風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

彭榮輝+謝鵬

【摘 要】論文設(shè)計(jì)了采用礦井作為冷卻源的風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是通過引風(fēng)機(jī)將井下低溫空氣送到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)身上進(jìn)行風(fēng)冷，相比于現(xiàn)有的空冷技術(shù)，不采用單獨(dú)的制冷裝置，只需與礦井的通風(fēng)管道連通即可，實(shí)現(xiàn)了礦井與風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)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(guān)鍵詞】巷道；冷卻；射流；熱交換

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

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

1 引言

風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是最具有大規(guī)模開發(fā)前景的發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，其運(yùn)行效率至關(guān)重要。為了有效降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量熱量，減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)的散熱功率損耗，需要對其進(jìn)行有效冷卻。

現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用強(qiáng)制風(fēng)冷卻或液冷冷卻的方式，但其所提供給電機(jī)的冷卻量有限，不能實(shí)現(xiàn)冷卻量的可控調(diào)節(jié)；若采用電制冷機(jī)組的形式給風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供冷卻量，耗電量增大，增加用電負(fù)荷，對電網(wǎng)的影響較大。

風(fēng)力機(jī)采用蓄冷技術(shù)，是指采用蓄冷媒介，在電網(wǎng)負(fù)荷較低的時(shí)間段，采用電動(dòng)制冷機(jī)制冷，把冷量存儲(chǔ)在蓄冷裝置中，并在電網(wǎng)負(fù)荷較高的時(shí)間段，將所存儲(chǔ)的冷量釋放出來，滿足建筑物或生產(chǎn)的需要。例如安科智慧城市技術(shù)（中國）有限公司與智慧城市信息技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)的《風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)》（專利號(hào)CN201220720193.4），使用過程中密封性要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，而內(nèi)蒙古與張北地區(qū)的晝夜溫差大，會(huì)造成該冷卻系統(tǒng)的損壞與泄露，所以該冷卻系統(tǒng)在中國內(nèi)蒙古與張北地區(qū)并不適合。

我公司結(jié)合錫林郭勒盟地理環(huán)境、風(fēng)力等因素，創(chuàng)造性的對井下巷道加以利用，將其作為風(fēng)電場的熱交換井，通過風(fēng)機(jī)將井下巷道的冷風(fēng)源源不斷地提供給發(fā)電機(jī)或其他需要熱交換的設(shè)備。

2 設(shè)計(jì)方案

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，見表1。其結(jié)構(gòu)主要分為利用巷道內(nèi)氣流冷卻系統(tǒng)與利用風(fēng)力自冷卻系統(tǒng)兩個(gè)部分。將利用巷道內(nèi)氣流冷卻系統(tǒng)與利用風(fēng)力自冷卻系統(tǒng)組合應(yīng)用，可以最大限度的提高冷卻效果。在冬天，通過利用巷道內(nèi)氣流冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的預(yù)熱效果。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)分為利用巷道內(nèi)氣流冷卻系統(tǒng)和利用風(fēng)力自冷卻系統(tǒng)兩部分，如圖1所示。

1—發(fā)電機(jī)；2—地下進(jìn)風(fēng)口；3—中通風(fēng)道；4—地下出風(fēng)口；5—地下水；6—引風(fēng)機(jī)；7—送風(fēng)管；8—三通閥；9—螺旋盤管；10—排熱孔；11—外套體；12—導(dǎo)風(fēng)罩；13—彈型護(hù)套；14—擺動(dòng)支架；15—減速機(jī)；16—擺動(dòng)電機(jī)；17—出風(fēng)護(hù)罩。

本風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，摒棄了通過在發(fā)電機(jī)軸上安裝風(fēng)葉冷卻的思路，提高了發(fā)電機(jī)軸的工作效率，降低了無用功損失。相對于冷卻技術(shù)手段，例如東方電氣（樂山）新能源設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的《2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)》（專利CN201110123965.6），降低了對電能等的消耗，通過氣體流動(dòng)理論與地面保溫原理，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)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(jù)礦井企業(yè)的巷道結(jié)構(gòu)圖紙分析與實(shí)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(shè)有與地面連通的地下進(jìn)風(fēng)口，地下進(jìn)風(fēng)口突出于地表，該地下進(jìn)風(fēng)口正沖著錫林郭勒盟地區(qū)的夏季風(fēng)向（即該地下進(jìn)風(fēng)口朝向西北），從而便于在巷道內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)氣流，在巷道內(nèi)最好存在著流動(dòng)的淺層地下水，從而保證巷道內(nèi)低溫恒定。通過鉆機(jī)打立井作為地下出風(fēng)口，立井底部與巷道連通，地下出風(fēng)口朝上，避免地表風(fēng)流動(dòng)給巷道內(nèi)氣流循環(huán)造成影響。

在對巷道入口進(jìn)行改造的時(shí)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(chǎn)生“射流冷卻”現(xiàn)象，提高空氣流動(dòng)速度，降低巷道內(nèi)溫度。

在巷道內(nèi)安裝有引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)的出口連接有送風(fēng)管的進(jìn)口。通過啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，將巷道中的冷空氣通過送風(fēng)管送給纏繞在發(fā)電機(jī)機(jī)身上的兩組螺旋盤管。送風(fēng)管出口以及螺旋盤管的進(jìn)口通過三通閥連接。根據(jù)發(fā)電機(jī)各部位的發(fā)熱溫度測試，得到結(jié)果是機(jī)身中部溫度高于兩端，設(shè)計(jì)將兩組螺旋盤管位于送風(fēng)管兩側(cè)，從而先對機(jī)身中部降溫，然后再對兩端降溫，實(shí)現(xiàn)均勻散熱[2]。

在實(shí)際使用中，為了最大限度使得導(dǎo)風(fēng)罩口正沖著風(fēng)向，設(shè)計(jì)了擺動(dòng)電機(jī)。通過風(fēng)向傳感器感應(yīng)該地區(qū)的風(fēng)向，擺動(dòng)電機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)豎直設(shè)置的擺動(dòng)支架擺動(dòng)，擺動(dòng)支架與導(dǎo)風(fēng)罩固定連接，因此，擺動(dòng)支架牽引導(dǎo)風(fēng)罩?jǐn)[動(dòng)，使得引導(dǎo)風(fēng)罩口盡量正沖著風(fēng)向，其結(jié)構(gòu)簡單，能耗低。

4 應(yīng)用效果

通過啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，將巷道中的恒定冷空氣通過送風(fēng)管輸送給螺旋盤管，最后通過排熱孔排出。根據(jù)風(fēng)向標(biāo)的指示，擺動(dòng)電機(jī)通過擺動(dòng)支架帶動(dòng)引導(dǎo)風(fēng)罩去尋找風(fēng)向，從而利用自然風(fēng)降溫。

以4MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，改造后的冷卻系統(tǒng)相比改造前的傳統(tǒng)蓄冷技術(shù)，每年耗電量與維護(hù)成本僅為兩千元，節(jié)約了資金，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效，同時(shí)解決了礦井的二次開發(fā)利用問題。

通過與錫林郭勒盟礦井企業(yè)合作，采用送風(fēng)管道與礦井井下巷道連通，將井下的冷空氣輸送給發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱交換，在一年多的試運(yùn)行中，取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定的冷卻，在寒冷的冬天，還可以對待啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)起到防寒保溫的作用。

【參考文獻(xiàn)】

【1】 宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場工程技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【2】姚興佳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.