摘要]随着单机发电功率的增大，风力发电机内部的发热部件生成的热量越来越多，发热量过高容易导致风力发电机组寿命折损、高故障及停机。因此，风力发电机内部设备的冷却设计对风力发电机的安全运行有着至关重要的影响，而风冷方式由于结构简单、冷却方便等优势，成为风电领域中较为热门的冷却方式。本文就风力发电机风冷技术的发展脉络进行了梳理，为风力发电机的风冷系统设计提供了依据。
[关键词]风力发电机；风冷；空气；冷却
1 引言
目前，风力发电机通常采用的冷却技术主要有液冷和风冷这两种方式，其中，液冷系统的结构较为紧凑，然而由于增加了换热器与冷却介质的费用，大大增加了成本，且体积庞大，给机舱架高、承重、运输、安装、维修都带来极大的困难；而风冷系统的结构简单，具有初投资与运行费用都较低、利于管理与维护等优势[1]，成为了风电领域中较为热门的冷却方式。因此，本文对风力发电机风冷技术的发展脉络进行了梳理，并介绍了风力发电机组风冷技术的主要几种方式及相应的综述情况，从而为风力发电机的风冷系统设计提供了有利的依据。
2 风力发电机组的风冷方式
由于风力发电机组散热量来自机舱、塔筒内各个组件，因此对机组采用的冷却方案取决于机组所选用的设备类型、散热量大小和组件在机舱内部的位置等因素，冷却方案设计具有灵活性、多样性。总体而言，早期的风力发电机由于功率较小，其发热量也不大，只需通过自然通风就可以达到冷却要求；随着风力发电机的功率逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，其风冷技术逐渐转变为采用强制风冷的冷却方式[2]。
2.1 自然通风
自然通风的风冷方式是指发电机组不设置任何冷却设备，机组暴露在空气中，由空气自然流通将热量带走，也即在风力发电机组内部无需增加任何额外的冷却设备或动力设备，只需预留有空气的流通路径，空气即可通过该流通路径实现自然流通，从而在自然流通的过程中对风力发电机内部的发热设备进行相应的冷却。造成空气自然流通的原理可基于烟囱效应或负压效应。
2.1.1 基于烟囱效应的自然通风
烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，室内温度越是高于室外温度，烟囱越高，烟囱效应也越明显。比如专利文献CN105781900A提到：风力发电机的散热系统，塔筒上具有进风口和出风口，并且塔筒内部作为通风管道，进风口开设于塔筒的底部，出风口开设于塔筒的顶部，进风口和出风口之间通过通风管道连通。该散热系统就是利用了烟囱效应，风力发电机组机舱的高度较高，其顶部风速较高，而风力发电机组地面位置的风速基本为零，近地面的风速通常也只能达到风力发电机组顶部风速的一半甚至更低，因此能够将风力发电机组底部的空气抽取到顶部。利用自然能源和风力发电机组的高度以及进风口和出风口的高度差实现了风力发电机基于烟囱效应的通风冷却。同时，设置在塔筒底端的电气设备，由于其对外散发出热量，可进一步加强通道内的烟囱效应。
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2.1.2 基于负压效应的自然通风
基于负压效应的自然通风方式通常可布置在机舱上，比如专利文献CN102753821A提到，在导流罩的前端部设有用于将外部风取入的外气导入口，在机舱的外表面的、因外部风而受到负压的部位例如在机舱的后表面的外缘部附近设有多个冷却空气排出口，外部风的气流从前方朝向后方在机舱的表面中流动，而形成被卷入机舱的后表面侧的流动。这样，在气流被卷入机舱的后表面侧的部位、尤其是在机舱的后表面的外缘部侧产生强负压。由此，通过在机舱的后表面的外缘部附近设置冷却空气排出口，从而利用负压将机舱内部的空气从冷却空气排出口吸出，实现了空气的自然流通进而对机舱内部的发热设备进行冷却。基于负压效应的自然通风方式还可布置在塔筒上，比如专利文献CN102828921A、CN105840436A。
2.2 强制风冷
随着风力发电机功率的逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，逐渐采用强制风冷来加强冷却。强制风冷系统在具体实施时还可根据系统散热量的大小和各部件的散热选用不同的冷却法方式，通常可分为循环强制风冷和非循环强制风冷。
2.2.1 循环强制风冷
循环强制风冷是指风力发电机组整体是封闭的，风力发电机组内的空气也是封闭的，热量从塔架的外壁传导到外部空气；在塔架中自然形成一个温度高的空气处于上面、温度低的空气处于下面的动态平衡状态，用布置在塔筒内部的竖直管道和风机将下层的温度低的空气直接鼓入待散热的部件，经充分换热后的温度高的空气沿着塔筒壁面降到下层，而后再被风机吸入竖直管道内，不断循环，形成循环散热。该循环强制风冷的散热方式巧妙地利用了塔筒壁面增大风力机内部循环气体的散热面积，降低进气管里的气体温度，以此提高机组内部循环气体的散热量，达到更好的冷却效果，成本低廉。上述技术在专利文献CN105545616A、CN201908789U、CN102245897A中可以得到证实。
2.2.2 非循环强制风冷
非循环强制风冷可根据实际发热部件的冷却需求进行相应的灵活布置，其占强制风冷中的多数，如专利文献CN101384818A、CN102165539A、CN203420834U、CN105134508A、CN105221360A。通过在风力发电机组发热部件的附件设置有空气入口和空气出口，并在入口位置或出口位置处设置有风扇，风扇也可被布置于冷却系统内的任何其它适当的位置处 ，利用风扇的鼓风作用，强制气流流过发热部件，带走发热部件所散发出的热量，进而达到冷却的目的，通过增加风扇可增加冷却系统内的冷却空气的对流以增加冷却效率。该非循环强制风冷可针对发热部件的具体位置设置在塔筒或者机舱上，还可设置成从机舱引入从塔筒底部引出、或者从塔筒底部引入从机舱引出的方式。
3 结语
风力发电机是捕获风能最主要的途径，而风冷作为风力发电机中重要的冷却方式，对其不断的探索、改进将极大地有助于保障风力发电机的安全运行及延长风力发电机的有效寿命。通过本文的分析可知，风力发电机的风冷技术主要从自然通风逐渐演进到强制风冷，而造成空气自然流通的原理可以是基于烟囱效应或负压效应；随着风力发电机功率的逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，逐渐采用强制风冷来加强冷却，其中，非循环强制风冷由于其布置相对灵活、结构较为简单，逐步成为风电领域中关于风冷技术的重点研究方向，进一步地，具体的进气/出气方式、气流流动方向等是非循环强制风冷的重要影响因素。
[参考文献]
[1]元伟伟等,蒋彦龙,风力发电冷却技术,世界科技研究与发展[J],2007,29(2),80-85.
[2]元伟伟,风力发电冷却系统研究[D],南京航空航天大学,2008.
论文作者:黄晶华,郭 琦
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第06期
论文发表时间:2019/8/13
标签：机舱论文; 空气论文; 自然论文; 风力发电机论文; 方式论文; 效应论文; 烟囱论文; 《科学与技术》2019年第06期论文;