如发电机、开关、计算机等。
24.气体出口分布在平台区域上，优选地分布在平台的角部或侧面处。气体出口相对于风力涡轮机的塔架以一定角距离（angular distance）布置。优选地，两个气体出口之间的角距离为至少90
°
。最佳地，四个气体出口分布在平台的边缘处，与相邻的气体出口成大约90
°
的角距离。
25.借助于该控制单元，该多个气体出口能够以如下方式打开，即：使得排出的气体被风带走，而不会停滞在平台的区域中，以降低爆炸的风险。因此，通过具有多个气体出口，相对于风向处于平台的后部部分中的气体出口可打开，并且风将会将排出的气体从平台带走。
26.因此，风力涡轮机可借助于该安全系统通过打开气体出口来排空，该气体出口将会将氢气沿风的方向并且远离平台带走。利用该措施，避免了氢气流过平台区域。另外，如果气体以比空气更高的密度产生，则利用该措施，将气体在平台区域处、即容器之间积聚的风险降至最低。较高密度气体的示例是丙烷或丁烷，它们可在氢气转化成甲烷期间少量形成，或者通过装置将产生的氢气转化为这些气体而形成。
27.根据本发明的一个优选实施例，控制单元根据气体出口相对于平台位于迎风方向处还是背风方向处来控制通过气体出口的流动，以便避免氢气在平台的区域上扩散。
28.当人们接近风力涡轮机时或者由于检测到由于氢气产生系统的故障而发生的任何潜在破坏性事件，控制单元可自动触发电解单元的氢气排出。通过这样的安全系统，特别有可能避免可导致氢气在风力涡轮机系统内的积聚的这种故障导致该氢气的点燃并且因此导致对系统的重大损坏。这样的安全系统特别是可被构造成确保风力涡轮机系统内的氢气浓度保持低于可燃或爆炸极限。检测到故障可被设置成触发警报。
29.类似地，特别是在维修或维护任务之前，例如通过接收触发信号，可手动触发控制单元以排空电解单元。
30.远程触发的氢气排出使得能够在维修技术人员进入风力涡轮机设施之前排空风力涡轮机。这确保了技术人员在风力涡轮机上的安全操作。
31.根据本发明的另一个优选实施例，处于迎风方向上的气体出口关闭，并且处于背风方向上的气体出口中的至少一个打开。这种控制策略最大限度地降低了爆炸和伤害的风险，因为其避免了爆炸性空气-氢气混合物在平台区域中的积聚。
32.因此，沿循风向的风首先到达的气体出口关闭，以避免氢气排出通过这些气体出口。否则，风向将会将氢气直接带到平台上方。
33.根据本发明的另一个优选实施例，气体出口包括具有开口的通风筒，其中，该通风筒的开口还被构造为空气入口，以用于将空气引入到电解单元中，并且增强氢气的排出。
34.借助于适当的控制策略，这些通风筒可作为空气入口，并且因此，将空气收集并输送到电解单元中，或者作为气体出口，以将电解单元的氢气释放于大气中。将通风筒所收集的空气输送通过电解单元增强了氢气排出过程，这是因为空气以更快和高效的方式将氢气从电解单元中推出。
35.风力涡轮机被放置在提供高风量的位置处，以便最大化风力涡轮机的电力输出。因此，在这些位置处通过通风筒来收集空气特别容易。
36.根据本发明的另一个优选实施例，控制单元以如下方式控制气体出口，即：使得相对于平台处于迎风方向上的一个或多个通风筒用作空气入口，其中，氢气通过处于背风方向上的气体出口中的至少一个排出。
37.由于通风筒可作为空气入口，并且考虑到许多风力涡轮机被放置在具有高风量的位置处，因此面向风的一个或多个通风筒可收集空气，该空气被用于将氢气从电解单元中推出，并且通过作为气体出口的其余的通风筒进入到大气中。
38.根据本发明的另一个优选实施例，至少一个气体出口被布置在烟道的上部部分处。优选地，安全系统的每个气体出口都被布置在烟道的上部部分处。
39.由于氢气比空气轻，因此通过打开气体出口可有效降低电解单元中的氢气浓度，这是因为氢气将会自动上升并离开电解单元。
40.该烟道可位于布置电解单元的平台的角部处，以确保气体远离电解单元的或总体的风力涡轮机的电气部件输送。烟道可被耦接到储存和/或输送氢气的风力涡轮机的每个部件，特别是电解单元中包括的部件或形成任何氢气处理单元的一部分的部件，例如氢气转化单元，在那里氢气被转化成其他气态产品，例如氨或甲烷。
41.可限制烟道的高度，以免干扰或碰撞风力涡轮机的旋转叶片。
42.烟道可用线材支撑件来稳定，以承受风切变。
43.根据本发明的另一个优选实施例，氢气能够通过系统出口排出，特别是借助于泵或者通过打开系统出口阀。除了用于氢气排出的其他措施之外，还可使用该措施，以用于更快和更高效的氢气排出过程。
44.根据本发明的另一个优选实施例，安全系统被构造成释放电解单元中的超压，特别是通过打开系统出口阀或者通过将氢气通过气体出口释放到大气。
45.因此，电解单元中的压力可通过该安全系统来调节。这是一项附加的安全措施，其降低了由于电解单元中的超压而导致的爆炸的风险以及容器和管处损坏的风险。
46.根据本发明的另一个优选实施例，该安全系统包括气体检测器，以监测氢气的泄漏或者监测氢气是否已完全排空。这将工人受伤的风险降到最低。
47.该气体检测器可被布置在电解单元内或平台上，但是也可布置在风力涡轮机的塔架上或机舱上。优选地，它被布置在相应系统的上部部分中。因为氢气一般上升，因此控制单元的灵敏度可由此得到提高。该至少一个气体检测器可包括一种类型或不同类型的氢传感器，其中，氢传感器的类型例如包括mosfet型传感器、电化学传感器、催化传感器、热导传感器和/或金属氧化物传感器。控制单元可包括附加传感器的一种或组合，例如火焰检测器、火花检测器、烟雾检测器等。除了气体检测器之外还可设置这些检测器，并且这些检测器可通过能够快速检测点火源而进一步提高风力涡轮机的安全性。
48.根据本发明的另一个优选实施例，控制单元监测风向和/或风速。这有利于了解应何时以及通过哪些气体出口排出氢气，以避免气体在平台区域处积聚。
49.根据本发明的另一个优选实施例，该安全系统包括风扇，其构造成增强排出的氢气远离平台的输送。
50.对于风不够强并且气体在平台区域处积聚的风险很高的状况，电风扇是用于将排出的气体从平台区域带离的有利措施。
51.根据本发明的另一个优选实施例，气体出口是可旋转的，并且构造成与风向对准。
52.通风筒和/或气体出口是可旋转的，以最大化由通风筒的空气入口收集的空气和/或使气体出口与风向对准，使得风高效地将氢气从平台区域带离。
53.根据本发明的另一个优选实施例，所述安全系统包括用于收集氢气的分配器系统。
54.该分配器系统可以是歧管系统，使得控制各个气体出口的打开和关闭的阀根据风向来控制。
55.该分配器系统可通过管道系统来连接到各个电解装置，以便收集产生的氢气。
56.该分配器系统可执行自检程序，即用于收集任何逸出气体的管可通过例如空气加压以检查压降，从而指示泄漏。
57.该分配器系统允许通过气体出口释放氢气，这是根据其在风力涡轮机上的位置，从而防止氢气在平台区域上释放。
58.根据本发明的另一个实施例，所述安全系统包括泄漏检测器，其构造成检测氢气的泄漏。因此，可通过泄漏检测来检测电解单元的故障。该泄漏检测器可包括氢气传感器，其中，如果氢气传感器检测到的氢气浓度高于预定阈值，则检测到电解单元的故障。这样的构造允许快速且高效地检测风力涡轮机中的危险状况的开始；其特别是允许在危险的氢气浓度出现之前触发从电解系统的氢气排出。在其他实施方式中，泄漏检测器可包括超声波检测器，借助于该超声波检测器，可检测呈泄漏形式的故障，基于此可触发氢气排出。
59.本发明的又一方面涉及一种操作风力涡轮机的方法，该方法包括以下步骤：
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打开气体出口中的至少一个，以及
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将氢气通过气体出口释放到大气。
60.根据本发明的另一方面，该方法包括以下步骤：
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在打开气体出口中的至少一个之前检测风向，
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使相对于平台处于迎风方向上的气体出口关闭，以及
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打开处于背风方向上的气体出口中的至少一个。
61.根据本发明的另一方面，气体出口包括具有开口的通风筒，其中，该通风筒的开口还被构造为空气入口，以用于将空气引入到电解单元中，并且增强氢气的排出。该方法包括以下步骤：
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在打开气体出口中的至少一个之前检测风向，
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以如下方式打开相对于平台处于迎风方向上的包括通风筒的气体出口中的至少一个，即：使得处于迎风方向上的通风筒用作空气入口，以及
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打开处于背风方向上的气体出口中的至少一个，使得氢气被排出。
62.根据本发明的另一方面，氢气排出过程和/或清除（purging）通过船接近风力涡轮机而自动地触发。
63.该安全系统可被联接到ais，即自动识别系统（automatic identification system），其用于定位和识别靠近风力涡轮机或风力发电厂的船。当船以待在控制单元处设置的特定距离接近风力涡轮机或风力发电厂时，可进行氢气排出过程的自动触发。
64.根据本发明的另一个方面，在氢气排出过程期间触发警报。这会通知工人氢气排出过程，使得可采取安全措施以不接近风力涡轮机或气体出口，直到氢气排出过程完成。
65.另外，该警报可被配置成使得其指示在平台区域处存在升高的气态氢浓度，这可
由气体检测器检测到。这样的警报可包括风力涡轮机内的声音警报，其优选地不同于其他声音警报，例如火灾警报。因此，可告知风力涡轮机内的人员潜在危险状况。该警报可附加地或替代地包括视觉警报，其具有与升高的氢气浓度相关联的预定颜色和/或预定时间模式的警告灯。该警报也可经由通信连接传送给操作者，使得远程操作者被告知状况和故障。警报类型可取决于安全功能触发器。根据平台区域处的氢气浓度，可能会触发不同的警报，该警报可能在声音、颜色、图案或其他警报类型上有所不同。因此，警报类型可指示检测到的氢气浓度有多高。
66.根据本发明的另一方面，在风力涡轮机发生火灾的情况下自动触发氢气排出过程。通过具有多个气体出口，可在考虑到风向的情况下打开距离火灾位置最远的气体出口，使得在距离火灾的安全距离处排出气体。
67.根据本发明的另一方面，在风力涡轮机发生氢气泄漏的情况下自动触发氢气排出过程。这可通过气体传感器来监测。
68.根据本发明的另一方面，当风力涡轮机不操作时，风力涡轮机的氢气在特定长度的时间段之后自动排出。这些是静止期，例如由于维护或服务维修或者由于恶劣的天气条件而造成。
69.根据本发明的另一方面，在风力涡轮机的启动程序期间从风力涡轮机排出氢气。由于在启动期间，氢氧混合物可能会由于系统中的低氢水平和高氧水平而积聚，通过从系统排出氢气直到电解单元产生足够的氢气，降低了构成爆炸性混合物的风险。
附图说明
70.为了便于理解本发明的特征并作为本说明书的组成部分，附上一些附图，在这些附图上具有说明性而非限制性的附图标记，呈现了以下附图：图1示出了风力涡轮机的示意图，其中，由发电机产生的功率被完全传送到电解单元。
71.图2示出了风力涡轮机的示意图，其中，由发电机产生的功率被传送到电网和电解单元。
72.图3示出了包括安全系统的风力涡轮机的示意图。
73.图4示出了包括安全系统的风力涡轮机的另一个实施例。
74.图5示出了在风力涡轮机的平台上的安全系统中包括的部件的可能布置结构的示意图。
75.图6示出了包括安装在风力涡轮机的平台上的烟道的安全系统。
76.图7和图8示出了根据风向的对安全系统的控制。
77.图9示出了耦接到多个电解装置的安全系统。
78.图10示出了耦接到分配器系统和电解单元的安全系统。
79.图11示出了安全系统的控制策略。
具体实施方式
80.图1示出了风力涡轮机40的示意图，其中，由发电机2产生的功率被完全传送到电解单元3。
81.发电机2借助于电连接7耦接到电解单元3。
82.电解单元3包括系统入口4和系统出口5。电解单元3由发电机2供电以产生氢气6。为了产生氢气6，作为输入流体9的水通过电解单元3的系统入口4进入，并且随后，借助于来自发电机2的电功率在电解单元3中转化为氢气6。氢气6通过系统出口5离开电解单元3。
83.图2示出了风力涡轮机40的示意图，其中，由发电机2产生的功率被传送到电网8和电解单元3。电解单元3以与图1中所示的相同的方式工作。
84.在发电机2和电解单元3之间的电连接7中添加功率控制装置10，以在发电机2和电解单元3之间以及在发电机2和电网8之间分配电功率。因此，电功率的量可根据对电功率和/或氢气6的需求而变化。
85.图3示出了包括安全系统20的风力涡轮机40的示意图。在本发明的该实施例中，由发电机2产生的功率被完全传送到电解单元3。该电解单元3包括脱盐单元11和电解装置12，以及处于脱盐单元11和电解装置12之间的流体连接。电解装置12和脱盐单元11两者均由发电机2供电，该发电机2借助于电连接7来连接到这两个装置。
86.用于电解单元3的输入流体9是从离岸风力涡轮机的海中提取的盐水。因此，系统入口4是盐水输入部13，盐水在那里进入风力涡轮机40。盐水进入脱盐单元11，并且脱盐单元11的输出是脱盐水14。然后，该脱盐水14被引入电解装置12中。
87.因为海水被用作输入流体9，通过风力涡轮机40的系统出口5，通过氢气输出部15从系统中取出氢气6。
88.风力涡轮机40包括塔架41，机舱42被可旋转地安装在该塔架41的顶部上。风力涡轮机40还包括连接到机舱42的轮毂43。多个叶片44被安装在轮毂43上。轮毂43被连接到转子，并且借助于主轴承绕转子轴线可旋转地安装。如当直接面向叶片44的中心时所见，叶片44旋转通过的区域为扫掠区域36。风力涡轮机40还包括平台45，电解单元3被布置在该平台45上。
89.在本发明的该实施例中，风力涡轮机40的安全系统20被耦接到电解单元3的电解装置12。安全系统20包括在烟道22处的气体出口21，由此提供了开口，氢气6和其他气体可通过该开口从电解单元3中排出。
90.图4示出了包括安全系统20的风力涡轮机40的另一个实施例。在该实施例中，电解单元3被布置在风力涡轮机40的平台45上。电解单元3包括布置在容器中的四个电解装置12、脱盐单元11以及电气设备16，例如控制单元或功率转换器。安全系统20被布置在平台45的四个不同的角部处。安全系统20包括处于安装安全系统20的平台45的每个角部处的烟道22处的气体出口21。
91.图5示出了在风力涡轮机的平台上的安全系统20中包括的部件的可能布置结构的示意图。在该实施例中，电解单元3被布置在风力涡轮机40的平台45上。电解单元3包括两个电解装置12、脱盐单元11以及电气设备16，例如控制单元或功率转换器。安全系统20被布置在平台45的四个不同的角部处。安全系统20包括处于安装安全系统20的平台45的每个角部处的气体出口21。这些气体出口21相对于风力涡轮机40的塔架41以角距离24布置。
92.图6示出了包括安装在风力涡轮机40的平台45上的烟道22的安全系统20。在该实施例中，烟道22的气体出口21高于承载电解装置12的容器顶盖，使得风能够带走排出的气体。
based gases）。
103.附图标记列表2 发电机3 电解单元4 系统入口5 系统出口6 氢气7 电连接8 电网9 输入流体10 功率控制装置11 脱盐单元12 电解装置13 盐水输入部14 脱盐水15 氢气输出部16 电气设备20 安全系统21 气体出口22 烟道23 系统出口阀24 角距离30 风31 打开的气体出口32 关闭的气体出口34 气体出口阀35 分配器系统36 扫掠区域37 空气入口38 通风筒40 风力涡轮机41 塔架42 机舱43 轮毂44 叶片45 平台46 船。