CN103184984A - 风力发电机组的温度调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电机组的温度调节系统，包括轮毂、主轴、与轮毂合为一体的发电机外转子、与主轴合为一体的发电机定子、与轮毂相连接的叶片以及具有可密封保温的机舱，发电机定子与发电机外转子之间形成的电机空腔与叶片空腔相通，并且在叶片上设置有可将电机空腔内气体抽入叶片空腔内的通风机；发电机定子中的定子线圈由空心导线绕制而成，导线中具有可流动的用于冷却发电机的冷却介质。本发明可在必要时充分利用发电机在运行中产生的热量对叶片、变桨机构和机舱内部进行加热，保证各系统能在适当的环境温度下工作，在一定的程度范围内避免叶片表面结冰，在极端高温天气下又可利用叶片散热。

Description

风力发电机组的温度调节系统
技术领域
本发明涉及风力发电机组的温度调节系统，尤其是一种具有抗高低温性能风力发电机组的温度调节系统。
背景技术
标准的风力发电机组的工作温度范围是-20℃到+50℃，而在沙漠戈壁地区环境温度变化幅度极大，工作温度范围要求达到-40℃到+70℃；在此类地区的严寒季节运行的风力发电机组必须具备能在低温的环境中正常工作的能力，通常低温型的机组应可在-30℃下工作，生存温度为-45℃，而超低温型可在-45℃下工作，生存温度为-55℃。
风力发电机组在低温下运行，会出现诸多技术问题，其中防止叶片结冰和保持变桨系统的工作环境温度是必须解决的问题之一。
由于严寒地区的冬季雾多、雪多、空气湿度大，易饱和，气温在-20℃以下时，容易出现所谓“雾凇”现象，叶片表面会“结晶”，有时甚至在叶片表面会附着不规则冰凌，使叶片表面粗糙度增加，或导致叶片翼型改变，降低翼型的气动性能，从而降低风轮功率。如果叶片前缘附着冰凌较多时，将严重影响风机的输出功率，无法达到额定功率，而且当风速超过额定值以后，风电机组会发生无规律的瞬间振动现象，影响叶片使用寿命和机组正常发电。高湿度低温引起的叶片表面结晶结冰，还可能导致风轮载荷不均衡，影响风轮功率甚至造成风力机损坏的问题；此外，风力发电机叶片表面附着的冰凌会受离心力的作用而飞出，如果风力发电机组是立于场外公路或居民点附近，或风电机组与场内检修道路的布置不合理，冰凌的飞出不仅会对周围的风力发电机组和变电站造成严重的威胁，还有可能导致行人和车辆被砸伤，造成十分严重的后果。
防止叶片结冰的方法现在只能通过在叶片内部增添电热保温、用热空气加热或在叶片的特点区域做特殊处理的方法来解决。
在先发明专利CN00809348.2“具有除冰与避雷保护的风力涡轮机桨叶”提出的技术方案是在桨叶纵向布置了两条导电体，并与发热元件相连接，这两条导电体在风机遭遇到雷电时也可成为接入地线的导体；但要防止叶片结冰，其发热元件必须足够地多，其消耗的能量是巨大的，这必然会极大地增加风力发电机组的运行成本，并大大地降低机组的运行效率。
在先发明专利CN200380101511.2的“风设备的防结冰系统”提出的技术方案是在叶片上设置了可传输热空气的孔道，使叶片易于结冰的部位保持一定的温度。该技术方案在输送热空气的过程中可能出现大量的热量流失，对于叶片这样的大型结构件，要通过这种加热装置使其不结冰，是非常困难的。
除此之外，由于通常变桨机构安装在轮毂内，其工作环境相对于机组的其它部件要恶劣得多。而且变桨机构是一种机电一体化的相对独立系统，包括了控制系统和执行机构两大部分，执行机构又由伺服电机、减速齿轮，桨距齿轮，电池或超级电容等组成。要使变桨机构能正常工作，应该保证其工作的环境温度不低于-20℃，否则将会出现伺服电机启动困难、尖啸和轴承的快速磨损；蓄电池无法正常工作，减速齿轮出现高摩擦损耗、材质脆化；润滑剂冻结等问题。
对于保持变桨机构的工作环境温度的问题，除了增加加温装置之外，还没有人提出更为可行的技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种风力发电机组的温度调节系统，利用风力发电机在运转过程中产生的热能对叶片和变桨机构加温。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风力发电机组的温度调节系统，包括轮毂、主轴、与轮毂合为一体的发电机外转子、与主轴合为一体的发电机定子、与轮毂相连接的叶片以及具有可密封保温的机舱，发电机定子与发电机外转子之间形成的电机空腔与叶片空腔相通，并且在叶片上设置有可将电机空腔内气体抽入叶片空腔内的通风机；所述发电机定子中的定子线圈由空心导线绕制而成，所述的空心导线与液冷系统连通，所述的空心导线中具有可流动的用于冷却发电机的冷却介质。
进一步说，所述的液冷系统包括泵、散热器和热交换装置，所述的定子线圈的空心导线与泵、散热器、热交换装置管路相通。
进一步说，轮毂上具有朝向叶片空腔且与发电机内腔相通的送风口和回风口，叶片上的通风机与送风口和回风口分别通过柔性软管相连。
进一步说，叶片空腔内设有叶片大梁，叶片大梁将叶片空腔分隔成前腔和后腔，前腔和后腔在叶尖部为相通结构。
进一步说，散热器的进口处设置有调节冷却介质进入散热器流量的第一电动阀，热交换装置的进口处设有调节冷却介质进入热交换装置流量的第二电动阀。
进一步说，所述的轮毂的送风口和回风口的口径上设有滤网，所述的轮毂的内圈安装有变桨机构。
进一步说，当外界温度在+10℃至+50℃时，液冷系统将冷却介质注入定子线圈(2-2)的空心导线内，液冷系统与外部进行热能交换。
进一步说，当外界温度在-10℃至10℃时，液冷系统将冷却介质注入定子线圈的空心导线内，液冷系统与外部进行热能交换的同时，通风机开启，通风机将发电机内腔中的空气排入叶片，空气再从叶片中送回到发电机内腔中，通过叶片的热传导进行降温。
进一步说，当外界温度低于-10℃时，液冷系统关闭，通风机开启，通风机将发电机内腔中的空气排入叶片，空气再从叶片中送回到发电机内腔中，通过发电机内腔中的热量对叶片进行加温。
进一步说，当外界温度高于+50℃时，液冷系统将冷却介质注入定子线圈的空心导线内，液冷系统与外部进行热能交换的同时，通风机开启，通风机将发电机内腔中的空气排入叶片，空气再从叶片中送回到发电机内腔中，将叶片作为一个热交换元件来降低发电机内部的温度。
本发明的有益效果是：由于采用了轮毂与发电机外转子合为一体的结构，使得叶片可以与发电机的内腔可以相通，加之在发电机中设置对定子线圈进行冷却的液态介质内冷和对定、转子绕组及定子铁芯表面进行冷却空气冷却的两套冷却装置，在液冷系统的作用下，本发明可在必要时充分利用发电机在运行中产生的热量对叶片、变桨机构和机舱内部进行加热，从而保证各系统能在适当的环境温度下工作，在一定的程度范围内避免叶片表面结冰。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中轮毂送风口和回风口布置图；
图3是本发明的叶片结构及通风机布置图；
图4是本发明的叶片内腔热风循环示意图；
其中：1.发电机外转子，1-1.轮毂，1-2.送风口，1-3.回风口，1-4.滤网，2.发电机定子，2-1.主轴，2-2.定子线圈，2-3.泵，2-4.柔性软管，3.叶片，3-1.通风机，3-2.前腔，3-3.后腔，3-4.叶片大梁，4.机舱，4-3.散热器，4-3-1.第一电动阀，4-4.热交换装置，4-4-1.第二电动阀，5变桨机构。
具体实施方式
如图1所示，一种风力发电机组的温度调节系统，包括轮毂1-1、主轴2-1、与轮毂1-1合为一体的发电机外转子1、与主轴2-1合为一体的发电机定子2、与轮毂1-1相连接的叶片3以及具有可密封保温的机舱4、安装在轮毂1-1内圈的变桨机构5。
发电机定子2与发电机外转子1之间形成的电机空腔与叶片空腔相通，并且在叶片3上设置有可将电机空腔内气体抽入叶片空腔内的通风机3-1。
发电机定子2中的定子线圈2-2由空心导线绕制而成，空心导线与液冷系统连通，空心导线中具有可流动的用于冷却发电机的冷却介质。液冷系统包括泵2-3、散热器4-3和热交换装置4-4，定子线圈2-2的空心导线与泵2-3、散热器4-3、热交换装置4-4管路相通。
散热器4-3的进口处设置有调节冷却介质进入散热器(4-3)流量的第一电动阀4-3-1，热交换装置4-4的进口处设有调节冷却介质进入热交换装置4-4流量的第二电动阀4-4-1。
如图2图4所示，轮毂1-1与发电机外转子1合为一体，叶片3直接安装在发电机外转子1上，在轮毂1-1上留有安装变桨机构5的位置，轮毂1-1上具有朝向叶片空腔且与发电机内腔相通的送风口1-2和回风口1-3，叶片3上的通风机3-1与送风口1-2和回风口1-3分别通过柔性软管2-4相连。轮毂1-1上的送风口1-2和回风口1-3均与发电机内腔相通，轮毂1-1的送风口1-2和回风口1-3的口径上设有滤网1-4，可将叶片空腔内部产生的脱屑挡住并吸附，定期清洗或更换滤网便可防止碎屑进入发电机内部。
如图3图4所示，叶片空腔内设有叶片大梁3-4，叶片大梁3-4将叶片空腔分隔成前腔3-2和后腔3-3，前腔3-2和后腔3-3在叶尖部为相通结构。通风机3-1安装在叶片3的前腔3-2和后腔3-3的筋板上。
如图4所示，通风机3-1可将发电机内腔中的空气从送风口1-2排入叶片3的前腔3-2，将叶片3的后腔3-3中的空气通过回风口1-3送回到发电机内腔中。
由于变桨机构5设在轮毂1-1的内圈，发电机在运行中产生的热量会通过热传导或辐射的方式使轮毂1-1内圈保持一定的温度，从而避免变桨机构5的工作环境温度低于允许值。
图1和图4中的箭头为空气流动的方向，当外界温度在+10℃到+50℃之间时，泵2-3将冷却介质注入定子线圈2-2的空心导线内，再通过散热器4-3和热交换装置4-4与外部进行热能交换。
当外界温度高于+50℃时，通过泵2-3将冷却介质注入定子线圈2-2的空心导线内，通过散热器4-3和热交换装置4-4与外部进行热能交换的同时，通风机3-1开启，通风机3-1将发电机内腔中的空气从送风口1-2排入叶片3的前腔3-2，再从叶片3的后腔3-3中送回到发电机内腔中，将叶片3作为一个热交换元件，通过叶片3的热传导和热辐射来降低发电机内部的温度。
当外界温度在+10℃到-10℃时，仍通过泵2-3将冷却介质注入定子线圈2-2的空心导线内，通过散热器4-3和热交换装置4-4与外部进行热能交换的同时，通风机3-1开启，通风机3-1将发电机内腔中的空气从送风口1-2排入叶片3的前腔3-2，再从叶片3的后腔3-3中送回到发电机内腔中，通过叶片3的热传导对叶片3的内腔进行加温。
当外界温度低于-10℃时，泵2-3关闭，通风机3-1开启，通风机3-1将发电机内腔中的空气从送风口1-2排入叶片3的前腔3-2，再从叶片3的后腔3-3中送回到发电机内腔中，通过发电机内腔中的热量对叶片3进行加温。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组的温度调节系统，其特征在于：包括轮毂(1-1)、主轴(2-1)、与轮毂(1-1)合为一体的发电机外转子(1)、与主轴(2-1)合为一体的发电机定子(2)、与轮毂(1-1)相连接的叶片(3)以及具有可密封保温的机舱(4)，所述的发电机定子(2)与发电机外转子(1)之间形成的电机空腔与叶片空腔相通，并且在叶片(3)上设置有可将电机空腔内气体抽入叶片空腔内的通风机(3-1)；所述发电机定子(2)中的定子线圈(2-2)由空心导线绕制而成，所述的空心导线与液冷系统连通，所述的空心导线中具有可流动的用于冷却发电机的冷却介质。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的温度调节系统，其特征在于：所述的液冷系统包括泵(2-3)、散热器(4-3)和热交换装置(4-4)，所述的定子线圈(2-2)的空心导线与泵(2-3)、散热器(4-3)、热交换装置(4-4)管路相通。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的温度调节系统，其特征在于：所述的轮毂(1-1)上具有朝向叶片空腔且与发电机内腔相通的送风口(1-2)和回风口(1-3)，所述叶片(3)上的通风机(3-1)与送风口(1-2)和回风口(1-3)分别通过柔性软管(2-4)相连。
4.根据权利要求1或3所述的风力发电机组的温度调节系统，其特征在于：所述的叶片空腔内设有叶片大梁(3-4)，所述叶片大梁(3-4)将叶片空腔分隔成前腔(3-2)和后腔(3-3)，前腔(3-2)和后腔(3-3)在叶尖部为相通结构。
5.根据权利要求2所述的风力发电机组的温度调节系统，其特征在于：所述的散热器(4-3)的进口处设置有调节冷却介质进入散热器(4-3)流量的第一电动阀(4-3-1)，热交换装置(4-4)的进口处设有调节冷却介质进入热交换装置(4-4)流量的第二电动阀(4-4-1)。
6.根据权利要求3所述的风力发电机组的温度调节系统，其特征在于：所述的轮毂(1-1)的送风口(1-2)和回风口(1-3)的口径上设有滤网(1-4)，所述的轮毂(1-1)的内圈安装有变桨机构(5)。
7.一种控制权力要求1所述的风力发电机组的温度调节系统的控制方法，其特征在于：当外界温度在+10℃至+50℃时，液冷系统将冷却介质注入定子线圈(2-2)的空心导线内，液冷系统与外部进行热能交换。
8.一种控制权力要求1所述的风力发电机组的温度调节系统的控制方法，其特征在于：当外界温度在-10℃至10℃时，液冷系统将冷却介质注入定子线圈(2-2)的空心导线内，液冷系统与外部进行热能交换的同时，通风机(3-1)开启，通风机(3-1)将发电机内腔中的空气排入叶片(3)，空气再从叶片(3)中送回到发电机内腔中，通过叶片(3)的热传导进行降温。
9.一种控制权力要求1所述的风力发电机组的温度调节系统的控制方法，其特征在于：当外界温度低于-10℃时，液冷系统关闭，通风机(3-1)开启，通风机(3-1)将发电机内腔中的空气排入叶片(3)，空气再从叶片(3)中送回到发电机内腔中，通过发电机内腔中的热量对叶片(3)进行加温。
10.一种控制权力要求1所述的风力发电机组的温度调节系统的控制方法，其特征在于：当外界温度高于+50℃时，液冷系统将冷却介质注入定子线圈(2-2)的空心导线内，液冷系统与外部进行热能交换的同时，通风机(3-1)开启，通风机(3-1)将发电机内腔中的空气排入叶片(3)，空气再从叶片(3)中送回到发电机内腔中，将叶片(3)作为一个热交换元件来降低发电机内部的温度。
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