专利名称：用于风力涡轮机的紧急俯仰驱动单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有停机系统的风力涡轮机，尤其是紧急俯仰(pitch) 驱动单元。本发明还涉及用于风力涡轮机的紧急俯仰驱动单元和用于 使风力涡轮机停机的方法。
背景技术：
在紧急情况下需要风力涡轮机快速停机以防止损坏涡轮机。需要 停机的紧急情况例如可为闪电、诸如发电机等风力涡轮机构件的故 障、或吸收所产生的电能的网络的故障。
停机操作通常包括使转子叶片的俯仰角到达顺桨(feathered)位置， 即由风施加到转子上的转矩减小的位置。而且，可使转子停止且可将 风力装置吊舱旋转成使风不能吹到。
执行这些任务所必需的紧急电力通常取自电力网络。但是，紧急 情况也可能会伴有网络故障，因此不能提供网络电力用于停机。在这 种情况下，需要从紧急或备用电力系统供应电力。常规地，利用蓄电 池，例如铅蓄电池来实现这种紧急电力系统。
然而，铅蓄电池具有很多缺点它们相对较重且占据大量空间。 而且，由于铅蓄电池不能无限次地充电和》文电，因此铅蓄电池的充电 和放电性能随着时间而恶化。因为紧急电力系统是安全链的关键部 分，所以铅蓄电池的低涓流寿命是潜在的安全风险。而且，低涓流寿 命以及再循环或处理的高成本还意味着较高的维修成本。这种成本增 加了风力设备及其操作的成本。
US 6,819,086描述了一种用于向风力设备供应紧急电力的布置。 在电力故障的情况下，可供应足够的紧急电力来使风力设备的转子叶 片复位并避免损坏整个系统。这通过使用一个或多个电容器来完成。
4另外，US 5,907,192描述了在公共电网故障的情况下，使用所储 存的旋转能来使叶片俯仰并制动风力涡轮机。
然而，仍然需要替代的紧急电源用于风力涡轮机，特别是需要一 种紧凑但具有高能量储存容量、环保、易于维^%可靠和/或具有快速 响应时间的紧急电源，
发明内容
鉴于上文所述，提供一种根据权利要求1所述的用于风力涡轮机 的紧急俯仰驱动单元，根据权利要求15所述的风力设备和根据权利 要求18所述的用于使风力涡轮机停机的方法。
通过权利要求、说明书和附图，本发明的其它方面、优点和特征 将变得显而易见。
根据本发明的第 一方面， 一种用于风力涡轮机的紧急俯仰驱动单 元包括电机，其布置成调整该风力涡轮机转子叶片的俯仰角；紧急 电源单元，用于向电机供应电力；以及控制器，其构造成在电力故障 的情况下控制电积/使用来自紧急电源单元的电力来调整俯仰角，例如 调整至顺桨位置。紧急电源单元包括燃料电池。这允许具有高能量密 度的经济的、长期可靠且环保的能量储存。
根据本发明的第二方面，风力设备包括至少一个风力涡轮机和停 机系统。而且，停机系统包括电气促动器，其布置成促动风力涡轮 机的构件至停机配置；主要电源，其用于向风力设备供应电力；次要 电源单元，其用于至少向停机系统供应电力以及可能向风力设备的其 它部件供应电力；以及控制器，其构造成在主要电源故障的情况下控 制促动器使用来自次要电源单元的电力将风力涡轮机的构件促动到 停机配置。次要电源单元包括燃料电池。风力涡轮机构件可为转子叶 片，且停机配置可为转子叶片的俯仰角配置，例如处于顺桨位置。
根据本发明的第三方面， 一种用于使风力涡轮机停机的方法包 括检测电力故障的发生；尤其是在发生电力故障的情况下，从包括 燃料电池的紧急电源单元向电机供应电力；以及通过电机来调整风力涡轮4几转子叶片的俯仰角，例如调整至顺桨位置。
通过使用燃料电池，可提供一种紧急电源，其具有比某些当前使 用的系统更长的使用寿命，更小的大小和重量，更简单和/或更环保。
在本说明书的其余部分，包括参考附图，针对本领域技术人员更 附图中
图1是根据本发明的风力涡轮机的示意图； 图2是图1的风力涡轮机的紧急俯仰驱动单元的示意图； 图3是风力涡轮机的另一紧急俯仰驱动单元的示意图； 图4是紧急俯仰驱动单元的紧急电源的示意图； 图5a是其内布置有燃料电池和开关箱的风力涡轮机的可旋转轮 毂的示意图5b是其内布置有紧急电源的风力涡轮机的可旋转轮毂的示意图。
部件列表
100风力涡4仑才几
110塔架
120舱室
130轮毂
132滑环
140叶片
142电机/促动器/叶片俯仰驱动器
144控制器
150方位角驱动器
6200 紧急电源单元/次要电源单元
210 燃料电池
220 电容器
230 开关箱
300 电力网络
302 电线
具体实施例方式
现在将更详细地参考本发明的各种实施例，本发明的一个或多个 示例在附图中示出。在附图中，相同或类似的部件具有相同的附图标 记。每个示例都以解释本发明的方式提供，并不意图限制本发明。例 如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征，诸如緩沖电容器， 用于电容器的充电系统或用于燃料电池的充电系统，可用于其它实施 例中以得到另外的实施例。预期本发明包括这些修改和变化。
图1是风力涡轮机的示意图。风力涡轮机100包括塔架110,舱 室120安装在塔架110的顶端上。舱室容纳传动系，主发电机(未图示) 连接到该传动系。载有三个转子叶片140的可旋转轮毂130安装到机 器舱室120的侧端。转子叶片140可由俯仰驱动器来调整，俯仰驱动 器通常容纳于轮毂130内。然而，俯仰驱动器的部分，尤其是电源， 也可布置于其它位置，例如在舱室120的其它部分中而不是在轮毂130 中，在;t荅架110的脚部，或与涡轮机IOO在空间上分开。
参看图2，俯仰驱动器包括电机/促动器142。可为涡轮机的每个 转子叶片140提供一个电机或者为涡轮机的所有转子叶片提供一个电 机。在任何情况下，电机142布置成用于促动转子叶片140的俯仰角。 特别地，电机142适于使转子叶片到达停机配置，即顺桨位置，其为 由风力施加到转子上的转矩减小的位置。
电机142典型地由电力网络300(主要电源)供电。然而，也提供紧 急电源单元200(次要电源)，以便在主要电源300的电力故障的情况下向电机供应电力。而且，控制器144可操作地连接到电机142和电源 200、 300。控制器144构造成在正常操作期间控制电机142使用来自 电力网络300的电力来促动俯仰角。在电力故障的情况下，控制器144 构造成控制电机142使用来自紧急电源单元200的电力来促动俯仰 角。
因此，电机142、控制器144和紧急电源单元200是紧急俯仰驱 动单元的一部分。如果需要使风力涡轮机停机，那么紧急俯仰驱动器 调整转子叶片的俯仰角，从而使转子叶片达到停机配置。停机可包括 促动停机系统的其它部件，例如使转子停止，或使风力设备吊舱旋转 成风不能吹到。这些部件(未图示)也可由紧急电力单元200供电。
紧急电源单元200包括燃料电池。这允许大量能量在较小单元中 的可靠能量储存。燃料电池在下文中更详细地描述。
紧急电源单元200可连接到外部电源300(经由用虚线表示的电线 302)或连接至某些其它电源，例如，用于供应能量以便保持燃料电池 处于工作温度和/或使燃料电池达到工作温度。
而且，紧急电源单元200还可连接到转子的方位角驱动器150。 这将允许使用紧急电源200在特别恶劣的风力条件下将转子驱动为远 离潜在危险的方位角位置。可使用来自风力传感器(未图示)的信号来 控制方位角驱动器150，并且也可使用燃料电池向风力传感器供电。
紧急俯仰驱动单元构造成在停机的情况下如下文所述进行操作 控制器144检测电力故障的发生；如果检测到电力故障，那么控制器 将电力从紧急电源单元200供应至电机142。为了进行这种操作，若 需要，控制器144使燃料电池达到工作状态。如果燃料电池不处于工 作状态(即尤其处于工作温度)和/或尚未使其达到工作状态，那么电机 142可暂时从下文图4所示的电容器供应，或从某些其它能量储存装 置或发电装置来供应。电容器也可提供能量用于使燃料电池达到工作 状态。而燃料电池在达成工作状态后也可使电容器充电。
图3示出与图2的配置类似的配置，但是其中示出了三个电机
8144，风力涡轮机的每个转子叶片设有一个电机。若需要，控制器144 适于使用来自紧急电源200的电力来控制如图2所描述的所有三个电 机144。尽管在图3中未示出电力网络的连接，但也可提供如图2所 示的这种连接。
另一方面，图3还示出了紧急电源200可向多于一个风力涡轮机 的紧急俯仰驱动系统供应电力。这通过连接至紧急电源200的额外控 制器144示意性地示出，控制器144中的每个控制器属于(例如)风电 场的单独的风力涡轮机。
图4是紧急电源单元/次要电源单元200的示意图，其包括燃料电 池210、电容器220和开关箱230。电容器220是可选的且可用于緩 冲电力。在优选实施例中，电容器是电化学双层电容器或UltraCap。 电容器220在尺寸方面设定为緩冲足够的电力来驱动俯仰驱动电机， 以使相应转子叶片达到停机配置。这意味着电力足以使转子叶片达到 停机配置，而与转子叶片的开始配置无关，即与转子叶片当前所处的 俯仰角无关。可使用另一能量緩冲器来替换电容器220。例如，由风 力涡轮发电机供应的变换器的中间电路可用作替换电容器220的能量 緩冲器。
在另 一实施例中，电容器220可操作地连接至燃料电池210(经由 电线222)，用于传递将燃料电池210加热至工作温度所需的能量。
开关箱230允许从燃料电池210或电容器220提供电力。特别地， 如果燃料电池处于工作状态，那么开关箱230允许电力从燃料电池210 供应，但是如果不是这种情况，则从电容器220供应电力。这还允许 快速停机操作，例如在燃料电池尚未达到工作温度的情况下。在风力 涡轮机的正常操作期间，电容器使用来自网络的电力或来自风力涡轮 机的电力来充电或保持充电。电容器也可使用燃料电池在网络故障期 间充电。为此目的，电容器可切换地经由电力整流器(如果需要的话) 连接到涡轮发电机(优选地连接至风力涡轮机的变换器的中间电路)或 连接至电力网络，或者连接至燃料电池。燃料电池210未详细示出，但可提供为例如在J. Larminie和A. Dicks的教材"Fuel Cell Systems Explained"(第二版，2003)或美国能 源部的"Fuel Cell Handbook"(第7版，2004，可从National Technical Information Service,美国商务部，5285 Port Royal Road, Springfield, VA 22161)或在由 Supramaniam Srinivasan 的 "Fuel Cells - From Fundamentals to Applications"的教材(Springer, 2006)中所述的燃料电 池。
燃料电池可例如为氢(H2)或曱烷燃料电池。燃料电池可包括例如 用于诸如氢气的压缩燃料的气槽，其在尺寸方面设定为用于向风力设 备供应紧急电力。
燃料电池可例如为PEMFC(质子交换膜燃料电池)、PAFC(磷酸燃 料电池)或DMFC(直接曱醇燃料电池)。这些燃料电池可在较低的温度 (小于2CKTC, 150°C，甚至小于IO(TC)操作，并且因此可较快地到达 工作状态。在一个实施例中，燃料电池是PEMFC，其功率范围为 5-50kW，且操作温度为50-9CTC;和/或功率密度为大约0.7 W/cm2。
多个燃料电池(例如，PEMFC)可组合于堆叠中。在此情况下，堆 叠在尺寸方面可设定为如下
电才及面积10-250 cm2
额定功率0.01 -250 kW
转换效率(化学能至电能)大约40%
寿命3000操作小时
性能降级率3-5mV/ 1000h。
燃料电池在尺寸方面设定为用于以144 V的电压向每个俯仰驱动 电机供应50-140 A的电流，和/或向每个俯仰驱动电冲几供应4-9 kW的 功率。如果(多个)燃料电池还应驱动方位角驱动器，那么燃料电池可 具有高达上述尺寸两倍的尺寸。
如图5a所示，燃料电池210可布置于风力涡轮机的可旋转轮毂 130中。这种布置允许燃料电池210由固定电线连接至俯仰驱动器142，即不使用滑环进行连接。利用固定电线的这种连接可改进紧急 俯仰驱动器的故障安全操作。
在图5a的实施例中，燃料电池210和开关箱230布置于轮毂中， 而电容器220布置于涡轮机的其它部件中。因此，电容器220经由滑 环132连接至燃料电池210和/或开关箱230(如图4所示)。另外，外 部电源经由电线300、 302和滑环132连接至燃料电池210和/或开关 箱230。图5b示出替代布置，其中整个紧急电源单元200(如果适用的 话，包括电容器)布置于轮毂130中。在图5a和图5b的布置中，能量 供应300经由滑环132和电线302连接至燃料电池。
可选地，燃料电池可设于风力涡轮机的其它部件中，例如舱室、 底座，甚至可设于与风力涡轮机分开的外壳中。
在实施例中，燃料电池持续地保持在工作状态(工作温度)，以便 在紧急情况下做好准备。在此情况下，燃料电池也可用于其它目的， 例如用作能量緩沖器以补偿所产生的电力的短期或中期波动。
用于使燃料电池维持在工作溫度的系统(第 一加热系统)可有利地 与用于冷却风力涡轮机的其它部件，特别是用于冷却发电机和/或传动 装置的系统相组合。特别地，可存在供热器用于将冷却系统的废热供 应至燃料电池。在此情况下，可选地，可提供第二加热系统，其独立 于第一加热系统且可由外部源供电，例如，通过网络或电容器220(经 由供应源222，参看图4)来供电。
在可选实施例中，燃料电池在正常操作期间可大体上不处于工作 状态，且可仅在紧急情况下使之达到工作状态。这减小了正常操作期 间的电力消^^。
燃料电池可在正常操作期间由充电单元进行充电。为了对燃料电 池进行充电，充电单元通常包括电解装置，其用于产生供应至燃料电 池燃料箱的燃料；以及电源，其用于向电解装置供应电力，例如从网 络或风力涡轮机供应电力。然后，若需要，电解装置可经由电力整流 器可切换地连接至电力网络或连接至涡轮发电机。在一个实施例中，
ii存在用于充电的电解装置，以使与风力涡轮机相关联的(多个)燃料电 池充电。电解装置可在正常操作期间可由来自风力涡轮机的电能供电
(例如，由来自变换器的中间电路的直流电供电)。特别地，如果H2 用作燃料，那么其可储存于高压容器中，例如压力在130-150巴。
这些书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳方式，且还使得 本领域技术人员能够实施和使用本发明。虽然在各种具体实施例中描 述了本发明，但本领域技术人员将认识到的是，在权利要求书的精神 和范围内，可对本发明进行修改。特别是，上文所述实施例的相互非 排它性的特征可彼此组合。本发明的专利保护范围由权利要求限定， 且可包括本领域技术人员能想到的其它示例。如果其它的实施例具有 并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果其它的实施例 包括与权利要求的字面语言具有非实质不同的结构元件，则这些其它 的实施例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1. 一种用于风力涡轮机(100)的紧急俯仰驱动单元，其包括-电机(142)，其布置成用于调整风力涡轮机转子叶片(140)的俯仰角；-紧急电源单元(200)，其用于向所述电机供应电力，所述紧急电源单元包括燃料电池(210)；-控制器(144)，其构造成用于在电力故障的情况下控制所述电机使用来自所述紧急电源单元的电力来调整所述俯仰角。
2. 根据权利要求1所述的紧急俯仰驱动单元，其特征在于，所述 紧急电源单元(200)还包括诸如电容器(220)的能量緩沖器。
3. 根据权利要求2所述的紧急俯仰驱动单元，其特征在于，所述 电容器(220)在尺寸方面设定为且可操作地连接为用于向所述电机 (142)供应电力，以使所述俯仰角到达顺桨位置，可选地，所述电容器到工作状态。
4. 根据权利要求2或3所述的紧急俯仰驱动单元，其特征在于， 所述控制器(144)还构造成用于在电力故障的情况下-控制所述燃料电池(210)以被加热至工作温度范围内的温度，以及-在所述燃料电池温度低于所述工作温度范围时从所述能量緩沖 器(220)供应电力来调整所述俯仰角。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的紧急俯仰驱动单元，其特征 在于，所述紧急俯仰驱动单元还包括用于将所述燃料电池加热至工作 温度的加热系统，所述加热系统适于且被控制为用于在所述风力涡轮 机的正常操作期间将所述燃料电池持续地加热至操作温度。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的紧急俯仰驱动单元，其特征 在于，所述加热系统适于将冷却系统的废热供应至所述燃料电池，所述冷却系统用于冷却所述风力涡轮机的部件，诸如发电机和/或传动装 置。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的紧急俯仰驱动单元，其特征 在于，所述紧急电源单元(200)包括燃料电池充电单元，所述燃料电池 充电单元包括-电解装置，其用于产生待供应至所述燃料电池的燃料箱的燃料；以及-用于向所述电解装置供电的电源。
8. 根据权利要求7所述的紧急俯仰驱动单元，其特征在于，所述 电源可操作地连接为用于从由所述风力涡轮机的发电机所供给的变 换器的中间电^各供应电力。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的紧急俯仰驱动单元，其特征 在于，所述紧急电源单元可操作地连接至所述涡轮机的转子的方位角 驱动器，用于向所述方位角驱动器供应电力。
10. —种用于使风力涡轮机停机的方法，其包括 -检测电力故障的发生，-将电力从包括燃料电池(210)的紧急电源单元(200)供应至电机 (142);以及-使用所述电机(142)调整风力涡轮机转子叶片(140)的俯仰角。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 -在发生电力故障的情况下，将所述燃料电池(210)加热至所述燃料电池的工作温度范围内的温度；以及-在所述燃料电池温度低于所述工作温度范围时将电力从电容器 (220)供应至所述电机(142)。
全文摘要
一种用于风力涡轮机的紧急俯仰驱动单元包括电机(142)，其布置成用于调整风力涡轮机转子叶片(140)的俯仰角；紧急电源单元(200)，其用于向电机(142)供应电力；以及控制器(144)，其构造成用于在电力故障的情况下控制电机(142)使用来自紧急电源单元(200)的电力来调整俯仰角。紧急电源单元(200)包括燃料电池。
文档编号F03D9/00GK101446269SQ20081017964
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者L·克尔伯 申请人:通用电气公司