具有使用外界空气的塔气候适应系统的风力涡轮的制造方法
【专利摘要】一种风力涡轮机（1）包括：塔（100），所述塔具有上部（4）、中部（6）和下部（8）并且所述塔的中部和下部形成塔的基部（9）；位于所述塔的中部的废热产生设备（14）以及冷却装置（16），所述冷却装置（16）具有至少一个形成在所述塔中的冷却装置入口（22）以便将所述塔周围的外界空气（10）引入到所述塔中，其中，所述冷却装置（16）适于将外界空气从所述冷却装置入口（22）或每个所述冷却装置入口（22）引导到所述塔的下部（8）中，使得外界空气能够朝向所述塔的中部（6）和上部（4）上升，并同时对所述废热产生装置（14）进行冷却，其特征在于，所述冷却装置入口（22）或每个所述冷却装置入口（22）位于所述塔（100）的上部（4）中。
【专利说明】具有使用外界空气的塔气候适应系统的风力涡轮机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包括塔的风力涡轮机，所述塔具有上部、中部和下部，所述塔的中部和下部形成塔的基部；废热产生设备位于塔的中部，并且具有至少一个形成在塔中的冷却装置入口的冷却装置以便将塔周围的外界空气引入到塔中，其中所述冷却装置适于将外界空气从冷却装置入口或每个冷却装置入口弓丨导到塔的下部中，使得外界空气能够朝向塔的中部和上部上升，并同时对废热产生装置进行冷却。
【背景技术】
[0002]这种风力涡轮机从例如W02010/015674A2中已知。这种类型的风力涡轮机(即，使用外界空气来对塔中的废热产生设备进行冷却)不能很好地适用于特定的环境，并且尤其不能适应外界空气非常潮湿并且含盐的环境(例如，海洋环境)。在这样的环境中，作为外界空气的一部分进入到塔中的湿气和盐分导致塔内的腐蚀以及使风力涡轮机故障的相应的风险。
[0003]为了解决这一问题，W02010/015674A2提出使用附加的过滤器、加热器、除湿器以及类似装置，或甚至使用具有热交换器的两个单独的空气回路。
[0004]但是，W02010/015674A2论述的解决方案复杂、昂贵且消耗大量能源。
[0005]W02010/142263A2公开了一种以冷却流的再循环为特征的风力涡轮机。
[0006]EP1736 665A2公开了一种具有除湿器的风力涡轮机塔，所述除湿器具有贯穿塔壁的入口和出口。所述入口和出口用于引导再生气流形式的再生空气穿过除湿器。塔中的空气以与再生气流分离的处理气流的方式循环。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，因此本发明的目的在于提供一种具有使用外界空气的冷却装置的风力涡轮机；所述冷却装置在尤其适用于海洋环境的同时，仍然简单、廉价并且能耗低。
[0008]通过如上所介绍的风力涡轮机达到上述目的，其特征在于空气冷却装置入口或每个空气冷却装置入口位于塔的上部。
[0009]通过将所述或每个用于外界空气的入口布置在所述塔的上部，空气冷却装置吸入水含量和盐含量低的外界空气，从而使得外界空气在能够被用于冷却之前无需经过复杂的处理。因此本发明的冷却装置可不具有极其复杂的空气处理元件并且保持简单。
[0010]本发明尤其基于下述环境考虑:在典型的海洋环境中，外界空气的湿度和盐分不均匀但是随着到海平面的距离的增加而显著地减小。在具有高度大约100米的典型塔的海洋风力涡轮机中，所述塔上部周围的外界空气足够远离海洋，该外界空气可以在不进行复杂的预处理的情况下被用于冷却，尤其不用进行耗能的除湿。
[0011]根据优选实施例，本发明的风力涡轮机具有一个或多个独立的下述特征或这些特征的所有技术可行的组合:
[0012]-废热散发装置，所述废热散发装置具有第一设置；在所述第一设置中，所述废热散发装置调节成从所述废热产生设备提取废热并且将所提取的废热排放到所述塔的基部中；
[0013]-所述第一设置是循环设置；在所述循环设置中，位于所述塔的基部中的内部空气被吸入至所述废热散发装置中，废热转移给所述被吸入的空气，并且随后被加热的空气被排回至所述塔的基部；
[0014]-所述废热散发装置具有第二设置；在所述第二设置中，所述废热散发装置调节成从所述废热产生设备提取废热并且将所提取的废热排放到所述风力涡轮机周围的环境中；
[0015]-所述第二设置是吞吐设置；在所述吞吐设置中，所述塔的外部的空气被吸入至所述废热散发装置中，废热转移给所述被吸入的空气，并且随后被加热的空气被排回至外部;
[0016]-所述废热散发装置包括:
[0017]a)引入部，所述引入部具有内部空气入口和外部空气入口 ；
[0018]b)排放部，所述排放部具有内部空气出口和外部空气出口 ；以及
[0019]c)切换装置，所述切换装置用于使所述废热散发装置在以下两种设置之间切换，所述两种设置即:
[0020]i )循环设置，其中，所述内部空气入口与所述内部空气出口流体连通；以及
[0021]ii)吞吐设置，其中，所述外部空气入口与所述外部空气出口流体连通；
[0022]-所述切换装置是一对关闭器，一个关闭器布置在所述引入部中以便选择性地关闭所述内部空气入口或所述外部空气入口，并且另一关闭器布置在排放部中以便选择性地关闭所述内部空气出口或所述外部空气出口；
[0023]-所述废热产生设备包括变压器，所述废热散发装置适于冷却所述变压器；
[0024]-传感器组件，所述传感器组件用于监控所述风力涡轮机塔内部和/或外部的空气参数，特别是空气温度和相对空气湿度；
[0025]-空气调节控制器，所述空气调节控制器适于接收来自所述传感器组件的传感器读数并且适于通过控制所述冷却装置和/或所述废热散发装置将所述风力涡轮机塔内部的空气参数维持在预定的范围内；
[0026]-所述风力涡轮机是海上风力涡轮机；
[0027]-所述塔的上部位于海浪区域的上方；
[0028]-所述塔的上部的下端位于海平面或地平面上方至少30米处；
[0029]-所述冷却装置具有用于处理外界空气的空气处理单元，所述空气处理单元具有用于外界空气的单个引入口以及用于已处理的外界空气的两个出口，优选地，所述空气处理单元的每个出口包括可控制的风扇；
[0030]本发明还涉及一种用于调节风力涡轮机的塔内部的空气的方法，所述方法包括下述步骤:
[0031]将所述塔的上部周围的外界空气引入到所述塔中；以及
[0032]将所引入的外界空气引导到所述塔的下部中，使得所引入的外界空气随后能够在所述塔内上升。
[0033]优选地，所述风力涡轮机具有具有位于其塔的内部的废热产生设备，并且所述方法进一步包括根据所述风力涡轮机的塔内部的当前气候通过下述两种方法中任一种来散发所述废热产生设备所产生的废热的步骤，所述两种方法为:
[0034]i )将所述废热转移至所述风力涡轮机的塔的内部的空气中，或
[0035]ii)将所述废热排放到所述风力涡轮机周围的环境中。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]参考附图阅读对本发明的非限制性示例的下述说明，将更好地理解本发明，其中:
[0037]图1为贯穿根据本发明的处于第一工作模式的风力涡轮机的优选实施例的局部纵剖面；
[0038]图2示出图1的风力涡轮机处于第二工作模式。
【具体实施方式】
[0039]参考图1，图1示出风力涡轮机I的局部纵剖面。
[0040]风力涡轮机I处于环境2中，环境2在本实施例中为海洋环境。因此，图中所示的风力涡轮机I是海上风力涡轮机。风力涡轮机I周围的海洋用附图标记S指示。海洋S限定海平面L。在海平面L之上有海浪区域Z，所述海浪区域Z具有上端3和高度H。海浪区域Z不仅包括波浪可能上涨的溅射水区(所述溅射水区通常终止于海平面L之上10米)，还进一步向上延伸至散落的水滴能够到达的高度。因此海浪区域Z具有大浓度的散落的水滴。海浪区域Z的典型高度H大约为海平面L之上30米。
[0041]风力涡轮机I包括废热产生设备14，例如变压器。
[0042]风力涡轮机I还具有塔100，所述塔具有拥有下端5的上部4、中部6和拥有上端7的下部8。塔的下部8和中部6形成塔的基部9。
[0043]塔的上部4被限定为:塔的位于海浪区域Z之上的部分。因此塔100的上部4的下端5和海浪区域Z的上端3重合。
[0044]塔的中部6被限定为:塔的容置废热产生设备14的部分。
[0045]塔的下部8被限定为:塔的位于废热产生设备14下方的部分。
[0046]塔的上部4周围的上部外界空气的附图标记为10。塔的基部9周围的下部外界空气(同时也是海浪区域Z内的外界空气)的附图标记为12。
[0047]下部外界空气12具有较高的含盐量和含水量，而海浪区域Z之上的上部外界空气10的含盐量和含水量基本较低。
[0048]风力涡轮机I装备有塔气候适应系统。所述塔气候适应系统包括冷却装置16、废热散发装置18、传感器组件80，90以及空气调接控制器21。
[0049]冷却装置16包括:
[0050]-至少一个形成在塔的上部4中的冷却装置入口22，所述冷却装置入口 22用于将塔周围的上部外界空气10引入至塔中；
[0051]-用于处理上部外界空气10的空气处理单元20，所述空气处理单元具有用于上部外界空气的引入口 24以及至少一个用于已处理的上部外界空气的出口 26 ;以及
[0052]-空气引导元件28(例如，管道系统)，所述空气引导元件28用于引导来上部外界空气10从冷却装置入口 22穿过空气处理单元20进入塔100的下部8。
[0053]优选地，空气处理单元20包括一个或多个过滤器32和可控制的风扇34。
[0054]在一个实施例中(未示出)，空气处理单元20具有单独一个用于上部外界空气10的引入口 24以及两个用于已处理的上部外界空气10的出口 26，空气处理单元20的两个出口 26中的每个都包括可控制的风扇34。在这一实施例中，管道系统28包括两路并行的管道，这两路并行的管道以两路单独的气流的形式将已处理的空气从空气处理单元20引导至塔100的下部8。
[0055]废热散发装置18是安装至变压器14以便冷却所述变压器14的冷却设备。废热散发装置18包括:
[0056]-引入部36，所述引入部36具有内部空气入口38和外部空气入口 42;
[0057]-连接至引入部36的热交换器40；
[0058]-连接至热交换器40的输送风扇43；
[0059]-排放部44，所述排放部44具有内部空气出口46和外部空气出口 48;以及
[0060]-切换装置50。
[0061]优选地，切换装置是一对关闭器50,布置在引入部36中的一个关闭器50用于选择性地关闭内部空气入口 38或外部空气入口 42，并且布置在排放部44中的另一关闭器50用于选择性地关闭内部空气出口 46或外部空气出口 48。
[0062]传感器组件包括布置在塔100内部的第一组空气温度和相对空气湿度传感器90和布置在塔100外部的第二组空气温度和相对空气湿度传感器80，所述第一组空气温度和相对空气湿度传感器90和第二组空气温度和相对空气湿度传感器80位于海浪区域Z上方。
[0063]空气调节控制器21适于经由控制连接C来控制冷却装置16和废热散发装置18，并且空气调节控制器21适于经由读取连接R来接收来自传感器组件80，90的传感器读数。
[0064]更确切地说，控制连接C使得风扇34，43和切换装置50能够被空气调节控制器21控制。
[0065]下面将说明塔气候适应系统的工作。
[0066]塔气候适应系统具有两种主要的工作模式，即，循环模式和强制吞吐模式。图1示出了循环模式并且图2示出了吞吐模式。空气调节控制器21将塔气候适应系统从一种模式切换至另一种模式，并且根据来自传感器组件80，90的传感器读数和/或风力涡轮机的当前功率输出来将塔气候适应系统控制在各个模式之内。优选地，空气调节控制器21控制塔气候适应系统使得塔100内部的相对湿度保持低于或等于75%。这是因为相对湿度低于75%使得腐蚀得到抑制，而相对湿度高于75%则腐蚀以指数形式加剧。
[0067]在这两种模式中，上部外界空气10通过风扇34被吸入至塔100的上部4中。风扇34的吸力由空气调节控制器21控制，以便使得吸入的空气量适应于如传感器组件80，90指示的塔内部的条件。
[0068]吸入的空气随后在空气处理单元20中过滤并且被吹入到塔100的下部8中。正如箭头A所指示的，空气随后朝向塔的上部4上升，同时沿废热产生设备14流动。上升的空气从废热产生设备带走热量，这减少空气的相对湿度并且对废热产生设备进行了冷却。
[0069]通过使用上部外界空气来冷却废热产生设备14，空气处理单元20可被保持的简单，优选仅具有少量被动式过滤器。事实上，因为上部外界空气10相对“洁净”(即，相对而言不存在盐分和水分引起的腐蚀)，所以无需复杂的空气处理。
[0070]在塔100内为低温和高的相对湿度和/或来自风力涡轮机I的功率输出较低的情况下，空气调节控制器21使塔气候适应系统工作在循环模式。在这一模式(对照图1)中，废热散发装置18的关闭器50被调整为:使得内部空气入口 38与内部空气出口 46流体连通。因此，如箭头60所示，塔基部9内的空气穿过废热散发装置18循环。因此，来自变压器14的废热排放至塔100的基部9中。这些废热也被上升的空气带走。转而言之，在循环模式中，废热散发装置18在塔基部9中产生热缓冲区，所述热缓冲区将塔内空气的相对湿度保持在一个可接受的等级，因此使腐蚀的风险降到最小。
[0071]在塔100内为高温和低的相对湿度和/或来自风力涡轮机I的功率输出较高的情况下，空气调节控制器21使塔气候适应系统工作在吞吐模式。在这一模式(对照图2)中，废热散发装置18的关闭器50被调整为:使得外部空气入口 42与外部空气出口 48流体连通。因此，如箭头70所示，下部外界空气12穿过废热散发装置18循环。因此，来自变压器14的废热排放至塔100的环境2中。
[0072]应注意，关闭器50以防止下部外界空气进入内部空气出口 46或内部空气入口 38的方式耦接。因为下部外界空气12的较高的含盐量和含水量，其不可被自由地吹入塔100的内部。
[0073]如上所述的塔气候适应系统具有能耗低这一额外的优点。事实上，仅有的能量消耗装置是风扇33，43、传感器组件80，90以及空气调节控制器21。应注意，因为传感器组件80,90以及空气调节控制器21是低电压装置，所以这些器件能耗几乎可以忽略不计。
【权利要求】
1.一种风力涡轮机(I)包括: 塔(100)，所述塔具有上部(4)、中部(6)和下部(8)，所述塔的中部和下部形成所述塔的基部(9)； 位于所述塔的中部的废热产生设备(14);以及 冷却装置(16)，所述冷却装置(16)具有至少一个形成在所述塔中的冷却装置入口(22)以便将所述塔周围的外界空气(10)引入到所述塔中； 其中，所述冷却装置(16)适于将外界空气从所述冷却装置入口(22)或每个所述冷却装置入口(22)引导到所述塔的下部(8)中，使得外界空气能够朝向所述塔的中部和上部上升，并同时对所述废热产生装置(14 )进行冷却， 其特征在于，所述冷却装置入口(22)或每个所述冷却装置入口(22)位于所述塔的上部(4)中。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，进一步包括废热散发装置(18)，所述废热散发装置具有第一设置；在所述第一设置中，所述废热散发装置调节成从所述废热产生设备提取废热并且将所提取的废热排放到所述塔的基部(9)中。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述第一设置是循环设置；在所述循环设置中，位于所述塔的基部中的内部空气(60)被吸入至所述废热散发装置中，废热转移给所述被吸入的空气，并且随后被加热的空气(60)被排回 至所述塔的基部。
4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机，其中，所述废热散发装置(18)具有第二设置；在所述第二设置中，所述废热散发装置调节成从所述废热产生设备(14)提取废热并且将所提取的废热排放到所述风力涡轮机(I)周围的环境(2 )中。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中，所述第二设置是吞吐设置；在所述吞吐设置中，所述塔的外部的空气(70)被吸入至所述废热散发装置中，废热转移给所述被吸入的空气，并且随后被加热的空气(70)被排回至所述塔的外部。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述废热散发装置包括: 引入部(36)，所述引入部(36)具有内部空气入口(38)和外部空气入口(42)； 排放部(44)，所述排放部(44)具有内部空气出口( 46 )和外部空气出口( 48 );以及 切换装置(50)，所述切换装置(50)用于使所述废热散发装置在以下两种设置之间切换，所述两种设置即: i )循环设置，其中，所述内部空气入口( 38)与所述内部空气出口(46)流体连通；以及 ii)吞吐设置，其中，所述外部空气入口(42)与所述外部空气出口(48)流体连通。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，所述切换装置是一对关闭器(50)，一个关闭器布置在所述引入部(36)中以便选择性地关闭所述内部空气入口(38)或所述外部空气入口(42)，并且另一关闭器布置在排放部(44)中以便选择性地关闭所述内部空气出口(46)或所述外部空气出口(48)。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述废热产生设备包括变压器(14)，所述废热散发装置(18)适于冷却所述变压器。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的风力涡轮机，进一步包括: 传感器组件(80、90 )，所述传感器组件(80、90 )用于监控所述风力涡轮机塔内部和/或外部的空气参数，特别是空气温度和相对空气湿度；空气调节控制器(21)，所述空气调节控制器(21)适于接收来自所述传感器组件的传感器读数并且适于通过控制所述冷却装置(16)和/或所述废热散发装置(18)将所述风力涡轮机塔内部的空气参数维持在预定的范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机(I)是海上风力涡轮机。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述塔的上部(4)位于海浪区域(Z)的上方。
12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述塔的上部(4)的下端(5)位于海平面或地平面(L)上方至少30米处。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述冷却装置(16)具有用于处理外界空气的空气处理单元(20)，所述空气处理单元具有用于外界空气的单个引入口(24)以及用于已处理的外界空气的两个出口(26)，优选地，所述空气处理单元的每个出口(26)包括可控制的风扇(34)。
14.一种用于调节风力涡轮机(I)的塔(100)内部的空气的方法，所述方法包括下述步骤: 将所述塔的上部(4)周围的外界空气(10)引入到所述塔中；以及将所引入的外界空气(10)引导到所述塔的下部(8)中，使得所引入的外界空气随后能够在所述塔内上升。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述风力涡轮机(I)具有位于其塔的内部的废热产生设备(14)， 并且其中，所述方法进一步包括根据所述风力涡轮机的塔(100)内部的当前气候通过下述两种方法中任一种来散发所述废热产生设备(14)所产生的废热的步骤，所述两种方法为: i)将所述废热转移至所述风力涡轮机的塔的内部的空气中，或 i i )将所述废热排放到所述风力涡轮机周围的环境(2 )中。
【文档编号】F03D11/00GK103782029SQ201280044019
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2011年9月9日
【发明者】亚历山大·奇尔克 申请人:阿雷瓦风力公司