風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法

專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)，確切地說，涉及具有用于去除余熱的熱交換器的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
至少一些已知的風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括塔筒和安裝在塔筒上的機(jī)艙。轉(zhuǎn)子以可旋轉(zhuǎn)方式安裝到機(jī)艙并通過軸連接到發(fā)電機(jī)。從所述轉(zhuǎn)子延伸出多片轉(zhuǎn) 子葉片。所述葉片朝向一定方向定向，這樣穿過葉片的風(fēng)便會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并使軸旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。過去，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常安裝在陸上，從而可使用眾所周知的構(gòu)造方法，而且易于拆裝和維修。但在一些國家，可用的陸上站較為稀少。此外，陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)居住在風(fēng)力發(fā)電機(jī)站附近的居民產(chǎn)生的環(huán)境影響會(huì)限制陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大小等。由于這些及其他原因，近年來，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)站，即位于水體中的站，越來越受關(guān)注。盡管現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)常越來越高效地將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電力，但此過程始終會(huì)將一些能量轉(zhuǎn)換成一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件中的熱。通常要從部件中去除這種余熱，以保護(hù)部件并確保正常運(yùn)行。傳統(tǒng)上，這可通過一個(gè)或多個(gè)冷卻系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述冷卻系統(tǒng)可借助于冷卻介質(zhì)將熱從部件傳輸?shù)缴崞?，從而可將熱散發(fā)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)外部的空氣中，和/或通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)外部形成氣流，使之穿過部件或內(nèi)部熱交換器來實(shí)現(xiàn)。然而，就溫度、濕度和純度而言，外部空氣的質(zhì)量難以控制。此外，現(xiàn)代海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出越來越大，從而通常也會(huì)產(chǎn)生余熱。相對(duì)而言，空氣是不良導(dǎo)熱體，因此這些類型的冷卻系統(tǒng)往往較大、昂貴且笨重?；蛘?，海水可用來冷卻海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部件。然而，如果此冷卻系統(tǒng)打開，則通常會(huì)存在有關(guān)結(jié)冰、堵塞和/或腐蝕的嚴(yán)重問題，而且如果冷卻系統(tǒng)封閉，例如，使冷卻介質(zhì)通過放置在海水中的軟管進(jìn)行循環(huán)，則要解決結(jié)冰、暴風(fēng)雨、漫水以及其他問題。因此，需要持續(xù)改進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括待冷卻的至少一個(gè)單元；塔筒；布置在所述塔筒下端的錨固結(jié)構(gòu)；以及熱交換器。所述錨固結(jié)構(gòu)至少部分地填充有液體。所述熱交換器經(jīng)配置以將所述液體用作冷卻劑來冷卻所述至少一個(gè)單元。其中所述錨固結(jié)構(gòu)包括外壁，且其中所述液體與所述外壁鄰接。其中所述錨固結(jié)構(gòu)包括至少部分通過水體延伸到水底地面中的空心管，且其中所述空心管至少部分填充有所述液體。其中所述錨固結(jié)構(gòu)包括浮動(dòng)平臺(tái)或浮標(biāo)，所述浮動(dòng)平臺(tái)或浮標(biāo)至少部分地填充有所述液體并錨固到水底地面。其中所述熱交換器經(jīng)配置以在所述至少一個(gè)單元的內(nèi)部冷卻循環(huán)與所述液體之間直接交換熱。其中所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括經(jīng)配置以直接冷卻所述至少一個(gè)單元的主熱交換器，且其中所述主熱交換器通過共用冷卻循環(huán)連接到所述熱交換器。其中所述熱交換器為液液熱交換器或氣液熱交換器。其中所述液體包括海水和/或淡水。其中所述液體通過所述錨固結(jié)構(gòu)的外壁而與鄰接的水熱耦合。其中所述錨固結(jié)構(gòu)中所述液體的體積大于約5m3。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng)經(jīng)配置以通過所述熱交換器泵送所述液體的泵，以及經(jīng)配置以從所述液體中去除碎屑的過濾器。·其中所述待冷卻的至少一個(gè)單元為齒輪箱、發(fā)電機(jī)、逆變器或變壓器。另一方面，本發(fā)明提供海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括基礎(chǔ)，所述基礎(chǔ)具有安裝在水底地面中的樁。所述樁具有所述水底地面上方至少部分地填充有冷卻劑的部分。至少一個(gè)生熱單元布置在所述樁的上方。所述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)經(jīng)配置以利用所述冷卻劑來冷卻所述至少一個(gè)生熱單元。其中所述基礎(chǔ)為單粧基。其中所述冷卻系統(tǒng)包括熱交換器，所述熱交換器經(jīng)配置以在所述至少一個(gè)生熱單元的內(nèi)部冷卻循環(huán)與所述冷卻劑之間直接交換余熱。其中所述冷卻系統(tǒng)包括主熱交換器以及次熱交換器，所述次交換器連接到所述主熱交換器并利用所述冷卻劑，所述主熱交換器經(jīng)配置以直接冷卻所述至少一個(gè)生熱單元。其中所述冷卻系統(tǒng)經(jīng)配置以借助熱傳導(dǎo)通過所述樁的外壁來散發(fā)所述至少一個(gè)生熱單元的余熱的大部分。所述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)和逆變器中的至少一者，且其中所述冷卻系統(tǒng)經(jīng)配置以冷卻所述齒輪箱、所述發(fā)電機(jī)和所述逆變器中的至少一者。又一方面，本發(fā)明提供海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括錨固到水底地面的浮動(dòng)單元，以及安裝在所述浮動(dòng)單元上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括至少一個(gè)生熱單元；以及冷卻系統(tǒng)，其經(jīng)配置以利用冷卻劑來冷卻所述至少一個(gè)生熱單元。又一方面，本發(fā)明提供海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括浮動(dòng)單元、至少一個(gè)生熱單元以及冷卻系統(tǒng)。其中所述浮動(dòng)單元部分地填充有冷卻劑；所述生熱單元布置在所述浮動(dòng)單元的上方；所述冷卻劑經(jīng)配置以利用所述冷卻劑來冷卻所述至少一個(gè)生熱單元。其中所述浮動(dòng)單元為浮動(dòng)平臺(tái)或浮標(biāo)。本發(fā)明的其他方面內(nèi)容、優(yōu)點(diǎn)和特征在所附權(quán)利要求書、具體說明和附圖中顯而易見。


本說明書的其余部分參考附圖，針對(duì)所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，完整且可實(shí)現(xiàn)地詳細(xì)闡明了本發(fā)明，包括其最佳模式，其中圖I為示例性海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的透視圖；圖2為根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的示意圖；圖3為根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不意圖4為根據(jù)又一項(xiàng)實(shí)施例的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的示意圖；圖5為根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例的浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的示意圖；圖6為根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例的浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的示意圖；圖7為根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的示意圖；圖8為根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的不意圖；圖9為根據(jù)又一項(xiàng)實(shí)施例的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的示意圖；以及圖10為根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例的方法的流程圖。

參考標(biāo)號(hào)部件參考標(biāo)號(hào)部件
J2_W__14__支撐系統(tǒng)、錨圈結(jié)構(gòu)
J6_機(jī)艙__18___
20可旋轉(zhuǎn)輪轂22轉(zhuǎn)子葉片
24__葉根部分_M__M_
30液體31,33管道
.....32..........................................—^......變槳調(diào)整系統(tǒng)...........................................................................................34......................................................................................... .軸...................................................................................................................................................................................
36控制系統(tǒng)38偏航軸
...39..............................瓦涵.............................................................................................40.................................................................1.涵....................................................................................................
_42_發(fā)電機(jī)^輪箱
51,52__熱交換器__65__過濾器_
_66__變槳組件_67__^_
_69____70___
Jl__樁的上部__Tl__樁的中間部分_
73樁的下.郜 4戒體....so.的水位
TS__外表面__76__iiU._
_77__B_ 78................................... ^浮動(dòng)平臺(tái)
79__浮標(biāo)__80__水底地面_
81H 視:縣—90....................................................................豕:W、M
95__平水表面__100,101,102冷卻循環(huán)_
121_塔筒節(jié)_ 130__旋轉(zhuǎn)軸
10,210,310, 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī) 400,401,402冷卻系統(tǒng)
410,510____
1000-1200丨方法/方法塊.....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................—

具體實(shí)施例方式現(xiàn)將詳細(xì)參考各實(shí)施例，每幅附圖中將圖示實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例。各個(gè)實(shí)例用以解釋本發(fā)明而非限制本發(fā)明。例如，圖示或描述為一項(xiàng)實(shí)施例的一部分的特征可用于或結(jié)合其他實(shí)施例，從而得到另一項(xiàng)實(shí)施例。本發(fā)明意圖包括此類修改和變化。本專利申請(qǐng)文件中所述的各實(shí)施例包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其可架設(shè)在海上或近海且包括冷卻系統(tǒng)。具體而言，本專利申請(qǐng)文件所述各實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)部冷卻劑貯存器，其布置在所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的錨固結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。這樣便提供具有可靠的封閉式冷卻系統(tǒng)的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“海上”是指湖、河或海等水體中的地點(diǎn)。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“水”是指鹽水、淡水或這兩者的混合物，以及活水和死水。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“葉片”是指在相對(duì)于周圍流體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生反作用力的任意裝置。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“風(fēng)力發(fā)電機(jī)”是指從風(fēng)能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能，具體而言，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的任意裝置。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)”指安裝在浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“風(fēng)力發(fā)電機(jī)”是指從風(fēng)能產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能中產(chǎn)生電力，具體而言，將從風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換得到的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力的任意風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“錨固結(jié)構(gòu)”是指用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐在水體中的任意支撐系統(tǒng)。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“錨固結(jié)構(gòu)”可環(huán)繞安裝在水底地面中的固定基礎(chǔ)，例如，單樁基礎(chǔ)，也可 稱為單極基礎(chǔ)，和多極基礎(chǔ)，以及錨固到所述水底地面的浮動(dòng)單元，例如，浮動(dòng)平臺(tái)和主體。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“塔筒的下端”是指布置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙對(duì)面的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的一端。所述塔筒的下端可布置成靠近甚至接觸水體。圖I為示例性海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)10的透視圖。在示例性實(shí)施例中,海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)10為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)?；蛘?，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)10可為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在示例性實(shí)施例中，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)10包括從錨固結(jié)構(gòu)14延伸出的塔筒12、安裝在塔筒12上的機(jī)艙16，以及連接到機(jī)艙16的轉(zhuǎn)子18。在示例性實(shí)施例中，錨固結(jié)構(gòu)14成形為單樁基。單樁基14包括樁70，例如，鋼樁，其通常成形為外直徑范圍介于約Im到約10m，通常介于約3m與約Sm之間，且更常介于約3. 5m與約4. 5m之間的空心管。樁70從水底地面80延伸穿過水體90，例如，海。此外，樁70安裝在，例如被打入到海床等水底地面80中的一定深度處。樁70放置在水底地面80的表面85下方的深度尤其取決于地下類型，但通常在約10米到約20米的范圍內(nèi)。在示例性實(shí)施例中，樁70形成于在水位95上方延伸的上部71中，作為供安裝塔筒12和可選平臺(tái)69的柱基。轉(zhuǎn)子18包括可旋轉(zhuǎn)輪轂20，以及連接到輪轂20并從所述輪轂向外延伸的至少一片轉(zhuǎn)子葉片22，例如，三片轉(zhuǎn)子葉片22。具體而言，輪轂20通過轉(zhuǎn)子軸(有時(shí)稱為主軸或低速軸，圖I中未圖示)、齒輪箱46、高速軸和聯(lián)軸器(圖I中均未圖示)以可旋轉(zhuǎn)方式連接到所放置的發(fā)電機(jī)42。轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)以可旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動(dòng)齒輪箱46，隨后驅(qū)動(dòng)高速軸。高速軸以可旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)42和聯(lián)軸器，且高速軸的旋轉(zhuǎn)促進(jìn)發(fā)電機(jī)42發(fā)電。發(fā)電機(jī)42通常經(jīng)由功率變換組件21和水下動(dòng)力電纜(圖I中未圖示)連接到輸電網(wǎng)。功率變換組件21可包括逆變器和/或變壓器。在示例性實(shí)施例中，功率變換組件22布置在平臺(tái)69上且在塔筒12內(nèi)部。在其他實(shí)施例中，功率變換組件22的至少一部分，例如逆變器，布置在機(jī)艙16中。在其他實(shí)施例中，功率變換組件22的至少一部分，例如變壓器，布置在平臺(tái)69上但在塔筒12外部。在一項(xiàng)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片22的長度在約15米(m)到約90m的范圍內(nèi)?；蛘?，轉(zhuǎn)子葉片22可具有可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)10如本專利申請(qǐng)文件所述那樣運(yùn)行的任意合適長度。例如，葉片長度的其他非限制性實(shí)例包括IOm或以下、20m、37m，或大于90m的長度。圖I的示例性實(shí)施例所示為上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)10，其中轉(zhuǎn)子18面向風(fēng)。但轉(zhuǎn)子18也可布置在下風(fēng)向，即位于塔筒12的背風(fēng)面。隨著風(fēng)從方向28擊打轉(zhuǎn)子葉片22，轉(zhuǎn)子18圍繞旋轉(zhuǎn)軸130旋轉(zhuǎn)。此外，在示例性實(shí)施例中，當(dāng)方向28改變時(shí)，可圍繞偏航軸38控制機(jī)艙16的偏航方向，以相對(duì)于方向28放置轉(zhuǎn)子葉片22。此外，轉(zhuǎn)子葉片22的槳距角或葉片距，即決定轉(zhuǎn)子葉片22相對(duì)于風(fēng)向28的角度的角，可通過變槳調(diào)整系統(tǒng)32進(jìn)行更改，以通過調(diào)整至少一片轉(zhuǎn)子葉片22相對(duì)于風(fēng)矢量的角位置來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)10產(chǎn)生的負(fù)載和電力。圖示了轉(zhuǎn)子葉片22的變槳軸34。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)10運(yùn)行期間，變槳調(diào)整系統(tǒng)32可改變轉(zhuǎn)子葉片22的葉片距，從而將轉(zhuǎn)子葉片22移動(dòng)到順槳位置，這樣，至少一片轉(zhuǎn)子葉片22相對(duì)于風(fēng)矢量的角度可讓朝向風(fēng)矢量的轉(zhuǎn)子葉片22的表面區(qū)域最小，從而促使轉(zhuǎn)子18的轉(zhuǎn)速減小和/或促使轉(zhuǎn)子18失速。在示例性實(shí)·施例中，每片轉(zhuǎn)子葉片22的葉片距由控制系統(tǒng)36單獨(dú)控制?；蛘?，所有轉(zhuǎn)子葉片22的葉片距可由控制系統(tǒng)36同時(shí)控制。此外，在示例性實(shí)施例中，當(dāng)方向28改變時(shí)，可圍繞偏航軸38控制機(jī)艙16的偏航方向，以相對(duì)于方向28放置轉(zhuǎn)子葉片22。在示例性實(shí)施例中，所示的控制系統(tǒng)36處于機(jī)艙16中的中心。但是，控制系統(tǒng)36可為分布式系統(tǒng)，分布于風(fēng)力發(fā)電機(jī)10各處、浮動(dòng)平臺(tái)69上或中、浮動(dòng)式風(fēng)場內(nèi)和/或遠(yuǎn)程控制中心處?？刂葡到y(tǒng)36包括配置成執(zhí)行本專利申請(qǐng)文件所述方法和/或步驟的處理器40。此外，本專利申請(qǐng)文件所述的許多其他部件包括處理器。本專利申請(qǐng)文件所用術(shù)語“處理器”并不限于在所屬領(lǐng)域中稱為計(jì)算機(jī)的集成電路，而是廣泛地指控制器、微控制器、微型計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、專用集成電路以及其他可編程電路，且本專利申請(qǐng)文件所用的這些術(shù)語可互換。應(yīng)了解，處理器和/或控制系統(tǒng)還可包括存儲(chǔ)器、輸入通道和/或輸出通道。在本專利申請(qǐng)文件所述的各項(xiàng)實(shí)施例中，存儲(chǔ)器可包括，但不限于，計(jì)算機(jī)可讀媒體，例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，和計(jì)算機(jī)可讀非易失性媒體，例如閃存?；蛘?，也可使用軟盤、只讀光盤(CD-ROM)、磁光盤(MOD)和/或數(shù)字多功能光盤(DVD)。此外，在本專利申請(qǐng)文件所述的各項(xiàng)實(shí)施例中，輸入通道包括，但不限于，傳感器和/或與操作員接口相關(guān)的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，例如鼠標(biāo)和鍵盤。此外，在所述示例性實(shí)施例中，輸出通道可包括，但不限于，控制裝置、操作員接口監(jiān)視器和/或顯示器。本專利申請(qǐng)文件所述的處理器用于處理從多個(gè)電氣和電子裝置傳輸?shù)男畔?，所述裝置可包括，但不限于，傳感器、致動(dòng)器、壓縮機(jī)、控制系統(tǒng)和/或監(jiān)視裝置。例如，此類處理器的物理位置可位于控制系統(tǒng)、傳感器、監(jiān)視裝置、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、可編程邏輯控制器(PLC)室和/或分布式控制系統(tǒng)(DCS)室中。RAM和存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)移待由處理器執(zhí)行的信息和指令。RAM和存儲(chǔ)裝置也可用于在處理器執(zhí)行指令期間存儲(chǔ)臨時(shí)變量、靜態(tài)(即，不變的)信息和指令，或其他中間信息，并將所述信息提供給處理器。所執(zhí)行的指令可包括，但不限于，風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)控制命令。對(duì)指令序列的執(zhí)行并不限于硬件電路和軟件指令的任意特定組合。為了根據(jù)外部請(qǐng)求傳送所需的電輸出功率并在變化的風(fēng)力條件下穩(wěn)定地傳送，需要控制系統(tǒng)。通常，控制系統(tǒng)36可用作中央控制系統(tǒng)，通過單點(diǎn)操作狀態(tài)(SPS)控制器等特殊硬件部件，以及以太網(wǎng)LAN、控制器局域網(wǎng)(CAN)總線、FlexRay總線等總線連接對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)10進(jìn)行控制。通常情況下，控制系統(tǒng)36用作監(jiān)督風(fēng)力發(fā)電機(jī)10的至少一部分功能的主控制器。這可包括對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)10的其他控制器、與其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)的通信和/或風(fēng)場管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，以及錯(cuò)誤處理和操作優(yōu)化。此外，可在控制系統(tǒng)36的硬件上執(zhí)行SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng))程序?？刂葡到y(tǒng)36通常從傳感器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)10的其他部件，例如發(fā)電機(jī)42，轉(zhuǎn)子葉片22的負(fù)載傳感器以及布置在機(jī)艙16上的風(fēng)速計(jì)39接收信息。圖2為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)210的示意圖。類似于參考圖I進(jìn)行的說明，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)210也為固定基礎(chǔ)型。具體而言，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)210包括安裝到錨固結(jié)構(gòu)14的塔筒12，所述錨固結(jié)構(gòu)成形為單樁基。為清晰起見，圖2中僅圖示塔筒12的最低塔筒節(jié)121。機(jī)艙16通常安裝到最高塔筒節(jié)(圖2中未圖示)。機(jī)艙16通常包括一個(gè)或多個(gè)生熱單元21、42、46，所述生熱單元至少在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)210的正常運(yùn)行期間生成余熱，至少要不時(shí)地去除所述余熱，以確保節(jié)約運(yùn)行。下文中，生熱單元21、42、44因而也稱為待冷卻單元。實(shí)例包括發(fā)電機(jī)42、齒輪箱46，以及功率變換組件21，例如，逆變器和/或變壓器。此外，耗電
裝置，例如，控制系統(tǒng)和機(jī)柜可形成相應(yīng)的待冷卻單元。在其他實(shí)施例中，生熱單元的一部分，例如，功率變換組件21的較大變壓器布置在底部塔筒節(jié)121中和/或平臺(tái)69上。在示例性實(shí)施例中，錨固結(jié)構(gòu)14包括成形為空心管的樁70。樁70的上部71在水體90的上方延伸。通常情況下，上部71成形為柱基，以有助于分別將塔筒節(jié)121和塔筒12的下端以及可選平臺(tái)69安裝到樁70。樁70的下部73布置在水底地面80中。通常情況下，樁70被打入到水底地面80中。樁70的下部73可填充有沙子、巖石、碎屑巖和/或混凝土。這樣有助于將樁70錨定在水底地面80中。樁70的中間部分72在下部73和上部71之間形成過渡連接件。中間部分72延伸穿過水體90。在示例性實(shí)施例中，樁70的中間部分72和上部71形成部分填充有液體30的圓柱形腔77。因此，液體30的貯存器，下文也稱為貯液器，分別形成于樁70和錨固結(jié)構(gòu)14中。例如，中間部分72填充有液體30，基本達(dá)到水體90的平均水位95。不用說，液體30的上水位也可高于或低于平均水位95。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，貯液器的液體30用作海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)210的冷卻系統(tǒng)的冷卻齊 。通常情況下，所述冷卻系統(tǒng)包括熱交換器51，所述熱交換器熱耦合到生熱單元21、42、46中的至少一個(gè)單元，并且使用液體30作為冷卻劑。因此，由相應(yīng)生熱單元21、42、46生成的余熱的大部分，例如，80%以上，通常在90%以上，可經(jīng)由內(nèi)部冷卻循環(huán)100從所述生熱單元去除，并作為余熱量Ql轉(zhuǎn)移到錨固結(jié)構(gòu)14內(nèi)的貯液器。貯液器通常通過樁70的外壁而與水體90熱耦合(熱交換)。因此，余熱量Ql的至少一大部分Q2，通常在約90%以上，通常通過外壁從貯液器轉(zhuǎn)移到與所述外壁的外表面75鄰接的水體90。這樣，冷卻系統(tǒng)經(jīng)配置以通過樁70的壁來散發(fā)至少一個(gè)生熱單元21、42、46的余熱的至少一大部分。因此，為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)210提供有效的封閉式冷卻系統(tǒng)，從而避免上述結(jié)冰、暴風(fēng)雨和漫水的問題。貯液器的體積，即，錨固結(jié)構(gòu)14中的液體30的體積，通常相對(duì)較大，例如，大于約5m3，常見的是大于約10m3，更常見的是大于約50m3。因此，平均高峰值的余熱量可暫時(shí)儲(chǔ)存在貯液器中。與水體90接觸的外表面75的面積相對(duì)較大，例如，為數(shù)十m2。因此，可由熱峰值負(fù)載造成的貯液器與水體90之間的較高溫度梯度通?？墒盅杆俚亟档汀Ｒ后w30通常包括海水和/或淡水。水是良好的導(dǎo)熱體，而且具有較高的比熱容。此外，可從易于接近的周圍水體90的水中獲得液體30的至少一大部分。因此，可節(jié)約成本。如果液體30為水溶液，則可添加添加劑，例如，乙二醇等防凍劑。在其他實(shí)施例中，液體30可為油。為了減少所需的體積，油可儲(chǔ)存在嵌于樁70的充水中間部分中的子貯存器中。樁70通常由不銹鋼制成。這確保了足夠高的機(jī)械穩(wěn)定性、冷卻劑30與水體90之間的良好熱耦合，以及足夠的耐腐蝕性。具體而言，如果將海水用作液體30的主要成分，則可在樁70的內(nèi)表面上提供防蝕涂層。在示例性實(shí)施例中，熱交換器51配置成在生熱單元21、42、46的內(nèi)部冷卻循環(huán)100與液體30之間直接交換余熱。為此，熱交換器51配置成在內(nèi)部冷卻循環(huán)100與將液體30用作冷卻劑的外部冷卻循環(huán)101之間轉(zhuǎn)移熱。外部冷卻循環(huán)101包括管道33，其用于將液體30從貯液器輸送到熱交換器51 ；以及管道31，其用于將液體30從熱交換器51輸送到貯液器。通常情況下，泵67用以分別通過管道31、33和熱交換器51泵送液體30。熱交換器51可為液液熱交換器或氣液熱交換器。例如,熱交換器51可為具有內(nèi) 部空氣冷卻循環(huán)100的發(fā)電機(jī)42的熱交換器，或用于對(duì)齒輪箱42的內(nèi)部油冷卻循環(huán)100進(jìn)行冷卻的熱交換器。因此，熱交換器51可分別為氣水熱交換器或油水熱交換器。不用說，可針對(duì)生熱單元21、42、46中的每個(gè)單元使用相應(yīng)的熱交換器51。例如，在機(jī)艙16中，相應(yīng)熱交換器51通常布置成靠近，但也可布置成遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的生熱單元21、42、
46。即使使用了數(shù)個(gè)熱交換器51，一個(gè)泵67通常也足以通過分支管道31、33來泵送液體30。此外，可使用閥來限制和/或關(guān)閉冷卻劑的流分支。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，擋板76形成于樁70的下部73與中間部分72之間。因此，避免污染液體30。此外，可選過濾器65可連接到管道33，用于從液體30中去除碎屑，例如，沙子，和/或特殊的生物材料。此外，泵67可為反轉(zhuǎn)泵，以有助于清理過濾器65。根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例，提供具有帶內(nèi)部貯液器的錨固結(jié)構(gòu)的多樁海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，例如，三極或三樁海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在這些實(shí)施例中，錨固結(jié)構(gòu)經(jīng)由數(shù)個(gè)樁，例如通常布置成等邊三角形的三個(gè)樁，將塔筒12與水底地面80，例如海床，相連。用于冷卻劑的貯液器可布置在其中一個(gè)樁中或者分布在這些樁之間。根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例，如圖2所示的類似風(fēng)力發(fā)電機(jī)可安裝在陸上。在此實(shí)施例中，用于冷卻劑的貯液器設(shè)在形成錨固結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的基礎(chǔ)中。所述貯液器可填充水作為冷卻器，所述水由額外的水源提供，或者通過額外的泵從湖或河等附近水域泵送到基礎(chǔ)。對(duì)貯液器的冷卻可通過基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)和/或通過與來自水源或附近水域的淡水交換至少一部分水來實(shí)現(xiàn)。接下來，參考圖3描述一項(xiàng)實(shí)施例。圖3所示的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)310與上文參考圖2所述的示例性實(shí)施例非常相似。但海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)310包括一個(gè)或多個(gè)主熱交換器51，其經(jīng)配置以直接冷卻相應(yīng)的生熱單元21、42、46 ;以及次熱交換器52。次熱交換器52使用液體30作為冷卻劑，以與主熱交換器51所共享的共用冷卻循環(huán)102交換熱。因此，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)310的冷卻系統(tǒng)還經(jīng)配置以通過錨固結(jié)構(gòu)14的外壁散發(fā)余熱的至少一大部分。為清晰起見，圖3中并未圖示用于泵送冷卻劑的額外泵。通常情況下，只使用一個(gè)次熱交換器52來去除不同主熱交換器51中的余熱。這樣便可分開用于生熱單元21、42、46的冷卻循環(huán)。因此，可提高安全性。
圖4為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)410的示意圖。圖4所示的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)410也與上文參考圖2所述的示例性實(shí)施例相似。但海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)410的熱交換器51分別由樁70的中間部分72形成并位于所述中間部分中。在示例性實(shí)施例中，內(nèi)部封閉式冷卻循環(huán)100將余熱量Ql從生熱單元21、42、46中的至少一個(gè)單元直接轉(zhuǎn)移到貯液器中的液體30。如參考圖2所述，余熱量Ql可暫時(shí)儲(chǔ)存在貯液器中，而且余熱量Ql的至少一大部分Q2通過樁70的外壁轉(zhuǎn)移到水體90。通常情況下，基于時(shí)間均值，大部分Q2和余熱量Ql實(shí)質(zhì)上相符。為了實(shí)現(xiàn)較高的冷卻效率，封閉式內(nèi)部冷卻循環(huán)100可在下部中形成，所述下部布置在貯液器中作為冷卻盤管。或者和/或此外，封閉式內(nèi)部冷卻循環(huán)100的下部可包括表面擴(kuò)大結(jié)構(gòu)。通常情況下，將油用作循環(huán)通過封閉式內(nèi)部冷卻循環(huán)100的冷卻劑。這可 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)42、齒輪箱46，和/或功率變換組件21的直接冷卻。通常情況下，針對(duì)不同的生熱單元21、42、46使用單獨(dú)的封閉式冷卻循環(huán)100。圖5為浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)510的示意圖。圖5所示的浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)510也與上文參考圖2所述的示例性實(shí)施例相似。但浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)510的錨定結(jié)構(gòu)14包括成形為浮動(dòng)平臺(tái)的浮動(dòng)單元78，供塔筒12安裝。平臺(tái)78浮動(dòng)在水體90中，通常在海中，或者在湖或河中。如參考編號(hào)81所示，平臺(tái)78通常通過錨索、線纜，或鏈條錨固到水底地面85，以限制浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)510的移動(dòng)自由。例如，浮動(dòng)平臺(tái)78可為盒形或盤形槽，具有較大的水平延伸部分和相對(duì)較短的垂直延伸部分。在其他實(shí)施例中，浮動(dòng)平臺(tái)78可為圓柱浮標(biāo)型。圓柱浮標(biāo)由單個(gè)較長的圓柱形槽構(gòu)成，且通過盡可能低地移動(dòng)質(zhì)心來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。在其他實(shí)施例中，浮動(dòng)平臺(tái)78是更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且包括三個(gè)或三個(gè)以上可浮的圓柱，以支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)。浮動(dòng)平臺(tái)78為承載風(fēng)力發(fā)電機(jī)510的其他部件提供升力。因此，浮動(dòng)平臺(tái)78通常部分填充液體30，一直到低于周圍水體90的表面95的水位74。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，儲(chǔ)存在浮動(dòng)平臺(tái)78中的液體30可用作海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)510的冷卻系統(tǒng)的冷卻劑，以冷卻至少一個(gè)生熱單元21、42、46。在示例性實(shí)施例中，所述冷卻系統(tǒng)與參考圖2所述的冷卻系統(tǒng)非常相似。但貯液器布置在浮動(dòng)平臺(tái)78的內(nèi)部，而不是樁中。風(fēng)力發(fā)電機(jī)510的冷卻系統(tǒng)經(jīng)配置以借助熱傳導(dǎo)通過浮動(dòng)單元78的外壁來散發(fā)至少一個(gè)生熱單元21、42、46的大部分余熱。不用說，參考圖2到圖4所述的有關(guān)冷卻系統(tǒng)的實(shí)施例，例如，熱交換器的不同布置，也可用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)510。通常情況下，浮動(dòng)平臺(tái)78可浸，以調(diào)整升力。因此，至少液體30的主要成分為水體90的水。圖6為浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)610的示意圖。圖6所示的浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)610與上文參考圖5所述的示例性實(shí)施例非常相似。但浮動(dòng)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)610的錨定結(jié)構(gòu)14包括作為浮動(dòng)單元的浮標(biāo)79，所述浮標(biāo)安裝有塔筒12且錨固到水底地面而非浮動(dòng)平臺(tái)。在浮標(biāo)79的腔77中，形成通常較大的貯存器，用于讓液體30形成冷卻系統(tǒng)的冷卻齊U。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，冷卻系統(tǒng)經(jīng)配置以從相應(yīng)生熱單元21、42、46中去除至少一大部分的余熱。
接下來，參考圖7到圖9描述涉及海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的實(shí)施例。所述冷卻系統(tǒng)可用于任意上述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。圖7為冷卻系統(tǒng)400的示意圖。在示例性實(shí)施例中，冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)部冷卻循環(huán)100，其連接到海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生熱單元21、42、46 ;以及冷卻劑30的內(nèi)部貯存器。所述內(nèi)部貯存器可由腔77在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的錨固結(jié)構(gòu)中形成。貯存器中的冷卻劑30通常通過海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外壁而與水體90分開。在圖7中，所述外壁由海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外表面75表示。例如，所述外壁可為空心樁的側(cè)壁，或者浮動(dòng)平臺(tái)或浮標(biāo)的壁。冷卻系統(tǒng)400經(jīng)配置以通過外壁轉(zhuǎn)移由生熱單元21、42、46中的至少一個(gè)單元產(chǎn)生的余熱的大部分，例如，80%以上，通常在90%以上。內(nèi)部冷卻循環(huán)100可直接使用冷卻劑30來冷卻生熱單元21、42、46?；蛘撸瑑?nèi)部冷卻循環(huán)100為與內(nèi)部貯存器中的冷卻劑30交換熱的封閉式冷卻循環(huán)，如上文中參考圖4更詳細(xì)地描述?！D8為用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)401的示意圖。圖8所示的冷卻系統(tǒng)401與上文參考圖7所述的示例性實(shí)施例非常相似。但冷卻系統(tǒng)401包括主熱交換器51，用于在內(nèi)部冷卻循環(huán)100與使用冷卻劑30的外部冷卻循環(huán)101之間交換熱。上文參考圖2、圖5、圖6更詳細(xì)地說明了此類冷卻系統(tǒng)。圖9為用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)402的示意圖。圖9所示的冷卻系統(tǒng)402與上文參考圖7所述的示例性實(shí)施例非常相似。但冷卻系統(tǒng)401包括主熱交換器51和次熱交換器52。主熱交換器51經(jīng)配置以在內(nèi)部冷卻循環(huán)100與中間冷卻循環(huán)102之間交換熱。次熱交換器52經(jīng)配置以在中間冷卻循環(huán)102與使用冷卻劑30的外部冷卻循環(huán)101之間交換熱。上文參考圖3更詳細(xì)地說明了此類冷卻系統(tǒng)。圖10為用于對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻的方法1000的流程圖。在第一塊1100中，第一熱量在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生熱單元與內(nèi)部冷卻劑貯存器之間進(jìn)行交換。內(nèi)部冷卻劑貯存器通常布置在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的錨固結(jié)構(gòu)中。在塊1200中，第二熱量在內(nèi)部冷卻劑貯存器與水體之間進(jìn)行交換，所述第二熱量借助熱傳導(dǎo)通過海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外壁進(jìn)行交換。因此，提供一種用于對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻的簡單可靠方法。平均起來，第一和第二熱量實(shí)質(zhì)上相符。上述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括封閉式冷卻系統(tǒng)，從而有助于以簡單且成本有效的方式對(duì)發(fā)電機(jī)和齒輪箱等生熱單元進(jìn)行節(jié)約冷卻。上文詳細(xì)描述了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行方法的示例性實(shí)施例。所述系統(tǒng)和方法并不限于本專利申請(qǐng)文件所述的具體實(shí)施例，相反，系統(tǒng)的部件和/或方法的步驟可獨(dú)立于本專利申請(qǐng)文件所述的其他部件和/或步驟單獨(dú)使用。所述實(shí)施例并不限于相對(duì)于安裝在海中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)場進(jìn)行實(shí)踐。實(shí)際上，示例性實(shí)施例可與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的許多其他應(yīng)用結(jié)合實(shí)施和使用。例如，安裝在峽灣、河或湖中的風(fēng)場可使用本專利申請(qǐng)文件所述的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)和方法。此外，示例性實(shí)施例可與陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用結(jié)合實(shí)施和使用。盡管本發(fā)明各實(shí)施例的具體特征可能在某些附圖中圖示，但并未在其他附圖中圖示，這僅僅是出于方便的考量。根據(jù)本發(fā)明的原則，附圖中的任意特征可結(jié)合任意其他附圖中的任意特征進(jìn)行參考和/或提出權(quán)利主張。
本說明書使用了各種實(shí)例來揭示本發(fā)明，包括最佳模式，同時(shí)也讓所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造并使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實(shí)施所涵蓋的任何方法。雖然已在上文揭示了各項(xiàng)具體實(shí)施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，權(quán)利要求書的精神和范圍允許進(jìn)行同等有效的修改。特別是，上述實(shí)施例的特征并不相互排斥，因此可以彼此組合。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書界定，并可包括所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員想出的其他實(shí)例。如果其他此類實(shí)例的結(jié)構(gòu)要素與權(quán)利要求書的 字面意義相同，或如果此類實(shí)例包括的等效結(jié)構(gòu)要素與權(quán)利要求書的字面意義無實(shí)質(zhì)差別，則此類實(shí)例也在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)(210、310、410、510)，其包括 待冷卻的至少一個(gè)單元(21、42、46)； 塔筒(12,121)； 布置在所述塔筒下端的錨固結(jié)構(gòu)(70、78、79)，所述錨固結(jié)構(gòu)至少部分地填充有液體(30);以及 熱交換器(51、52)，其經(jīng)配置以將所述液體用作冷卻劑來冷卻所述至少一個(gè)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述錨固結(jié)構(gòu)包括至少部分通過水體(90)延伸到水底地面(80)中的空心管(70)，且其中所述空心管(70)至少部分地填充有所述液體(30)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述錨固結(jié)構(gòu)包括浮動(dòng)平臺(tái)(78)或浮標(biāo)(79)，所述浮動(dòng)平臺(tái)或浮標(biāo)至少部分地填充有所述液體并錨固到水底地面(85)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述熱交換器(51)經(jīng)配置以在所述至少一個(gè)單元的內(nèi)部冷卻循環(huán)與所述液體之間直接交換熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括經(jīng)配置以直接冷卻所述至少一個(gè)單元的主熱交換器(51)，且其中所述主熱交換器(51)通過共用冷卻循環(huán)連接到所述熱交換器(52)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述熱交換器(51、52)為液液熱交換器或氣液熱交換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述液體(30)包括海水和/或淡水。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述液體(30)通過所述錨固結(jié)構(gòu)(70、78、79)的外壁(75)而與鄰接的水(90)熱耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其進(jìn)一步包括以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng)經(jīng)配置以通過所述熱交換器泵送所述液體的泵，以及經(jīng)配置以從所述液體(30)中去除碎屑的過濾器(65)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中所述待冷卻的至少一個(gè)單元為齒輪箱(46)、發(fā)電機(jī)(42)、逆變器或變壓器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括待冷卻的至少一個(gè)單元；塔筒；布置在所述塔筒下端的錨固結(jié)構(gòu)；以及熱交換器。所述錨固結(jié)構(gòu)至少部分地填充有液體。所述熱交換器經(jīng)配置以將所述液體用作冷卻劑來冷卻所述至少一個(gè)單元。
文檔編號(hào)F03D11/00GK102953940SQ20121030312
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者H.A.肖爾特-瓦辛克 申請(qǐng)人:通用電氣公司