CN114599878A - 风力涡轮机冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种构造成冷却风力涡轮机的部件的风力涡轮机冷却系统，该风力涡轮机具有机舱，该风力涡轮机冷却系统包括构造成在冷却回路中循环的冷却介质，冷却回路将所述部件和冷却装置流体连接，冷却装置布置在机舱的外表面上并且暴露于环境条件，例如机舱外部的风流和环境空气温度，冷却介质在冷却装置中由经过冷却装置的风流冷却，冷却介质从冷却装置循环到所述部件，其中第一变温区段在冷却装置上游与冷却回路流体连接，第一变温区段构造成在冷却介质进入冷却装置之前加热冷却介质，并且第二变温区段在冷却装置下游与冷却回路流体连接，第二变温区段构造成在冷却介质已离开冷却装置之后冷却冷却介质。

Description

风力涡轮机冷却系统

技术领域

本发明涉及一种构造成冷却风力涡轮机的部件的风力涡轮机冷却系统和冷却方法。

背景技术

风力涡轮机本质上是一种从风中收获动能并将该能量施加到旋转轴上、然后最终将机械能转换为电能的机器。这种能量转换是通过风力涡轮机中的众多关键部件进行的，但这种转换在热力学上并不完美，即它包括损耗，这意味着从风中收获的能量的一部分以热量的形式消散而不是转化为电能。损耗以部件中以不同的量产生的热量的形式出现。部件的位置因风力涡轮机而异，有些部件可以被放置在风力涡轮机塔架的底部或顶部附近，但一个共同的特点是大多数部件被彼此靠近地放置在机舱中，这也是风力涡轮机的结构完整性的关键部分。

部件的类型和大小各不相同。发热部件可能包括大型重负荷机械，比如轴承、制动器、变速箱、发电机、泵、液压系统和风扇，而且还包括功率电子设备，例如大型变压器和转换器。每个部件的散热量也各不相同，并且它们对风力涡轮机总功率输出的依赖性也各不相同，这意味着有些部件的热损失比其它部件更受风力涡轮机在部分负载下运行的影响。

由于上述原因，风力涡轮机通常具有冷却系统，以从主要部件传输热量以避免过热。这种类型的冷却系统可包括泵、阀、管道、冷却装置、热交换器和冷却介质。泵使冷却介质经由管道在冷却系统中循环，并且热量在它通过发热部件时被吸收。经加热的冷却介质最终到达放置在机舱外部的冷却装置，在这里它暴露于环境温度和当地的风力条件。这里，冷却介质在通过冷却装置的过程中被冷却并返回到泵送单元以完成回路。

除了冷却特定部件外，冷却系统还可以包括机舱本身的常温冷却。这可以通过将风扇和空气热交换器连接到冷却系统来完成，或者它也可以被设计为单独的冷却系统。

为了避免过热，风力涡轮机必须能够获得足够的冷却量，以便将部件的温度保持在可接受的范围内。如果温度过高，则可能会因过热而导致风力涡轮机损坏或故障。避免这种情况的一种方式是降低功率输出，这意味着产生比当前风力条件通常允许的能量少的能量，因为较低的产量将引起较低的无用热耗散。减少的能量产生意味着可以出售给电网的能量减少，从而导致利润损失。

如上所述，已知的冷却系统确保热量经由放置在机舱外部的冷却装置从机舱内部输送和消散到外部周围环境。由泵控制的冷却介质流量是一个系统参数，并且在风力涡轮机运行期间在大多数情况下是恒定的。如果认为进来的风具有恒定的速率，则冷却装置能够散发到环境中的热量仅取决于到达冷却装置的经加热的冷却介质与当地环境空气温度之间的温差。亦即，在寒冷的气候下，该温差很大，这意味着冷却装置没有从机舱散发热量的问题，但在炎热的气候下，该差异变小，意味着冷却装置可能无法散发足够的热量并从而确保风力涡轮机有足够的冷却量。这可能会导致上述应避免的部件过热的状况。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的上述缺点和不足。更具体地，一个目的是提供一种改进的风力涡轮机冷却系统，即使在环境温度与冷却介质温度之间的温差很小的情况下，该系统也可以冷却风力涡轮机的发热部件。

根据本发明的解决方案通过构造成冷却风力涡轮机的部件的风力涡轮机冷却系统来实现上述目的以及根据以下描述将变得显而易见的许多其它目的、优点和特征，该风力涡轮机具有机舱，该冷却系统包括

-构造成在冷却回路中循环的冷却介质，该冷却回路将各部件和冷却装置流体连接，

-冷却装置布置在机舱的外表面上并且暴露于环境条件，例如机舱外部的风流和环境空气温度，

-冷却介质在冷却装置中由经过冷却装置的风流冷却，

-冷却介质从冷却装置循环到各部件，

其中，第一变温区段在冷却装置上游与冷却回路流体连接，该第一变温区段构造成在冷却介质进入冷却装置之前加热冷却介质，并且

第二变温区段在冷却装置下游与冷却回路流体连接，第二变温区段构造成在冷却介质离开冷却装置之后冷却冷却介质。

因此，获得了一种改进的风力涡轮机冷却系统，其用于实现风力涡轮机部件的最佳温度水平，但不降低部件和风力涡轮机的功率输出，即使在环境条件改变时，即在风力涡轮机例如在炎热气候下运行时。

此外，第一变温区段和第二变温区段可以集成到变温装置中。这样，可以将第一和第二变温区段集成到一个变温装置中。这样，可以从第二变温区段使用用于第一变温区段的能量，从而使能量的总使用量降到最低。

此外，第一变温区段和第二变温区段可以可操作地连接。

而且，第二变温区段可以独立于第一变温区段运行。

风力涡轮机冷却系统可进一步包括第一阀单元，该第一阀单元构造成将各部件与冷却装置和/或第一变温区段流体连接。

而且，风力涡轮机冷却系统可进一步包括第二阀单元，该第二阀单元构造成将冷却装置与各部件和/或第二变温区段流体连接。

第一阀单元可具有入口、第一出口和第二出口，第一阀单元构造成具有其中入口与第一出口流体连接的第一位置和其中入口与第二出口流体连接的第二位置，并且其中入口与各部件流体连接，第一出口与冷却装置流体连接，并且第二出口与第一变温区段流体连接。

而且，第二阀单元可以具有入口、第一出口和第二出口，第二阀单元构造成具有其中入口与第一出口流体连接的第一位置和其中入口与第二出口流体连接的第二位置，并且其中入口与冷却装置流体连接，第一出口与各部件流体连接，并且第二出口与第二变温区段流体连接。

此外，第一阀单元可包括第一阀，该第一阀具有其中部件与冷却装置流体连接的第一阀位置和其中通过第一阀的流体连通被关闭的第二阀位置，以及第二阀，该第二阀具有其中部件与第一变温区段流体连接的第一阀位置和其中通过第二阀的流体连通被关闭的第二阀位置。

另外，第二阀单元可包括第一阀，该第一阀具有其中冷却装置与部件流体连接的第一阀位置和其中通过第一阀的流体连通被关闭的第二阀位置，以及第二阀，该第二阀具有其中冷却装置与第二变温区段流体连接的第一阀位置和其中通过第二阀的流体连通被关闭的第二阀位置。

当第一阀处于第一阀位置时，第二阀可以处于第二阀位置，反之亦然。

第一阀和第二阀可以是截止阀、双向阀或节流阀。

另外，环境温度传感器可以被布置成测量环境空气温度和/或第二温度传感器构造成测量冷却装置下游的冷却介质的温度。

此外，在风力涡轮机冷却系统中可以布置有构造成测量部件下游的冷却介质的温度的第一温度传感器。

风力涡轮机冷却系统可以进一步包括控制单元，该控制单元与第一变温区段、第二变温区段、环境空气温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一阀单元和/或第二阀单元操作性地连接。

控制单元可以构造成关于测定的环境空气温度和/或测定的冷却装置下游的冷却介质温度改变冷却装置上游的冷却介质的温度，使得冷却装置上游的冷却介质的温度大于环境温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度。

此外，冷却装置上游的冷却介质的温度可以比环境空气温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度高5℃，优选比环境空气温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度高10℃，更优选地比环境空气温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度高15℃以上。

此外，冷却介质可以在部件下游具有第一温度，冷却介质在冷却装置上游具有第二温度，冷却介质在冷却装置下游具有第三温度，冷却介质在第二变温区段下游具有第四温度，并且第四温度低于第三温度。

第一温度可以在40-65℃之间，第二温度可以在45-80℃之间，第三温度可以在35-55℃之间，并且第四温度可以在30-50℃之间。

此外，变温装置可以是制冷系统，例如制冷装置。制冷装置经由蒸汽压缩或吸收式制冷循环从液体中去除热量，并将这些热量排放到别处。

此外，温度水平可以对应于借助于压缩机在变温装置中提供的工作介质经历相变的压力水平。

来自冷却装置的冷却介质可以经由热交换器与第二变温区段流体连接，使得冷却介质可以在它到达各部件之前被进一步冷却至较低温度。

另外，第二变温区段可以构造成通过在工作介质中吸收热量来降低冷却介质的温度，并且变温装置构造成将该热量输送和消散到变温装置的第一变温区段。

来自各部件的冷却介质可以流体地连接到第一变温区段，在这里冷却介质经由处于较高温度的热交换器接收耗散的能量并使冷却介质的温度在冷却介质到达冷却装置之前升高。

此外，变温装置可以是耗能的。

另外，变温装置可以布置在机舱内部或外部。

部件可以是轴承、制动器、齿轮箱、发电机、泵、液压系统、风扇和/或功率电子设备如变压器和转换器。

此外，部件可以布置在机舱内部和/或外部。一些部件甚至可以布置在距机舱一定距离处。

冷却介质可以是水、水-乙二醇、其它水和防冻液。

此外，工作介质可以是天然制冷剂，例如水、丙烷、CO₂、氨等，或者可以是合成制冷剂。

本发明还涉及一种包括如上所述的风力涡轮机冷却系统的风力涡轮机。

本发明还涉及一种冷却方法，该冷却方法用于借助于风力涡轮机冷却系统冷却风力涡轮机的一个或多个部件并且可以包括：

-测量部件下游的冷却介质的第一温度，

-将冷却装置上游的冷却介质的温度升高到第二温度，

-将冷却装置中的冷却介质的温度降低到第三温度，以及

-将冷却装置下游的冷却介质的温度降低到低于第三温度的第四温度。

此外，所述冷却方法可以进一步包括：

-测量环境空气温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度，

-关于测定的环境空气温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度改变冷却装置上游的冷却介质的第二温度，使得冷却介质的第二温度高于环境温度和/或冷却装置下游的冷却介质温度。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本发明及其许多优点，附图出于说明的目的示出了一些非限制性实施例并且其中

图1示出了带有冷却装置的风力涡轮机的一部分，

图2示出了示意性的已知冷却系统，

图3示出了本发明的一个实施例，

图4示出了本发明的另一实施例，以及

图5示出了本发明的又一实施例。

所有附图都是高度示意性的并且不一定按比例绘制，并且它们仅示出了为了阐明本发明所必需的那些部分，其它部分被省略或仅被暗示。

具体实施方式

图1示出了包括机舱101和冷却装置10的风力涡轮机100的透视图。机舱101位于塔架102的顶部并且具有面向轮毂7的前部，多个转子叶片8(通常三个叶片)被紧固在该轮毂7中。机舱101可以收纳发电机和用于驱动风能到电力的转换过程的其它部件——也称为传动系统。发电时，传动系统产生大量热量，从而导致如上所述的转换过程效率较低。

为了冷却机舱的部件和其它部分，在机舱101的外部布置有冷却装置10。沿着机舱101的纵向延伸部e流动的风流过冷却装置10的至少一个冷却区域，从而冷却在冷却装置内循环的冷却介质。经冷却的冷却介质主要与待冷却的部件或设备进行热交换。机舱101具有包括在风向w上的纵向延伸部e的第一面5。冷却装置10可以被放置在机舱的前部、中间或后部。

将主要结合上风式风力涡轮机、即机舱101被放置在风力涡轮机叶片8的下风处的风力涡轮机来描述本发明。然而，本发明也可以有利地在下风式风力涡轮机、即机舱被放置在风力涡轮机叶片的上风处的风力涡轮机中实施。

冷却装置10可以是主动式冷却装置或被动式冷却装置。冷却装置10利用风，其中风在风力涡轮机的机舱周围流动以冷却冷却介质循环通过的多个流体管，从而降低冷却介质的温度。另外，风扇或类似装置可以被布置成与冷却装置10连接以确保在所有条件下适当的风流到冷却装置，即主动式冷却装置。

在图2中，示出了已知的冷却系统。冷却介质构造成在冷却回路11中循环，冷却回路11与部件12和冷却装置10流体连接。冷却装置10布置在机舱101的外表面上并且暴露于环境条件，例如机舱101外部的风流和环境空气温度。如上所述，冷却介质在冷却装置10中由经过冷却装置10的风流冷却，并且冷却介质从冷却装置10循环到部件12。冷却介质借助于泵单元13在冷却回路11中循环。

当冷却介质到达部件12、即发热部件时，部件将耗散热能，从而导致冷却介质中的温度升高。部件12的尺寸和废热产生率不同并且可以彼此并联或串联连接，如图2所示。这里，共示出了五个部件12，不过数量可以明显更大或更小，视风力涡轮机而定。这些部件12通常但不排他地涵盖机械和电子设备，例如轴承、制动器、齿轮箱、发电机、泵、液压系统、风扇、变压器和转换器。

泵单元13确保冷却系统中的冷却介质的连续流动并且将经加热的冷却介质从部件12输送到暴露于环境条件的安装在外部的冷却装置10。外侧的风冷却冷却介质，冷却介质然后返回到机舱101。此后，冷却介质被引导回到部件12并且该循环自行重复。

就冷却介质的温度分布来看该冷却循环，请考虑图2中冷却系统中的点1至4。根据当今设计运行的冷却系统在点1(最后一个部件的出口)处的冷却介质温度可为55℃。假设绝热良好的管道将冷却回路11中的冷却介质输送到冷却装置10，冷却介质的温度在冷却装置10在点2的入口处将保持不变。处于环境空气温度(例如20℃)下的风通过位于外侧的冷却装置10并在点3处将冷却介质冷却至例如40℃。冷却介质从此处在该温度下被泵送到部件12，因为它不会在其途中经过其它设备或部件，因此在图2所示的设计中，点4处的温度将与点3的温度基本相同。

在上面的示例中，冷却装置10的入口处的冷却介质与周围空气有55℃–20℃＝35℃的温差，这使得一定量的能量可以从冷却装置消散到周围空气。在该示例中，这种量的能量引起冷却介质的温度下降至40℃。

然而，如果风力涡轮机被放置在环境空气温度为30℃而不是20℃的炎热气候中，则温差变为25℃，这将引起输送离开冷却装置并因此离开冷却介质的热量减少。在这种状况下，冷却装置10的出口温度可能是45℃而不是40℃，其中后者是部件的期望入口温度。如果环境空气温度进一步升高，则能量输送将进一步减少，并且冷却装置的出口温度将相应升高。这种趋势一直持续到环境空气温度等于冷却装置处的入口温度并且能量输送变为零而引起冷却装置的入口和出口温度相等的点。

环境空气温度升高的问题是本发明的主要动机。

在图3中，示出了本发明的风力涡轮机冷却系统110的一个实施例。冷却回路11的设计类似于图2中所示和以上描述的设计。因此，在图3所示的实施例中也存在不同的部件和元件。

根据本发明构思，第一变温区段14在冷却装置10上游与冷却回路11流体连接，第一变温区段14构造成在进入冷却装置10之前加热冷却介质。此外，第二变温区段15在冷却装置10下游与冷却回路11流体连接，第二变温区段15构造成在冷却介质已离开冷却装置10之后冷却冷却介质。

风力涡轮机冷却系统包括构造成将部件12与冷却装置10和/或第一变温区段14流体连接的第一阀单元16。而且，风力涡轮机冷却系统包括构造成将冷却装置10与部件12和/或第二变温区段15流体连接的第二阀单元20。

在本实施例中，冷却介质经由具有入口17、第一出口18和第二出口19的第一阀单元16与第一变温区段14流体连接，第一阀单元16构造成具有其中入口17与第一出口18流体连接的第一位置和其中入口17与第二出口19流体连接的第二位置，并且其中入口17与部件12流体连接，第一出口18与冷却装置10流体连接，并且第二出口19与第一变温区段14流体连接。

另外，冷却介质经由具有入口21、第一出口22和第二出口23的第二阀单元20与第二变温装置15流体连接，第二阀单元20构造成具有其中入口21与第一出口22流体连接的第一位置和其中入口21与第二出口23流体连接的第二位置，并且其中入口21与冷却装置10流体连接，第一出口22与部件12流体连接，并且第二出口23与第二变温区段15流体连接。

第一阀单元16和第二阀单元20例如可以是调制电磁阀、三通阀等。

第一变温区段14和第二变温区段15在本实施例中被显示为单独的部分。然而，它们可以例如经由控制单元24可操作地连接。

两个变温区段14、15均可包括热交换器，该热交换器构造成加热第一变温区段14中的冷却介质并冷却第二变温区段15中的冷却介质。

环境空气温度可由环境空气温度传感器25测量。

另外的温度传感器可以被布置成与冷却回路11连接，用于测量不同位置处——例如在点1-4处——的冷却介质的温度。一些测量点被显示位于机舱外，但测量点可以全部布置在机舱内，或者一些布置在机舱内，另一些布置在机舱外。有利地，至少第一温度传感器被布置用于测量部件下游的冷却介质的温度，并且至少第二温度传感器可以被布置用于测量冷却装置下游的冷却介质的温度。

温度传感器、环境空气温度传感器25、第一阀单元16、第二阀单元20、第一变温区段14和第二变温区段15全都可以与控制单元24操作性地连接。

例如，第二温度传感器可以测量冷却装置10下游的冷却介质的温度。测定的温度可以传输到控制单元24，控制单元24基于测定的温度来控制第一变温区段，使得冷却介质可以在进入冷却装置之前被加热或冷却，从而在变化的环境温度下、尤其是在温暖的气候下提供最佳的冷却系统。

在图4中，示出了本发明的风力涡轮机冷却系统110的另一个实施例。冷却回路11的设计类似于图2中所示和以上描述的设计。因此，在图4所示的实施例中也存在不同的部件和元件。

在本实施例中，第一变温区段14在冷却装置10上游与冷却回路11流体连接，第一变温区段14构造成在冷却介质进入冷却装置10之前加热冷却介质。此外，第二变温区段15在冷却装置10下游与冷却回路11流体连接，第二变温区段15构造成在冷却介质离开冷却装置10之后冷却冷却介质。

此外，第一变温区段14和第二变温区段15被集成到变温装置26中。

以与如上所述相同的方式，冷却介质经由具有入口17、第一出口18和第二出口19的第一阀单元16与第一变温区段14流体连接，第一阀单元16构造成具有其中入口17与第一出口18流体连接的第一位置和其中入口17与第二出口19流体连接的第二位置，并且其中入口17与部件12流体连接，第一出口18与冷却装置10流体连接，并且第二出口19与第一变温区段14流体连接。

而且，冷却介质经由具有入口21、第一出口22和第二出口23的第二阀单元20与第二变温装置15流体连接，第二阀单元20构造成具有其中入口21与第一出口22流体连接的第一位置和其中入口21与第二出口23流体连接的第二位置，并且其中入口21与冷却装置10流体连接，第一出口22与部件12流体连接，并且第二出口23与第二变温区段15流体连接。

在本实施例中，第一阀单元16和第二阀单元20也可以是调制电磁阀、三通阀等。

在本实施例中，第一变温区段14和第二变温区段15例如经由控制单元24操作性地连接。然而，每个区段都可以被彼此独立地控制。

在另一实施例中，第一变温区段14和第二变温区段15可以与冷却回路流体连接，使得部件下游的冷却介质可以在冷却介质循环到冷却装置之前直接循环到第一变温区段中，并且在冷却介质循环到部件之前，冷却介质将在冷却装置的下游以相同的方式直接循环到第二变温区段中。在本实施例中，第一阀单元和第二阀单元可以被排除在风力涡轮机冷却系统之外。

控制单元24构造成关于测定的环境空气温度和/或测定的冷却装置下游的冷却介质温度改变冷却装置10上游的冷却介质的温度，使得冷却装置10上游的冷却介质的温度高于环境空气温度和/或测定的冷却装置下游的冷却介质温度。在下文中将进一步描述这一点。

在本实施例中，变温装置26是制冷系统，例如制冷装置27。制冷装置27构造成经由蒸汽压缩或吸收式制冷循环从冷却介质中去除热量。

在本实施例中，温度水平对应于借助于压缩机28在变温装置26、即制冷装置27中提供的工作介质经历相变的压力水平。来自冷却装置10的冷却介质经由热交换器与第二变温区段15流体连接，使得冷却介质可以在它到达部件12之前被进一步冷却至较低的温度。

第二变温区段15构造成通过在工作介质中吸热来降低冷却介质的温度，并且变温装置26、即制冷装置27构造为将该热量输送和消散到变温装置26的第一变温区段14。

来自部件12的冷却介质流体连接到第一变温区段14，在这里冷却介质经由处于较高温度的热交换器接收耗散的能量并使冷却介质在它到达冷却装置10之前升温。

在图5中，示出了本发明的风力涡轮机冷却系统110的又一实施例。冷却回路11的设计类似于图4所示和上述的设计。因此，在图5所示的实施例中也存在不同的部件和元件。

在本实施例中，第一变温区段14在冷却装置10上游与冷却回路11流体连接，第一变温区段14构造成在冷却介质进入冷却装置10之前加热冷却介质。此外，第二变温区段15在冷却装置10下游与冷却回路11流体连接，第二变温区段15构造成在冷却介质已离开冷却装置10之后冷却冷却介质。

此外，第一变温区段14和第二变温区段15被集成到变温装置26中。在本实施例中，变温装置26也可以是制冷系统，例如如上面结合图4描述的制冷装置27。制冷装置27构造成经由蒸汽压缩或吸收式制冷循环从冷却介质中去除热量。

在该实施例中，第一阀单元16包括第一阀50，该第一阀50具有其中部件12与冷却装置10流体连接的第一阀位置和其中通过第一阀50的流体连通被关闭的第二阀位置，以及第二阀51，该第二阀51具有其中部件12与第一变温区段14流体连接的第一阀位置和其中通过第二阀51的流体连通被关闭的第二阀位置。第一阀50和第二阀51两者都可以具有在第一阀位置与第二阀位置之间的中间位置，使得可以根据情况提供通过第一阀50或第二阀51的变化的流量。

另外，在该实施例中，第二阀单元20包括第一阀52，该第一阀52具有其中冷却装置10与部件12流体连接的第一阀位置和其中通过第一阀52的流体连通被关闭的第二阀位置，以及第二阀53，该第二阀53具有其中冷却装置10与第二变温区段15流体连接的第一阀位置和其中通过第二阀53的流体连通被关闭的第二阀位置。如上所述，第一阀52和第二阀53两者都可以具有在第一阀位置与第二阀位置之间的中间位置，使得可以根据情况提供通过第一阀52或第二阀53的变化的流量。

在一个实施例中，第一阀和第二阀操作性地连接，因此，例如当第一阀处于第一阀位置时，第二阀可以处于第二阀位置，反之亦然。

第一阀和第二阀可以是截止阀、双向阀或节流阀或类似的阀。

在图3-5中，冷却系统布局被呈现为仅具有单个冷却介质回路。然而，这种冷却系统设计可以有多种变型，其中一些最常见的是两个完全独立的冷却回路或两个联接的冷却回路。在第一个提到的冷却系统构型中，冷却介质将流经冷却装置的指定部分，例如总冷却面积的一半，然后被泵送到多个部件。同样，另一个冷却回路将通过冷却装置的剩余部分和剩余数量的部件。两个或多个联接的冷却回路的情况与分开的情况类似，但这里的冷却回路共用相同的冷却介质和泵送单元。然后冷却系统中的冷却介质的输送将减少到例如冷却装置的一半以及旁边的一些部件，然后返回到冷却装置的其余部分，最终返回到剩余的一些部件。在这些提到的情况下，变温装置可以如图4所示是一体的，但在冷却装置上游有两个第一变温区段并且在冷却装置下游有两个变温区段，以覆盖两个冷却回路或者可替代地安装两个冷却装置而不是一个。

根据本发明构思，与结合图2描述的示例、即现有技术解决方案相比，变温区段14、15将改变冷却系统中的温度。

例如，在图3-5中点1处的冷却介质温度为55℃。在第一变温区段14被启用并且冷却介质流被引导通过第一变温区段14的情况下，冷却介质吸收热能，这导致在点2处温度升高到例如65℃。在冷却介质例如通过与经过冷却装置10的风进行热交换而在点3处降温至例如50℃之后，第二阀20可以引导冷却介质流过第二变温区段15，在这里冷却介质的温度在点4处进一步降低至例如40℃。从这里开始，冷却介质在进入发热部件之前已达到期望的设计温度。

因此，在第一和第二变温区段14、15被启用的情况下，点1和4(部件12的出口和入口)处的冷却介质的温度保持与上述相同。这意味着通过将第一和第二变温区段14、15添加到冷却回路11，部件12不会发生任何条件变化。

此外，通过添加第一和第二变温区段14、15，冷却介质的温度在冷却系统110中改变，并且由于冷却介质在冷却装置10的入口中升温，冷却装置10能够维持所需的向周围环境散热。当风力涡轮机位于炎热气候中时，这恢复了冷却介质与环境条件之间所需的温差。

另外，启用冷却系统110中的第一和第二变温区段14、15的一般温度区间优选预期为：

点1：40-65℃

点2：45-80℃

点3：35-55℃

点4：30-50℃

点1处的温度可以是第一温度，点2处的温度可以是第二温度，点3处的温度可以是第三温度，点4处的温度可以是第四温度。

因此，第一温度可以在40-65℃之间，第二温度可以在45-80℃之间，第三温度可以在35-55℃之间，第四温度可以在30-50℃之间。

风力涡轮机冷却系统的总体目的是在点4处实现所需的温度，即在待冷却部件的进入点提供处于期望温度的冷却流体/冷却剂。

由于本发明具有不同的构型或模式，本发明具有多种益处并且可以解决风力涡轮机设计领域内的不同问题。

因此，通过实施本发明，可以在升高的环境空气温度下增强风力涡轮机的部件的冷却。另外，由于根据本发明的冷却系统的附加冷却能力，有可能增加风力涡轮机的兆瓦额定值，和/或增加风力涡轮机的功率密度，即收缩部件。

本发明源于这样的事实，即第一变温区段和第二变温区段以相对低的能量成本提供对冷却系统的额外冷却的通路。

如上所述，额外的冷却可以解决在高环境空气温度下的冷却问题，但即使在环境空气温度不是非常高的情况下，它也可以具有另外的优势。

通过增强或提高在这些情况下冷却风力涡轮机的能力，即使在具有高环境空气温度的不利温度条件下，本发明也确保了充分冷却。

本发明在待冷却部件不接受正常可接受温度范围内的冷却介质之外的任何事物并且不对冷却装置做任何改变或对冷却装置本身增加特征或设备的情况下提高了风力涡轮机的已有冷却系统的性能。

本发明通过将第一变温区段14和第二变温区段15集成到冷却回路11中来利用冷却介质与环境空气温度之间的前述温差的变化。

此外，本发明可以在环境空气温度不是非常高的情况下以不同的方式利用冷却系统110。现有的冷却系统可以提供通常系统运行所需的冷却量。如果此时提高第一变温区段14和第二变温区段15的冷却性能，则仍然会降低到达部件的冷却介质温度，这意味着允许在部件的工作温度回到在没有第一变温区段14和第二变温区段15的情况下的通常涡轮机运行的水平之前，更多的热量在部件中耗散。因此，例如，与对应于增加风力涡轮机的兆瓦额定值的平常情况相比，风力涡轮机的传动系统可以承受更大的负载以及由此带来的相应热负荷。

本发明的另一个优点与所谓的功率密度有关，功率密度是与其尺寸有关的部件的功率输出的量度并且将以单位MW/m³进行评估。在风力涡轮机的现有设计中，制造越来越大的风力涡轮机的趋势是明显的，并且多年来一直如此。然而，为了将机舱和机舱中的部件保持在可管理的尺寸和重量，风电行业希望随着风力涡轮机尺寸的增加而增加部件的功率密度。如上所述，如果在非临界环境空气温度的条件下启用第一变温区段14和第二变温区段15，则它仍然可以为发热部件产生进一步冷却的冷却介质。然而，如果风力涡轮机的负载保持不变，则关键部件的尺寸可以减小，从而也可以总体上降低风力涡轮机的成本。例如，如果发电机的铜绕组数量减少但通过它们的电流保持不变，则铜绕组的电阻增大。这将导致来自部件(即发电机)的更多废热，冷却系统必须将其去除。同样，由于本发明引入了增强的冷却，热负荷的增加不是问题。

此外，风力涡轮机系统设计中一个非常受欢迎的参数是冗余。这可确保风力涡轮机在关键部件发生故障时继续全负荷或部分负荷运行。在这种情况下，相同或备用部件将被启用而忽略不工作的部件。

通过将本发明集成到已有的冷却系统中也引入了冗余。在第一变温区段14和第二变温区段15偶尔发生故障的情况下或在维护期间，根据风力涡轮机的当前设计，涡轮机的结果将是正常运行。如果环境空气温度变得非常高，涡轮机将降低其功率输出并降低额定值以避免过热。换言之，风力涡轮机面临与没有本发明的当今设计相同的情况。

另外，例如，传动系统的最大负载将恢复到当今设计中设定的原始水平，并且兆瓦额定值也将恢复到默认值。

所有情况的共同点是风力涡轮机在第一变温区段14和第二变温区段15发生故障的情况下将继续运行。

本发明提供了改进的冷却性能，其具有一系列令人感兴趣的技术特色以及潜在的市场影响。

关于对温暖气候的增强冷却，未来几年将有很大一部分海上风力涡轮机架设在世界各地的温带或热带地区，例如中国台湾、中国大陆、巴西和美国。

海上风力涡轮机的尺寸和额定功率输出通常较大，但与体积较小且兆瓦额定值较低的陆上风力涡轮机相比销量较低。

在陆上市场，一些当前最大的市场(例如美国、巴西、印度和中国)和一些新的快速增长的市场(例如澳大利亚、墨西哥、中东和非洲)都拥有非常温暖的气候。因此，预计未来将在温暖气候的大陆上架设大量陆上涡轮机。

由此，本发明与未来的陆上和海上市场均高度相关。

此外，当集成到变温装置26中时，第一变温区段14和第二变温区段15可以在现有的风力涡轮机上进行改装。例如，变温装置26可以布置在机舱内部，如图3-5所示，然而，在另一个未示出的实施例中，变温装置26可以布置在机舱外部，或者例如布置在塔架中。

另外，发热部件优选地如图3-5所示布置在机舱内部，然而，在未示出的实施例中，部件可以布置在机舱外部、机舱和/或风力涡轮机附近，例如塔架上或塔架附近。

对于其中部件具有大约40℃的优选入口温度的一个实施例，考虑需要冷却的部件的散热效果与流过该部件的体积之间的比率。该比率依赖于冷却流体在例如40℃下考虑的恒定特性，冷却液可以是R718(水)。该比率被计算为用冷却流体/冷却剂的流量(升/分钟)去除冷却流体中的热损失(以kW为单位)。在使用R718作为冷却流体的一个实施例中，该比率可以等于或小于0.75[kW]/[L/min]。在使用混合或不同冷却流体的一个实施例中，该比率可以是0.5-1[kW]/[l/min]。

比率的使用示例：

部件——例如风力涡轮机的发电机——需要向冷却液消散400[kW]的热量。为了使冷却系统去除必要的热量，通过发电机的冷却流体的流量对于R718需要是通过400kW/0.75kW/l/min计算出的535L/min。应当理解，不同的冷却流体将引起不同的所需流量。

尽管上面已经结合本发明的优选实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离通过以下权利要求限定的本发明的情况下，可以想到多种改型。

Claims (16)

1.一种构造成冷却风力涡轮机(100)的部件(12)的风力涡轮机冷却系统(110)，所述风力涡轮机具有机舱(101)，所述风力涡轮机冷却系统(110)包括

-构造成在冷却回路(11)中循环的冷却介质，所述冷却回路(11)将所述部件(12)和冷却装置(10)流体连接，

-所述冷却装置(10)布置在所述机舱(101)的外表面上并且暴露于环境条件，例如所述机舱(101)外部的风流和环境空气温度，

-所述冷却介质在所述冷却装置(10)中由经过所述冷却装置(10)的风流冷却，

-所述冷却介质从所述冷却装置(10)循环到所述部件(12)，

其中，第一变温区段(14)在所述冷却装置(10)上游与冷却回路(11)流体连接，所述第一变温区段(14)构造成加热进入所述冷却装置(10)之前的所述冷却介质，并且

第二变温区段(15)在所述冷却装置(10)下游与冷却回路(11)流体连接，所述第二变温区段(15)构造成在所述冷却介质已离开所述冷却装置(10)之后冷却所述冷却介质。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，所述第一变温区段(14)和所述第二变温区段(15)被集成到变温装置(26)中。

3.根据权利要求1和/或2所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，所述第一变温区段(14)和所述第二变温区段(15)操作性地连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机冷却系统(110)，进一步包括构造成将所述部件与所述冷却装置(10)和/或所述第一变温区段(14)流体连接的第一阀单元(16)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机冷却系统(110)，进一步包括构造成将所述冷却装置(10)与所述部件和/或所述第二变温区段(15)流体连接的第二阀单元(20)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机冷却系统(110)，进一步包括用于测量环境空气温度的环境空气温度传感器(25)和/或构造成测量所述冷却装置下游的冷却介质的温度的第二温度传感器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机冷却系统(110)，进一步包括构造成测量所述部件(12)下游的冷却介质的温度的第一温度传感器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机冷却系统(110)，进一步包括控制单元(24)，所述控制单元(24)与所述第一变温区段(14)、所述第二变温区段(15)、所述环境空气温度传感器(25)、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一阀单元(16)和/或所述第二阀单元(20)操作性地连接。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，所述控制单元(24)构造成关于测定的环境空气温度改变所述冷却装置(10)上游的冷却介质的温度，使得所述冷却装置(10)上游的冷却介质温度高于环境空气温度。

10.根据权利要求2所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，所述变温装置(26)是制冷系统，例如制冷装置(27)。

11.根据权利要求2和/或10所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，温度水平对应于借助于压缩机(28)在所述变温装置(26)中提供的工作介质经历相变的压力水平。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，来自所述冷却装置(10)的冷却介质经由热交换器与所述第二变温区段(15)流体连接，使得所述冷却介质能够在它到达所述部件(12)之前被进一步冷却至较低温度。

13.根据权利要求11和/或12所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，所述第二变温区段(15)构造成通过将热量吸收于所述工作介质中来降低所述冷却介质的温度，并且所述变温装置(26)构造成将该热量输送和消散到所述变温装置(26)的第一变温区段(14)。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机冷却系统(110)，其中，来自所述部件(12)的冷却介质流体连接到所述第一变温区段(14)，在这里所述冷却介质经由热交换器在较高的温度下接收消散的能量，从而致使所述冷却介质在它到达所述冷却装置(10)之前升温。

15.一种借助于根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机冷却系统(110)来冷却风力涡轮机(100)的一个或多个部件(12)的冷却方法，包括：

-测量所述部件(12)下游的冷却介质的第一温度，

-使所述冷却装置(10)上游的冷却介质的温度升高至第二温度，

-使所述冷却装置(10)中的冷却介质的温度降低至第三温度，以及

-使所述冷却装置(10)下游的冷却介质的温度降低至低于所述第三温度的第四温度。

16.根据权利要求15所述的冷却方法，进一步包括：

-测量环境空气温度和/或所述冷却装置下游的冷却介质温度，

-关于测定的环境空气温度和/或所述冷却装置下游的冷却介质温度改变所述冷却装置(10)上游的冷却介质的第二温度，使得所述冷却介质的第二温度高于环境空气温度和/或所述冷却装置下游的冷却介质温度。

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