風力發電機組散熱系統、散熱方法及風力發電機組與流程

本發明涉及冷卻領域，特別是涉及風力發電機組散熱系統、散熱方法及風力發電機組。

背景技術：

風力發電機是將風能轉換為機械功，機械功帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。風力發電機組在運行過程中，內部的部件，比如發電機、電氣元件及動力裝置等，會產生較多的熱量，機艙內溫度較高，需要及時散熱。

目前本領域對散熱問題做了多種研究和嘗試，有些研究者在機艙和塔筒頂部設置空氣換熱器，通過與外界冷空氣進行熱交換，達到冷卻機艙內空氣的目的。該方法并未考慮對機頭上輪轂內的發熱部件進行散熱的問題。還有些研究者在機艙內和外設置了配套使用的蒸發冷卻壓縮機、蒸發器和液冷-蒸發冷卻復合換熱器來冷卻發電機，但是該冷卻系統無法冷卻風力發電機組輪轂內發熱部件。總之，現有的散熱方案都存在部分發動機機組內部分發熱部件無法得到有效散熱的問題。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供風力發電機組散熱系統、散熱方法及風力發電機組，以解決風力發電機組內各發熱部件均有效散熱問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種風力發電機組散熱系統，其包括：風機、設置于導流罩外壁上的一個以上的進風部和設置于機艙罩尾部的出風部；所述風機安裝于所述進風部，所述進風部處于輪轂的前方。

在一些實施例中，優選為，風力發電機組散熱系統還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器設置于機艙罩內，所述溫度傳感器與控制器連接。

在一些實施例中，優選為，風力發電機組散熱系統還包括：導風罩，所述導風罩設置于所述機艙罩的出風部。

在一些實施例中，優選為，所述導風罩與所述機艙罩鉸接。

在一些實施例中，優選為，所述導風罩和所述機艙罩之間設置調節所述導風罩開度的伸縮連接桿，所述伸縮連接桿與控制器連接。

在一些實施例中，優選為，風力發電機組散熱系統還包括蓄熱結構，所述蓄熱結構包裹于塔筒和所述機艙罩的外壁。

在一些實施例中，優選為，所述蓄熱結構包括自外向內依次設置的太陽能吸收層和蓄熱層。

在一些實施例中，優選為，所述風機和控制器進行無線連接。

在一些實施例中，優選為，所述風機包括：離心風機。

在一些實施例中，優選為，所述進風部設置于所述導流罩的前部和/或上部和/或下部。

在一些實施例中，優選為，所述進風部包括：風機支撐罩，其固定于所述導流罩外壁上，且連接所述風機；所述風機支撐罩內部為進風通道，所述進風通道的一端為進風口，另一端與導流罩內部連通。

在一些實施例中，優選為，所述進風口開向所述機艙罩的后部。

在一些實施例中，優選為，所述風機安裝于所述風機支撐罩的進風口內。

本發明還提供了一種所述的風力發電機組散熱系統的散熱方法，其包括：

將外部空氣自導流罩外壁上的進風部導入導流罩內；

將進入導流罩的空氣分為兩路，第一路空氣自輪轂前端通孔向機艙罩內流動，第二路空氣流入導流罩內壁和輪轂外壁的空間，進入發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，并自機艙罩側的氣隙排出；

將所述第一路空氣引入輪轂后，又將其分為兩路，第一支路沿所述輪轂的內側壁流動，進入發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，并自機艙罩側的氣隙排出；第二支路穿過發動機軸承和底座，自機艙罩尾部的出風部排出。

在一些實施例中，優選為，所述的散熱方法還包括：將塔筒外部的氣體自塔筒下部進入塔筒內，并引導塔筒外部氣體沿塔筒內部向上移動，穿過塔筒內組件后，自機艙罩尾部的出風部排出。

在一些實施例中，優選為，在所述將外部空氣自導流罩外壁上的進風部導入導流罩內之前，所述的散熱方法還包括：

檢測機艙內溫度T；

根據所述機艙內溫度T控制風機的轉速；

根據所述機艙內溫度T控制機艙罩尾部的出風部導風罩的導風罩開度。

在一些實施例中，優選為，所述根據所述機艙內溫度T控制風機的轉速包括：

當機艙內溫度T在自0℃升溫至T1的過程中，所述風機的轉速為N1；

當機艙內溫度T自T1升溫至T2的過程中，所述風機的轉速為N2，N2≥N1；

當機艙內溫度T自T2降溫至T3的過程中，所述風機的轉速為N2，T3<T1；

當機艙內溫度T自T3降溫至T4的過程中，所述風機的轉速為N1。

當機艙內溫度T<T4時，風機停止運行。

在一些實施例中，優選為，所述根據所述機艙內溫度T控制機艙罩尾部的出風部導風罩的導風罩開度包括：

當機艙內溫度T在自零度升溫至T1的過程中，所述導風罩開度為0°；

當機艙內溫度T自T1升溫至T2的過程中，所述導風罩開度的函數為

當機艙內溫度T自T2降溫至T3的過程中，所述導風罩開度為180°，T3<T1；

當機艙內溫度T自T3降溫至T4的過程中，所述導風罩開度的函數為

當機艙內溫度T<T4時，所述導風罩開度為0°。

本發明還提供一種風力發電機組，其包括所述的風力發電機組散熱系統。

(三)有益效果

本發明提供的技術方案，在導流罩的外壁設置進風部，且進風部處于輪轂的前方，風機將風力發電機組外部的空氣卷入進風部，在進風部內形成正壓氣流，正壓氣流向導流罩內流動，經過導流罩和輪轂的引流，部分氣流在導流罩內壁和輪轂外壁之間的空間內流動，到達發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，及定子下繞組和轉子下磁鋼所在位置，對其降溫后自機艙罩側的氣隙排出，部分氣流自輪轂前端的通孔繼續向后流動，進入輪轂后，又分流，其中一個分支沿輪轂的內側面流動，導到發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，及定子下繞組和轉子下磁鋼所在位置，對其降溫后自機艙罩側的氣隙排出；另外一個分支，穿過發動機軸承和底座，自機艙罩尾部的出風部排出。如此，經過氣流的正壓導入，及在機組內的分流，對機組內各部件進行降溫，提高了降溫的效率和效果。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例中風力發電機組散熱系統的結構示意圖；

圖2為本發明一個實施例中溫度變化和轉速的曲線示意圖；

圖3為本發明一個實施例中溫度變化和導風罩開度的曲線示意圖。

圖中：

1、塔筒；

2、蓄熱結構；

3、導風罩；

4、機艙罩；

5、軸承；

6、發電機；

7、輪轂；

8、離心風機；

9、風機支撐罩；

10、導流罩；

11、氣隙。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“第一”“第二”“第三”“第四”是為了清楚說明產品部件進行的編號，不代表任何實質性區別。“前”“后”均以常規對產品結構認知為準。比如：導流罩所在方向為前，機艙罩所在方向為后。“上”“下”均以附圖所示方向為準。“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在現有技術中風力發電機組中部分發熱部件無法得到有效散熱的問題，本技術提供了風力發電機組散熱系統、散熱方法及風力發電機組。

下面將通過基礎設計、擴展設計及替換設計對產品、方法等進行詳細描述。

一種風力發電機組散熱系統，如圖1所示，其包括：風機、設置于導流罩10外壁上的一個以上的進風部和設置于機艙罩4尾部的出風部；風機安裝于進風部，進風部處于輪轂7的前方。

為了對發電機6內發熱部件進行有效降溫，本實施例在導流罩10上開設新的進風部，比如：導流罩10的前端、導流罩10的側壁(上側壁、下側壁、左側壁、右側壁等)。無論在哪個方位，基于進風部處于輪轂7的前方，當空氣進入導流罩10之后，會通過輪轂7和導流罩10的位置關系進行分流、導流，進入導流罩10的空氣分為兩路，第一路空氣自輪轂7前端通孔向機艙罩4內流動，第二路空氣流入導流罩10內壁和輪轂7外壁的空間，進入發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，并自機艙罩4側的氣隙11排出；第一路空氣引入輪轂7后，又將其分為兩路，第一支路沿輪轂7的內側壁流動，進入發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，并自機艙罩4側的氣隙11排出；第二支路穿過發動機的軸承5和底座，自機艙罩4尾部的出風部排出。如此，對各發熱部件均進行降溫處理，降溫效果更佳有效。

其中，機艙罩4一方面用于支撐機艙內部分部件，另一方面用于保護機艙內的部件和人員不受風、雨、雪、鹽霧、紫外線輻射等外部環境因素的侵害。

風機設置于進風部，可以直接推動氣體進入導流罩10內，對后續空氣在導流罩10、輪轂7的分流形成正向推動作用，促使正壓氣體向各空間內流動。現有技術中，通常在出風部設置風機，導致機艙罩4內為負壓狀態，氣流在發電機6內基本為直線流動，強烈的負壓作用下無法向其他空間(比如導流罩10內壁和輪轂7外壁之間的空間)流動，則無法對發動機定子、轉子的相關結構進行有效降溫。

另外，進風部可以設置多個，基于氣流在風力發電機6內的均勻流動，優選提供多個進風部在垂直于導流罩10軸向的環線上均勻分布。當然，一些實施例中可以分別在導流罩10左側壁、右側壁的對稱位置設置進風部。也可以在導流罩10上側壁、下側壁的對稱位置設置進風部。

在一些實施例中，風機可為離心風機8或軸流風扇，優選離心風機8。因為離心風機8的作用力較大，特性曲線強，能夠應對風量較大的情況，能抵抗強大風量的阻力。且在給風力發電機組提供冷卻空氣的同時，也使得發電機6和機艙內復雜的散熱方式變得簡單，從而也降低了散熱系統的故障率。

現有技術中通常風機通過滑環(旋轉體連通、輸送能源與信號的電氣部件)與控制器連接，在長期工作中，滑環旋轉觸點多，滑環容易磨損，造成信號故障或丟失。為了解決該問題，本實施例中風機和控制器進行無線連接，比如藍牙連接、射頻連接等。通過無線傳輸信號，省去信號線通過滑環傳送，提高信號傳輸的可靠性和穩定性。

另外，針對發電機6內(機艙罩4內)的溫度變化，需要不同的散熱效果。有效采集機艙罩4內溫度值，可通過該溫度值進行風機的轉速調控。因此，本散熱系統在機艙罩4內設置了溫度傳感器，溫度傳感器與控制器連接，實時采集機艙罩4內溫度值，并傳遞到控制器，由控制器進行相應的控制。

比如，如圖2所示，在一些實施例中，

當機艙內溫度T在自0℃升溫至T1的過程中，風機的轉速為N1；

當機艙內溫度T自T1升溫至T2的過程中，風機的轉速為N2，N2≥N1；

當機艙內溫度T自T2降溫至T3的過程中，風機的轉速為N2，T3<T1；

當機艙內溫度T自T3降溫至T4的過程中，風機的轉速為N1。

當機艙內溫度T<T4時，風機停止運行。

至于N1、N2、T1、T2、T3、T4的取值，本領域可以根據具體情況設定。本實施例只給出一種根據機艙內溫度調整風機轉速的思路方法。

在一些實施例中在機艙罩4的出風部設置了導風罩3，實現導風作用。解決極端氣候下，機艙內聚集的高熱量能夠迅速散熱出去，不會造成機艙內發熱部件瞬間溫度過高而影響可靠性和壽命。

另一方面，為了配合不同的散熱效果，本實施例還對導風罩3開度進行了有效的設計，導風罩3與機艙罩4鉸接。當需要較強散熱時，導風罩3開度增大，快速流動的散熱空氣也會吹動導風罩3增加開度，增大散熱空氣的排出口，減少排出阻力，當需要將低散熱時，導風罩3開度減小，甚至關閉，減弱散熱空氣的排出速度。

為了對導風罩3開度進行有效控制，導風罩3和機艙罩4之間設置調節導風罩3開度的伸縮連接桿，伸縮連接桿與控制器連接。實現根據機艙罩4內溫度值智能控制導風罩3開度。智能的導風罩3能根據機艙內溫度的情況，自動開啟并能調節開度，使得機艙內溫度保持在一定安全的溫度水平。伸縮連接桿可通過液壓或電力進行驅動。

比如，如圖3所示，在一些實施例中：

當機艙內溫度T在自零度升溫至T1的過程中，導風罩3開度為0°；

當機艙內溫度T自T1升溫至T2的過程中，導風罩3開度的函數為

當機艙內溫度T自T2降溫至T3的過程中，導風罩3開度為180°，T3<T1；

當機艙內溫度T自T3降溫至T4的過程中，導風罩3開度的函數為

當機艙內溫度T<T4時，所述導風罩開度為0°。

在其他情況下，將塔筒1和機艙罩4的外壁包裹蓄熱結構2，蓄熱結構2采用低沸點的液體。在太陽照射情況下，用于吸收太陽能，通過相變將太陽能存儲為熱能，避免太陽照射塔筒1、機艙罩4，以減小機艙罩4內發熱部件、塔筒1內電控柜體、線纜等的溫度。解決機組在夏天白天因為太陽輻射導致機組內溫度過高，晚上溫度太低機組內凝露的問題，也解決了機組在冬天溫度過低，風電機組不能啟動，還需要啟動加熱器給機組加熱而浪費能源等問題。以塔筒1為例，具體來說，在天冷的情況下，蓄熱結構2釋放熱量，對塔筒1進行加熱，提高塔筒1內電控柜體、線纜等溫度，保障正常運轉。為此，在一些實施例中，蓄熱結構2包括自外向內依次設置的太陽能吸收層和蓄熱層。達到隔熱儲存熱量及釋放熱量的作用，減少了機組能量的消耗。

基于上述各種實施例中的設計，下面對基礎設計中的進風部進行具體說明。進風部包括：風機支撐罩9，其固定于導流罩10外壁上，且連接風機，風機通過風機支架固定于風機支撐罩9上，風機支撐罩9通過螺栓固定于導流罩10外壁上。風機支撐罩9內部為進風通道，進風通道的一端為進風口，另一端與導流罩10內部連通。尤其，風機安裝于風機支撐罩9的進風口內，將外界空氣卷入風機支撐罩9內，且受到風機支撐罩9的保護，避免外界物體的沖擊。

為了盡可能減少空氣流動的阻力，在空氣通過風機支撐罩9進入導流罩10時形成較小渦流，方便后續分流，風機支撐罩9的罩壁呈流線式弧形，且內壁盡可能光滑。

另外，考慮到如果進風口向前開，對著風開口，一旦風力加大，容易造成風機倒轉，燒毀，即便風力小的情況下，也會增加機載負荷。因此，將進風口開向機艙罩4的后部，通過風機將外部空氣卷入風機支撐罩9內，然后正壓氣流直接流入導流罩10，并分流。

利用上述風力發電機組散熱系統進行散熱的方法主要是外部空氣進入風力發電機組后的流向，以及風力發電機組的散熱系統控制方法，具體包括：

將外部空氣自導流罩10外壁上的進風部導入導流罩10內；

將進入導流罩10的空氣分為兩路，第一路空氣自輪轂7前端通孔向機艙罩4內流動，第二路空氣流入導流罩10內壁和輪轂7外壁的空間，進入發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，并自機艙罩4側的氣隙排出；

將第一路空氣引入輪轂7后，又將其分為兩路，第一支路沿輪轂7的內側壁流動，進入發動機定子上繞組和轉子上磁鋼所在位置，并自機艙罩4側的氣隙排出；第二支路穿過發動機軸承5和底座，自機艙罩4尾部的出風部排出。

在對塔筒1內柜體和線纜及機艙內發熱部件進行散熱中，一方面蓄熱結構2吸收外部太陽能，蓄熱，避免太陽能照射塔筒1和機艙罩4，促使柜體和線纜及其他發熱部件溫度升高，不升溫的情況下就是一種降溫。另一方面塔筒1內、機艙罩4內溫度較低時，蓄熱結構2放熱，加熱塔筒1，提高柜體和線纜及其他發熱部件溫度，促使正常工作。

另外，柜體和線纜的問題依然很高的情況下，自塔筒1的下部設置進風口，將塔筒1外部的氣體自塔筒1下部進入塔筒1內，并引導塔筒1外部氣體沿塔筒1內部向上移動，穿過塔筒1內組件后，自機艙罩4尾部的出風部排出。塔筒1外部的氣體在流動過程中可以對流經的發熱部件進行降溫。

而且，在將外部空氣自導流罩外壁上的進風部導入導流罩內之前，還包括：

檢測機艙內溫度T；

根據機艙內溫度T控制風機的轉速；

根據機艙內溫度T控制機艙罩尾部的出風部導風罩的導風罩開度。

其中，根據機艙內溫度T控制風機的轉速包括：

當機艙內溫度T在自0℃升溫至T1的過程中，風機的轉速為N1；

當機艙內溫度T自T1升溫至T2的過程中，風機的轉速為N2，N2≥N1；

當機艙內溫度T自T2降溫至T3的過程中，風機的轉速為N2，T3<T1；

當機艙內溫度T自T3降溫至T4的過程中，風機的轉速為N1；

當機艙內溫度T<T4時，風機停止運行。

其中，根據機艙內溫度T控制機艙罩尾部的出風部導風罩的導風罩開度包括：

當機艙內溫度T在自零度升溫至T1的過程中，導風罩開度為0°；

當機艙內溫度T自T1升溫至T2的過程中，導風罩開度的函數為

當機艙內溫度T自T2降溫至T3的過程中，導風罩開度為180°，T3<T1；

當機艙內溫度T自T3降溫至T4的過程中，導風罩開度的函數為

當機艙內溫度T<T4時，所述導風罩開度為0°。

結合圖1的風力發電機組散熱系統的具體實施過程為：

1、機艙內空氣溫度較低時(T<T1)，控制系統給離心風機8發指令，離心風機8以低轉速(N1)旋轉，將外界冷卻的空氣打入風機支撐罩9，風機支撐罩9內形成正壓，空氣在正壓下進入導流罩10。

2、導流罩10內正壓的冷空氣分成兩路，一路(圖中用[1]標出)通過導流罩10和輪轂7之間的空間，再通過發電機6轉子支架上的孔進入發電機6的氣隙11內，冷卻發電機6的轉子磁鋼和定子上的繞組。另外一路(圖中用[2]標出)進入輪轂7，再分成兩路，一路(圖中用[2-1]標出)通過發電機6的轉子支架上的孔進入發電機6內，風穿過轉子支架后進入定子支架上的風道徑向流動進入氣隙11，從而達到冷卻發電機6定子上繞組和轉子上磁鋼的目的，輪轂7內的另外一路(圖中用[2-2]標出)則往后流動，經過動軸孔進入底座，達到冷卻發電機6軸承和底座內可能的電控元器件的目的，然后進入機艙，達到冷卻機艙內發熱部件的目的，最后通過機艙尾部的導風罩3將被加熱了的空氣排到外界。

3、機艙內空氣溫度較高時(T≥T1)，控制系統給離心風機8發指令，離心風機8以高轉速(N2)旋轉，大量的外界冷空氣被打入風機支撐罩9，風機支撐罩9形成較大的正壓，空氣在較大的正壓下進入導流罩10，這樣導流罩10內有大量的空氣進入發電機6的氣隙11，從而加快冷卻發電機6轉子上磁鋼和定子上繞組。一部分風空氣進入輪轂7，通過轉子支架和定子支架上的孔主要冷卻發電機6定子上繞組，被轉子上磁鋼和定子上繞組加熱了的空氣，通過發電機6機艙側的縫隙排到外界。這時機艙尾部的導風罩3也在主控系統的控制下，打開來減小空氣流動的阻力，從而加快了來自底座和機艙內的空氣流動，從而加快了發電機6軸承、底座內可能存在的電控元器件和機艙內發熱部件的目的。

4、當機艙內溫度達到極限運行溫度T2時，為了保護機組內的部件不因極端溫度而出現故障，風電機組停止運行，離心風機8仍以高速N2旋轉直到機艙內溫度降到T3。

5、當機艙內空氣溫度降低下來(T<T3),主控給離心風機8發指令，離心風機將降到低速運轉。

一旦機艙內空氣溫度降到比較低時(T<T4)，主控給離心風機8發指令，離心風機將停止運行同時主控系統也給機艙尾部的導風罩3發指令以使導風罩關閉。

6、塔筒內被電纜或其他發熱部件加熱了的空氣將在煙囪效應的作用下，往上升，進入底座和機艙，也通過機艙尾部的導風罩3排到機艙外部，也使得塔筒1內的發熱部件得到了有效的冷卻。

7、機艙外部和塔筒1外部安裝的蓄熱系統2能夠有效的隔熱，使得機艙和塔筒1內免受太陽的輻射熱，從而避免了太陽對機艙和塔筒1內加熱的效果，并能將太陽的輻射熱儲存起來。一旦機艙內空氣溫度很低時(T<T4)，機艙外部和塔筒1外部的蓄熱系統2把里面儲存的熱量向機艙和塔筒1內釋放，使得機艙和塔筒1內電控元器件在合理的運行溫度，從而減少了因機艙和塔筒1內溫度過低需要加熱器加熱而浪費電能的目的。

為了對技術進行更全面的保護，本實施例還提供了包括上述風力發電機組散熱系統的風力發電機組。

本發明實施例的優點為：

1、通過在導流罩安裝智能離心風機，達到了既能向機組內提供冷卻空氣的效果，又省去了復雜的發電機和風電機組復雜的散熱系統的技術效果；

2、通過采用智能離心風機，達到了省去信號線通過滑環傳送的技術效果，降低了滑環的故障率，使得信號傳輸更可靠和穩定；

3、通過機艙罩外表面和塔筒外表面設計蓄熱系統，既能避免機艙和塔筒內避免太陽輻射的熱，同時能吸收太陽輻射的熱，也能在機艙和塔筒內溫度較低時釋放熱能功能，達到了既能隔熱又能儲熱同時還能放熱的效果；

4、通過在機艙頂部設計了溫度傳感器和機艙尾部設計了智能導風罩，達到了能根據機艙內溫度自動開啟導風罩的開度的技術效果。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。