TWI515363B - 風力機機艙通風冷卻裝置及控制方法 - Google Patents

Description

風力機機艙通風冷卻裝置及控制方法

本發明係有關於一種通風冷卻裝置及控制方法，特別是指應用於風力機機艙的通風冷卻裝置及控制方法。

一般風力機於機艙內包含有機械及電氣零組件，如齒輪箱、發電機等，由於風力機在高負載的運轉過程中會產生熱(Heat spot)，因此，過熱是現有大型風力機故障的重要癥結所在；通常為了降低發熱體產生的熱，有接觸式與非接觸式二種散熱的處理方式，接觸式散熱是利用水或潤滑油，配合風扇來做達到散熱的功效，非接觸式散熱的方式如藉由空氣冷卻發熱體，惟二種散熱方式的效果均不甚理想。

換言之，一般風力機的齒輪箱潤滑冷卻系統，當齒輪箱內「潤滑油或軸承溫度」過高時，即啟動「齒輪箱潤滑冷卻系統」以風扇吹動空氣來冷卻潤滑油，惟其熱能仍會散佈在機艙內的空氣中；由此可知，機艙內空氣溫度過高大部份原因即在於「齒輪箱潤滑冷卻系統以風扇吹動空氣散熱於機艙內齒輪箱周遭」，以及「環境空氣溫度」過高所致，故亟待導入「補強式與預防式的適當節能機艙內空氣通風冷卻」來降低「機艙內空氣溫度」，以減少風力機故障的機率。

如上所述，目前風力機機艙通風冷卻缺乏「液冷式與氣冷式結合之完整性冷卻」及「補強式與預防式的適當節能方式使機艙內空氣得以通風冷卻」。相關技術如專利前案EP第2584195A1號專利案，便是利用風扇及液壓油透過管路元件(Duct part)等，經由液壓傳動(hydraulic transmission)之機艙冷卻(nacelle cooler) 及油冷卻(oil cooler)等方式進行機艙內通風冷卻，冷卻效果雖略有改善，但仍有熱能會傳到機艙內空氣中影響零組件，也就是該前案同樣缺乏「補強式與預防式適當節能方式使機艙內空氣得以通風冷卻」設計，且未配置經空氣過濾器過濾雜質或水氣後進行機艙內通風冷卻及模組化，以及無防水設計等結構。

對於前述現有風力機市場的冷卻通風等技術亟需改善的問題，即風力機機艙通風冷卻效益差、耗能與無補強及預防功能，無通風冷卻空氣過濾及模組化與維修性不易、無通風冷卻空氣正負壓特性配置、無迎風導風進氣及防水不佳等缺點。本創作發明人乃結合了液冷式與氣冷式的理念，以及流體力學熱傳原理，研發導入「補強式與預防式的適當節能方式使機艙內空氣得以通風冷卻」的設計及控制方法，利用進氣、排氣經由進、排氣導管藉由空氣過濾器過濾雜質及水氣後，進行機艙內空氣通風冷卻及模組化，使風力機易於維修，並利用熱傳與空氣正負壓的特性在機艙兩側底部及機艙尾端上部配置、迎風導風進氣、自然及強制排氣功能來達到良好的通風冷卻效果，同時防水設計配置的技術手段，提供解決現有風力機機艙內空氣通風冷卻技術的需求問題。

本發明的目的在於導入「補強式與預防式的適當節能方式使機艙內空氣得以通風冷卻」的結構設計，結合液冷卻與氣冷卻使冷卻效果更佳，以解決風力機機艙內空氣通風冷卻效益差且耗能與無補強及預防功能、無通風冷卻空氣過濾及模組化與維修性不佳、無通風冷卻空氣正負壓配置、無迎風導風進氣及防水不佳而故障率高、維運成本高等問題，本發明可降低既有風力機的故障率、維運成本進而提高風力機發電營運效益。

為了達成上述的目的，本發明提供的風力機機艙通風冷卻裝置，包含：複數個自然進氣通風冷卻模組，係配置於機艙兩側底部遠離輪轂側；複數個自然排氣通風冷卻模組，係配置於機艙尾端上部兩側；複數個進氣風扇強制通風冷卻模組，係配置於機艙兩側底部靠近輪轂側；一排氣風扇強制通風冷卻模組，係配置於 機艙尾端上部中央；一控制器，係配置於控制箱內；以及一空氣溫度感測器，係配置於控制箱外。

本發明的風力機機艙通風冷卻控制方法，係利用空氣溫度感測類比訊號回饋至機艙內原風力機控制箱I/O模組及PLC控制方式，進行節能兼顧功能設計及控制。該控制器與風力機機艙內控制箱控制結合進行通風冷卻控制；其控制模式包含：一自然通風冷卻方式運轉；一自然通風冷卻及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉；一自然通風冷卻及排氣風扇強制通風冷卻及進氣風扇強制通風冷卻方式運轉；一自然通風冷卻及進氣風扇強制通風冷卻及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉。

因此，本發明具有以下的的功效和目的：

1.可因應實際空氣溫度狀況作最適當節能、補強及預防性控制之更佳機艙通風冷卻效果。

2.具有良好的空氣過濾功能及模組化與維修設計，增加電控元件使用壽命及減少維運成本。

3.可因應需求彈性配置多組自然進氣或排氣通風冷卻，可提高風力機機艙內部空氣之通風冷卻能力，故可提高其通風冷卻功能，減少電控元件熱氣過於集中過熱且降低故障率。

4.利用熱傳與空氣正負壓、迎風導風進氣及防水特性設計配置，可提高通風冷卻效益及機艙內電控元件使用壽命及減少維運成本。

10‧‧‧自然進氣通風冷卻模組

11‧‧‧進氣風扇強制通風冷卻模組

12‧‧‧進氣導風管

13‧‧‧進氣座

14‧‧‧進氣風扇

15‧‧‧自然進氣通風板

121‧‧‧導風凸緣

122‧‧‧錐形導風管

123‧‧‧進氣口

20‧‧‧自然排氣通風冷卻模組

21‧‧‧排氣風扇強制通風冷卻模組

22‧‧‧排氣導風管

221‧‧‧排氣口

23‧‧‧排氣座

24‧‧‧排氣風扇

25‧‧‧自然排氣通風板

26‧‧‧排水孔

27‧‧‧防水擋板

50‧‧‧控制箱

60‧‧‧空氣溫度感測器

70‧‧‧齒輪箱

80‧‧‧主軸軸承

90‧‧‧迎風轉向裝置

100‧‧‧機艙

101‧‧‧自然進氣導管

110‧‧‧發電機

111‧‧‧風扇進氣導管

140‧‧‧輪轂

150‧‧‧空氣過濾器

200‧‧‧塔架

300‧‧‧葉片

x℃‧‧‧45℃~55℃

y℃‧‧‧35℃~45℃

第1圖 本發明與風力機組合的結構示意圖。

第2圖 本發明通風冷卻系統配置圖。

第3圖 本發明通風冷卻系統進氣模組細部結構圖。

第4圖 本發明通風冷卻系統排氣模組細部結構圖。

第5圖 本發明通風冷卻系統排氣模組冷卻防水的構造圖。

第6圖 本發明通風冷卻系統排氣模組冷卻防水細部構造圖。

第7圖 本發明通風冷卻硬體控制流程方塊圖。

為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，以下實施例特將本發明之系統的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得 審查委員可以了解本發明之特點。

一般風力機的結構如圖式第1、2圖中所示，包含機艙100、輪轂140、塔架200、葉片300，機艙100內設置有齒輪箱70、主軸軸承80、迎風轉向裝置90及發電機110等元件。再如圖式第1、2圖，係有關本發明通風冷卻系統於風力機的組合結構及系統配置圖。其中，風力機主要包括包含複數個自然進氣通風冷卻模組10、複數個自然排氣通風冷卻模組20、複數個進氣風扇強制通風冷卻模組11、一排氣風扇強制通風冷卻模組21、一設置於控制箱50內的控制器及一空氣溫度感測器60。

如圖式第3圖所示，該複數個自然進氣通風冷卻模組10，包含複數個自然進氣導管101、複數個自然進氣通風板15；該複數個自然進氣導管101結合於進氣導風管12，該進氣導風管12具有導風凸緣121及錐形導風管122，並鎖定於機艙100各進氣口123；該複數個自然進氣通風冷卻模組10，更可包含複數個空氣過濾器150，各空氣過濾器150係配置於自然進氣導管101及自然進氣通風板15間。

再如圖式第4圖所示，該複數個自然排氣通風冷卻模組20，包含複數個排氣導風管22及複數個自然排氣通風板25；該複數個排氣導風管22傾斜朝下結合於機艙100尾端上部，具有防水擋板27及排水孔26(如第6圖中所示)，並鎖定於機艙100各排氣口221；該複數個自然排氣通風冷卻模組20更包含複數個空氣過濾器150，各空氣過濾器150係配置於排氣導風管22及自然排氣通風板25間。

請再參閱圖式第3圖，各進氣風扇強制通風冷卻模組11，包含一風扇進氣導管111、一進氣風扇14及一進氣座13；該風扇進氣導管111結合於進氣導風管12，該進氣導風管12具有導風凸緣121及錐形導風管122，並鎖定於機艙100進氣口；該進氣風扇強制通風冷卻模組11，更包含一空氣過濾器150，該空氣過濾器150配置於風扇進氣導管111及進氣風扇14間；該進氣座13係配置於機艙100內側。

又如圖式第4圖所示，該排氣風扇強制通風冷卻模組21，包含一排氣導風管22、一排氣風扇24及一排氣座23；該排氣導風管22傾斜朝下結合於機艙100尾端上部，具有防水擋板27及排水孔26(見第6圖)，並鎖定於機艙100中央位置的排氣口221；該排氣風扇強制通風冷卻模組21更包含一空氣過濾器150、該空氣過濾器150係配置於該排氣導風管22及排氣風扇24間；該排氣座23係配置於機艙100內側。

請再參閱第1圖，該空氣溫度感測器60係配置於控制箱50外，與原有的風力機控制系統及本發明的控制器結合控制。該控制器(圖中未標示)係配置於控制箱50內，與原有的風力機控制系統結合控制。

第7圖係有關本發明風力機機艙通風冷卻控制方法，係利用空氣溫度感測器60感測類比訊號，並將該感測類比訊號回饋至機艙100內，利用原風力機控制箱50的I/O模組及PLC控制方式，進行節能兼顧通風冷卻功能設計及控制，以下列所述的四種方式運轉，茲分別說明如下： 當處於自然通風冷卻運轉的狀態下，風力機機艙空氣溫度如大於x℃，則以自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉，否則僅需自然通風冷卻運轉即可。

當以自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉下，空氣溫度如大於x℃，則以自然通風冷卻及排氣風扇強制通風冷卻方式及進氣風扇強制通風冷卻運轉，否則僅需以自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉即可。

如以自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式及進氣風扇強制通風冷卻方式運轉下，空氣溫度如大於x℃，則需立即停機檢修，否則維持以自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式及進氣風扇強制通風冷卻方式運轉即可；空氣溫度如小於x℃且小於y℃持續1小時，即「關閉進氣風扇強制通風冷卻方式運轉」；此時空氣溫度如亦小於x℃且小於y℃持續1小時，即再「關閉排氣風扇強制通風冷卻方式運轉」，僅需自然通風冷卻方式 運轉即可；如以自然通風冷卻方式及進氣風扇強制通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉下，空氣溫度如大於x℃，則需立即停機檢修，否則僅需以自然通風冷卻方式及進氣風扇強制通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻運轉即可；空氣溫度如小於x℃且小於y℃持續1小時，即「關閉排氣風扇強制通風冷卻方式運轉」；此時空氣溫度如亦小於x℃且小於y℃持續1小時，即再「關閉進氣風扇強制通風冷卻方式運轉」，僅需自然通風冷卻運轉即可。

以上所述的空氣溫度x℃為設定於45℃~55℃之間的任一溫度，空氣溫度y℃為設定於35℃~45℃之間的任一溫度。於一較佳實施例中，x以50℃為最適溫度，空氣溫度y以40℃為最適溫度。

綜上所述，本發明利用熱傳原理與空氣正負壓特性在機艙兩側底部及機艙尾端上部配置、迎風導進氣、進排氣功能增加通風冷卻效果，同時進行防水設計配置。該複數個自然進氣通風冷卻模組10及一進氣風扇強制通風冷卻模組11配置於機艙100兩側底部；該複數個自然排氣通風冷卻模組20及一排氣風扇強制通風冷卻模組21，則配置於機艙100尾端上部。該進氣導風管12進氣口朝迎風向防水設計配置；該排氣導風管22排氣口亦傾斜朝下防水設計配置，包含一防水擋板27及一排水孔26；本發明可因應實際需求彈性配置多組自然進氣或排氣通風冷卻模組，以提高風力機機艙內部空氣之通風冷卻能力，強化風力機的通風冷卻功能，減少電控元件熱氣過熱並降低故障率，同時提高通風冷卻效益及機艙內電控元件使用壽命，減少維護運轉成本並增加發電效益。

再者，本發明利用進排氣經由進排氣導風管藉由空氣過濾器過濾雜質及水氣，所有空氣過濾器均模組化，並配置於機艙內易於更換處；該自然進氣通風板與自然排氣通風板亦模組化，具複數個通風孔兼具安全與通風冷卻功能；該進氣及排氣風扇配置亦皆易於更換維修。

上述實施例僅為例示性說明本發明之技術特徵及功效，而非用於限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之權利範圍內。

10‧‧‧自然進氣通風冷卻模組

11‧‧‧進氣風扇強制通風冷卻模組

12‧‧‧進氣導風管

20‧‧‧自然排氣通風冷卻模組

21‧‧‧排氣風扇強制通風冷卻模組

22‧‧‧排氣導風管

50‧‧‧控制箱

70‧‧‧齒輪箱

80‧‧‧主軸軸承

90‧‧‧迎風轉向裝置

100‧‧‧機艙

110‧‧‧發電機

140‧‧‧輪轂

200‧‧‧塔架

300‧‧‧葉片

Claims (18)

1. 一種風力機機艙通風冷卻裝置，其包含：複數個自然進氣通風冷卻模組，係配置於機艙兩側底部遠離輪轂側，包含複數個自然進氣導管、一進氣導風管、複數個自然進氣通風板；該複數個自然進氣導管結合並配置於該進氣導風管之上方；複數個自然排氣通風冷卻模組，係配置於機艙尾端上部兩側，包含複數個排氣導風管、複數個自然排氣通風板；複數個進氣風扇強制通風冷卻模組，係配置於機艙兩側底部靠近輪轂側，包含一風扇進氣導管、一進氣風扇及一進氣座；一排氣風扇強制通風冷卻模組，係配置於機艙尾端上部中央，包含一排氣導風管、一排氣風扇及一排氣座；一控制器，係配置於一控制箱內，該控制箱係設置於機艙內；以及一空氣溫度感測器，係配置於控制箱外。
2. 如申請專利範圍第1項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該複數個自然進氣導管結合於進氣導風管具有導風凸緣及錐形導風管，其係固接設置在機艙兩側底部遠離輪轂側的各進氣口。
3. 如申請專利範圍第2項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該複數個自然進氣通風冷卻模組，更可包含複數個空氣過濾器，該複數個空氣過濾器，配置於該數個自然進氣導管及該複數個自然進氣通風板間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該複數個自然進氣通風板具有複數個通風孔。
5. 如申請專利範圍第1項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該複數個自然排氣通風冷卻模組的各該排氣導風管傾斜朝下結合於機艙尾端上部，具有防水擋板及排水孔，其係固接於設置在機艙尾端上部兩側的各排氣口。
6. 如申請專利範圍第5項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該複數個自然排氣通風冷卻模組，更包含複數個空氣過濾器，該複數個空氣過濾器，配置於該複數個排氣導風管及該複數個自然排氣通風板間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該複數個自然排氣通風板，具有複數個通風孔。
8. 如申請專利範圍第1項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，各該進氣風扇強制通風冷卻模組的該風扇進氣導管結合於進氣導風管具有導風凸緣及錐形導風管，其係固接於設置在機艙兩側底部靠近輪轂側的各進氣口；該進氣座係配置於機艙內側。
9. 如申請專利範圍第8項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，各該複數個進氣風扇強制通風冷卻模組，更包含一空氣過濾器，該空氣過濾器，配置於該風扇進氣導管及該進氣風扇間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該排氣風扇強制通風冷卻模組的該排氣導風管傾斜朝下結合於機艙尾端上部，具有防水擋板及排水孔，其係固接於設置在機艙尾端上部中央的一排氣口；該排氣座係配置於機艙內側。
11. 如申請專利範圍第10項所述之風力機機艙通風冷卻裝置，其中，該排氣風扇強制通風冷卻模組，更包含一空氣過濾器，該空氣過濾器，配置於該風扇排氣導風管及該排氣風扇間。
12. 一種具有如申請專利範圍第1項所述風力機機艙通風冷卻裝置的通風冷卻控制方法，包含下列的運轉方式：一自然通風冷卻方式運轉；一自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式運轉；以及一自然通風冷卻方式及排氣風扇強制通風冷卻方式及進氣風扇強制通風冷卻方式運轉；藉由一空氣溫度感測器感測類比訊號回饋至機艙內該風力機 控制箱I/O模組以PLC控制方式，選擇前述運轉方式中的一種方式進行運轉。
13. 如申請專利範圍第12項所述之通風冷卻控制方法，其中，當以該自然通風冷卻方式運轉時，空氣溫度如大於x℃，則以該自然通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式運轉，否則僅需以自然通風冷卻方式運轉；x設定為45℃~55℃間任一溫度。
14. 如申請專利範圍第13項所述之通風冷卻控制方法，其中，該空氣溫度以50℃為最佳。
15. 如申請專利範圍第13項所述之通風冷卻控制方法，其中，當以該自然通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式運轉時，空氣溫度如大於x℃，則以該自然通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式及該進氣風扇強制通風冷卻方式運轉，否則，以該自然通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式運轉；空氣溫度如小於x℃且小於y℃持續1小時時，關閉該排氣風扇強制通風冷卻運轉，僅以該自然通風冷卻方式運轉；x設定為45℃~55℃間任一溫度；y設定為35℃~45℃間任一溫度。
16. 如申請專利範圍第15項所述之通風冷卻控制方法，其中，該空氣溫度x以50℃為最佳；該空氣溫度y以40℃為最佳。
17. 如申請專利範圍第15項所述之通風冷卻控制方法，其中，當以該自然通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式及該進氣風扇強制通風冷卻方式運轉下，空氣溫度如大於x℃，則需立即停機檢修，否則以該自然通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式及該排氣風扇強制通風冷卻方式運轉；空氣溫度如小於x℃且小於y℃持續1小時時，關閉該進氣風扇強制通風冷卻方式運轉；空氣溫度如亦小於x℃且小於y℃持續1小時，再關閉排氣風扇強制通風冷卻方式運轉，以該自然通風冷卻方式運轉；x設定為45℃~55℃間任一溫度；y設定為35℃~45℃間任一溫度。
18. 如申請專利範圍第17項所述之通風冷卻控制方法，其中，該空氣溫度x以50℃為最佳；該空氣溫度y以40℃為最佳。