CN101761453A - 具有制冷系统的风力机和冷却其机舱中的发热部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有制冷系统的风力机和冷却其机舱中的发热部件的方法。提供一种风力机，该风力机具有两个容器，每个容器可互换地与将热从发热结构传导至容器的加热媒质和将热从容器传导至外界空间的冷却媒质热连通。容器形成压缩结构，该压缩结构形成能够在压缩结构、冷凝器和蒸发器之间循环工作流体的制冷回路的一部分。在蒸发器处，根据工作流体的蒸发获得冷却效果，并且该冷却可以被用于冷却风力机中的发热部件。

Description

具有制冷系统的风力机和冷却其机舱中的发热部件的方法

技术领域

本发明主要涉及在风力机机舱中的发热部件的冷却。

背景技术

在风力机中，机舱容纳将机械能转换成电能所需的部件和系统。这种部件可以大到重型发电机、齿轮箱、制动器和变压器，小到小型电子部件。这些系统和部件在机舱内产生大量的热。为了机舱部件的有效运转，热被驱散到外部的周围空气中，然而，高温会降低效率或者甚至会损坏风力机。

用于从电力电子设备和重型部件移除热的现有技术系统包括泵或风扇，其用于在相对高温度区域或靠近待冷却的部件或系统附近的区域和相对低温度区域之间循环比如水、油或空气之类的热交换媒质，其中在相对低温度区域热典型地通过热交换器驱散，该热交换器典型地包括翅片(fin)、管或使表面区域变大的类似结构。

应该理解，用于将热能传送出机舱罩的现有系统有时缺乏效率，并且仅通过使用非常大的热交换器、或通过使用非常强并因此耗能的热交换媒质的流动，才能在机舱中提供足够的冷却。机舱中有限的空间会使大型热交换器和用于传送热交换媒质的强流的大型管道或输送管的实现变得更加复杂。

发明内容

本发明的实施例的一个目的是提供用于将热能传送出风力机机舱的冷却系统，尤其是增加热传送的效率。本发明实施例的另一个目的是提供比现有技术系统占用更小空间、不易损坏、且比现有技术系统需要更少维护或者比现有技术系统消耗更少能量的热传送系统。

总体上说，本发明提供一种风力机，其包括两个容器、冷凝器、蒸发器、加热媒质、冷却媒质、以及在容器之一和加热媒质与另一个容器和冷却媒质之间建立可互换的热连通的切换结构，通过与发热媒质热连通(thermal communication)，容器成为增压容器，而通过与冷却媒质热连通，容器成为降压容器，其中每个容器包括提供工作流体在工作流体能够进入容器的入口和工作流体能够离开容器的出口之间单向流动的流动结构，并且每个容器形成制冷回路的一部分，在该制冷回路的一部分中，增压容器的出口能够输送工作流体至冷凝器，该冷凝器能够输送工作流体至蒸发器，并且蒸发器能够输送工作流体至降压容器的入口。

通过上面说明的压缩结构，在风力机内并且尤其是在风力机的狭窄机舱中例如由齿轮、发电机、功率变换器等产生的废热被用于产生基于蒸发并且因此相对显著的冷却效率，而没有产生传统压缩机系统产生的噪声和热。这样的传统系统能够潜在地增加风力机的复杂性并因此降低风力机的鲁棒性。

此外，所建立的基于蒸发的冷却没有基于压缩机的系统传统上所已知的能量消耗。

冷却效果能够被用于风力机之内的电子部件，例如用于冷却在机舱内的电力设备。因此，实现了废热回收以及机舱部件冷却的双重效果。

在第一容器与加热媒质热连通且第二容器与冷却媒质热连通的第一状态、和第二容器与加热媒质热连通且第一容器与冷却媒质热连通的第二状态之间，容器可以互换。

在两个状态的每个中，增压容器的入口关闭使得该容器的加热导致压力增加并且因此在容器中的工作流体压缩，从而工作流体被推进到冷凝器中，在冷凝器中因压缩而产生的热能够被输送至外界空间(ambient space)-优选地是风力机之外。降压容器的出口关闭使得由该容器的冷却导致的压力降低增加冷凝器和蒸发器之间的压力差。

状态之间的切换可以通过至少4个传统阀，例如伺服阀或其他已知类型的电力操作的阀来实现。该切换还可以通过使用所谓4/2路阀机构等实现，并且状态之间的变换可以由控制系统根据在制冷回路中的流动、根据对冷却的需要或根据在发热结构中可用的热量来控制。

在实践中，系统还可以包括多于两个容器，例如3、4、5或6个容器。容器可以是相同尺寸的，或者它们可以是不同尺寸。典型的，容器可以由包含一种材料或复合材料的耐用金属制成。

工作流体可以包括水，例如与防冻化合物组合，或者其可以完全由水构成。可选择地或附加地，工作流体可以由以下物质组成或可以包含以下物质：基于压缩机的制冷系统的已知类型的制冷剂，例如，CO₂、氟利昂、丙烷等

在制冷回路中提供流体控制是有利的。为了该目的，可以在冷凝器和蒸发器之间插入节流阀。通过该方法，可以提供冷却效率的简单有效的控制，并且工作流体的流动可以与在发热结构中实际产生的热能相适应。

发热结构可以例如由齿轮箱、发电机、变压器或其他发热部件或这样的部件的组合组成。

加热媒质可以包括油、水、防冻化合物等，并且冷却媒质可以包括水、防冻化合物、防蚀化混合物或其组合组成。

冷凝器能够有利地布置成与通常比机舱内部环境冷的环境处于热连通。作为例子，冷凝器能够被布置在机舱罩的顶部或者通常布置在机舱的外表面上、风力机塔的外表面上、或者邻近于风力机的地面上。在可选的实施例中，冷凝器形成风力机的基座的一部分，或者废热通过其它方式向下传导到例如海水中(风力机安装在水上)。

冷却媒质可以在冷却回路循环，冷却回路可以包括冷却热交换器，其可以与冷凝器类似地布置在相对于内部环境冷的环境中。在一个实施例中，冷却热交换器和冷凝器在一个部分中形成，该部分可以被接附至风力机的外表面。在一个实施例中，冷凝器和冷却热交换器中的至少一个直接与机舱或塔的壁进行热传导接触、或形成机舱或塔的壁的一部分，使得机舱或塔成为热能可以消散进去的热沉。再次，热交换器还可以通过向下传送热例如进入风力机的基座或者在风力机在水上的情况下进入海中来对冷却媒质进行冷却。

蒸发器可以被布置成与热产生部件处于热连通。作为例子，例如通过形成传动装置、发电机等的集成的构件，蒸发器可以形成热产生部件的一部分。

发热结构可以例如在100-200kW范围内提供在80和90摄氏度之间的温度。

在第二方面，本发明提供冷却风力机的机舱中的发热部件的方法，该方法包括：

-提供能够在压缩结构、冷凝器和蒸发器之间循环工作流体的制冷回路，

-提供具有第一容器和第二容器的压缩结构，每个容器包括用于使工作流体在工作流体能够进入容器的入口和工作流体能够离开容器的出口之间单向流动的流动机构。

-提供热力交换结构，其能够在发热结构和压缩结构之间循环加热媒质；以及

-提供冷却回路，其能够循环冷却媒质；

其中，使得每个容器轮流与加热媒质和冷却媒质进行热连通。

附图说明

下面将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1示意地说明根据本发明的用于风力机的系统。

具体实施方式

在图1中，发热结构1包括形成在风力机的叶片和发电机之间的传动系统的一部分的齿轮箱，并且还包括发电机2。

通过在导管3中的油的流动冷却齿轮箱1，而通过在导管4中水的流动冷却发电机2。导管3、4形成加热回路的一部分，在加热回路中热被传导到容器5、6的一个中。在所示出的状态中，增压容器5与热换流器7、8邻近，并且热被从齿轮箱和发电机吸取从而加热包含在增压容器5中的工作流体。能够切换该状态使得增压容器6与热换流器7、8邻近，并且热被从齿轮箱和发电机吸取从而加热包含在增压容器6中的工作流体。

冷却回路9在位于风力机之外的外部热交换器10和位于风力机之内的内部热交换器11之间循环冷却媒质。内部热交换器与容器6的一个处于热连通，从而该容器被冷却并成为降压容器。

增压容器接下来被称作为“释放体(desorber)”而降压容器接下来被称作为“吸收体(adsorber)”。释放体/吸收体对接下来被称作为“压缩结构”。吸收体和释放体被彼此平行地插入到制冷回路中，该制冷回路包括压缩结构和冷凝器13之间的导管12、冷凝器13和节流阀15之间的导管14、节流阀15和蒸发器17之间的导管16、和蒸发器17和压缩结构之间的导管18。蒸发器与电力电子部件19处于热连通，并且因此为电力电子部件提供基于蒸发的冷却。

系统包括4个阀20、21、22和23，这些阀是可控制的以提供工作流体在制冷回路中从入口24朝向出口25的单向流动。

系统包括通过其能够控制阀的控制系统。在第一状态，阀20、23同时关闭而阀21、22同时开启，并且在第二状态，阀20、23同时开启而阀21、22同时关闭。控制系统允许状态之间的切换。在切换中，释放体变成吸收体而吸收体变成释放体，这是因为冷却和加热回路均被重新布置以影响另一个容器。

Claims (15)

1.一种风力机，包括：两个容器、冷凝器、蒸发器、加热媒质、冷却媒质和切换结构，所述切换结构建立所述容器之一与所述加热媒质之间以及另一个容器与所述冷却媒质之间的可互换的热连通，通过与加热媒质热连通，所述容器变为增压容器，而通过与冷却媒质热连通，所述容器变成降压容器，其中，每个容器包括流动结构，所述流动结构使得工作流体在所述工作流体能够进入所述容器的入口和所述工作流体能够离开所述容器的出口之间进行单向流动，并且每个容器形成制冷回路的一部分，在所述制冷回路的该部分中，所述增压容器的出口能够将所述工作流体输送至冷凝器，所述冷凝器能够将所述工作流体输送至蒸发器，并且所述蒸发器能够将所述工作流体输送至所述降压容器的入口。

2.如权利要求1所述的风力机，其中所述加热媒质能够将热从容纳在所述风力机中的发热结构传导至所述容器。

3.如权利要求2所述的风力机，其中所述发热结构包括齿轮箱、发电机、变压器或它们的组合。

4.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，其中所述加热媒质包括油。

5.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，其中所述冷却媒质能够将热从所述容器之一传导到所述风力机之外的外界空间中。

6.如权利要求5所述的风力机，其中所述冷却媒质包括水。

7.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，其中所述工作流体包括水。

8.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，还包括在所述冷凝器和所述蒸发器之间的节流阀。

9.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，机舱包括形成内部环境的机舱罩，所述冷凝器与比所述内部环境冷的环境热连通。

10.如权利要求9所述的风力机，所述冷却媒质在冷却回路中循环，所述冷却回路包括热交换器，所述热交换器与比所述内部环境冷的环境热连通。

11.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，其中所述蒸发器被布置成与热产生部件热连通。

12.如前述权利要求的任意一项所述的风力机，其中所述发热结构在100-200kW的范围内提供在80和90摄氏度之间的温度。

13.一种冷却风力机的机舱中的热产生部件的方法，所述方法包括：

-提供制冷回路，其能够使工作流体在压缩结构、冷凝器和蒸发器之间循环；

-提供具有第一容器和第二容器的所述压缩结构，每个容器包括流动结构，所述流动结构使得所述工作流体在所述工作流体能够进入所述容器的入口和所述工作流体能够离开所述容器的出口之间进行单向流动；

-提供热交换结构，其能够使加热媒质在发热结构和所述压缩结构之间循环；以及

-提供冷却回路，其能够使冷却媒质循环；

其中，使得每个容器轮流与所述加热媒质和所述冷却媒质热连通。

14.如权利要求13所述的方法，其中提供所述冷却回路，使得其能够将热转移出所述风力机。

15.如权利要求13或14所述的方法，其中所述冷凝器被布置在所述风力机之外。

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