CN108026900A - 风能设备和用于控制风能设备的冷却的方法 - Google Patents

Abstract

提出一种风能设备，在所述风能设备中由冷却介质穿流的管路从风能设备内部穿过塔壁部或穿过基座向外导出，并且在换热器中的冷却管路从外部贴靠在塔上或设置在那并且设置在塔壁部和冷却系统的壁部的覆盖件之间。

Description

风能设备和用于控制风能设备的冷却的方法

技术领域

本发明涉及一种风能设备和一种用于控制风能设备的冷却的方法。

背景技术

在将风能设备中的能量转换时通常产生呈热量形式的损耗。这不仅在风的动能转换为风能设备的发电机中的电能时适用，其中所述损耗通常出现在风能设备的主驱动系中，以及在将由风能设备产生的能量电地馈入到网络中，例如馈入到中压电网中时也适用。为此，通常需要功率电子设备，例如逆变器、变压器和/或配电设备等。

在风能设备中，主驱动系安装在风能设备的吊舱中，在所述主驱动系中惯常在传动装置中(当存在这种传动装置时)，在轴承上，在发电机中(例如磁滞损耗)产生损耗或在其他控制单元上，例如在液压设备或控制和调节单元上，例如桨距驱动器上产生损耗，借助于所述桨距驱动器调整转子叶片，或方位角驱动器，借助于所述方位角驱动器将风能设备相对于风进行调整。如果在风能设备的吊舱中还存在功率电子设备例如变压器、整流器等，那么在风能设备运行中在这些单元中也产生热量，所述热量必须被导出。

在无传动装置的风能设备中，在发电机中的主驱动系中产生主损耗，也就是说一方面在风能设备的吊舱中并且在电网变压器中并且必要时在功率电子装置，例如逆变器中产生主损耗，其中所述功率电子装置通常安装在风能设备的塔底座区域中。在1.5MW的风能设备中，损耗能够在50kW至100kW的范围中。

EP 1 200 733示出具有闭合的冷却回路的风能设备，其中风能设备的塔作为冷却元件或作为换热件连接到冷却回路中并且将在风能设备内部产生的热量经由风能设备的塔放出。所述解决方案的优点在于，借助于尽可能少的外部空气能够实现期望的冷却效果，使得尽可能防止湿气、灰尘或空气中的其他组成部分(例如还有盐)进入，无论如何相对于其他解决方案明显地减少。然而如果不能保证在风能设备内部的部件的足够的冷却，那么必须在一些情况下从外部干预外部空气的输入，以便改善冷却功率。这能够引起关于灰尘或盐等的问题。

DE 10 2004 061 391示出一种风能设备，在所述风能设备中用于热介质的管路至少部段地穿过风能设备的基座伸展并且适合于用于与底面换热，在此管路也应至少部段地穿过土地区域本身伸展。

从EP 2 002 120中已知一种用于风能设备的热量管理系统，其中产生热量的部件(变压器，变流器等)直接设置在风能设备的塔的内面上并且将由产生热量的部件产生的热量直接导出到风能设备的塔的内面上，由此提供至整个风能设备塔的良好的传热路径。

从DE 10 2009 055 784中已知一种风能设备和用于借助于风能设备的部件进行温度调节的方法，其中温度调节装置包括至少一个隔热的流体储存器和管路系统，所述管路系统将流体储存器与风能设备的至少一个部件连接，并且包括用于通过管路系统运输流体的设备，其中至少一个部件和管路系统彼此热连接。流体储存器设置在风能设备的塔外部。

从EP 1 798 414中已知一种风能设备，在所述风能设备中在塔外侧上设置有呈冷却肋片形式的换热器，所述冷却肋片由传热的介质(例如空气或水)通过塔壁部引导，并且所述介质由在风能设备内部的风能设备的部件加热，使得将加热的介质引向塔的外侧，以便在那借助于换热器冷却。换热器设置在风能设备的塔的至少四个侧上，以便从而与风向无关地始终保证最优的冷却。

EP 2 203 642公开一种风能设备，在所述风能设备中将在风能设备的塔内部产生的热量通过换热器和连接到其上的管路系统经由传热介质导出，更确切地说通过风能设备的基座导出到另一换热器中，所述另一换热器位于塔外部或在塔旁边。

此外，已知用于风能设备的其他冷却设计方案，例如WO-A-99/30031、DE-A-19528862、DE 2707343、DE 69217654、JP 60-245955、JP 60-093261、DE-A1-10352023、WO-A-01/77526、US-B1-7168251、DE-A1-10 204061391。

一些之前已知的解决方案也部分地是高成本的(例如从DE 10 2004 061 391或EP2 203 642中已知的解决方案)并且从DE 10 2009 055784中已知的解决方案也不适用于近海的使用。

最后，之前已知的解决方案是非常需要维护的，这还提高了用于系统的成本。大多数之前已知的解决方案还不可在现有的设备中加装并且一些解决方案，例如从EP 1 798414中已知的解决方案针对于安装在塔外壁上的冷却肋片的破坏，即蓄意的损坏而言是不安全的。

尤其，从EP 1 798 414、DE 10 2009 055784、EP 2 002 120或DE 10 2004 061391中已知的解决方案不满足整个风能设备的具有吸引力的美观的要求。

在作为优先权基础的德国专利申请中，德国专利商标局检索到如下文件：DE 19932 394 A1、US 2012/0 119 505 A1和EP 2 000 668 A1。

发明内容

因此，本发明的目的是，提出一种风能设备，所述风能设备避免前述缺点，尤其提出一种用于风能设备的冷却系统，所述冷却系统还具有符合美学的外观，所述冷却系统是不太需要维护的，所述冷却系统是相对于破坏损害尽可能安全的，所述冷却系统也是可加装的，所述冷却系统还是成本低的并且所述冷却系统也提供改善的冷却功率。

所述目的借助于根据权利要求1的风能设备实现。

有利的改进方案在从属权利要求中描述。

因此，提出一种具有第一冷却单元的风能设备，在所述第一冷却单元中由冷却介质穿流的管路从风能设备内部穿过塔壁部或穿过基座向外导出，并且在换热器中的冷却管路从外部贴靠在塔上或设置在那并且设置在塔壁部和冷却系统的壁部的覆盖件之间。

所述解决方案的优点在于，第一冷却单元能够在基座的区域中，即在塔的地面附近的区域中，例如在风能设备的基座附近的塔区段上构成，并且通过所述覆盖件不明显地损害风能设备的整体美观，所述解决方案尤其可在现有(即已经在运营中的)风能设备中加装，该解决方案还是尽可能防破坏的且还是容易维护的。

优选地，在塔壁部(外侧)和冷却系统的覆盖件(内侧)之间的区域中设有通风系统，例如由多个通风装置构成的通风系统，以便从而将冷却空气从外部穿过例如在下部区域中的开口吸入，挤压到塔壁部和覆盖件之间的空间中，以便从而绕流换热器中的位于那里的冷却管路并且冷却位于冷却管路中的冷却介质。

如果在塔底部的区域中的冷却系统的覆盖件或壁部视觉上匹配于整个塔的外观，例如通过着色，那么整个覆盖件或壁部也几乎不被察觉进而完全不损害或几乎不损害整个风能设备的美观。通过覆盖件或壁部，冷却系统还是相对于破坏而言尽可能安全的，这尤其适用于覆盖件或壁部由金属板等构成的情况，并且尤其能够随时加装根据本发明的冷却系统。此外，根据本发明的冷却系统也是需要非常少维护的进而根据本发明的解决方案是成本非常低的。

风能设备的塔在塔附近的区域中通常具有一个、两个或多个门。如果从现在起这种风能设备配设有冷却系统及其在塔底部附近的区域上的覆盖件或壁部，那么不言而喻，门的进入必须是随时可行的，即冷却管路等应不掠过门表面。另一方面，在塔本身中的原本的门前还能够设置有第二门，所述第二门于是在覆盖件中构成，使得为了进入风能设备需要打开两个门。这再次在结构方面提高风能设备对于违法地进入和未经批准地踏入风能设备而言的安全性。

在此，在覆盖件或壁部中构成的并且与在塔壁部中的门相对置的门也装配为，使得所述门具有与在风能设备的塔中的门不同的锁-钥匙-系统。此外，在覆盖件中的门能够设有警报系统，使得当有人未经授权地撬开所述门时自动地触发警报并且未经授权者随后总是仍然要打开在塔壁部的门，这需要一定时间，进而服务部门(或警察)等能及时地到达风能设备并且恢复风能设备的安全性。

在此特别优选的是，在覆盖件或壁部中构成的门构成为滑动门，其中在其前部区域上的门页在门闭锁时位于覆盖件后方进而即使借助于撬开工具也不能朝向一侧滑动。

在覆盖件或壁部中的门再次提高整个风能设备的美观上一致的印象。

在一个优选的(也替选的)实施方式中，冷却管路本身也能够引导至风能设备的基座中，使得通过冷却介质放出的热量放出到设备的基座中。

也可行的是，在冷却管路上连接有再冷却器或换热器，所述再冷却器或换热器设置在塔基座中。

根据该实施方案的根据本发明的冷却装置还具有如下优点，通过在塔底部的区域中的散热，当塔外部极其冷时，例如为-30℃时，塔的该区域仍然具有相对于外部温度明显更高的温度进而还将在塔内部的可能的装置更好地相对于冰冻或锈蚀损坏、寒冷、空气湿气等进行保护。

曾经出现，伴随冷的天气周期发生强烈的降雨并且通过降雨在塔上落下的/滴下的雨水也碰撞到在塔壁部中构成的门然后在那凝固。在这种情况下，对于服务而言非常困难的是，由于结冰，根本不能打开这些门。借助于本发明，从现在起也保证，在门上的这种结冰甚至不会出现进而总是确保进入到设备中。

在至今为止所描述的变型方案中，根据本发明的冷却装置形成风能设备的唯一的冷却设备。

附图说明

图1示出根据本发明的风能设备的示意图；

图2示出根据第一实施例的风能设备的塔的下部区域的示意图；

图3示出根据第一实施例的风能设备的塔的示意的部分剖视图；

图4示出根据第二实施例的风能设备的冷却单元的示意图；

图5示出根据第一或第二实施例的风能设备的塔的下部区域的剖视图；

图6示出根据第一或第二实施例的风能设备的塔的下部区域的示意剖视图；

图7示出根据第三实施例的风能设备的示意剖视图；以及

图8示出根据第四实施例的风能设备的示意剖视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104，所述塔具有纵轴线102b。塔102能够具有多个塔区段，所述塔区段彼此上下重叠地放置，以便构成塔102。在吊舱104上设有空气动力学的转子106，所述转子例如具有三个转子叶片108和导流罩101。空气动力学的转子106在风能设备的运行中通过风置于转动运动进而也转动发电机的转子转动件，所述转子转动件直接地或间接地与空气动力学的转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过相应的转子叶片108的转子叶片根部上的桨距马达改变。

在下部的塔区段的区域中设有第一冷却单元200。所述第一冷却单元200在此从外部设置在下部的塔区段上或者围绕下部的塔区段或塔底部设置。

根据本发明，冷却单元能够作为连续的环或替选也不连续地，而是区段式，例如作为二分之一圆区段、四分之一圆区段、八分之一圆区段等围绕风能设备的塔设置。

图2示出根据第一实施例的风能设备的塔的下部区域的示意图。第一冷却单元200具有壁部202和顶盖203，并且优选完全地包围塔102。对此替选地，第一冷却单元200能够也仅部分地包围塔102。第一冷却单元200在壁部202中具有多个下开口204以及多个上开口205。上开口也能够设置在第一冷却单元的顶盖203中。此外，第一冷却单元200具有至少一个门201。

图3示出根据第一实施例的风能设备的塔的示意的部分剖视图。第一冷却单元200具有壁部202，所述壁部具有多个下开口204和多个上开口205。壁部202具有距塔102的塔壁部102a的间距。在塔壁部102a和第一冷却单元200的壁部202之间设有多个换热器210。换热器210例如能够具有一个冷却管路或多个冷却管路。可选地，换热器210能够垂直于塔102的纵轴线102b设置。

根据本发明，能够将冷空气通过下开口204吸入，引导经过换热器210并且随后能够将加热的空气经由上开口205向外排出。

根据本发明，在换热器210中能够存在冷却剂，所述冷却剂引导穿过塔壁部102a，以便冷却风能设备的部件。

尤其，换热器210能够具有换热器面211，所述换热器面是主动换热的面211。换热的面211例如能够具有多个冷却管路的壁部，使得流过换热的面211的冷空气冷却在冷却管路中的冷却剂。

图4示出根据第二实施例的风能设备的第一冷却单元的示意图。在图4中尤其仅示出第一冷却单元200。第一冷却单元200具有壁部202、多个下开口204、多个上开口205以及多个换热器210。可选地，在换热器210下方能够设置有通风装置220。因此，冷空气能够经由下开口204通过通风装置220吸入，引导经过换热器210(在那被加热)并且经由上开口205排出。通过所述空气流能够冷却在换热器210中的冷却剂。

图5示出风能设备的塔的下部区域的横截面。第一冷却单元200的壁部202与塔区段102的壁部102a间隔开。在塔壁部102a和第一冷却单元200的壁部202之间的区域中能够设有多个换热器210。

图6示出根据第一或第二实施例的风能设备的塔的下部区域的示意剖视图。第一冷却单元200具有与塔壁部102a间隔开的壁部202、多个下开口204和多个上开口205。在塔壁部102a和第一冷却单元200的壁部202之间设置有多个例如垂直于塔的纵轴线的换热器210。可选地，通风装置220能够设置在每个换热器210下方。

根据本发明的替选的实施例，第一冷却单元200不具有鼓风机或通风装置220，而是具有至少一个泵，以便将冷却剂输送穿过换热器210。

图7示出根据第三实施例的风能设备的示意剖视图。在图7中示出如在EP 1 200733中所描述的风能设备。对此附加地，在塔的下部区域中设有根据第一或第二实施例的第一冷却单元200。因此，根据第三实施例的风能设备具有两个冷却系统或冷却单元。在图7中示出风能设备的横截面，所述风能设备具有在塔102的顶端上的吊舱104。吊舱104能够容纳风能设备的主驱动系。所述主驱动系基本上由空气动力学的转子106以及安装在其上的转子叶片108构成。空气动力学的转子106与发电机130连接，所述发电机具有发电机转子160和发电机定子170。如果空气动力学的转子106进而发电机子170转动，那么产生电能，例如作为交流电或作为直流电。在塔102的下部区域中，能够设有变压器180以及具有逆变器的配电柜190。

此外，风能设备具有第二冷却单元，所述第二冷却单元例如在塔102的下部区域中具有至少一个鼓风机100a，所述鼓风机能够将空气从变压器180和配电柜或逆变器190的区域中穿过通道112沿着塔102的壁部向上传导到吊舱104中。在那，空气流流过或经过发电机130并且再沿着塔102的壁部102a向下流动。因此，空气被冷却并且得到闭合的冷却回路，这尤其是在近海区域中非常有利的，因为由此没有外部空气能够进入或仅非常受限的外部空气能够进入。冷却通道112、111能够构成为软管或通道。对此替选地，塔102的壁部双壁式地构成。通过加热的空气从塔102的下部区域穿过通道111向上流动进而经过塔102的壁部，塔102的壁部用作换热器，使得空气在通道之内被冷却。

可选地，配电柜190和变压器180能够通过穿过第二冷却单元的冷却通道111、112的空气流冷却。

如已经在上文总所描述的，在塔102的下部区域中附加地设有根据本发明的冷却单元200。

因此，根据第三实施例的风能设备具有冷却系统，所述冷却系统由两个冷却单元构成。第二冷却单元通过在塔102的壁部上的通道111、112以及通过鼓风机100a构成。第一冷却单元200对应于根据第一或第二实施例的冷却单元。

根据本发明，在两个冷却单元的组合中，于是能够对每个冷却单元进行控制，以便从而一方面实现风能设备的最优的冷却，以及另一方面实现各个冷却单元的最优的运行。

根据第三实施例的风能设备具有冷却控制单元300。冷却控制单元300不仅与第一冷却单元200、210耦联而且与第二冷却单元(通风装置100a)耦联。控制单元300还能够接收风能设备的运行参数，例如发电机的温度、变压器的温度、配电柜的温度、外部温度等并且相应地控制第一和第二冷却单元的运行。在冷却控制单元300的第一运行方式中，仅第二冷却单元通过控制通风装置100a的转速来控制。在此，第一冷却单元200能够停止工作。在第二运行方式中，仅激活第一冷却单元200，然而不激活第二冷却单元100a。在第三运行方式中，激活第一以及第二冷却单元100a、200。冷却控制单元300构成为，用于控制第一和第二冷却单元100a、200，使得通过考虑第一和第二冷却单元的冷却特性来实现最优的冷却。

因此，根据本发明的一个方面可行的是，两个冷却单元并非始终地且持续地以相同的个体的和最大可能的程度促进风能设备的所有装置的冷却，而是当需要风能设备的第一次冷却时，首先运行一次根据第一或第二实施例的根据本发明的第一冷却单元，并且随着冷却需求的进一步提高随后将在塔内部的第二冷却单元，即连同闭合的冷却回路接入。

不言而喻也可行的是，各个系统的接入刚好相反地进行，即例如在风能设备的低的部分负荷范围中首先仅借助于图7的第一冷却单元工作一次，并且在冷却需求较高时才加入第二冷却单元。

借助于控制单元300能够有针对性地控制各个冷却单元的接入并且有针对性地调节各个冷却单元的冷却的相应的份额，以便从而一方面保证在风能设备中的部件的最优的冷却，以及另一方面以尽可能少的能量耗费运行风能设备的整个冷却系统。

最后优选也可行的是，设置在风能设备的塔内部中的闭合的冷却回路连接到构成在塔壁部的外壁上然而在覆盖件之内的冷却回路中。

作为冷却介质能够使用气体，例如空气，然而也能够使用液体，例如水、油等。

在将气体作为冷却介质时，借助于鼓风装置保证冷却介质通过管路/管道移动。在冷却介质为液态时，借助于一个泵或多个泵实现强制对流。

在此，一方面鼓风机和/或另一方面泵由控制单元300控制并且与所述控制单元300连接。

图8示出根据第四实施例的风能设备的示意剖视图。在图8中尤其仅示出风能设备的下部以及风能设备的基座。风能设备具有塔102以及基座600。围绕塔的下部区域设有根据第一或第二实施例的第一冷却单元200。在风能设备的塔内部设有至少一个通风装置101以及冷却通道111、112，所述通风装置和冷却通道构成根据图7的第三实施例的第二冷却单元。可选地，在塔102下方的地下室100b中能够设有第三冷却单元，例如蓄热器400。所述蓄热器400例如能够是例如20m³或更大的水槽。因此，蓄热器400是第三冷却单元并且能够与第一和/或第二冷却单元200、100a连接。如在第三实施例中那样，设有冷却控制单元300，所述冷却控制单元能够与第一、第二和/或第三冷却单元耦联并且能够控制相应的冷却单元的运行。

对此附加地，在风能设备的基座600中可选地能够设有第四冷却单元500。第四冷却单元500能够作为具有冷却通道501的换热器设置在基座600中。第四冷却单元500能够与第一、第二和/或第三冷却单元耦联。

根据本发明的风能设备能够具有混凝土塔或钢塔或具有其组合。

借助于在地下室100b中的蓄热器400或第三冷却单元400能够实现地下室100b的空气调节或空气调整。这例如在夹紧装置例如在混凝土塔的情况下设置在地下室100b中时是有利的。因此，通过第三冷却单元400的运行能够至少减少夹紧装置的生锈。

可选地，根据图7的变压器180和/或具有功率电子装置的配电柜190能够设置在地下室100b中。因此，第三冷却单元400的、即蓄热器400的运行能够通过控制单元300控制，使得配电柜190和/或变压器180在地下室100b中被冷却或地下室100b能够通过第三冷却单元400的运行进行空气调节或空气调整。

在控制第一、第二、第三或第四冷却单元时，控制单元300能够可选地检测并且在控制时考虑在地下室100b中的、在基座600中的和在塔102外部的温度。

Claims (8)

1.一种风能设备，具有

塔(102)，所述塔具有塔壁部(102a)和纵轴线(102b)；和

在所述塔(102)的下部区域中的第一冷却单元(200)，所述第一冷却单元具有多个换热器(210)；和

与所述塔壁部(102a)间隔开的外壁部(202)，

其中多个所述换热器(210)设置在所述塔壁部(102a)和所述第一冷却单元(200)的所述外壁部(202)之间，

其中所述第一冷却单元(200)具有在多个换热器(210)下方的多个下开口(204)和在多个换热器(210)上方的多个上开口(205)，并且

其中所述第一冷却单元(200)具有顶盖(203)，所述顶盖在所述塔壁部(102a)和所述冷却单元(200)的所述外壁部(202)之间延伸并且覆盖在其之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的风能设备，其中

多个所述换热器(210)和尤其换热器面基本上垂直于或平行于所述风能设备的所述塔(102)的所述纵轴线(102b)。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的风能设备，其中

所述第一冷却单元(200)具有至少一个冷却管路，所述冷却管路延伸穿过所述塔壁部(102a)和/或基座(600)并且冷却介质穿流所述冷却管路，

其中所述第一冷却单元(200)具有至少一个通风装置(220)，所述通风装置将空气通过所述下开口(204)吸入并且引导空气通过所述换热器(210)，使得所述空气能够通过所述上开口(205)排出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其中

在所述塔(102)内部设有第二冷却单元，所述第二冷却单元具有至少一个通风装置(100a)和在所述塔壁部(102a)和/或所述基座(600)上的至少一个冷却通道(111，112)，

其中所述通风装置(100a)构成为，用于使空气为了冷却的目的而能沿着在所述塔壁部(102a)和/或所述基座上的至少一个所述冷却通道(111，112)流动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的风能设备，还具有

基座(600)，

其中所述塔(102)设置在所述基座(600)上；和

在所述基座(600)中或在所述基座(600)上的地下室(100b)，

其中在所述地下室(100b)中设有第三冷却单元(400)，所述第三冷却单元尤其呈蓄热器的形式；和

冷却控制单元(冷却控制单元)(300)，所述冷却控制单元构成为，用于控制所述第一、第二和/或第三冷却单元(200，100a，400)。

6.根据权利要求4所述的风能设备，还具有

在所述风能设备的所述基座(600)中的第四冷却单元(500)，

其中所述第四冷却单元(500)具有在所述基座(600)中的至少一个冷却通道(501)，

其中所述控制单元(300)构成为，用于控制所述第一、第二、第三和/或第四冷却单元的运行。

7.一种用于风能设备的可加装的冷却单元(200)，所述风能设备具有塔(102)，所述塔具有塔壁部(102a)，所述冷却单元具有

顶盖(203)；

外壁部(202)，其具有多个下开口和上开口(204，205)；和

在所述外壁部(202)内部并且在所述下开口和上开口(204，205)之间的多个换热器(210)，

其中所述冷却单元(200)能够围绕所述塔壁部(102a)设置。

8.一种用于控制风能设备的冷却的方法，所述风能设备具有塔(102)，所述塔具有塔壁部(102a)和纵轴线(102b)，其中所述风能设备具有在所述塔(102)的下部区域中并且在所述塔外部的第一冷却单元(200)，以及具有多个换热器(210)、在所述风能设备的所述塔内部的第二冷却单元(100a，111，112)、在所述风能设备的地下室中的第三冷却单元(400)和/或在风能设备的基座中的第四冷却单元(500)，所述方法具有如下步骤：

借助于冷却控制单元(300)控制所述第一、第二、第三和/或第四冷却单元(200，100a，400，500)的运行，

其中在第一运行方式中激活所述四个冷却单元中的一个，而其他冷却单元不激活，

其中在第二运行方式中，激活所述四个冷却单元中的两个，而其他两个冷却单元不激活，

其中在第三运行方式中，激活所述四个冷却单元中的三个，并且

其中在第四运行方式中，激活全部四个冷却单元。