CN102032124A - 用于冷却风力涡轮机结构的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于冷却风力涡轮机结构的方法和系统。其中，控制方法和相关联的构件配置给风力涡轮机(10)结构内的诸如塔筒(12)或外罩(14)这样的构件提供冷却。在该结构中形成内部空气的再循环空气流。对于影响该结构内的所需冷却能力的风力涡轮机(10)的限定操作条件组，该再循环空气流利用外部空气被可控制地增大以增加再循环空气流的冷却能力。引入到该结构内的外部空气的量与该结构内相对较热的内部空气的量平衡，以实现该结构内所需的温度与相对湿度的平衡。

Description

用于冷却风力涡轮机结构的方法和系统
技术领域
本发明大体而言涉及风力涡轮机的领域，且更特定而言，涉及用于冷却诸如塔筒或外罩这样的风力涡轮机结构的系统和相关联的控制方法，其利用调节的内部空气流动与外部空气流动的组合来冷却该结构内的构件。
背景技术
风力被认为是目前可用的最洁净、最环保的能源之一，为此，风力涡轮机受到了越来越多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔筒、可旋转地支承于塔筒上的外罩，容纳于外罩内的发电机和齿轮箱，以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的薄片原理(foil principle)从风俘获动能，且通过旋转能来传输动能以转动轴杆，轴杆将转子叶片联接到齿轮箱(或者，如果不使用齿轮箱，直接联接到发电机)。然后发电机将机械能转变成电能，可将电能调配到电网。随着对风力发电的不断增加的关注，做出了大量工作来开发可靠且高效的风力涡轮机。
风力涡轮机包括若干机械和电构件，机械和电构件可在其操作期间生成热能损失。这些构件包括(例如)通常容纳于外罩中的齿轮箱(若提供)和发电机。其它发热构件可容纳于塔筒中。举例而言，变流器和变压器通常位于塔筒中且用于将发电机从转子的机械能转变的电能馈送到电网。此外，用于控制风力涡轮机操作的一个或多个控制器通常布置于塔筒内。
由于现代风力涡轮机的提高的性能和增加的大小，上述构件的有效冷却越来越困难，特别是关于塔筒内的发热构件。举例而言，据估计对于在1.5MW涡轮机中操作的变流器控制系统而言，大约60kW由变流器以热耗散。将变流器放置于涡轮机塔筒内而不进行充分冷却可导致塔筒内显著的温升，这可能会损坏塔筒内的控制系统和其它构件。
通常，在塔筒中的发热构件布置于由风扇所生成冷却空气流内。这些构件可包括散热器，散热器收集所生成的热，且散热器直接放置于空气流内。受热的空气在塔筒中上升且通常通过靠近塔筒顶部的通气孔排出。塔筒可在塔筒进入门中包括额外通气孔以允许外部空气传递到塔筒下部内。但是，即使对于这种类型的布置，常常难以馈送足够外部空气到塔筒内用于构件的充分冷却。
此外，对塔筒冷却的限制也可由于风力涡轮机的地理位置造成。举例而言，离岸和近岸位点通常并不依靠外部空气作为冷却介质，这是由于空气的高盐含量和湿度，这将导致塔筒内的腐蚀性环境。这些位点使用隔离的冷却系统，诸如具有热交换器的空调系统。也可利用除湿器。湿度和外部温度是可显著地限制给定地理位置的可用冷却选择的考虑事项。
因此，存在对冷却风力涡轮机塔筒内的构件的改进的系统和方法的需要，其利用外部空气的冷却能力，但控制结构中的湿度在可接受的限度内。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地陈述，或者可从说明书显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
根据本发明的方面，提供一种用于冷却风力涡轮机结构内的构件的方法。风力涡轮机结构可(例如)为塔筒或外罩。该方法包括利用内部空气处理构件的任何合适配置(诸如风扇、管道系统、阻尼器等)来在该结构内形成内部空气的再循环空气流。利用外部空气使再循环空气流可控制地增大以根据(as a function of)影响该结构内所需冷却能力(cooling capacity)的风力涡轮机的限定操作条件组(a defined setof operational conditions)来增加再循环空气流的冷却能力。引入到该结构内的外部空气的量由该结构内相对较热的内部空气的量平衡，以便实现该结构内所需的温度与相对湿度平衡。
根据本发明的其它方面，提供一种风力涡轮机，其具有塔筒，安装于塔筒顶部的外罩以及转子，转子具有一个或多个涡轮机叶片。塔筒或外罩中的至少一个构成需要冷却的风力涡轮机的结构构件。在结构构件内的空气处理构件，例如，管道系统、阻尼器、风扇等的任何配置在结构构件内进行配置以形成内部空气的再循环空气流。外部空气流动调节器与该结构构件进行配置且控制到该结构构件内的外部空气进入，且外部空气比再循环的内部空气相对更冷。控制系统可与内部空气处理构件和外部空气流动调节器在操作上通信，其中，根据影响结构构件内所需冷却能力的风力涡轮机的限定操作条件组，控制系统通过外部空气流动调节器利用外部空气而增大再循环空气流。外部空气增加了再循环空气流的冷却能力。控制系统还平衡引入到该结构构件内的外部空气的量与在结构构件内相对较热的内部空气的量，以实现该结构构件内所需的温度与相对湿度平衡。
参看下文的描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会变得更好理解。
附图说明
本发明的全面和使之能够实施的公开内容(包括本发明的最佳方式)在参考附图的说明书中陈述，在附图中：
图1是常规风力涡轮机的透视图，且示出容纳于风力涡轮机塔筒内的发电或控制构件；
图2是合并了本发明的方面的风力涡轮机结构的实施例的示意图；
图3是合并了本发明的方面的风力涡轮机结构的替代实施例的示意图；以及
图4是与图3的实施例相关的控制方案的流程图。
元件符号列表：
10    风力涡轮机
12    塔筒
14    外罩
16    内部构件
18    转子
19    叶片
20    内部空气流
22    外部空气
24    内部空气处理构件
26    风扇
28    管道
30    阻尼器
32    平台
34    格栅
36    外部空气流量调节器
38    通气孔
40    风扇
42    温度传感器
44    湿度检测器
46    控制系统
47    控制电路
48    电力输入
50    周围温度输入
52    输入
54    相对湿度输入
56    构件温度输入
具体实施方式
现将详细地参考本发明的实施例，在附图中示出本发明的一个或多个示例。每个示例以解释说明本发明的方式提供，但并不限制本发明。实际上，对于本领域技术人员明显的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明做出各种修改和变型。举例而言，说明或图示为一实施例的部分的特点可用于其它实施例以得到又一实施例。因此，预期本发明涵盖属于所附权利要求和其等效物内的这些修改和变型。
在图1中示出水平轴线风力涡轮机(在下文中为“风力涡轮机”)10。但本发明可用于任何配置的风力涡轮机，包括(例如)竖直轴线风力涡轮机。风力涡轮机10包括塔筒12，塔筒12支承外罩14、叶片19和转子轮毂18的重量。塔筒12通常被制造为管状钢结构，且可通过一个在另一个顶部上堆叠多个塔筒区段而直立。塔筒也可为格架(或桁架)类型，且管状塔筒可替代地由混凝土或其它合适材料形成。外罩14通常容纳传动系(例如，齿轮箱、轴杆、联轴器、发电机等)以及主机座(也被称作“底座”)和偏航驱动。其它物品(诸如控制电子器件)也可容纳于塔筒12内。通常，外罩14具有外表皮，其包括轻质材料，诸如纤维玻璃或石墨复合物，其用于保护传动系和其它构件以避免自然力量(例如，雨、冰、雪等)。
各种控制和电力电子器件16可位于塔筒12内，例如在塔筒12的基部。控制电子器件可控制风力涡轮机10的各种操作模式(例如，叶片桨距角、启动或关闭顺序等)。电力电子器件可包括变压器和变流器，其用于将发电机的电压输出转变成适当形式以传输到电网上。
虽然将控制与电力电子器件16容纳于塔筒12内是典型的实施方式，但这不是唯一可能的配置。这些构件16也可放置于外罩中。因此，应了解本发明的冷却系统和方法可用于其中容纳控制与电力电子器件16的风力涡轮机的任何结构中，诸如外罩14，且并不限于塔筒12。本发明的方面在本文中关于其中构件16容纳于塔筒12内的特定实施例说明和描述只是出于说明目的。
图2是出了其中塔筒12是需要内部冷却的结构构件的风力涡轮机10的实施例。发电或控制构件16的任何配置可位于塔筒12内，这在图2中用图形示出。如所提到的那样，塔筒12可被分成单独的堆叠区段，其中平台32分开不同区段。平台32可包括内部格栅34或其它空气流动通路使得内部空气20可在再循环内部空气流中移动通过平台32。
常规空气处理构件24的任何合适配置可布置于塔筒12内以形成内部空气20的再循环空气流。在图示实施例中，空气处理构件24包括内部风扇26和供应与返回管道28。供应管道28向塔筒12的隔室内供应空气20，构件16位于塔筒12的隔室内，且返回通道28包括于塔筒的上部段中的每个部段中，希望塔筒的上部段中的每个部段中形成再循环空气流。举例而言，可希望在特定情况下从塔筒部段的最上部段吸入内部空气20，因为这些空气通常比来自下部段的内部空气更热。可需要更热的空气来控制塔筒内的相对湿度，如在下文中更详细地讨论的那样。为了限定再循环内部空气流的范围，可需要在管道28内包括可控制的阻尼器30。这些阻尼器30将允许基于包含构件16的塔筒12部段中的所需冷却能力或所需相对湿度控制对自塔筒12的各个区段吸入的内部空气20进行选择性控制。
外部空气流量调节器36与塔筒12进行配置以控制外部空气22进入到塔筒内。这个调节器36可包括构件的各种组合。在图示实施例中，外部空气流量调节器36包括常规动力促动和可控制的百叶窗式通气孔38。这些百叶窗式通气孔广泛地用于空气处理系统以控制或限制外部空气到结构内的流动。通气孔38可变地位于完全打开与完全关闭的位置之间。外部空气流量调节器36也可包括风扇40以辅助将外部空气22吸入到塔筒12内部。应了解风扇40无需在所有情形下运转。举例而言，风扇40可仅在下面的情况下被促动：在超过周围压力所维持的流率的特定冷却条件下，需要增加外部空气的体积流率。
控制系统46可与各种内部空气处理构件24和外部空气流量调节器36的构件在操作上通信。控制系统46通过控制外部空气流量调节器36利用外部空气22增大再循环内部空气流以增加再循环内部空气流的冷却能力同时也平衡引入到塔筒12内的外部空气22的量与相对较热内部空气的量，以便实现塔筒12内所需的温度与相对湿度平衡，特别是在构件16所占据的空间内。
应了解内部处理构件24(诸如风扇26、阻尼器30、管道28等)的配置可受到控制以便在基本上零流量至空气处理构件24的上流量限度内改变再循环内部空气流。因此，可调整内部空气流的体积流率以实现该结构内所需的温度与相对湿度。
控制系统46根据影响塔筒12内所需冷却能力的测量或检测操作条件来形成塔筒12内的内部温度和相对湿度。这些操作条件可在本发明的范围和精神内广泛地变化。在图2所示的实施例中，例如，用作控制系统46的控制变量的操作条件或参数是风力涡轮机的发电水平(power generation level)和外部周围温度。如图2所示，可通过任何常规温度检测装置来测量周围温度且作为输入50供应到控制电路47。同样，风力涡轮机10的发电水平可作为输入48供应到控制电路47。任意多个其它输入52或者其它输入52的组合可供应到控制电路47，包括设定点、控制参数等。控制电路47又根据输入因素的各种组合来控制内部空气处理构件24和外部空气流量调节器36的操作。下表(表1)是在这方面可使用的简化控制方案的示例。
表1
  涡轮机发电   周围温度   内部流动   外部空气流动
  无   低/高   减小/停止   关闭/减少
  部分   低   运行/增加   关闭/减少
  部分   高   运行/增加   打开/增加
  全   低   运行/增加   打开/增加
全 高   减少/停止   打开/增加
在表1中所处理的第一操作状况为风力涡轮机基本上零发电且周围温度低(L)或高(H)。应了解低温或高温范围可为在限定两个范围的设定点温度之间的任何温度。在替代实施例中，控制可为周围温度的线性或其它比例函数。在这种第一状况下，无论周围温度高还是低，大体上不需要内部再循环空气流来冷却风力涡轮机结构内的构件。在此情况下，可控制内部空气处理构件24以便阻止或显著地减少内部再循环空气流。也无需利用外部空气来增大所减少或阻止的内部空气流。因此，外部空气流量调节器36也可被配置成阻止或显著地减少外部空气22到该结构内的流量。
在表1所描绘的下一状况中，涡轮机发电是在部分水平，其可在高于零电力和低于风力涡轮机的限定负荷的任何水平。控制在限定功率范围可为线性的，或者基于子范围为逐步的。周围温度低，且内部空气处理构件24被配置成将内部再循环空气流维持在限定设定点速率，限定设定点速率是功率水平和温度的函数。只要周围温度保持在设定点“低”温，无需利用外部空气来增大内部再循环空气流且相应地控制外部空气流量调节器构件36。
在表1所处理的下一状况中，发电再次处于部分水平，但周围温度处于高水平。对于这组因素，内部空气处理构件24被配置成维持内部再循环空气流，由于升高的周围温度，与前一状况相比，其可处于更高速率。由于较高的周围温度，可需要外部空气来增大再循环内部空气流的冷却能力。因此，外部空气流量调节器构件36被配置成打开且提供外部空气的增大源。
在表1处理的下一状况中，涡轮机发电处于全水平且周围温度低。内部空气处理构件24被配置成启动和维持内部再循环空气流，由于风力涡轮机的完全发电，与先前状况相比，内部再循环空气流可处于更大水平。外部空气流量调节器构件36同样被配置成利用相对更冷的外部空气增大内部再循环空气流。外部空气将对空气流提供显著冷却能力，但可能可相对较湿。在此情形下，可主要地维持或增加相对更热的内部再循环空气流以控制塔筒12内的相对湿度。
在表1所处理的最后状况中，涡轮机发电处于全水平且周围温度处于高水平。在此情况下，可假定需要最大冷却能力且因此外部空气流量调节器36可被配置为最大外部空气流量。内部空气处理构件24可被配置成阻止或显著地减少内部再循环空气流以便不将相对较热的内部空气引入到包含需要冷却的构件16的隔室内。在此情形下，由于在完全负荷下由构件16所产生的热，无需担心塔筒12内的相对湿度。
还应了解表1所示的值可为下面的配置中的设定点值：内部空气处理构件24仅具有“开”或“关”状态且外部空气流量调节器构件36同样具有打开/接通或者关闭/切断状态。在其它实施例中，控制可基于线性或其它比例函数而改变。
图3示出另一实施例，其中由控制系统46用于控制内部空气处理构件24和外部空气流量调节器36的操作条件组是所监视的待冷却的构件16的温度和涡轮机结构内的相对湿度。举例而言，参看图3，构件16包括任何方式的常规温度监视装置42，其与构件温度传感器56通信，构件温度传感器56将输入供应到控制电路47。任何方式的常规相对湿度检测器44包括于塔筒12的隔室内且与相对湿度传感器54通信，相对湿度传感器54将输入供应到控制电路47。
图4是可用于图3中构件配置的控制方案的流程图。这个方案通常反映出控制系统46最初根据所监视的涡轮机结构内的构件16的温度来控制再循环内部空气流。外部空气并不引入到该结构内直到所监视的构件16温度到达设定点温度。在将外部空气22引入到该结构内之后，控制系统46根据该结构内的相对湿度来控制再循环空气流。
参看图4，T对应于所监视的构件温度。T1、T2和T3是设定点温度。H是结构隔室内的相对湿度。Hc是设定点相对湿度值，在该设定点相对湿度值，腐蚀成为利害关系。在最初步骤100，比较T与第一设定点温度T1。如果T小于T1，那么在102阻止或减少内部再循环空气流，且大体上不需要外部空气流动。如果T超过T1，那么，在104，比较T与第二设定点温度T2。如果T小于T2，那么在106开始并维持内部再循环空气流，但仍可能不需要外部空气流动。如果T超过T2，那么在108，外部空气流量调节器36受控制以利用外部空气增大内部循环空气流。
在108，一旦外部空气被引入到隔室108内，相对湿度H变成控制方案中的一因素。在110，比较所监视的隔室内相对湿度H与设定点湿度值Hc。如果在隔室内的相对湿度H小于Hc，那么大体上无需相对较热的内部空气来降低相对湿度H且在112内部空气处理构件24可被配置成阻止或减少再循环内部空气流。如果所监视的相对湿度H超过设定点值Hc，那么在114，比较所监视的构件温度与第三温度设定点值T3。如果所监视的温度T小于T3，那么在116，内部空气处理构件24被配置成开始内部再循环空气流使得较热的内部空气可用于降低相对湿度H。但是，如果T超过温度设定点T3，那么在118，内部再循环空气流被阻止使得相对较热的内部空气并不升高所监视的构件温度T。
本发明还涵盖根据上文所讨论的原理用于冷却风力涡轮机结构内的构件的控制方法的各种实施例。举例而言，该方法包括在风力涡轮机结构内形成内部空气的再循环空气流。对于影响该结构内所需冷却能力的风力涡轮机的限定操作条件组，该方法利用外部空气可控制地增大再循环空气流以根据需要来增加再循环空气流的冷却能力。该方法平衡引入到该结构内的外部空气的量与该结构内的较热内部空气的量以便实现该结构内所需的温度与相对湿度平衡。在特定实施例中，给定操作条件组(given set of operational conditions)可为周围温度和风力涡轮机的发电水平，其中对于给定发电水平，对内部再循环空气流与引入到该结构内的外部空气的量的控制是周围空气温度的函数。在此实施例中，周围温度可分成多个温度范围，且发电水平可同样地被分成多个功率水平范围(power level ranges)。对于功率水平范围与温度范围的每个组合，确立控制设定点以控制内部再循环空气流和引入到风力涡轮机结构内的外部空气的量。该控制在该范围内可为线性的或者对于相应范围中的每个范围保持在恒定设定点值。
对引入到风力涡轮机结构内的外部空气的量的控制可在基本上零或最少外部空气到外部空气流量调节器的最大空气流量能力的范围。这种控制在给定范围内可为线性的，或者可以逐步方式控制。
在替代实施例中，该方法包括根据所监视的风力涡轮机结构内的构件温度和该结构内的相对湿度进行控制。在此实施例中，再循环内部空气流最初根据所监视的该结构中的构件温度进行控制，且外部空气并不引入到该结构内直到所监视构件的温度到达设定点温度。在外部空气引入到该结构内之后，根据该结构内的相对湿度控制再循环空气流。
虽然关于本发明的具体示范性实施例和方法详细地描述了本发明的主题，应了解本领域技术人员在获得前文的理解时可易于产生这些实施例的替代或变型和等效物。因此，本公开内容的范围仅是举例说明而无限制意义，且主题公开内容并不排除包括对本发明主题的这些修改、变型和/或添加，这对于本领域技术人员将是极为明显的。

Claims (8)

1.一种用于冷却风力涡轮机结构(12，14)内的构件的方法，包括：
形成所述结构(12，14)内的内部空气的再循环空气流；
对于影响所述结构内所需冷却能力的风力涡轮机的限定操作条件组，利用外部空气来可控制地增大所述再循环空气流以增加所述再循环空气流的冷却能力；以及
平衡引入到所述结构内的外部空气的量与所述结构内的相对较热的内部空气的量，以便实现所述结构内所需的温度与相对湿度的平衡。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，给定的操作条件组是周围空气温度与所述风力涡轮机的发电水平，其中，对于给定发电水平，对所述再循环空气流和引入到所述结构(12，14)内的外部空气的量的控制是周围空气温度的函数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述周围空气温度被分成多个温度范围且发电水平被分成多个功率水平范围，其中，对于功率水平范围和周围空气温度范围的不同组合，确立控制设定点以控制所述再循环空气流和引入到所述结构(12，14)内的外部空气的量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机的给定操作条件组是所述结构(12，14)中所监视的构件(16)的温度和所述结构内的相对湿度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述再循环空气流最初根据所述结构(12，14)中所监视的构件(16)的温度进行控制，其中，外部空气不引入到所述结构内直到所监视的构件的温度到达设定点温度，且在外部空气引入到所述结构内之后，根据所述结构内的相对湿度控制所述再循环空气流。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对引入到所述结构(12，14)内的所述外部空气的量的控制通过可控制的外部空气流动调节器(36)进行，所述可控制的外部空气流动调节器(36)在零进入到所述空气流动调节器的最大进入能力的范围内调节外部空气到所述结构内的进入。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述再循环空气流由所述结构内的可控制的空气处理构件(24)生成且根据给定操作条件组在基本上零流量到所述空气处理构件的上流量限度的范围内改变。
8.一种风力涡轮机(10)，包括：
塔筒(12)；
安装于所述塔筒顶部上的外罩(14)；
转子(18)，具有由所述外罩可旋转地支承的多个涡轮机叶片(20)；
所述塔筒(12)或所述外罩(14)中的至少一个限定所述风力涡轮机的待冷却的结构构件；
在所述结构构件内的空气处理构件(24)，所述空气处理构件被配置成形成所述结构构件内的内部空气的再循环空气流；
外部空气流动调节器(36)，与所述结构构件进行配置且被配置成控制外部空气到所述结构构件内的进入；以及
控制系统(46)，可与所述空气处理构件和所述外部空气流动调节器在操作上通信以执行如权利要求1至7中任一项所述的方法来冷却容纳于所述塔筒(12)或所述外罩(14)内的构件。
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