风力涡轮机和用于操作风力涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，其包括在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件以及液体冷却系统。此外，本发明涉及一种用于操作风力涡轮机的方法。

背景技术

在风力涡轮机的操作期间产生热量的部件限制了风力涡轮机的能力，且因此需要冷却。已知的解决方案是多个部件借助于液体冷却剂循环而热耦合到液体冷却剂系统的环境热交换器。环境热交换器被布置成在包含在液体冷却剂循环中的液体冷却剂与环境空气之间交换热量。该解决方案允许以低能耗冷却部件。然而，液体冷却剂的冷却能力由于环境空气的环境温度而受到限制。因此，有必要限制风力涡轮机在某些操作或构造下可实现的性能，以防止部件过热，过热可导致部件的损坏和风力涡轮机的故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机和一种操作该风力涡轮机的改进方法，其中，风力涡轮机可以在改进的性能下操作，而对在风力涡轮机的操作期间借助于部件产生的热量的依赖性尽可能小，并且以低成本操作。

该目的通过权利要求的主题来实现。特别地，该目的通过根据权利要求1的风力涡轮机和根据权利要求15的操作风力涡轮机的方法来实现。本发明的另外细节从其它权利要求以及说明书和附图中展开。因此，结合本发明的风力涡轮机描述的特征和细节结合本发明的方法来应用，使得关于本发明的各个方面的公开内容，其是或可以彼此引用。

根据本发明的第一方面，该目的通过一种风力涡轮机来实现，该风力涡轮机包括在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件以及液体冷却系统，其中，多个部件借助于液体冷却剂系统的液体冷却剂循环而热耦合到液体冷却剂系统的环境热交换器，环境热交换器被布置成在液体冷却剂循环中包含的液体冷却剂与环境空气之间交换热量，其中液体冷却剂系统包括具有冷却操作模式的热泵，其中，热泵被布置在冷却剂液体循环中，使得当热泵在冷却操作模式下操作时，液体冷却剂循环的液体冷却剂被冷却。

借助于集成到具有环境热交换器的液体冷却剂系统的液体冷却剂循环中的热泵，可以将液体冷却剂冷却到环境空气的环境温度以下，以将风力涡轮机（特别是其部件，诸如风力涡轮机的发电机）的性能提高到其全部能力。此外，与仅借助于环境热交换器提供冷却相比，可以加速液体冷却剂的冷却，从而加速部件的冷却。而且，部件的冷却不依赖于环境空气的环境温度。由于具有用于冷却液体冷却剂的环境热交换器和可在冷却操作模式下操作的热泵的冗余结构，在这些中的任一个发生故障的情况下，两个中的另一个可以接管冷却操作或供应大部分冷却。

在风力涡轮机的操作期间产生热量的部件可为以下中的至少两个、至少三个或全部：发电机、转换器、变压器、轴承单元和/或液压单元。这些部件在产生热量时对于风力涡轮机的性能是特别关键的，因此应当主动地被冷却。

液体冷却剂循环中的液体冷却剂可包括或可以是例如水、乙二醇或水和乙二醇的混合物。

液体冷却剂循环可由连接到环境热交换器、热泵和在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件上的管道、软管或类似物形成。

热泵可以借助于液体冷却剂循环串联连接到环境热交换器。热泵的冷却操作模式也可被称为热泵的反向模式。热泵可被布置成从风力涡轮机或用于操作热泵的另一源被供应电能。

环境热交换器可以例如布置在冷却塔中。冷却塔可以安装在风力涡轮机的机舱的外部，特别是安装在机舱的顶部。环境空气在环境温度下进入环境热交换器，液体冷却剂与环境空气交换热量，结果，液体冷却剂离开环境热交换器，具有与其进入环境热交换器时相比更低的温度，并且环境空气以与其进入环境热交换器时相比更高的温度离开环境热交换器。

例如，借助于液体冷却剂循环热耦合到环境热交换器的多个部件中的部件可以借助于液体冷却剂直接耦合或借助于热交换器间接耦合。例如，间接耦合的部件可以具有不同于液体冷却剂的冷却剂以及不同的循环，诸如空气循环或油循环。例如，在作为在风力涡轮机的操作期间产生热量的部件的轴承单元中，轴承单元的润滑油可以借助于与液体冷却剂循环热耦合的热交换器来冷却。特别地，多个部件中的至少一个可以借助于液体冷却剂循环直接地借助于液体冷却剂热耦合到环境热交换器，并且多个部件中的至少一个可以借助于液体冷却剂循环间接地借助于热交换器热耦合到环境热交换器，特别是热耦合到空气循环或油循环。

优选地，热泵与环境热交换器并联连接。这意味着热泵或环境热交换器可以被操作以提供冷却。因此，在将热泵集成到液体冷却剂系统中时，液体冷却剂系统的可靠性得以维持，因为环境热交换器和热泵两者都可以被构造成单独地或一起地操作。

进一步优选地，热泵具有与液体冷却剂循环分开的制冷剂循环。因此，环境热交换器和热泵的冷却剂循环在它们的操作中被进一步有效地解耦，使得它们可以在两者中的任一个发生故障的情况下单独地操作。

优选的是，热泵布置在在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件与环境热交换器之间。因此，当热泵在冷却操作模式下操作时，在多个部件中的任何一个借助于液体冷却剂被冷却之前，液体冷却剂可以借助于热泵被冷却。因此，借助于液体冷却剂冷却的所有多个部件可以借助于通过热泵冷却的液体冷却剂来冷却。这使得能够将所有多个部件冷却到环境温度以下。

另外或替代地，优选的是，热泵或另外的热泵布置在在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件中的两个之间。因此，可以排除的是，多个部件中的一个或一些借助于通过热泵冷却的液体冷却剂来冷却。相反，热泵安装在液体冷却剂循环内，使得其冷却能力被提供给多个部件中的一个或多个特定部件。因此，与所有部件都借助于通过热泵冷却的液体冷却剂来冷却的解决方案相比，热泵的能耗可以减少或指定给一个或多个部件。

特别地，优选的是，多个部件中的其间布置有热泵的两个部件中的一个是风力涡轮机的发电机。发电机通常在风力涡轮机的操作期间产生大量的热量，并且因此在其能力方面受到限制。因此，优选的是将热泵布置在液体冷却剂循环内，使得特别地冷却发电机，即，不冷却布置在热泵之前的至少一个部件，并且因此所述至少一个部件不借助热泵被冷却，而是仅借助环境热交换器被冷却。

进一步优选的是，在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件中的一个是发电机。发电机通常在风力涡轮机的操作期间产生大量的热，并且因此在其能力方面受到限制。发电机可以布置在风力涡轮机的机舱中。

此外，优选的是，发电机包括内部冷却单元，其中内部冷却单元被布置成借助于液体冷却剂循环的液体冷却剂来冷却流经发电机或其壳体或发电机或其壳体的内部的空气。内部冷却单元可以是在流经发电机或其壳体或在发电机或其壳体内部的空气与流经发电机或其壳体的液体冷却剂之间交换热量的内部热交换器。内部冷却单元可以被布置成使得空气在发电机的定子绕组之间流动。例如，可以布置一个或多个风扇以用于优化通过发电机或其壳体或在发电机或其壳体内部的空气流，特别是定子绕组之间的空气流。

此外，优选的是，在风力涡轮机的操作期间产生热量的多个部件中的一个是转换器。例如，转换器可以布置在风力涡轮机的机舱或塔架中。

此外，优选的是，发电机和转换器借助于液体冷却剂循环彼此并联连接。由此，可以控制将多少液体冷却剂供应到发电机或转换器中的任一个或者是否将液体冷却剂供应到发电机或转换器中的任一个以控制这些部件的冷却。为此，阀、特别是三通阀可以布置在发电机和转换器之间的液体冷却剂循环中。

此外，优选的是，多个部件中的至少一个是轴承单元、变压器和/或液压单元。轴承单元可支撑连接到毂的旋转轴，所述毂具有附接到其的风力涡轮机叶片。旋转轴还可以直接地或经由齿轮箱附接到发电机。例如，变压器可以布置在机舱或塔架内。

进一步优选的是，热泵包括冷凝器、压缩机、蒸发器和膨胀阀。膨胀阀也可被称为节流阀或计量装置。借助于热泵提供的蒸气压缩可以使用循环的液体制冷剂作为介质，其从待冷却的空间吸收和移除热量，并且随后将该热量排出到别处。热泵可设置有与液体冷却剂循环不同的液体制冷剂循环。在这种热泵中，循环的液体制冷剂以被称为饱和蒸气的热力学状态进入压缩机，并被压缩到更高的压力，从而也导致更高的温度。然后，热的压缩蒸气处于被称为过热蒸气的热力学状态，并且其处于可以用流过蒸发器中的盘管或管的冷却水或冷却空气冷凝的温度和压力。这是循环的液体制冷剂从系统排热并且所排出的热量由水或空气（无论哪种情况）带走的地方。在被称为饱和液体的热力学状态下的冷凝液体制冷剂接下来被引导通过膨胀阀，在膨胀阀处，制冷剂经历压力的突然降低。该压力降低导致一部分液体制冷剂的绝热闪蒸。绝热闪蒸的自动制冷效果将液体和蒸气制冷剂混合物的温度降低到比待制冷的封闭空间的温度更冷的温度，由此封闭空间由液体冷却剂循环的液体冷却剂形成或包括液体冷却剂循环的液体冷却剂。然后，冷的混合物被引导通过蒸发器中的盘管或管。风扇可使封闭空间中的热空气循环穿过携带冷的制冷剂液体和蒸气混合物的盘管或管。该热空气使冷的制冷剂混合物的液体部分蒸发。同时，循环空气被冷却，从而将封闭空间的温度降低到期望的温度。蒸发器是循环制冷剂吸收和除去热量的地方，热量随后在冷凝器中排出并通过冷凝器中使用的水或空气转移到别处。为了完成制冷循环，来自蒸发器的制冷剂蒸气再次是饱和蒸气，并被引导回到压缩机中。温度可以通过使用拟合预定设计参数的压力体积曲线来控制。

另外，优选的是，液体冷却剂系统包括控制单元，其中控制单元被布置成在冷却操作模式下操作热泵，使得借助于热泵冷却的液体冷却剂的温度低于环境空气的环境温度。例如，控制单元可以集成在热泵或热泵的热泵壳体内。

特别优选的是，控制单元被布置成在接收到操作请求时或在以需要将液体冷却剂冷却到环境空气的环境温度以下的负载操作风力涡轮机时以冷却操作模式操作热泵。例如，在检测到超过多个部件中的至少一个的预定温度阈值时，可以从风力涡轮机的控制单元或另一控制单元发出操作请求。因此，在以对多个部件中的至少一个部件有潜在危险且可能导致该部件故障的负载操作风力涡轮机之前，可检查热泵提供所要求的冷却的能力。替代性地，当风力涡轮机在没有请求的情况下在较高负载下操作时，检测到的温度阈值的超越可以启动借助于热泵实现的冷却。

根据本发明的第二方面，借助于用于操作根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的方法来解决该问题，其中，该方法包括以下步骤：

（a）借助于环境热交换器冷却液体冷却剂，

（b）请求风力涡轮机的在需要将液体冷却剂冷却到环境空气的环境温度以下的负载下的操作或在需要将液体冷却剂冷却到环境空气的环境温度以下的负载下操作风力涡轮机，以及

（c）在所述冷却操作模式下操作所述热泵，使得借助于所述热泵冷却的所述液体冷却剂的温度低于所述环境空气的所述环境温度。

因此，根据本发明的第二方面的方法具有如上所述的根据本发明的第一方面的风力涡轮机的优点。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节从以下描述中展开，其中参考附图详细描述了本发明的图1至图3的实施例。因此，权利要求的特征以及在说明书中提及的特征对于本发明来说可以是必要的，如单独地或以任意组合采用。在附图中，示意性地示出了：

图1是根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机的侧透视图，

图2是示出根据本发明的第一实施例的具有图1的风力涡轮机的多个部件的液体冷却剂系统的图示，以及

图3是示出根据本发明的第二实施例的具有图1的风力涡轮机的多个部件的液体冷却剂系统的图示。

图1至图3中的相同对象用相同的附图标记命名。如果在一个图中存在多于一个的相同类型的对象，则对象以升序编号，其中对象的升序编号与其附图标记隔开一个点。附图中的特征和部件的具体尺寸是示例性的，并且可以被放大以仅便于参考。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括转子4，其具有连接到毂5的三个风力涡轮机叶片9.1、9.2、9.3。然而，风力涡轮机叶片9的数量可以是至少一个风力涡轮机叶片9、两个风力涡轮机叶片9或多于三个风力涡轮机叶片9，并且根据风力涡轮机1的特定设置的需要而选择。毂5连接到布置在机舱6内的发电机20 （参见图2） 。在风力涡轮机1的操作期间，叶片9由风驱动以旋转，并且风的动能由机舱6中的发电机转换成电能。机舱6布置在风力涡轮机1的塔架7的上端处。替代性地，风力涡轮机1可以是不包括机舱6的设计。塔架7竖立在诸如单桩或三桩的基座8上。基座8连接到和/或驱动到地面或海床中。

图2示出了根据本发明的第一实施例的具有图1的风力涡轮机1的多个部件20、30、50、60、70的液体冷却剂系统的图示。

该液体冷却剂系统包括总体上用液体冷却剂管线A、B描绘的液体冷却剂循环。液体冷却剂管线A、B借助于液体冷却剂系统直接连接到多个部件20、30、60，连接到液体冷却剂系统的环境热交换器10，以便冷却多个部件20、30、60。多个部件20、30、60是发电机20、转换器30和轴承单元60。环境热交换器10布置成在液体冷却剂循环A、B中包含的液体冷却剂与风力涡轮机1的机舱6外部的环境空气流G之间交换热量。为此，环境空气流入G.1在环境温度下进入环境热交换器10并在较高温度下离开环境热交换器10。借助于环境热交换器10，进入热交换器10的热液体冷却剂返回管线B.1通过处于相应较低温度（即环境温度）的环境空气流入G.1而被冷却。热的液体冷却剂管线B.1内的热的液体冷却剂在与环境空气流入G.1交换热量之后作为冷的液体冷却剂供给管线A.1内的冷的液体冷却剂离开热交换器10，并且环境空气作为被加热的环境空气流出G.2离开热交换器10。注意，这里使用的术语“热”和“冷”仅是示例性地解释了液体冷却剂循环A、B相对于彼此的相对温度，使得它们表示较高和相对较低的温度，但不限于任何具体温度。

热泵80布置在冷液体冷却剂供给管线A.1和热液体冷却剂返回管线B.1之间。热泵80与环境热交换器10并联布置。当热泵80在冷却操作模式下操作时，冷液体冷却剂供给管线A.1内的液体冷却剂可被更进一步冷却，特别是冷却到环境空气G的环境温度以下。冷却操作模式由热泵80的控制单元81控制。

发电机20和转换器30借助于液体冷却剂循环A、B彼此并联连接。冷液体冷却剂管线A.2和冷液体冷却剂管线A.3分别将热泵80与发电机20和转换器30连接。未示出的阀可连接在发电机20和转换器30之间，用于控制冷却剂液体到它们中的任一个的流动。此外，通常，任何数量的泵可布置在液体冷却剂循环中的任何位置处，以使液体冷却剂流到部件20、30、50、60、70中的任一者。然而，为了清楚起见，这些阀和泵未在图2和图3中示出，但将由本领域技术人员相应地集成。

在发电机20或其壳体内部，冷液体冷却剂管线A.6流过内部冷却单元21，该内部冷却单元与发电机20或其壳体内部的空气流C、D交换热量。空气流入D是冷空气流，该冷空气流借助于内部冷却单元21被冷却，冷液体冷却剂流经该内部冷却单元，并且该冷空气流流经发电机20的定子绕组22或在发电机20的定子绕组之间流动，从而冷却定子绕组并被加热成热空气流出D，该热空气流出D返回到内部冷却单元21并加热冷液体冷却剂。因此，冷的液体冷却剂作为热的液体冷却剂离开内部冷却单元21，热的液体冷却剂借助于热的液体冷却剂管线B.2返回到热泵80。

转换器30借助于冷液体冷却剂管线A.3中的冷的液体冷却剂来冷却。热的液体冷却剂管线B.6中的热的液体冷却剂离开转换器30。由于转换器30通常不像发电机20那样热，所以热的液体冷却剂管线B.6中的热的液体冷却剂不像热的液体冷却剂管线B.2那样热，液体冷却剂管线B.2通过热的液体冷却剂管线B.3朝向转换器30供应。从而，热的液体冷却剂管线B.6和热的液体冷却剂管线B.3之间的温度差借助于第一热交换器40.1用于冷却变压器50，作为在风力涡轮机1的操作期间在其单独的油循环中产生热量的另外的部件50。

分支冷液体冷却剂管线A.5在环境热交换器10或热泵80与发电机20之间附接到冷液体冷却剂管线A.2，并且与作为在风力涡轮机1的操作期间产生热量的待借助于冷液体冷却剂冷却的另外的部件60的轴承单元60连接。返回分支热液体冷却剂管线B.5将被加热的液体冷却剂返回到冷的液体冷却剂管线A.2。

此外，分支冷液体冷却剂管线A.4在热泵80和发电机20之间附接到冷液体冷却剂管线A.2，并且与第二热交换器40.2连接。借助于第二热交换器40.2，作为在风力涡轮机1的操作期间产生热量的另一部件70的液压单元70与其油循环E、F.1连接，并且油循环E内的油被间接冷却。返回分支热液体冷却剂管线B.4将被加热的液体冷却剂返回到冷的液体冷却剂管线A.2。

图3示出了根据本发明的第二实施例的具有图1的风力涡轮机1的多个部件20、30、50、60、70的液体冷却剂系统的图示。

在本发明的该第二实施例中，热泵80布置在发电机20与其余部件30、50、60、70之间，而不是如在本发明的第一实施例中那样布置在环境热交换器10与多个部件20、30、50、60、70之间。因此，发电机20直接被供给有借助于热泵80被冷却的液体冷却剂。轴承单元60和第二热交换器40.2不被供给有借助于热泵80被冷却的液体冷却剂。因此，发电机20可以具体地和主要地借助于热泵80被冷却。