本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)力渦輪機(jī)通常用于產(chǎn)生電能。風(fēng)力渦輪機(jī)包括布置在輪轂處的若干轉(zhuǎn)子葉片，該輪轂被連接到發(fā)電機(jī)。與渦輪機(jī)葉片相互作用的風(fēng)使輪轂旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。此類風(fēng)力渦輪機(jī)布置在海上或陸上。風(fēng)力渦輪機(jī)借助于連接電纜連接到電力網(wǎng)絡(luò)，以用于供應(yīng)所產(chǎn)生的電功率。由于風(fēng)力渦輪機(jī)并不總是處于操作中，例如由于間歇期或風(fēng)電場減產(chǎn)，發(fā)電機(jī)不被驅(qū)動(dòng)，并且因此不產(chǎn)生電功率。然而，風(fēng)力渦輪機(jī)的許多消耗系統(tǒng)都需要電功率，如控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子或葉片旋轉(zhuǎn)裝置、安全設(shè)備、燈、通風(fēng)和冷卻系統(tǒng)以及其他電力系統(tǒng)。該輔助功率通常由風(fēng)力渦輪機(jī)所連接到的電網(wǎng)提供。

2、近期，提出了另外包括能量轉(zhuǎn)換裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)，該能量轉(zhuǎn)換裝置用于通過使用由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率或相應(yīng)的能量電解水來產(chǎn)生氫。在第二步中，通過轉(zhuǎn)換風(fēng)能產(chǎn)生的電功率通過電解水(例如，在離岸裝置的情況下的海水)而被轉(zhuǎn)換成氫作為能量載體介質(zhì)。這是有利的，因?yàn)椴恍枰獙㈦姽β蕪娘L(fēng)力渦輪機(jī)輸送到電網(wǎng)，使得不需要例如在離岸裝置的情況下在海床處鋪設(shè)電纜，或者在陸上裝置的情況下在地面上鋪設(shè)電纜，因?yàn)檫@樣的電纜非常昂貴。替代的是，需要用于將產(chǎn)生的氫輸送到氣體網(wǎng)絡(luò)的氣體管線，該管線成本效益較低且更易于鋪設(shè)。在替代方案中，在離岸裝置或甚至陸上裝置的情況下，氫也可被液化并通過船輸送。但是在這樣的渦輪機(jī)實(shí)施例中，其中所產(chǎn)生的電功率被再次轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生氫，功率和氣體生產(chǎn)也可能會(huì)由于間歇期或其他限制而中斷。然而，這樣的風(fēng)力渦輪機(jī)還包括需要一些輔助功率的若干用電設(shè)備。由于沒有提供電纜連接，電功率可由設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)處的大型電池裝置提供。然而，電池重且昂貴，尤其是因?yàn)樗鼈冃枰m當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)規(guī)模(scaled)，以運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)的所有電力消耗系統(tǒng)。此外，這樣的電池系統(tǒng)需要附加的空間，這在風(fēng)力渦輪機(jī)處尤其是在離岸應(yīng)用中是相當(dāng)珍貴的。最后，電池系統(tǒng)僅是輔助系統(tǒng)，其僅在罕見的機(jī)會(huì)下使用，從而使得這種電池系統(tǒng)的安裝非常值得懷疑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改進(jìn)的風(fēng)力渦輪機(jī)。

2、為了解決該目的，本發(fā)明提出了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括風(fēng)力渦輪機(jī)，該風(fēng)力渦輪機(jī)具有轉(zhuǎn)子、由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)以便產(chǎn)生能量的發(fā)電機(jī)以及能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置包括至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換模塊，該能量轉(zhuǎn)換模塊：可在風(fēng)力渦輪機(jī)的第一操作模式下以電解器模式操作，以通過使用由發(fā)電機(jī)提供的能量電解水來產(chǎn)生氫；以及可在風(fēng)力渦輪機(jī)的第二操作模式下以燃料電池模式操作，以通過使氫與氧反應(yīng)來產(chǎn)生能量，其中，該能量轉(zhuǎn)換模塊可在電解器模式和燃料電池模式之間切換。

3、本發(fā)明提出了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其配備有能量轉(zhuǎn)換裝置，該裝置包括至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換模塊，該能量轉(zhuǎn)換模塊可在兩種不同的模式下操作，即：電解器模式，其中該模塊通過使用由發(fā)電機(jī)提供的電能來產(chǎn)生氫；以及燃料電池模式，其中該模塊由先前產(chǎn)生的氫和氧產(chǎn)生電能。該模塊是可逆的，其可在電解器模式和燃料電池模式之間切換，并且反之亦然，由相應(yīng)的控制裝置控制，該控制裝置例如基于關(guān)于發(fā)電機(jī)的發(fā)電的信息等來控制操作模式。

4、由于能量轉(zhuǎn)換裝置或相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換模塊可在兩種不同的模式下操作，因此當(dāng)風(fēng)在吹并且沒有給出將影響常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)操作模式的其他限制時(shí)，它可產(chǎn)生電能。如果存在任何限制，例如間歇期或風(fēng)電場減產(chǎn)或任何其他原因，該限制阻礙了電能的生產(chǎn)，則能量轉(zhuǎn)換模塊可簡單地切換到燃料電池模式。該模塊現(xiàn)在可操作以由先前產(chǎn)生的氫和先前產(chǎn)生的氧產(chǎn)生所需的電輔助能，這兩者先前通過水的電解產(chǎn)生。在使用所產(chǎn)生的氧的替代方案中，還可使用環(huán)境空氣中的氧，這避免了儲(chǔ)存所產(chǎn)生的氧。該電能現(xiàn)在用于運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)的相應(yīng)消耗系統(tǒng)，優(yōu)選地與一個(gè)或多個(gè)較小的緩沖電池或者一個(gè)或多個(gè)超級電容器結(jié)合，當(dāng)渦輪機(jī)將重新啟動(dòng)時(shí)，它們?yōu)槟Ｊ降那袚Q以及例如為旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供初始啟動(dòng)電流。通過安裝這樣的可逆能量轉(zhuǎn)換裝置或相應(yīng)的可逆能量轉(zhuǎn)換模塊，其可根據(jù)需要在電解器模式或燃料電池模式下運(yùn)行，風(fēng)力渦輪機(jī)在電功率方面自給自足。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)在常規(guī)的第一操作模式下操作時(shí)，電功率由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，該功率當(dāng)然也用于運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)的所有消耗系統(tǒng)。并且當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)在第二操作模式下操作時(shí)，其中發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生電功率，能量轉(zhuǎn)換模塊為運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)的所有系統(tǒng)提供必要的輔助功率，而無需任何外部電能，或者無需安裝大規(guī)模電池緩沖系統(tǒng)。在風(fēng)力渦輪機(jī)開始操作但發(fā)電機(jī)尚未覆蓋輔助系統(tǒng)的全部負(fù)載的情況下，于是兩個(gè)系統(tǒng)都可提供電能，使得兩個(gè)系統(tǒng)，即發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換裝置或相應(yīng)的可切換轉(zhuǎn)換模塊，都有助于產(chǎn)生電。

5、因此，本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)不僅因?yàn)樗a(chǎn)生氫作為能量載體而避免了使用昂貴的電纜，而且還是一種自給自足的裝置，因?yàn)閮H通過逆轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換模塊的操作模式，產(chǎn)生了所需的輔助電功率。這種功率生產(chǎn)基于先前產(chǎn)生的氫以及空氣中存在的或者也在電解過程期間產(chǎn)生的氧，在該電解過程中，水被分解成氫和氧。

6、本發(fā)明的中心特征是可切換的能量轉(zhuǎn)換裝置或相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，其在其操作模式上是可逆的?？墒褂美锰囟娊夥椒üぷ鞯母鞣N模塊類型。該模塊例如可以是質(zhì)子交換膜水電解器(pemwe)以及堿性水電解器(awe)、陰離子交換膜水電解器(aemwe)、固體氧化物電解池(soec)或質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷電解器(pccel)。此列舉并不是限制性的。所有這些類型的特定電解器裝置或模塊均可用作可逆模塊，其能夠以本發(fā)明的方式切換來產(chǎn)生氫或電功率。堆疊可僅包括相同類型的模塊，但也可包括不同類型的模塊。

7、如所提及的，僅在極少數(shù)情況下才需要輔助電功率。因此，能量轉(zhuǎn)換模塊也很少在燃料電池模式下運(yùn)行。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，當(dāng)能量轉(zhuǎn)換裝置包括一個(gè)或多個(gè)僅可在電解器模式下操作的能量轉(zhuǎn)換模塊以及至少一個(gè)可在兩種模式下操作的能量轉(zhuǎn)換模塊時(shí)是有利的。風(fēng)力渦輪機(jī)的空閑模式、即第二操作模式下所需的能量的量遠(yuǎn)低于系統(tǒng)在常規(guī)的第一操作模式下可產(chǎn)生的氫。因此，使用僅可在電解器模式下操作以及可逆的相應(yīng)數(shù)量的兩種能量轉(zhuǎn)換模塊，該能量轉(zhuǎn)換裝置的規(guī)模調(diào)節(jié)成使得它在非常高的氫生產(chǎn)率上生產(chǎn)。比較少量的輔助電能由可在兩種模式下操作的至少一個(gè)特定能量轉(zhuǎn)換模塊提供。因此，當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)以產(chǎn)生電能的第一操作模式運(yùn)行時(shí)，所有能量轉(zhuǎn)換模塊都以生產(chǎn)模式操作并且產(chǎn)生氫。但在間歇期或其他限制的情況下，當(dāng)不產(chǎn)生電能時(shí)，僅也可在燃料電池模式下操作的該至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換模塊工作，因?yàn)樵撃K產(chǎn)生足夠的輔助能量以用于在這種情況下運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)的所有消耗系統(tǒng)。例如，模塊堆疊可包括十個(gè)能量轉(zhuǎn)換模塊。這些模塊中的九個(gè)僅可在電解器模式下操作，并且具有相同模塊類型，但僅一個(gè)模塊是可逆模塊，該可逆模塊可與這九個(gè)模塊具有相同類型，或者具有另一種類型。這當(dāng)然只是一個(gè)示例，這種規(guī)模調(diào)節(jié)當(dāng)然可能不同，這取決于需要轉(zhuǎn)換成氫的由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率量以及所需的輔助電功率量。

8、如所提及的，能量轉(zhuǎn)換模塊將先前產(chǎn)生的氫重新轉(zhuǎn)換為電能，優(yōu)選地還利用先前產(chǎn)生的氧或利用空氣中存在的氧。用于該再轉(zhuǎn)換的氫的來源有各種選擇。根據(jù)第一實(shí)施例，設(shè)置氫儲(chǔ)存器，以用于儲(chǔ)存在電解器模式下產(chǎn)生的至少一定量的氫，當(dāng)在燃料電池模式下工作時(shí)，所述氫從所述儲(chǔ)存器供應(yīng)到能量轉(zhuǎn)換模塊。渦輪機(jī)設(shè)置有特定的氫儲(chǔ)存器，其中緩沖一些氫，這些氫僅在需要輔助電功率的情況下使用。所述氫可借助于泵從儲(chǔ)存器提供給能量轉(zhuǎn)換模塊，但是優(yōu)選地，所述氫以至少20bar或優(yōu)選地更高的適當(dāng)壓力儲(chǔ)存在氫儲(chǔ)存器中，使得氣態(tài)氫由于高壓而提供給該模塊，使得不需要泵。

9、氫儲(chǔ)存器自身優(yōu)選地設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)處。其中儲(chǔ)存加壓氫氣的這種儲(chǔ)存器可容易地布置在例如風(fēng)力渦輪機(jī)塔架中或另一適當(dāng)位置處，并且可簡單地借助于氣管來連接到能量轉(zhuǎn)換模塊。該儲(chǔ)存器本身是簡單的氣體儲(chǔ)存器，其適于儲(chǔ)存加壓氫。例如當(dāng)氫通過船從渦輪機(jī)輸送到海岸等時(shí)，該儲(chǔ)存裝置尤其有利。但是當(dāng)然，當(dāng)提供氫氣管線時(shí)，也可在渦輪機(jī)處設(shè)置這樣的氫儲(chǔ)存器。

10、如果在渦輪機(jī)處設(shè)置這樣的氫儲(chǔ)存器，則還可以設(shè)置后續(xù)加工裝置，以用于將產(chǎn)生的氫加工成另一氣態(tài)產(chǎn)物。根據(jù)該實(shí)施例，風(fēng)力渦輪機(jī)為功率-x式裝置，這意味著產(chǎn)生的電功率不僅被轉(zhuǎn)換為氫，而且該氫可被轉(zhuǎn)換成另一產(chǎn)物，如甲烷、甲醇、氨(液態(tài)或氣態(tài))或者甚至用于燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料等。在這種情況下，當(dāng)氫后續(xù)被加工成另一產(chǎn)物時(shí)，氫儲(chǔ)存器有利于緩沖產(chǎn)生輔助電能所需的特定量。

11、在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，作為在風(fēng)力渦輪機(jī)處布置氫儲(chǔ)存器的替代方案，能量轉(zhuǎn)換模塊也可適于使用來自耦接到風(fēng)力渦輪機(jī)的氫氣管線的在電解器模式下產(chǎn)生的氫而在燃料電池模式下操作。如果風(fēng)力渦輪機(jī)被耦接到氫氣管線，則產(chǎn)生的氫以高壓被泵入到該管線中，所述高壓通常為大約20-80bar的壓力。因此，在管線中存在高加壓氫。如果現(xiàn)在風(fēng)力渦輪機(jī)處于發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生電功率但需要輔助電功率的狀況，則模塊被切換到燃料電池模式，其中可簡單地從該管線接收氫。由于管線中的高氣壓，氫自動(dòng)地為能量轉(zhuǎn)換模塊供能，該能量轉(zhuǎn)換模塊現(xiàn)在可通過使氫與氧反應(yīng)來重新轉(zhuǎn)換所述氫，以產(chǎn)生電功率。在該實(shí)施例中，不需要特定的泵或類似物來將氫提供給模塊，就像在具有氫儲(chǔ)存器的實(shí)施例中一樣，其中氫也在加壓狀態(tài)下被緩沖。

12、如先前提到的，風(fēng)力渦輪機(jī)不僅可產(chǎn)生氫，而且還可作為功率-x式渦輪機(jī)(power-to-x-turbine)，該功率-x式渦輪機(jī)具有后續(xù)加工裝置，以用于基于所產(chǎn)生的氫來產(chǎn)生另一產(chǎn)物。先前描述的風(fēng)力渦輪機(jī)裝置可包括氫儲(chǔ)存器，從該氫儲(chǔ)存器獲取氫，以便在需要時(shí)產(chǎn)生輔助電功率。根據(jù)替代方案，本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)裝置同樣可包括后續(xù)加工裝置，以用于將產(chǎn)生的氫加工成另一產(chǎn)物。該實(shí)施例另外包括用于將該產(chǎn)物變回到氫的變換裝置，所述氫使能量轉(zhuǎn)換模塊在燃料電池模式下操作。在該實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)配備有變換裝置，以用于將如氨、甲醇、甲烷等產(chǎn)生的產(chǎn)物重新變回到氫，然后該氫通過能量轉(zhuǎn)換模塊重新轉(zhuǎn)換成電功率。在這種情況下，不需要特定的氫儲(chǔ)存器。

13、由后續(xù)加工裝置產(chǎn)生的產(chǎn)物可儲(chǔ)存在產(chǎn)物儲(chǔ)存器中至少至一定量，產(chǎn)物從該產(chǎn)物儲(chǔ)存器供應(yīng)到變換裝置來產(chǎn)生氫，以用于使能量轉(zhuǎn)換模塊在燃料電池模式下操作。根據(jù)該實(shí)施例，在渦輪機(jī)處設(shè)置附加的產(chǎn)物儲(chǔ)存器。在替代方案中，變換裝置還可適于使用來自耦接到風(fēng)力渦輪機(jī)的產(chǎn)物氣體或液體管線的生產(chǎn)產(chǎn)物來產(chǎn)生氫。就像在先前描述的實(shí)施例中，其中從氫氣管線使用氫來運(yùn)行能量轉(zhuǎn)換模塊，在該實(shí)施例中，產(chǎn)物也從耦接到風(fēng)力渦輪機(jī)的產(chǎn)物氣體或液體管線獲取，以用于運(yùn)行變換裝置。此外，這里產(chǎn)物氣體以高壓存在于氣體管線中，所述高壓同樣例如為20-80bar的壓力，而產(chǎn)物液體從液體管線被泵送回到變換裝置。

14、風(fēng)力渦輪機(jī)裝置本身可以是離岸裝置。渦輪機(jī)安裝在海洋處，并且例如可以但優(yōu)選地經(jīng)由氣體管線耦接到海岸，其中，根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)裝置的設(shè)置，供應(yīng)氫或者其他氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)物。但是陸上裝置也是可行的。在該實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)被布置在地面上并且優(yōu)選地連接到管線。在該陸上實(shí)施例中，電解器裝置中使用的水可以是飲用水，或者當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)靠近海時(shí)，也可以是海水。

15、還可設(shè)置緩沖系統(tǒng)，其包括一些小型電池或者超級電容器，以用于提供備用電源，尤其是用于切換可切換模塊。該緩沖系統(tǒng)為切換可逆模塊的模式提供初始功率。

16、本發(fā)明還涉及一種用于操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，所述風(fēng)力渦輪機(jī)具有轉(zhuǎn)子、由所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)以便產(chǎn)生能量的發(fā)電機(jī)以及包括能量轉(zhuǎn)換模塊的能量轉(zhuǎn)換裝置，所述能量轉(zhuǎn)換模塊在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的第一操作模式下以電解器模式操作，從而通過使用由所述發(fā)電機(jī)提供的能量電解水來產(chǎn)生氫，并且在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的第二操作模式下，當(dāng)所述發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生能量或產(chǎn)生不足能量時(shí)，切換到燃料電池模式，從而通過使氫與氧反應(yīng)來產(chǎn)生能量。

17、在燃料電池操作模式下使用的氫可由氫儲(chǔ)存器提供，在該氫儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存在電解器模式下產(chǎn)生的至少一定量的氫。在替代實(shí)施例中，氫也可由耦接到風(fēng)力渦輪機(jī)的氫管線供應(yīng)。

18、根據(jù)另一實(shí)施例，設(shè)置用于將所產(chǎn)生的氫加工成另一氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)物的后續(xù)加工裝置以及用于將所述產(chǎn)物變回到氫的變換裝置，其中，氫由變換裝置產(chǎn)生，以用于使能量轉(zhuǎn)換模塊在燃料電池模式下操作。在該實(shí)施例中，執(zhí)行從電能到氫再到產(chǎn)物的雙重能量轉(zhuǎn)換，并且反之亦然，以用于產(chǎn)生輔助電功率。

19、由后續(xù)加工裝置產(chǎn)生的至少一定量的產(chǎn)物可被儲(chǔ)存在產(chǎn)物儲(chǔ)存器中，產(chǎn)物從該產(chǎn)物儲(chǔ)存器供應(yīng)到變換裝置來產(chǎn)生氫，以用于使能量轉(zhuǎn)換模塊在燃料電池模式下操作。在這樣的產(chǎn)物儲(chǔ)存器或相應(yīng)的產(chǎn)物罐的替代方案中，產(chǎn)物還可經(jīng)由耦接到風(fēng)力渦輪機(jī)的產(chǎn)物氣體或液體管線提供給變換裝置。