风力涡轮机和用于操作风力涡轮机的方法与流程

本发明涉及一种包括机舱和冷却回路的风力涡轮机，其中，冷却回路包括机舱内的至少一个内部冷却装置和机舱外部的至少一个外部冷却装置。

背景技术：

风力涡轮机通常包括由混凝土或钢等构成的塔架。机舱设置在塔架的上部部分上、特别是在塔架的顶部上，所述机舱包含若干部件，以将机械能转换成电能。与机舱相邻的是分别设置的转子和毂，其中转子和转子叶片的旋转由沿着风力涡轮机吹送的风提供动力。转子叶片的旋转能量经由连接发电机的轴传递到发电机，旋转能量在发电机处被转换成电能。

由于风力涡轮机关于发电的典型容量变得越来越大，因此需要更有效的冷却系统来冷却风力涡轮机的部件。特别是由机械摩擦和/或能量转换过程产生的热量必须分别从机舱或发动机室的内部被处理。

用于风力涡轮机的已知冷却系统提供冷却回路，该冷却回路包括至少一个内部冷却装置，以从机舱内部或风力涡轮机的位于机舱内部的部件吸收热量。还设置有位于冷却回路的机舱外部的外部冷却装置，以将来自冷却回路的热量散发到环境空气中。

技术实现要素：

本发明所基于的问题是提供一种提高冷却系统的冷却功率的简便方法。

为了解决这个问题，如上所述的风力涡轮机的特征在于，设置了将冷却回路与第二冷却回路耦接的热交换装置，其中，第二冷却回路包括机舱外部的另外的外部冷却装置。

为了从机舱内部移除热量，内部冷却装置将待移除的热量传递到冷却回路中。该热量经由两个不同的分支传递到环境空气中。在第一分支中，冷却回路的外部冷却装置将热量散发到环境空气中。然而，如上所述，在许多情况下，仅此分支不足以提供冷却系统的足够冷却能力。因此，在第二分支中，耦接两个冷却回路的热交换装置将热量从冷却回路传递到第二冷却回路，热量在第二冷却回路处通过第二冷却回路的另外的外部冷却装置传递到环境空气中。因此，通过设置耦接两个冷却回路的热交换装置，增加了通过冷却系统从机舱内部传递到环境空气中的最大可能的热量。冷却系统的提高的冷却能力为机舱内部和/或位于机舱内部的部件提供了更有效的冷却。

除了这个益处之外，还有的优点是，通过安装第二冷却回路并通过热交换装置耦接两个冷却回路，可以容易地升级已经存在的包括冷却回路的冷却系统。因此，此升级不需要重新设计或重建冷却回路。相反，已经存在的冷却系统被扩展。

在本发明的优选实施例中，第二冷却回路包括压缩机、膨胀阀和蒸发器，其中，蒸发器热耦接到热交换装置或是热交换装置的一部分，其中，另外的外部冷却装置是冷凝器。在本发明的该实施例中，第二冷却回路以与制冷机器相同的方式工作。在该实施例中，即使在高温下，也确保了充分的冷却。蒸发器可以是通过热交换装置连接到冷却回路的另一个螺旋管区段的螺旋管区段。

必须提到的是，第二冷却回路可以仅设置泵和另外的外部冷却装置，特别是散热器。在这种情况下，第二冷却回路不像制冷机那样工作，但也将热量传递到环境空气中。

该热交换装置在冷却回路中可相对于外部冷却装置位于上游或下游。冷却回路可包括循环冷却流体（如水或油等）的泵。在第一变型中，当热交换装置在冷却回路中相对于外部冷却装置位于下游时，最初冷却流体流动通过内部冷却装置，在内部冷却装置处冷却流体被加热。接下来，冷却流体到达外部冷却装置，在外部冷却装置处冷却流体被冷却。最后，冷却流体通过热交换装置再次被冷却，在热交换装置处热量被传递到第二冷却回路。在此之后，循环从头开始。

然而，还可能存在第二变型，其中与第一变型相比，外部冷却装置和冷却回路中的热交换装置的位置被交换。

两种变型都可以是有利的。特别地，两个冷却回路的冷却效率可取决于外部温度，或者换句话说，取决于环境空气的温度以及冷却流体的相应温度。这可以用于确定两种变型的冷却系统相对于例如环境空气的年平均温度的总效率。最后，可以实现更好的变型。

在本发明的实施例中，外部冷却装置和/或另外的外部冷却装置安装在机舱的舱盖（canopy）上。机舱的舱盖保护机舱内部免受来自外部的湿气、太阳辐射或其它干扰影响。外部冷却装置和/或另外的外部冷却装置可以分别安装在机舱或舱盖的顶部上。在这种情况下，由环境空气的风进行的热交换是最佳的，因为热交换不受塔架的风影（windshadow）等的约束。因此，达到了环境空气相对于外部冷却装置的最佳流动。为了进一步改善热交换，可以设置外部冷却风扇以将环境空气吹送到外部冷却装置上。

热交换装置可位于机舱内。然而，由于外部冷却装置位于机舱外部并且因此冷却回路的管道也部分地在机舱外部延伸，所以热交换装置以及第二冷却回路的另外的部件也可以位于机舱外部。

该实施例的优点在于，由于通过环境空气来冷却位于机舱外部的第二冷却回路的部件，所以冷却能力可以得到改善。

在本发明的实施例中，设置了一种控制装置，其中，控制装置被构造成参照温度信息来控制第二冷却回路的操作。这提供了如下优点：可以参照第一冷却回路的操作条件来控制第二冷却回路的操作。特别地，可以通过调整第二冷却回路的操作参数来防止冷却回路的容量过载。此外，冷却系统的效率因子可以通过例如考虑温度信息以及例如冷却系统的其它操作参数的合适模型来确定。可以完成对第二冷却回路的操作的控制以优化效率因子。

温度信息可描述机舱内部和/或外部的空气温度和/或冷却回路的冷却流体的温度和/或冷却回路和/或风力涡轮机的至少一个部件的操作温度。这些温度影响冷却系统的操作，因此可用于控制第二冷却回路的操作。

这些温度可通过位于部件上的温度传感器来实现，这些部件的温度必须被测量。此外，温度传感器可位于机舱的内部和/或外部，以测量机舱的内部空气的温度和/或环境空气的温度。在该实施例中，可以参照温度信息来控制第二冷却回路的操作条件，特别是冷却能力。

在温度（例如冷却回路的冷却流体的温度）超过限定的临界最大值的情况下，可以通过例如启动第二冷却回路的压缩机或泵来启动第二冷却回路。因此，如果冷却回路的冷却流体的温度下降到临界最大值以下，则可停止第二冷却回路的操作。限定的临界最大值可对应于冷却系统在不使第二冷却回路操作的情况下的最大可能冷却能力。冷却系统的最大可能冷却能力还可取决于诸如环境空气的温度的另外的条件。

在本发明的更复杂的实施例中，可以连续地控制第二冷却回路的冷却功率的量。取决于所需冷却功率与由冷却回路提供的冷却功率之间的所确定的差，可以调节由第二冷却回路提供的冷却功率。这可以通过调节第二冷却回路的压缩机或泵的操作功率来实现。可基于例如模型或经验数据来计算冷却系统和/或第二冷却回路的所需冷却能力。

另外，可参照描述风力涡轮机的预期功率需求和/或天气预报等的预测信息来控制第二冷却回路的操作。在该实施例中，如果待由风力涡轮机提供的能量的增加和/或由天气条件引起的环境空气的温度的增加即将发生，则可以预先增加冷却功率。

冷却装置可被构造成冷却风力涡轮机的发电机或风力涡轮机的毂。发电机的加热由于机械能到电能的转换过程而发生，但也由于由发电机的部件的旋转引起的摩擦而发生。该热量可以通过内部冷却装置传递到冷却回路中，该内部冷却装置可以是直接与发电机接触的热交换装置。附加地或替代地，可以间接地冷却发电机。在这种情况下，内部冷却装置可冷却机舱的内部空气。代替发电机，内部冷却装置可以替代地冷却风力涡轮机的位于机舱内部的其它部件，如风力涡轮机的毂，毂通过由该部件的旋转引起的摩擦产生热量。

在本发明的另一实施例中，内部冷却装置被构造成冷却风力涡轮机的发电机，并且冷却回路的第二内部冷却装置被构造成冷却风力涡轮机的毂。在该实施例中，在冷却回路内设置有两个内部冷却装置，以从发电机和毂移除热量。在该实施例中，热量恰好在发生加热的位置处传递到冷却系统中。因此，冷却系统的冷却效果得到进一步改善。应当理解，通过另外的内部冷却装置来扩展冷却回路，以从位于机舱内的另外的部件移除热量。

冷却回路的内部冷却装置可以是内部热交换装置，其将热量从位于机舱内的风力涡轮机的部件传递到冷却回路中。如已经提到的，热传递可以分别经由内部冷却装置与部件之间的热耦接或接触发生。附加地或替代地，冷却回路的内部冷却装置可冷却机舱内部的空气，其中，可以设置冷却风扇以将经冷却的空气分散在机舱的内部中。还可以使用风扇或另外的风扇将由内部冷却装置冷却的空气吹送到待冷却的部件上，特别是在如果内部冷却装置和待冷却的部件彼此不直接热接触的情况下。

此外，本发明涉及一种如上所述的用于操作风力涡轮机的方法，其中，控制装置参照温度信息来控制第二冷却回路的操作。

在该方法中，温度信息描述机舱内部和/或外部的空气温度和/或冷却回路的冷却流体的温度和/或冷却回路和/或风力涡轮机的至少一个部件的操作温度。

根据本发明的风力涡轮机的所有特征和所解释的优点可以转移到根据本发明的方法。

附图说明

本发明的另外的优点和细节从下面的实施例和附图得出。图1示出了根据本发明的风力涡轮机的实施例的示意性略图。

具体实施方式

如图1中所示，风力涡轮机1包括机舱2、冷却回路3和第二冷却回路4。冷却回路3包括内部冷却装置5、可选的第二内部冷却装置6、可选的第三内部冷却装置7和外部冷却装置15。第二冷却回路4包括在机舱2外部的另外的外部冷却装置8。冷却回路3通过热交换装置9与第二冷却回路4耦接。冷却回路3、4两者都包括水或油等作为冷却流体。

用于风力涡轮机的已知冷却系统基本上仅包括冷却回路3。通过设置第二冷却回路4，可以相当容易地完成用于实现根据本发明的风力涡轮机的这种系统的升级。为此目的，第二冷却回路4必须被安装并经由热交换装置9与冷却回路3关联。特别地，如果意图进行本发明意义上的升级，则不得重建冷却回路3。

本发明的另一个优点是第二冷却回路4允许不仅通过外部冷却装置15而且还通过第二冷却回路4或另外的外部冷却装置8分别将热量从机舱2的内部排出到环境空气中。因此，与仅包括冷却回路3的冷却系统相比，风力涡轮机1的冷却系统的最大可能冷却功率显著增加。

发电机10位于机舱2内，机舱2被放置在风力涡轮机1的混凝土塔架11的顶部上。发电机10将机械能转换成电能，其中，机械能由连接到发电机10的驱动轴（图中未示出）的毂12提供。毂12的旋转由推进附接到毂12的转子叶片13的环境空气的风引起。

设置了内部冷却装置5以冷却风力涡轮机1的发电机10。冷却回路3的第二内部冷却装置6旨在冷却毂12，其中，对毂12的加热由与毂12的旋转运动有关的摩擦引起。设置了第三内部冷却装置7以冷却机舱2内部的空气。因此，第三内部冷却装置7的冷却效果也间接地影响机舱2内部的其它部件。内部冷却装置5-7是用于从待冷却的部件吸收热量的热交换装置。为了改善热交换过程，可以为每个内部冷却装置5-7设置冷却风扇14。必须提到的是，根据本发明，冷却回路3可包括仅一个内部冷却装置5，其冷却机舱2内部的任何任意部件。

冷却回路3的外部冷却装置15位于机舱2的舱盖16的顶部上。外部冷却装置15将来自冷却回路3的热量传递到机舱2外部的环境空气中。可以设置另一个冷却风扇14，以改善外部冷却装置15与环境空气的热交换。为了循环冷却回路3的冷却流体，设置了泵17。

第二冷却回路4包括也安装在舱盖16上的另外的外部冷却装置8、压缩机18和膨胀阀19。基本上，第二冷却回路4以与制冷机相同的原理操作。可设置另一个冷却风扇14以改善在另外的外部冷却装置8与环境空气之间的热交换。热交换器9将热量从冷却回路3传递到冷却回路4。为此目的，冷却回路3包括例如螺旋管区段20，并且第二冷却回路4包括例如也是螺旋管区段的蒸发器22，其中，螺旋管区段20、22通过热交换装置9彼此热耦接。螺旋管区段20、22和热交换装置9也可以设置为连接冷却回路3、4的一个单个部件。在本发明的本实施例中，螺旋管区段20或热交换装置9在冷却回路3中相对于外部冷却装置15位于下游。必须提到的是，螺旋管区段20或热交换装置9也可以在冷却回路3中相对于外部冷却装置15位于上游。

风力涡轮机1还包括控制装置21，其构造成参照温度信息控制第二冷却回路4的操作。为了清楚起见，控制装置21与其它部件之间的导线未在图中示出。

为了获得温度信息，控制装置21连接到若干个传感器（图中未示出），传感器测量发电机10、毂12、机舱2内部的空气、机舱2外部的环境空气以及冷却回路3内的冷却流体的温度。

在冷却系统的基本操作模式中，第二冷却回路4、特别是压缩机18关闭。因此，热量仅通过外部冷却装置15从冷却回路3释放。特别地，在基本操作模式中基本上不发生从冷却回路3到第二冷却回路4的热传递。在这种情况下，冷却系统的冷却仅由冷却回路3提供。

在该冷却系统的增强操作模式中，第二冷却回路4、特别是压缩机18在控制装置21的控制下接通。因此，通过外部冷却装置15将热量排出到环境空气中以及通过热交换装置9将热量向第二冷却回路4传递而从冷却回路3释放热量。增强操作模式中的最大冷却能力显著大于冷却系统的基本操作模式中的最大冷却能力。

基于所测量的数据，控制装置21可以仅通过考虑冷却回路3的冷却流体的温度来控制第二冷却回路4的操作。控制第二冷却回路4的操作的另一种可能性是控制装置21计算冷却系统的预期或所需的冷却功率。为此目的，可以使用模型和/或经验数据。在预期冷却功率超过基本操作模式中的最大可能冷却能力的情况下，冷却系统在增强操作模式中运行。否则，冷却系统在基本操作模式中运行。控制装置21被构造成为此目的产生分别控制第二冷却回路4或压缩机18的适当信号。

在增强操作模式中，第二冷却回路4的冷却功率可以例如参照冷却系统在基本操作模式中的预期冷却功率与最大可能冷却功率之间的差来调节。差越大，冷却回路4的冷却功率调整地越高。通过调整第二冷却回路4的压缩机18的操作功率来完成该调节。

由于热量经由外部冷却装置15基本上散发到环境空气中，因此冷却系统在基本操作模式中的最大冷却功率或能力取决于环境温度，或者换句话说，取决于环境空气的温度。控制装置21计算基本操作模式的最大冷却能力还考虑环境空气的温度。这意味着，第二冷却回路4的操作特别地参照天气和/或一年中的季节和/或风力涡轮机的位置而发生。

另外，还可以考虑作为待由风力涡轮机1产生的预期功率的预测数据或天气预报，以用于控制第二冷却回路4的操作。例如，如果通过例如电网中的波动检测到待产生的预期功率增加，则必须预期由发电机10产生的更多热量。在这种情况下，可以在该事件之前已经增加冷却功率以冷却机舱2中的温度水平。

虽然已经参考优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，在不偏离本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够从所公开的示例中获得其它变型。