大功率風力發電機組冷卻系統研究

秦基偉

摘要：目前，風力驅動發電機中的機組向著容量更大、性能更穩定等方向快速發展，風力驅動發電機的各大主要部件的機組散熱問題逐漸發展成為業內廣泛關注的一個焦點。本文首先對目前風力發電的散熱原理與機組結構問題進行了詳細簡述，分析了風力驅動發電機在實際運行中的過程中機組熱量擴散產生的主要部件，主要重點介紹和分析了目前風力發電機中幾種常見的散熱冷卻系統，并且介紹和分析了各種冷卻系統的利弊。

關鍵詞;風力發電機組;冷卻系統

1.前言

當今的我國風力發電機組向著單機最大容量方向持續不斷發展，葉片更加長，塔筒更加高，機艙更大的方向發展。而由于風力渦輪發電機的平均單機散熱容量的逐步不斷增大，會直接影響導致風力發電機組的齒輪箱，變頻器等各大類零部件平均散熱量的大幅度增加，如何有效率地降低這些主要的零部件的升溫散熱，已逐漸成為大型風力發電器和機組最大的技術問題之一。針對目前的技術研究發展現狀，本文詳細性地介紹了幾種不同類型中的風力發電機組的冷卻系統。

2.冷卻系統的介紹

冷卻系統顧名思義，它的主要工作任務就是將風力發電機組自身產生的多余熱量及時地釋放到外界的環境中排出去，確保整個大功率大型風力發電站和機組的安全和高效，能夠正常的運行。冷卻系統主要包括一般由空冷冷卻系統與液冷系統兩個大部分，這兩大冷卻系統相互交錯、協同運行。其中，空冷這一類冷卻系統主要負責風力發電機組和機組的快速冷卻，而水冷冷卻系統主要負責風力發電機組和變頻柜的快速冷卻，溫度稍微升高后啟動冷卻系統開始運行，對風力發電機組進行快速冷卻，而后在溫度降低后停止冷卻系統運行結束，等待著下一輪的冷卻循環。

3.大功率風力發電機組冷卻方式

由于大型風力發電站在機組內的散熱量主要來自發電機艙內的各個散熱組件，因此，對發電機組內部成員的整體冷卻散熱方式主要取決于發電機組所需要選用的散熱設備組件類型、散熱量值的大小和各個組件成員在發電機艙內部的所在位置等多個因素。目前用于運行大型風力發電站的機組普遍需要采用低壓強制循環風冷和液冷的兩種冷卻散熱方式，這就是我們所謂的空冷冷卻系統和液冷冷卻系統;其中，對于中大型中等功率的風力發電機組則通常需要分別采用低壓強制循環風冷和高壓循環液冷兩種協同組合作用的冷卻方式，才能滿足機組冷卻量的要求。

3.1空冷方式

空冷冷卻方式通常是指通過使用壓縮空氣將整個風力發電廠的機組通風直接通風進行冷熱交換所能夠實現的一種制冷效果，其大致分為二種制冷方法，一個方式是自然通風制冷，另一種方法是強制風冷。所謂自然通風冷卻是指在風力機組中不需設置一個強制冷卻的通氣裝置，機組內部暴露于組內空氣中，由空氣自然通風流通將機組熱能直接帶走;所謂強制風冷方式是指在沒有自然通風無法充分滿足機組冷卻需求的特殊情況下，通過設置強制風扇，使用強制風扇對整個風力發電廠的機組內各個散熱部件設備進行通風強制冷卻，從而可以達到好的冷卻效果。

3.2液冷方式

液冷方式是指利用液體與機組零件之間的熱傳遞，不同的液體冷卻介質可用來對不同的液體熱量傳遞情況從而進行冷卻，目前，液冷冷卻系統中常用的冷卻液體介質主要有醇化水和乙二醇水溶液，而乙二醇的水溶液與其他水和醇相比，具有更好的化學防凍性和防冷卻的特性，且通過其中添加特殊的化學穩定性和化學防腐劑等可使其熱量的傳遞性能與醇水相當。總之，液冷就是通過液體與部件之間的接觸發生熱傳遞使得風力發電機組內各個零件降溫從而達到冷卻效果。

4.大功率風力發電機組冷卻系統

4.1空—空冷卻系統

空—空冷卻方式一般是一種指通過利用風中空氣產生風力而使發電機組的設備可以進行直接的氣體熱量空氣交換而可以達到冷卻，其效果一般，分為以下兩類：一類是空氣自然通風冷卻，一類的則是空氣強制風冷。空—空冷卻系統應用在小型的風力機組的冷卻系統中。它具有其構造簡易、操作費用低廉，有利于能源管理和日常保養等一系列優勢。但是，該種方法冷卻效果通常受溫度變化影響相當大，質量效率低。同時，因為事故機房內必須長期保持通風，造成過多風沙和大量降雨容易腐蝕內部機房的零部件，所以正在逐漸被替代。

4.2液—空冷卻系統

液—空冷卻系統原理方式主要用途是一種廣泛用于設備自身產生的熱量快速冷卻。目前，風力發電機組的主要大型動力發電齒輪箱均已采取液—空冷卻的主要方法。液—空的主冷卻系統原理與空—空制冷系統原理及介質相同，液—空制冷系統的主冷介質和換熱器與空—空制冷系統有所不同，液—空冷卻系統的冷介質是液態，主要為潤滑油和防凍液。目前防凍液主要是乙二醇水溶液，與水相比乙二醇水溶液具有更好的防凍特性，且通過添加穩定劑、防腐劑等方式還可使其換熱性能與水相當，能夠滿足低溫機組的使用要求。

4.3空—液—空冷卻方式

目前，隨著我國風力發電中的機組散熱設備中的單機發熱容量的不斷增加，散熱量也在不斷隨之而上升，如果想要繼續選取采用空—空冷卻系統的這種方式進行冷卻風力發電機組，那么就要額外增加一個空氣式制冷器的最大排風量，此時也就會大大程度增加風力發電機組的機器體積和設備重量。所以又重新研究開發出了另一種空氣冷卻系統方式，那就是更為緊湊和更加高效的空—液—空蒸氣冷卻系統，這個冷卻系統無疑可說是目前進行整個發電機組熱冰凍冷卻的最佳選擇方式之一，空—液—空冷卻系統主要目的是由相對獨立的兩套的冷卻系統共同設計組成的。目前，大部分小型機和大功率空葉系統發電機組都普遍選擇采用的冷卻系統方式是空—液—空冷卻方式。

5.結語

目前，常用的大型風力散熱發電機組按其冷卻技術可分為空冷散熱冷卻和液傳熱熱冷卻。一般對于功率比較小的小型風力發電廠的機組都會采用自然通風，中型風力發電機組會采用強制冷風，大型的機組多半會采用液冷散熱冷卻，各種制冷技術通過具體機組使用的區域范圍所限而采用不同的機組散熱冷卻技術，但不同的冷卻方式散熱量還是有所不同的。但總體而言，空冷冷卻技術已經基本無法完全滿足未來大中功率重型風力發電機的高效冷卻系統需求，液冷冷卻技術及其他高效率的冷卻技術仍將是目前大中功率重型風力發電機高效冷卻系統技術的主要研究發展方向。

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