风力发电机冷却系统结构的改进

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风力发电机冷却系统结构的改进

论文设计了采用矿井作为冷却源的风力发电机冷却系统结构。该系统结构是通过引风机将井下低温空气送到风力发电机的机身上进行风冷，相比于现有的空冷技术，不采用单独的制冷装置，只需与矿井的通风管道连通即可，实现了矿井与风力发电机冷却系统的结合。



【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.



标签：巷道；冷却；射流；热交换

1 引言

风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，风力发电系统是最具有大规模开发前景的发电系统。风力发电机作为风力发电系统中的核心部件，其运行效率至关重要。为了有效降低风力发电机运行过程中产生的大量热量，减少风力发电机的散热功率损耗，需要对其进行有效冷却。



现有的风力发电机普遍采用强制风冷却或液冷冷却的方式，但其所提供给电机的冷却量有限，不能实现冷却量的可控调节；若采用电制冷机组的形式给风力发电机提供冷却量，耗电量增大，增加用电负荷，对电网的影响较大。



风力机采用蓄冷技术，是指采用蓄冷媒介，在电网负荷较低的时间段，采用电动制冷机制冷，把冷量存储在蓄冷装置中，并在电网负荷较高的时间段，将所存储的冷量释放出来，满足建筑物或生产的需要。例如安科智慧城市技术（中国）有限公司与智慧城市信息技術有限公司联合开发的《风力发电机冷却系统》（专利号CN201220720193.4），使用过程中密封性要求高，结构复杂，维护成本高，而内蒙古与张北地区的昼夜温差大，会造成该冷却系统的损坏与泄露，所以该冷却系统在中国内蒙古与张北地区并不适合。



我公司结合锡林郭勒盟地理环境、风力等因素，创造性的对井下巷道加以利用，将其作为风电场的热交换井，通过风机将井下巷道的冷风源源不断地提供给发电机或其他需要热交换的设备。



2 设计方案

风力发电机的冷却系统，见表1。其结构主要分为利用巷道内气流冷却系统与利用风力自冷却系统两个部分。将利用巷道内气流冷却系统与利用风力自冷却




系统组合应用，可以最大限度的提高冷却效果。在冬天，通过利用巷道内气流冷却系统可以实现对发电机的预热效果。



3 结构设计

风力发电机的冷却系统分为利用巷道内气流冷却系统和利用风力自冷却系统两部分，如图1所示。



1—发电机；2—地下进风口；3—中通风道；4—地下出风口；5—地下水；6—引风机；7—送风管；8—三通阀；9—螺旋盘管；10—排热孔；11—外套体；12—导风罩；13—弹型护套；14—摆动支架；15—减速机；16—摆动电机；17—出风护罩。



本风力发电机的冷却系统结构，摒弃了通过在发电机轴上安装风叶冷却的思路，提高了发电机轴的工作效率，降低了无用功损失。相对于冷却技术手段，例如东方电气（乐山）新能源设备有限公司设计的《2MW风力发电机冷却系统》（专利CN201110123965.6），降低了对电能等的消耗，通过气体流动理论与地面保温原理，实现了持续提供冷源，从一定程度上缓解了废旧矿井回填与再利用的棘手问题[1]。



根据矿井企业的巷道结构图纸分析与实地考察，选择夏天温度为5～15℃且符合要求的巷道。如图1所示，在巷道的一端设有与地面连通的地下进风口，地下进风口突出于地表，该地下进风口正冲着锡林郭勒盟地区的夏季风向（即该地下进风口朝向西北），从而便于在巷道内产生循环气流，在巷道内最好存在着流动的浅层地下水，从而保证巷道内低温恒定。通过钻机打立井作为地下出风口，立井底部与巷道连通，地下出风口朝上，避免地表风流动给巷道内气流循环造成影响。



在对巷道入口进行改造的时候，将其改造为喇叭口，其小端不小于巷道截面积，其大端截面积是小端截面积的3～5倍，从而产生“射流冷却”现象，提高空气流动速度，降低巷道内温度。



在巷道内安装有引风机，引风机的出口连接有送风管的进口。通过启动引风机旋转，将巷道中的冷空气通过送风管送给缠绕在发电机机身上的两组螺旋盘管。送风管出口以及螺旋盘管的进口通过三通阀连接。根据发电机各部位的发热温度测试，得到结果是机身中部温度高于两端，设计将两组螺旋盘管位于送风管两侧，从而先对机身中部降温，然后再对两端降温，实现均匀散热[2]。



在实际使用中，为了最大限度使得导风罩口正冲着风向，设计了摆动电机。通过风向传感器感应该地区的风向，摆动电机通过减速机带动竖直设置的摆动支架摆动，摆动支架与导风罩固定连接，因此，摆动支架牵引导风罩摆动，使得引导风罩口尽量正冲着风向，其结构简单，能耗低。



4 应用效果






通过启动引风机，将巷道中的恒定冷空气通过送风管输送给螺旋盘管，最后通过排热孔排出。根据风向标的指示，摆动电机通过摆动支架带动引导风罩去寻找风向，从而利用自然风降温。



以4MW风力发电机为例，改造后的冷却系统相比改造前的传统蓄冷技术，每年耗电量与维护成本仅为两千元，节约了资金，实现了节能增效，同时解决了矿井的二次开发利用问题。



通过与锡林郭勒盟矿井企业合作，采用送风管道与矿井井下巷道连通，将井下的冷空气输送给发电机冷却系统，实现热交换，在一年多的试运行中，取得了良好的效果，实现了持续稳定的冷却，在寒冷的冬天，还可以对待启动的发电机起到防寒保温的作用。



【参考文献】

【1】 宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

【2】姚兴佳.风力发电机组理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

本文来源：https://www.wddqxz.cn/a38f32082c60ddccda38376baf1ffc4fff47e258.html