風力發電機冷卻系統結構的改進

彭榮輝+謝鵬

【摘 要】論文設計了采用礦井作為冷卻源的風力發電機冷卻系統結構。該系統結構是通過引風機將井下低溫空氣送到風力發電機的機身上進行風冷，相比于現有的空冷技術，不采用單獨的制冷裝置，只需與礦井的通風管道連通即可，實現了礦井與風力發電機冷卻系統的結合。

【Abstract】In this paper， the cooling system structure of the wind turbine is designed， which uses mine as the cooling source. This structure cods the air by sending low temperature air of underground to the body of wind turbine with induced draft fan.Comparing with the traditional air cooling technology， this method need not to set refrigeration device alone， only to connect the wind turbine with ventilation ducts in the mine， it realized the combination of mine and wind turbine.

【關鍵詞】巷道；冷卻；射流；熱交換

【Keywords】 roadway；cool down；jet flow；heat exchange

【中圖分類號】TM614；TF321.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）06-0160-02

1 引言

風能是可再生能源中發展最快的清潔能源，風力發電系統是最具有大規模開發前景的發電系統。風力發電機作為風力發電系統中的核心部件，其運行效率至關重要。為了有效降低風力發電機運行過程中產生的大量熱量，減少風力發電機的散熱功率損耗，需要對其進行有效冷卻。

現有的風力發電機普遍采用強制風冷卻或液冷冷卻的方式，但其所提供給電機的冷卻量有限，不能實現冷卻量的可控調節；若采用電制冷機組的形式給風力發電機提供冷卻量，耗電量增大，增加用電負荷，對電網的影響較大。

風力機采用蓄冷技術，是指采用蓄冷媒介，在電網負荷較低的時間段，采用電動制冷機制冷，把冷量存儲在蓄冷裝置中，并在電網負荷較高的時間段，將所存儲的冷量釋放出來，滿足建筑物或生產的需要。例如安科智慧城市技術（中國）有限公司與智慧城市信息技術有限公司聯合開發的《風力發電機冷卻系統》（專利號CN201220720193.4），使用過程中密封性要求高，結構復雜，維護成本高，而內蒙古與張北地區的晝夜溫差大，會造成該冷卻系統的損壞與泄露，所以該冷卻系統在中國內蒙古與張北地區并不適合。

我公司結合錫林郭勒盟地理環境、風力等因素，創造性的對井下巷道加以利用，將其作為風電場的熱交換井，通過風機將井下巷道的冷風源源不斷地提供給發電機或其他需要熱交換的設備。

2 設計方案

風力發電機的冷卻系統，見表1。其結構主要分為利用巷道內氣流冷卻系統與利用風力自冷卻系統兩個部分。將利用巷道內氣流冷卻系統與利用風力自冷卻系統組合應用，可以最大限度的提高冷卻效果。在冬天，通過利用巷道內氣流冷卻系統可以實現對發電機的預熱效果。

3 結構設計

風力發電機的冷卻系統分為利用巷道內氣流冷卻系統和利用風力自冷卻系統兩部分，如圖1所示。

1—發電機；2—地下進風口；3—中通風道；4—地下出風口；5—地下水；6—引風機；7—送風管；8—三通閥；9—螺旋盤管；10—排熱孔；11—外套體；12—導風罩；13—彈型護套；14—擺動支架；15—減速機；16—擺動電機；17—出風護罩。

本風力發電機的冷卻系統結構，摒棄了通過在發電機軸上安裝風葉冷卻的思路，提高了發電機軸的工作效率，降低了無用功損失。相對于冷卻技術手段，例如東方電氣（樂山）新能源設備有限公司設計的《2MW風力發電機冷卻系統》（專利CN201110123965.6），降低了對電能等的消耗，通過氣體流動理論與地面保溫原理，實現了持續提供冷源，從一定程度上緩解了廢舊礦井回填與再利用的棘手問題[1]。

根據礦井企業的巷道結構圖紙分析與實地考察，選擇夏天溫度為5～15℃且符合要求的巷道。如圖1所示，在巷道的一端設有與地面連通的地下進風口，地下進風口突出于地表，該地下進風口正沖著錫林郭勒盟地區的夏季風向（即該地下進風口朝向西北），從而便于在巷道內產生循環氣流，在巷道內最好存在著流動的淺層地下水，從而保證巷道內低溫恒定。通過鉆機打立井作為地下出風口，立井底部與巷道連通，地下出風口朝上，避免地表風流動給巷道內氣流循環造成影響。

在對巷道入口進行改造的時候，將其改造為喇叭口，其小端不小于巷道截面積，其大端截面積是小端截面積的3～5倍，從而產生“射流冷卻”現象，提高空氣流動速度，降低巷道內溫度。

在巷道內安裝有引風機，引風機的出口連接有送風管的進口。通過啟動引風機旋轉，將巷道中的冷空氣通過送風管送給纏繞在發電機機身上的兩組螺旋盤管。送風管出口以及螺旋盤管的進口通過三通閥連接。根據發電機各部位的發熱溫度測試，得到結果是機身中部溫度高于兩端，設計將兩組螺旋盤管位于送風管兩側，從而先對機身中部降溫，然后再對兩端降溫，實現均勻散熱[2]。

在實際使用中，為了最大限度使得導風罩口正沖著風向，設計了擺動電機。通過風向傳感器感應該地區的風向，擺動電機通過減速機帶動豎直設置的擺動支架擺動，擺動支架與導風罩固定連接，因此，擺動支架牽引導風罩擺動，使得引導風罩口盡量正沖著風向，其結構簡單，能耗低。

4 應用效果

通過啟動引風機，將巷道中的恒定冷空氣通過送風管輸送給螺旋盤管，最后通過排熱孔排出。根據風向標的指示，擺動電機通過擺動支架帶動引導風罩去尋找風向，從而利用自然風降溫。

以4MW風力發電機為例，改造后的冷卻系統相比改造前的傳統蓄冷技術，每年耗電量與維護成本僅為兩千元，節約了資金，實現了節能增效，同時解決了礦井的二次開發利用問題。

通過與錫林郭勒盟礦井企業合作，采用送風管道與礦井井下巷道連通，將井下的冷空氣輸送給發電機冷卻系統，實現熱交換，在一年多的試運行中，取得了良好的效果，實現了持續穩定的冷卻，在寒冷的冬天，還可以對待啟動的發電機起到防寒保溫的作用。

【參考文獻】

【1】 宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

【2】姚興佳.風力發電機組理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2013.