[发明专利]一种采用热管冷却的海上风力发电机组冷却系统

说明书

一种采用热管冷却的海上风力发电机组冷却系统，它涉及海上风力发电机技术领域。本发明解决了现有的高功率风力发电机存在易引起机舱温度升高，导致风机永磁体退磁以及发电机使用寿命和发电时间减少的问题。本发明将筒体机舱的冷却系统进行集成设计，针对10MW以上的大功率风力发电机组，提出采用热管式散热器进行冷却。通过直驱式永磁发电机定子、发电机冷却液泵、冷却液储藏罐、热管式散热器和连接管形成一条独立的第一冷却回路；控制柜冷却液泵、控制柜换热器、控制柜、冷却液储藏罐、热管式散热器和连接管形成另一条独立的第二冷却回路，最后热量由热管式散热器集中冷却。本发明用于对海上风力发电机组的直驱式永磁发电机以及控制柜进行集中冷却。

技术领域

本发明涉及海上风力发电机技术领域，具体涉及一种采用热管冷却的海上风力发电机组冷却系统。

背景技术

随着化石能源的日益减少，风能作为太阳能的一种转换形式也越来越受到人们的重视。但是在中国的一些地区由于地理位置以及风力发电的电气限制，加上风力发电场附近的电力系统太弱，无法维持风力发电引起的动力波动，引入大量的陆地风电无法实现。为解决困难地区的电力需求，海上风电场开始被研究和开发。由于我国一年四季季风活跃，海上风能资源十分丰富，近海海域的年平均风速基本保持在7.0～8.5m/s之间，十分适合大规模海上风电开发。

由于海上风力发电机在后期维护等方面较为困难，传统的双馈式风力发电机由于齿轮箱等结构的设计，不适合应用于海上风力发电机机组。直驱永磁式风力发电机与传统的双馈式风力发电机相比，改变了沉重的增速齿轮箱模式，永磁式风力发电机与叶轮轴直接相连，通过增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降，无需增速齿轮箱，因此永磁式风力发电机可靠性远远高于双馈式风力发电机。在经过置于地面的大功率电力电子变换器后，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

对于风能的需求不断增大，导致风力发电机的单机容量逐步增大，未来将出现10MW以上的风力发电机组，机舱内永磁式风力发电机和控制柜等主要部件产生的热量也会大大增加。永磁式风力发电机永磁体材料一般采用稀土材料钕铁硼。当转子温度达到140℃时，永磁体会发生退磁现象；当转子温度超过100℃，永磁体磁力会慢慢降低。然而目前的海上风力发电机冷却方式仅能满足8MW以下的风力发电机冷却，不能满足未来新型大功率风力发电机的散热要求。

热管式散热器是一种高效散热器。最常用的热管由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成，吸液芯环绕在密封管的管壁上，吸液芯浸有能挥发的饱和液体。热管工作时由热管蒸发段吸收热源产生的热量，使其吸液芯中的液体汽化为蒸汽产生压差，受热蒸汽在压差作用下从蒸发段移动至冷凝段，当蒸汽把热量传给冷凝段后，蒸汽冷凝成液体，冷凝的液体在吸液芯的毛细管作用下回流至蒸发段，如此重复上述循环过程进行散热。

带有吸液芯的无重力辅助低温热管利用液体低温工质对毛细芯浸润产生的毛细力作为热管的驱动力，使液态低温工质从热管的冷凝段回到蒸发段。但是当整个气体液体循环压力降与最大毛细压头达到平衡，只要稍许加大蒸发量或减少冷凝量，蒸发段即发生干涸和过热，我们把这种现象称为毛细力传热极限。毛细力传热极限往往在工作温度区域出现，因此需要避免热管的毛细力传热极限现象出现。

热管式散热器具有很小的热阻。散热器的热阻是由材料的导热性和体积内的有效面积决定的，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04℃/W。而热管式散热器可达到0.01℃/W。在相同的冷却条件下，热管式散热器比实体散热器的性能可提高十倍以上。但是由于目前舱内发电机和控制变频器及周围部件结构复杂，两套独立的冷却系统也使得机舱内部空间狭小，而且由于风力发电机机组单机发电量普遍较小，热管式散热器一直并未作为风力发电机冷却系统的选择。目前仅在机舱盖外设置板翅式空气换热器，使热量排放至大气。

综上所述，现有的高功率风力发电机存在易引起机舱温度升高，导致风机永磁体退磁以及发电机使用寿命和发电时间减少的问题。

发明内容