專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)地?zé)峒訜岷屠鋮s系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及具有至少一個(gè)待加熱和/或冷卻單元
或構(gòu)件的風(fēng)力渦輪機(jī)，并且更具體地，涉及使用地?zé)嵯到y(tǒng)加熱和/或冷 卻的風(fēng)力渦輪機(jī)的至少一個(gè)構(gòu)件或單元。
10
背景技術(shù)：
近來(lái)，風(fēng)力渦輪機(jī)作為環(huán)境安全和相對(duì)便宜的替代能源 已獲得更多的關(guān)注。風(fēng)力渦輪機(jī)不散發(fā)溫室氣體(GHGs),從而無(wú)助于 全球變暖。風(fēng)力渦輪機(jī)也允許一個(gè)國(guó)家通過(guò)國(guó)內(nèi)的電能生產(chǎn)而在能量 方面變得更加獨(dú)立。隨著對(duì)風(fēng)力發(fā)電的興趣日益增長(zhǎng)，已做了相當(dāng)大
15的努力，以發(fā)展可靠而有效的風(fēng)力渦輪機(jī)。 風(fēng)通常被認(rèn)為是由太陽(yáng)對(duì)大氣不均勻加熱、地球表面的 不規(guī)則性和地球的轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的太陽(yáng)能的一種形式。風(fēng)流動(dòng)模式被地 球地形、水體和植被所改變。用語(yǔ)風(fēng)能或風(fēng)力描述風(fēng)被用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)軸并 隨后產(chǎn)生機(jī)械能或電力的過(guò)程。
20
典型地，風(fēng)力渦輪機(jī)用于將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
能(即軸的轉(zhuǎn)動(dòng))轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括將空氣的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換 成機(jī)械運(yùn)動(dòng)(比如轉(zhuǎn)動(dòng))的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)構(gòu)(比如葉片或轉(zhuǎn)子)，然后通過(guò) 發(fā)電機(jī)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。 25
風(fēng)力渦輪機(jī)包括若干機(jī)械構(gòu)件和電構(gòu)件，這些構(gòu)件在它
們的運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生熱能損失。這些構(gòu)件或單元包括例如齒輪箱(如果 提供的話)和發(fā)電機(jī)。這兩種構(gòu)件典型地安置在由塔架旋轉(zhuǎn)地支撐的短 艙(nacelle)中。構(gòu)件還包括轉(zhuǎn)換器和變壓器，這兩種構(gòu)件典型地位于塔架基礎(chǔ)內(nèi)或其附近，并且用于將經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)從轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化的 電能供給至電網(wǎng)。另外，構(gòu)件包括用來(lái)控制風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行的控制 器。控制器典型地安置在塔架內(nèi)部。由于現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)提高的性能， 上述構(gòu)件的有效冷卻日益困難。
5
典型地，待冷卻的風(fēng)力渦輪機(jī)單元和構(gòu)件安置在由風(fēng)扇
產(chǎn)生的冷卻氣流內(nèi)。然而，尤其是相對(duì)于安置在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架中的 待冷卻單元，很難將足夠的空氣供給至塔架中來(lái)充分地冷卻構(gòu)件。而且，風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)件在冷天氣運(yùn)行過(guò)程中需要加熱， 典型地使用電阻加熱器和風(fēng)扇，這降低了風(fēng)力渦輪機(jī)的凈輸出。電阻 10 加熱器需要通常由風(fēng)力渦輪機(jī)供給的大量的功率。由電加熱器消耗的 功率降低了供給至電力網(wǎng)的凈功率以及風(fēng)力渦輪機(jī)的凈功率輸出。 因此，需要加熱和/或冷卻風(fēng)力渦輪機(jī)的各種構(gòu)件的改進(jìn) 的系統(tǒng)。
15

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包 括塔架和由塔架旋轉(zhuǎn)地支撐的短艙。在塔架或短艙中可安置至少一個(gè) 待冷卻單元。至少一個(gè)熱交換器位于塔架或短艙內(nèi)部。熱交換器被地 熱冷卻。冷卻回路在待冷卻單元和熱交換器之間提供流連通。冷卻回 20 路包含在單元和熱交換器之間流動(dòng)的冷卻介質(zhì)以便于單元的冷卻。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開(kāi)了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其 包括塔架和由塔架旋轉(zhuǎn)地支撐的短艙。在塔架或短搶中可安置至少一 個(gè)待加熱單元。至少一個(gè)熱交換器位于塔架或短艙內(nèi)部。熱交換器被
地?zé)峒訜?。加熱回路在待加熱單元和熱交換器之間提供流連通。加熱 25 回路包含在單元和熱交換器之間流動(dòng)的傳熱介質(zhì)以便于單元的加熱。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，公開(kāi)了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其 包括地基和由地基支撐的塔架。該風(fēng)力渦輪機(jī)包括至少 一個(gè)待加熱單 元或待冷卻單元。至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)位于風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)或其附近。傳熱系統(tǒng)包括熱回路，并且該熱回路的至少 一部分延伸到地基和地基附 近的土地中的至少一個(gè)之中。該傳熱系統(tǒng)在待加熱單元或待冷卻單元 與地基以及土地中的至少 一 個(gè)之間傳熱。
5


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，示范性風(fēng)力渦輪機(jī)的前
視圖，以及地基與地?zé)峒訜岷屠鋮s系統(tǒng)的橫截面圖。 圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，示范性風(fēng)力渦輪機(jī)的部 分橫截面圖，以及地基與地?zé)峒訜岷屠鋮s系統(tǒng)的橫截面圖。
10
圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，示范性風(fēng)力渦輪機(jī)的部
分橫截面圖，以及地基與地?zé)峒訜岷屠鋮s系統(tǒng)的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)(HAWT)100(以下稱"風(fēng)力渦輪機(jī)") 15如圖1所示。然而本發(fā)明可與任意風(fēng)力渦輪機(jī)一起應(yīng)用，包括但不限 于，垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)100可包括管狀塔架110，其常 由鋼制造。塔架110可通過(guò)將多個(gè)塔架段彼此上下堆疊而樹(shù)立。塔架 110支撐短艙120、葉片130和輪轂140的重量。塔架也可為格架(或 桁架)型式，并且管狀塔架可備選地由混凝土或其它適合材料形成。短 20 艙120典型地容納驅(qū)動(dòng)系(例如齒輪箱、軸、聯(lián)接器、發(fā)電機(jī)等)，以 及主架(也稱為底座)和偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。其它項(xiàng)目例如控制電子器件也可 容納在短艙120內(nèi)或塔架110中。典型地，短搶120具有由例如玻璃 纖維或石墨合成物的輕質(zhì)材料構(gòu)成的外層。該短搶外層的主要功能是 保護(hù)內(nèi)含物免受大自然的力量(例如雨、水、雪等)。 25
葉片130連接到輪轂140上，且輪轂可包含控制各葉片
的俯仰角的俯仰控制機(jī)構(gòu)。典型地，在大部分商用風(fēng)力渦輪機(jī)中采用 三片葉片。然而，也可使用一片、兩片或四片或更多葉片。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng) 低速軸，葉片將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。葉片可由玻璃纖維、石墨合成物、玻璃纖維增強(qiáng)塑料或木材/環(huán)氧薄片或其它適宜材料制成。低速
軸典型地通過(guò)螺栓結(jié)合法蘭式聯(lián)接器連接到輪轂140上。
各種控制和動(dòng)力電子設(shè)備可位于塔架110的基礎(chǔ)處?？?制電子器件可控制風(fēng)力渦輪機(jī)100的各種運(yùn)行模式(例如葉片俯仰角 5 度、啟動(dòng)或停機(jī)序列等)。功率電子器件可包括變壓器和轉(zhuǎn)換器，并且
來(lái)傳輸?shù)诫娏W(wǎng)上。盡管在塔架的基礎(chǔ)處具有控制器是一個(gè)典型的應(yīng) 用，但其不是僅有的可能構(gòu)造?？刂破饕部芍糜诙膛撝谢蛩艿钠渌?部分中。在其它應(yīng)用中，控制或功率電子器件可被容納在風(fēng)力渦輪機(jī)
10 100之外，但是接近風(fēng)力渦輪機(jī)100。地?zé)峒訜峄蚶鋮s系統(tǒng)，如本發(fā) 明所實(shí)施，也可適于經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓芎蛙浌苈窂郊斑B接而用在位于除了 塔架基礎(chǔ)以外的其它位置處的構(gòu)件上。 典型地，散熱器用于對(duì)控制和功率電子器件進(jìn)行水冷。 抽取的熱然后排到空氣中。在電子器件需要冷卻且環(huán)境溫度冷的時(shí)候
15 此方法可良好運(yùn)行，但是在較暖的環(huán)境溫度下經(jīng)常不如人意。例如， 當(dāng)環(huán)境空氣溫度接近38攝氏度(100華氏度)時(shí)，可被排到空氣中的熱 量非常有限。相反地，當(dāng)環(huán)境空氣溫度非常冷時(shí)，電子器件會(huì)需要保 持在冰點(diǎn)(0攝氏度)以上。為此當(dāng)前系統(tǒng)將需要結(jié)合單獨(dú)的加熱器，并 且取自發(fā)電機(jī)的能量可降低風(fēng)力渦輪機(jī)的效率和功率輸出。
20
大部分商用的基于地面的風(fēng)力渦輪機(jī)需要大的地基(例
如鋼筋混凝土)。此地基掘進(jìn)土中并向土壤中延伸大約8到15英尺深， 該深度低于冰凍線。在某些情況下，地基可深于15英尺。在水凍線 以下土壤溫度相對(duì)恒定(例如15-25攝氏度)。此溫度范圍比熱的夏天 空氣(在某些位置)相對(duì)冷，且比冷的冬天空氣(在某些位置)相對(duì)暖。根
25 據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面，地?zé)峒訜岷屠鋮s系統(tǒng)可具有此相對(duì)恒定的地面 溫度的優(yōu)點(diǎn)，并利用其在冬天加熱風(fēng)力渦輪機(jī)電子器件，以及在夏天 冷卻電子器件。參照?qǐng)D1到圖3，地?zé)嵯到y(tǒng)150可具有位于塔架110內(nèi)的一部分，并具有位于風(fēng)力渦輪機(jī)地基170內(nèi)包括管道160的另一部 分。塔架110內(nèi)的部分150可包括用來(lái)與各種功率和控制電子器件210 進(jìn)行熱交換的熱交換器(未示出)。功率和控制電子器件210典型地位 于塔架110內(nèi)該塔架110的基礎(chǔ)處，但是該電子器件也可位于塔架中 5的更高處，短艙120中，或甚至在塔架110外部。 管道220可從位于系統(tǒng)150中的熱交換器引向電子器件 210。如果有待加熱或待冷卻的電子器件或其它單元，該管道可向上 引導(dǎo)進(jìn)入塔架110或甚至進(jìn)入短艙120。例如，位于短艙120中的發(fā) 電機(jī)(未示出)可通過(guò)將管道220向上引向塔架110并進(jìn)入短搶120來(lái)
10冷卻。以這種方式，在短搶內(nèi)需要加熱或冷卻的任意單元或裝置均可 通過(guò)適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)管道220來(lái)達(dá)到。 典型地，系統(tǒng)150包括泵(未示出)，其用來(lái)經(jīng)過(guò)分配系 統(tǒng)(例如管道220和160)泵送傳熱介質(zhì)(例如水、防凍劑、油等)。泵經(jīng) 過(guò)待加熱或待冷卻的單元和構(gòu)件(例如變頻器、變壓器、控制器、發(fā)電
15機(jī)、齒輪箱等)供給傳熱介質(zhì)來(lái)直接或間接地冷卻這些單元或構(gòu)件。 圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中地?zé)峁艿?60包 含在地基170內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，管道可包含在周圍的土壤或溝 渠中。典型地，地基170深于約IO英尺，并且地基的下部完全在水 凍線以下。典型地為鋼筋混凝土的地基也是大的熱質(zhì)量，其可作為熱
20源或熱沉(heatsink)。在更暖的季節(jié)，例如夏天，混凝土地基可吸收由 各種功率和控制電子器件產(chǎn)生的大量的熱。在更冷的季節(jié)，例如冬天，
地基的下部在冰凍線以下，并且可用作熱源來(lái)將各種功率和控制電子
裝置的溫度維持在水點(diǎn)之上。 圖3示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中地?zé)峁艿?60延伸到風(fēng) 25 力渦輪機(jī)附近的土地中。管道160顯示為在風(fēng)力渦輪機(jī)地基170的一 側(cè)。然而，管道也可布置成環(huán)繞風(fēng)力渦輪4幾地基的全部或一部分。土 地330用作良好的熱源或熱沉。
通常在渦輪機(jī)之間的土地或渦4侖機(jī)和功率或控制變電站之間的土地中形成有溝渠。溝渠可包含各種功率傳輸和控制信號(hào)的
電纜。這些溝渠也可用于容納地?zé)峁艿?60。在一些實(shí)施例中， 一道
溝渠可用來(lái)包含多個(gè)渦輪機(jī)的地?zé)峁艿馈Ｒ呀?jīng)描述了一個(gè)熱交換器的使用，但可以使用多個(gè)熱交 5 換器。多個(gè)熱交換器可位于風(fēng)力渦輪機(jī)100的相同或不同部分內(nèi)，并 連接到相同地?zé)峁艿?60上或連接到分開(kāi)且不同的環(huán)路上。
地?zé)峁艿?60可布置在閉合的環(huán)路區(qū)、開(kāi)放的環(huán)路區(qū)、 水平閉合的環(huán)路區(qū)、垂直閉合的環(huán)路區(qū)、彎曲閉合的環(huán)路區(qū)中，或布 置成閉合的池塘環(huán)路(pond loop)。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)靠近池塘、湖泊或其 10它水源時(shí)可使用閉合的池塘環(huán)路。地?zé)峁艿揽芍糜谒吹撞扛浇胰?后水將作為熱源或熱沉。已經(jīng)結(jié)合水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)(HAWT)描述了各種實(shí)施 例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明也可適用于垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)(VAWT)。 盡管本文描述了各種實(shí)施例，但從本說(shuō)明書(shū)將會(huì)理解，可對(duì)元件做出 15各種組合或其改進(jìn)，并且這些組合和改進(jìn)都落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)(100)，包括塔架(110)；由所述塔架(110)旋轉(zhuǎn)地支撐的短艙(120)；至少一個(gè)單元(210)，其待加熱或待冷卻，并布置在所述塔架和所述短艙的至少一個(gè)中；至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)(150)，其位于所述塔架(110)和所述短艙(120)的至少一個(gè)內(nèi)，所述至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)(150)構(gòu)造成被地?zé)岬丶訜峄蚶鋮s；以及熱回路(160)，其提供所述至少一個(gè)待加熱或待冷卻的單元(210)與所述至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)(150)之間的流連通，所述熱回路(160)包含在所述至少一個(gè)單元(210)和所述至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)(150)之間流動(dòng)的傳熱介質(zhì)，以便加熱或冷卻所述至少一個(gè)單元(210)。
2. —種風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO),包括地基(170);由所述地基(170)支撐的塔架(110); 至少 一個(gè)待加熱或待冷卻的單元(210);至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)(150)，所述至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)的至少一部分位 20于所述風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)或其附近，所述傳熱系統(tǒng)包括包含傳熱介質(zhì)的熱 回路(160)，所述熱回路的至少一部分延伸到所述地基(170)和所述地基 (H0)附近的土地(330)的至少一個(gè)中；其中，所述傳熱系統(tǒng)在所述至少一個(gè)待加熱或待冷卻的單元，和 所述地基(170)以及所述土地(330)的至少一個(gè)之間傳熱。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO),其特征在于，所述熱回路(160)的 一部分被包含在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的地基(no)內(nèi)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO),其特征在于，所述熱回路(160)的一部分被包含在所述風(fēng)力渦輪機(jī)附近的土 地內(nèi)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO)，其特 征在于，所述熱回路(160)的一部分被包含在溝渠內(nèi)，所述溝渠位于所 述風(fēng)力渦輪機(jī)附近。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO)，其特 征在于，所述熱回路(160)為閉合的環(huán)路。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO)，其特 征在于，所述傳熱系統(tǒng)(150)包括至少一個(gè)泵，所述泵用來(lái)將所述傳熱 介質(zhì)從所述至少一個(gè)單元(210)泵送到所述至少一個(gè)傳熱系統(tǒng)(150)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO)，其特 征在于，所述傳熱系統(tǒng)(150)是地?zé)嵯到y(tǒng)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO),其特 征在于，所述熱回路(160)大體上被包含在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的地基(170) 內(nèi)。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)(IOO)，其特 征在于，所述熱回路(160)大體上被包含在所述風(fēng)力渦輪機(jī)附近的土地 (330)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)地?zé)峒訜岷屠鋮s系統(tǒng)，具體而言，公開(kāi)了一種具有塔架(110)和短艙(120)的風(fēng)力渦輪機(jī)(100)，該風(fēng)力渦輪機(jī)(100)包括至少一個(gè)待加熱或待冷卻的單元(210)。該單元(210)可被容納在塔架(110)或短艙(120)內(nèi)。地?zé)釤峤粨Q器(150)也可位于塔架(110)或短艙(120)內(nèi)。地?zé)崂鋮s回路(160)提供待加熱或待冷卻的單元(210)和熱交換器(150)之間的流連通，并包含在單元(210)和熱交換器(150)之間流動(dòng)的傳熱介質(zhì)，以便加熱或冷卻單元(210)。
文檔編號(hào)F03D1/00GK101408150SQ20081016939
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者E·D·埃格爾斯頓 申請(qǐng)人:通用電氣公司