CN103670955A - 一种兆瓦级直驱风机的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兆瓦级直驱风机的冷却系统，包括太阳能集热器、塔筒、空气过滤网、变流器换热器、机舱、变流器、发电机换热器和热能储存单元。本发明为增强塔筒内空气流动，塔筒底部安装了太阳能集热器。阳光对塔筒底部的太阳能集热器中的空气辐射加热，热空气进入塔筒内部，由于烟囱效应在塔筒内形成一股向上流动的强大冷空气流，冷空气与安置在塔筒顶端的变流器换热器和发电机换热器对流换热，带走变流器和发电机的散热量。本发明的主要优势在于充分利用了风机自身结构特点，取消了大尺寸排风扇结构部分，减少了冷却管路设计，降低了发电机风摩耗，提高了发电机效率，同时节约了整机成本，可以有效降低塔筒制造和运输费用。

Description

一种兆瓦级直驱风机的冷却装置

技术领域

本发明涉及兆瓦级直驱风机，尤其涉及一种兆瓦级直驱风机的冷却装置。

背景技术

风能作为重要和成熟的可再生能源，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，成为可再生能源发展的重要方向。

目前风力发电机已进入兆瓦级设计时代，单机容量越来越大，随之而来的发电机散热冷却问题也变的越来越突出。大型风机主要存在液冷和空冷两种冷却方式。液冷冷却效果较好，但结构设计较为复杂，增加了换热器与冷却介质管道的费用；如采用空冷，即在风机内部设置风扇，对发热部件进行强制鼓风以达到冷却，但是随着风扇尺寸加大，发电机风摩耗加大，发电机效率降低，同时风沙和雨水容易侵蚀机舱内部件，不利于机组的正常运行；自然通风通过在机舱上开通风孔，技术简单，但机舱内设备暴露在空气中容易受侵蚀，且对于大型风机已无法完全满足冷却要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种结构简单、设计成本较低、不降低发电机效率并且能较好满足冷却效果的兆瓦级直驱风机的冷却装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种兆瓦级直驱风机的冷却系统，包括太阳能集热器、塔筒、空气过滤网、变流器换热器、机舱、变流器、发电机换热器和热能储存单元；

所述的塔筒为中空塔筒，通过三根支撑腿安装在地基上；所述的机舱安装在塔筒的顶端，塔筒与机舱之间有通风孔；所述的空气过滤网安装在通风孔中；所述的变流器换热器安装在塔筒顶部，呈方形布置，变流器换热器之间通过波纹管连接；所述的发电换热器放置在机舱末端位置，采用板翅式换热器进行冷却；所述的塔筒地基周围安装有太阳能集热器和热能储存单元。

本发明的工作原理如下：为增强塔筒内空气流动，塔筒底部安装了太阳能集热器。阳光对塔筒底部的太阳能集热器中的空气辐射加热，热空气进入塔筒内部，由于烟囱效应在塔筒内形成一股向上流动的强大冷空气流，冷空气与安置在塔筒顶端的变流器换热器和发电机换热器对流换热，带走变流器和发电机的散热量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明考虑到兆瓦级风机高度达八九十米，且塔筒是薄壁中空的结构，塔筒上部和下部之间存在压差，容易利用烟囱效应加强空气流动，增强强制对流换热，吸收风机发电机和变流器的散热。因此利用塔筒烟囱效应来形成冷却气流，加强对流换热以带走发电机和机舱内变流器的散热量。主要优势在于充分利用了风机自身结构特点，取消了大尺寸排风扇结构部分，减少了冷却管路设计，降低了发电机风摩耗，提高了发电机效率，同时节约了整机成本。

2、本发明将传统放在机舱内的变流器换热器改为了安置在塔筒顶部方形布置，这样增加了换热面积，有利于变流器散热，同时也不干涉塔筒顶部的通行空间。为更好的适应风力发电机在实际工作中因为风向的改变而旋转机身的情况，将变流器换热器通过波纹管连接。

3、本发明的发电机换热器布置在机舱末端位置。由于发电机散热量大，所需换热面积也较大，故采用传热效率高、比面积大、适应性强且容易制造的板翅式换热器以冷却发电机。

4、为了方便塔筒进风，将传统的管式塔筒变为了桁架式结构设计，用三根支撑腿支撑塔筒。这样设计使得塔筒底部半径减小，重量变轻，可以有效降低塔筒制造和运输费用。

5、为了提高冷却效果，本发明的塔筒地基周围安装有太阳能集热器。集热器集热区域的空气辐射受热后沿管路进入塔筒内，热空气流由于密度小沿塔筒向上运动，塔筒中间位置设有空气过滤网，可以将空气气流中的杂质去除，以免杂质破坏风机的正常工作。为了更好的发挥冷却效果，在塔筒底部还修建了能存储集热器中热能的热能储存单元，以便没有阳光时，该套系统也能正常工作。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1是本发明风机冷却通道示意图。

图2是变流器换热器布局示意图。

图中：1、太阳能集热器，2、塔筒，3、空气过滤网，4、变流器换热器，5、发电机，6、变流器，7、发电机换热器，8、机舱，9、热能储存单元，10、平板，11、翅片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种兆瓦级直驱风机的冷却系统，包括太阳能集热器1、塔筒2、空气过滤网3、变流器换热器4、机舱8、变流器6、发电机换热器7和热能储存单元9；所述的塔筒2为中空塔筒2，通过三根支撑腿安装在地基上；所述的机舱8安装在塔筒2的顶端，塔筒2与机舱8之间有通风孔；所述的空气过滤网3安装在通风孔中；所述的变流器换热器4安装在塔筒2顶部，呈方形布置，变流器换热器4之间通过波纹管连接；所述的发电换热器放置在机舱8末端位置，采用板翅式换热器进行冷却；所述的塔筒2地基周围安装有太阳能集热器1和热能储存单元9。所述的板翅式换热器以平板10和翅片11作为换热元件。

下面按照附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的原理在于利用塔筒2烟囱效应来形成冷却气流，加强对流换热以带走发电机5和机舱8内变流器6的散热量，主要优势在于充分利用了风机本身结构特点，取消了排风扇结构，节省成本。

烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，通常以前者为主，而热压值与室内外温差产生的空气密度差及进排风口的高度差成正比。

本发明将传统放在机舱8内的变流器换热器4改为了安置在塔筒2顶部方形布置，这样增加了换热面积，有利于变流器6散热，同时也不干涉塔筒2顶部的通行空间。为更好的适应风力发电机5在实际工作中因为风向的改变而旋转机身的情况，将变流器换热器4通过波纹管连接。由于发电机5散热量大，换热面积也较大，所以将其换热器放置在机舱8末端位置，采用板翅式换热器，冷却介质带走翅片11吸收的热量。

为了方便塔筒2进风，将管式塔筒2变为了桁架式结构设计，用三根支撑腿支撑塔筒2。这样设计使得塔筒2底部半径减小，重量变轻，可以有效降低塔筒2制造和运输费用。

塔筒2地基周围安装有太阳能集热器1，集热区域的空气辐射受热后沿管路进入塔筒2底部，热空气流由于密度小向上运动，塔筒2中间位置设有空气过滤网3，将冷却空气流中的杂质去除，以免杂质破坏风机的正常工作。为了更好的发挥冷却效果，在塔筒2底部还修建了能存储集热器中热能的热能储存单元9，以便没有阳光时，该套系统也能正常工作。

由于烟囱效应，塔筒2内空气质量流量为

$Q=\frac{C_D{\mathrm{\ρ}}_0{A}_0\sqrt{2\mathrm{gL\ΔT}}}{\sqrt{(1+A_r^2)T_r}}$

其中L为塔筒2高度，A₀为出口面积，A_r为出口面积与进口面积之比，ρ₀为出口空气的密度，T₀为出口的空气温度，T_r为室内空气温度，C_D为流量系数。经过计算当塔筒2入口和出口温差为20℃，高度差为60m时，出口直径为3m时塔筒2出口处风速可以达到15m/s，此时空气流量为110kg/s。换热量计算公式为Q＝q_mc_p(t₂-t₁)，按照变流器6散热量95kW，发电机5散热量175kW进过计算得到完全冷却变流器6的空气流量为13.6kg/s，冷却发电机5需要的空气流量为22.5kg/s，所以变流器6的冷却完全满足要求，当考虑冷却空气流70%的压力沿程损失时，冷却空气流也能满足发电机5冷却要求，为了增加整套系统的安全性，在机舱8底部可以增加部分通风孔设计，利用自然风对风机设备冷却。

综上，本发明可充分利用塔筒2烟囱效应对风机进行冷却，并充分利用了塔筒2自身结构特点，取消了排风扇结构设计，简化了机舱8内冷却系统设计，减少了风机制造成本。

Claims (1)

1.一种兆瓦级直驱风机的冷却系统，其特征在于：包括太阳能集热器（1）、塔筒（2）、空气过滤网（3）、变流器换热器（4）、机舱（8）、变流器（6）、发电机换热器（7）和热能储存单元（9）；

所述的塔筒（2）为中空塔筒（2），通过三根支撑腿安装在地基上；所述的机舱（8）安装在塔筒（2）的顶端，塔筒（2）与机舱（8）之间有通风孔；所述的空气过滤网（3）安装在通风孔中；所述的变流器换热器（4）安装在塔筒（2）顶部，呈方形布置，变流器换热器（4）之间通过波纹管连接；所述的发电换热器放置在机舱（8）末端位置，采用板翅式换热器进行冷却；所述的塔筒（2）地基周围安装有太阳能集热器（1）和热能储存单元（9）。

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