CN110462206A - 风力涡轮机废热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机的废热回收系统。公开一种风力涡轮机（1），其包括电气设备（5）、（6），所述风力涡轮机用于将风能转换成电能（7），其中所述电气设备（5）、（6）产生废热。所述风力涡轮机（1）包括废热回收系统（11），其用于将所述废热的至少一部分转换成电能（14）。

Description

风力涡轮机废热回收系统

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的废热回收系统。

背景技术

在风力涡轮机中，运动空气的能量被转换成电能。风力涡轮机包括被连接到发电机的转子。发电机生成的功率被转换器和变压器系统转变成将电功率调试成匹配电网情况。

此外，风力涡轮机包括各种控制系统和辅助系统，如例如用于冷却、除湿、液压或润滑泵的系统。

在生成电能期间，一定量的能量被转换成废热。此外，用于电能转变的系统和运行风力涡轮机所必需的次要系统产生废热。

废热通过热交换器和散热器主要被传递到围绕风力涡轮机的周围的空气或海水。

风力涡轮机的一定百分比的功率作为废热损失至环境。

发明内容

因此本发明的目标是提供具有增加效率的风力涡轮机。

本发明的目标是通过独立权利要求1实现的。在从属权利要求中公开了本发明的另外的特征。

公开了一种风力涡轮机，其包括用于将风能转换成电能的电气设备，其中电气设备产生废热。

风力涡轮机包括废热回收系统，其用于将至少一部分废热转换成电能。

废热回收系统被安装在风力涡轮机中，以使用风力涡轮机的部件的废热并将热能转换成电能。

因此能够增加风力涡轮机的效率。

风力涡轮机中的产生废热的电气设备例如是发电机、变压器或者转换器。

废热是在系统中作为副产品产生的热能，其中该热能是不希望的并且降低风力涡轮机的效率。

废热回收系统使用不希望的热能以将其转换成能够在风力涡轮机中使用的能量的形式（如电能），以例如增加效率。

风力涡轮机包括具有冷却回路的冷却系统，该冷却系统用于冷却产生废热的电气设备。废热回收系统被连接到风力涡轮机的冷却回路，使得将热能从冷却回路传递到废热回收系统。

电气设备通常被冷却系统冷却，以去除不希望的热能。冷却系统具有冷却回路。冷却回路能够是液体填充的冷却回路或者空气填充的冷却回路。冷却系统收集热能并且将其运送到散热体。

废热回收系统被连接到冷却系统的冷却回路，使得热能被传递到废热回收系统。

热量能够例如被热交换器传递到废热回收系统，其中热交换器的第一回路被连接到冷却系统并且热交换器的第二回路被连接到废热回收系统。

废热回收系统包括用于运输热能流体回路。风力涡轮机的冷却回路的热能被传递到废热回收系统的流体回路中的流体。

废热回收系统包括涡轮机，该涡轮机用于使得在废热回收系统的回路中的流体膨胀并且将流体的热能转换成涡轮机的旋转能。

废热回收系统包括废热回收发电机，其用于将涡轮机的旋转能转换成电能。

在废热回收系统的回路中的流体被电气设备的废热加热。流体能够是液体或在高压下的处于液体状态的气体。

废热回收系统的流体被蒸发。被蒸发的流体被引导通过涡轮机，例如蒸汽涡轮机，在此流体的能量被转换成涡轮机的旋转能。

发电机被连接到废热回收系统的涡轮机的轴，使得涡轮机的旋转能能够被转换成电能。

废热回收系统的流体回路包括流体，其中流体的沸腾温度低于100摄氏度。

在用于风力涡轮机的电气设备的冷却系统中使用的流体可以包括例如水或者油来用作冷却液体。该冷却回路中的液体的温度被保持在其中液体将转变成蒸汽的温度之下。因此冷却回路中的液体的温度对于油而言可以低于相应油的沸腾温度，其可以是高于200摄氏度，或者对于水而言低于100摄氏度。

在用于风力涡轮机的电气设备的冷却系统中使用的流体可以是气体，例如空气。同样地，作为冷却流体的气体被保持低于某个最大温度。

因此废热回收系统的流体被加热到低于100摄氏度的温度。为了允许废热回收系统的涡轮机运行，需要在低于100摄氏度的温度产生蒸汽。

通过选择相应流体，废热回收系统能够在具有例如电气设备的水运行的冷却系统的风力涡轮机中运行。

流体的沸腾温度低于80摄氏度并且高于20摄氏度。

电气设备的冷却系统中的流体与废热回收系统之间需要一定的温度差，以加热废热回收系统的流体并使其蒸发。

因此有利的是，选择废热回收系统的流体，使得流体的沸腾温度低于80摄氏度。

其应该高于20摄氏度以允许流体在正常的周围温度下冷凝，因此避免对流体的额外冷却。

流体是有机液体，并且用于将热能转换成电能的过程采用有机朗肯循环。

有机流体是已知的，其呈现在废热回收系统中使用所必需的性质。在废热回收系统中使用的循环例如是有机朗肯循环。

废热回收系统包括蒸发器，其用于通过从风力涡轮机的冷却回路传递的热能使流体蒸发。

风力涡轮机的电气设备的冷却系统的热能用于加热蒸发器中的有机液体。

气体然后被用于加速废热回收系统中存在的蒸汽涡轮机。

废热回收系统包括冷凝器，其用于冷凝流体并且从回路中的流体提取热能。

在流体离开废热回收系统的蒸汽涡轮机之后，流体被冷却下来以再次冷凝。去除了流体中存在的热能的一部分，流体被冷却直到流体再次完全冷凝成液体。

然后呈其液体形式的流体在废热回收系统中被再次使用。

废热回收系统包括泵，其用于使得废热回收系统的流体回路中的流体运动。

泵使得通过废热回收系统的呈其液体形式的流体加速。

流体是二氧化碳，并且将热能转换成电能的过程采用碳跨临界动力循环。

二氧化碳被用作废热回收系统中的流体。二氧化碳在废热回收系统中被保持处于压力下以在进入热交换器时处于液体状态。

然后二氧化碳能够在低于100摄氏度、优选地低于80摄氏度的温度蒸发。二氧化碳在大自然中可容易获得，并且在故障和泄漏的情况下不会伤害风力涡轮机或者存在于风力涡轮机中的技术人员。

废热回收系统包括第一热交换器，其连接风力涡轮机的冷却系统和废热回收系统的流体回路，以将热能从冷却系统传递到流体回路。

热能在热交换器中从冷却系统的流体被传递到废热回收系统的流体。二氧化碳被加热并且蒸发以产生要被用于废热回收循环中的气体。

废热回收系统包括第二热交换器，其用于将热量从在流体的流动方向上离开涡轮机之后的流体传递到在进入第一热交换器之前的流体，以再次使用存在于流体回路中的热能。

在二氧化碳离开涡轮机之后，其仍然包括热能。二氧化碳然后被冷却以冷凝。被冷凝的二氧化碳然后通过泵返回到热交换器。

第二热交换器被用于循环中以将剩余热量从离开涡轮机的流体传递到进入第一热交换器之前的流体，以预先加热流体。

第一热交换器将电气设备的冷却系统的废热传递到废热回收系统的流体。

因此再次使用甚至更多的剩余热量，并且增加了风力涡轮机的效率。

风力涡轮机包括转子和风力涡轮机发电机，该风力涡轮机发电机被连接到转子使得转子的旋转能被传递到发电机以将风能转换成电能，并且风力涡轮机的冷却系统冷却风力涡轮机发电机。

风力涡轮机的发电机是废热的主要来源。

发电机的废热被再次使用以产生附加电能，因此增加了风力涡轮机的效率。

风力涡轮机包括机舱，并且废热回收系统位于机舱中。

因此废热回收系统靠近产生废热的电气设备（如发电机、变压器或电柜）设置。

此外，废热回收系统能够被维修技术人员容易地通达以进行维修和维护。

机舱包括外壳，并且废热回收系统的冷凝器的热能被连接到机舱的外壳的外侧的冷却器传递到环境空气。

废热回收系统中的流体需要被冷却以冷凝。冷却器被设置在机舱外侧，以去除剩余废热。当风吹动且风力涡轮机处于运行时，周围空气冷却冷却器，周围空气沿着冷却器运动。

因此当系统处于运行时周围空气非常高效地冷却流体。

附图说明

借助于附图更详细地示出本发明。附图示出了优选构造并且不限制本发明的范围。

图1示出包括废热回收系统的风力涡轮机，

图2示出具有废热回收系统的风力涡轮机的详细实施例，

图3示出废热回收系统的详细视图，

图4示出废热回收系统的替代性实施例。

具体实施方式

图1示出包括废热回收系统的风力涡轮机。

图1示出包括废热回收系统11的风力涡轮机。

风力涡轮机将旋转能转换成电能。因此，轴4被连接到发电机5。来自发电机5的电能在转换器或者变压器6中被转换以实现所需的电能输出7。

例如通过使用液体或者空气，冷却系统8冷却电气设备5、6。冷却系统被连接到将冷却系统8的热能转换成电能14的废热回收系统11。

因此，电气设备5、6的废热被用于产生附加电能。

图2示出具有废热回收系统的风力涡轮机的详细实施例。

风力涡轮机1包括毂2和机舱3。转子叶片被连接到毂2并且风与转子叶片相互作用以导致毂2相对于机舱3旋转。毂2的旋转被轴4传递到发电机5。

来自发电机5的电能被传递到其他的电气设备6以将电能转换成所需的输出动力7。电气设备5、6被冷却回路8冷却。

冷却回路8被热交换器9连接到废热回收系统11的流体回路10。废热回收系统11将从冷却系统8传递的热能转换成电能14。

剩余废热的一部分被冷却回路12传递到冷却器13，该冷却器13被设置成使得其能够被机舱3附近的环境空气或者被海水冷却。

图3示出废热回收系统的详细视图。

废热回收系统包括流体回路10。在流体回路10中的流体例如是二氧化碳。

泵15使得流体回路10中的流体运动。废热被冷却回路8和热交换器9传递到废热回收系统。流体回路10中的流体被从冷却回路8传递的热能加热。

废热使得流体回路10中的流体蒸发。在热交换器9中产生的蒸汽在涡轮机16中膨胀。在流体回路10中的蒸汽的热能被转换成涡轮机16的旋转能。

涡轮机16的旋转能被废热回收系统的发电机17转换成电能。

冷却回路10的膨胀蒸汽在冷凝器13处冷凝。因此，在流体回路10中的流体的剩余热能的一部分通过使流体冷却而被去除。

流体然后通过泵15朝向蒸发器9流动。

附加内部热交换器18存在于流体回路10中以将在膨胀蒸汽离开涡轮机16之后的蒸汽的剩余热能的一部分在冷凝流体进入蒸发器9之前传递给冷凝流体。

冷凝器13能够被空气、被海水或者被附加冷却回路冷却。

图4示出废热回收系统的替代性实施例。

废热回收系统包括流体回路10。流体和流体回路10是有机液体，并且废热回收系统使用有机朗肯循环。

泵15存在于流体回路10中以使得流体回路中的液体运动。流体进入蒸发器19，废热被冷却回路8传递到蒸发器并且被用于蒸发液体。

有机液体的蒸汽在涡轮机16中膨胀。在流体回路10中的流体的热能被转换成涡轮机16的旋转能并且被连接到涡轮机16的发电机转换成电能14。

流体的膨胀蒸汽在冷凝器20中冷凝。从流体去除剩余热能的一部分。能够通过周围空气或者通过附加冷却回路去除热能21来冷却冷凝器20。

在冷凝器20中被冷凝之后，流体回到泵15并且返回蒸发器19。

附图中的图示呈示意性形式。应该注意在不同附图中，类似或相同元件设置有相同附图标记。

虽然已经参考优选实施例详细描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不被所公开的示例限制，并且在不脱离本发明范围的情况下，本领域技术人员可以对其作出大量附加的修改和变化。

应该注意到，贯穿本申请的“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或者元件。同样，与不同实施例相关联地描述的元件可以相结合。还应该注意到，权利要求中的附图标记不应该被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机（1），其包括电气设备（5，6），所述风力涡轮机用于将风能转换成电能（7），其中所述电气设备（5，6）产生废热，

其特征在于，

所述风力涡轮机（1）包括废热回收系统（11），其用于将所述废热的至少一部分转换成电能（14）。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，包括具有冷却回路（8）的冷却系统，所述冷却系统用于冷却产生废热的所述电气设备（5，6），其中所述废热回收系统（11）被连接到所述风力涡轮机（1）的所述冷却回路（8），使得热能从所述冷却回路（8）被传递到所述废热回收系统（11）。

3. 根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）包括：

-用于运送热能的流体回路（10），其中所述风力涡轮机（1）的所述冷却回路（8）的所述热能被传递到所述废热回收系统（11）的所述流体回路（10）中的流体，以及

-涡轮机（16），其用于使得所述废热回收系统（11）的所述回路（10）中的所述流体膨胀，并且将所述流体的热能转换成所述涡轮机的旋转能，

-和废热回收发电机（17），其用于将所述涡轮机（16）的旋转能转换成电能（14）。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）的所述流体回路（10）包括流体，其中所述流体的沸腾温度低于100摄氏度。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中所述流体的所述沸腾温度低于80摄氏度并且高于20摄氏度。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述流体是有机液体，并且将所述热能转换成电能的过程采用有机朗肯循环。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）包括蒸发器（19），所述蒸发器用于通过从所述风力涡轮机（1）的所述冷却回路（8）传递的所述热能来蒸发所述流体。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）包括冷凝器（20），所述冷凝器用于冷凝所述流体并且从所述回路（10）中的所述流体提取热能。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）包括泵（15），所述泵用于使得在所述废热回收系统（11）的所述流体回路（10）中的所述流体运动。

10.根据权利要求3至5中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述流体是二氧化碳，并且将所述热能转换成电能的过程采用碳跨临界动力循环。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）包括第一热交换器（9），其连接所述风力涡轮机（1）的冷却回路（8）和所述废热回收系统（11）的所述流体回路（10），以将热能从所述冷却系统（8）传递到所述流体回路（10）。

12.根据权利要求10或11中任一项所述的风力涡轮机，其中所述废热回收系统（11）包括第二热交换器（18），所述第二热交换器用于将热量从在所述流体的流动方向上离开所述涡轮机（16）之后的所述流体传递到在进入所述第一热交换器（9）之前的所述流体，以再次使用存在于所述流体回路（10）中的所述热能。

13.根据权利要求2至12中任一项所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机（1）包括转子（2）和风力涡轮机发电机（5），所述风力涡轮机发电机被连接到所述转子（2）使得所述转子（2）的所述旋转能被传递到所述发电机（5）以将风能转换成电能（7），并且所述风力涡轮机（1）的所述冷却回路（8）冷却所述风力涡轮机发电机（5）。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机（1）包括机舱（3），并且所述废热回收系统（11）位于所述机舱（3）中。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其中所述机舱（3）包括外壳，并且所述废热回收系统（11）的所述冷凝器（20）的热能被连接到所述机舱的所述外壳的外侧的冷却器（13）传递到环境空气。