供熱系統，風輪機或風電場，利用一個或多個風輪機部件的多餘熱量的方法及其使用的製作方法

2023-09-24 03:03:35

專利名稱：供熱系統，風輪機或風電場，利用一個或多個風輪機部件的多餘熱量的方法及其使用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種按照權利要求1的前序部分所述的供熱系統、 一種風 輪機或風電場、 一種利用 一個或多個風輪機部件的多餘熱量的方法及其使 用。
背景技術：
現代風輪機包括塔架和設置在塔架頂部的風輪才^搶。風輪機轉子通 過低速軸連接到機搶上，所述低速軸從機搶前面伸出。超過一定等級的風 將驅動風輪機轉子，並使該轉子相對於風旋轉。利用至少一個發電機將該 旋轉運動例如通過齒輪箱轉變成電力。如本領域中的技術人員已知的，電 力通常通過電開關齒輪傳動裝置和任選地一個或多個功率變換器供應到公 用電網。
效，但其過程總是在風輪機部件中造成一些轉變成熱量的能量。
為了控制溫度，必須將多餘熱量從部件中除去，以便保護各部件並保 證它們合適地起作用。
控制風輪機部件的溫度的一種方法在美國專利US 6,676,122 Bl中公 開，其中冷卻系統通過使空氣在塔架和機搶內循環來冷卻機艙和塔架中的 部件，從而使之通過塔架和機搶的表面排放熱量。
已知風輪機的缺點是在利用風力的轉化能方面效率較低。 本發明的目的是提供沒有上述缺點的技術，尤其是增加利用轉化能的 效率。

發明內容
本發明涉及一種供熱系統(供暖系統，加熱系統)，該供熱系統還包 括用於傳送(熱量)的裝置，該用於傳送的裝置將所述多餘熱量的至少一 部分傳送到所述至少 一個風輪機外部的至少一個地點中的供熱處理站(供
熱處理，heating process)。
術i吾"供熱處理站"是指為一定目的利用熱量的一個或多個處理站。 熱量可被直接或間接地利用以使限定的地點升溫。
由此保證由於利用風輪機部件中和冷卻系統中所產生的多餘熱量而增 加利用從風能轉換成風輪機中能量的效率。還保證將多餘熱量從風輪機部 件中除去，這從而保證所述部件在最佳溫度下合適地起作用。
尤其是隨著生產和安裝的風輪機的尺寸發展成百萬瓦級規模，風輪機 電力生產的不可忽視的量轉變成了多餘熱量。因此，通過本發明保證提供 有利而低成本的技術以用於除去和再利用所產生的多餘熱量，因而增加了 風輪機的效率。
另夕卜，保證可以將多餘熱量傳送到限定的地點，在所述限定的地點處，
熱量^:最佳地用於風^"機外部地點的供熱處理站。限定的地點可以是例如 大廈(大樓)、房間，暖房(溫室)、養魚場等。
在本發明的一方面，多餘熱量包括由風輪機部件例如軸承、齒輪箱等 中的機械摩擦所產生的熱量，以t或者由電氣風輪機部件例如發電機、功 率變換器、變壓器和其它控制單元等所產生的熱量。因而可保證除去在風 輪機的關鍵部件中產生的多餘熱量，從而延長部件使用壽命並增加工作效 率。另外，上述部件是風輪機產生熱量的主要貢獻者。
在本發明的另一方面， 一個或多個冷卻系統是在風輪機內或者從風輪 機伸出的閉合冷卻迴路。因而保證有效地傳送所收集的多餘熱量。
在本發明的一方面，所述一個或多個冷卻系統包括液體冷卻裝置。因 而保證使用具有高能量傳送能力的介質，從而有效冷卻風輪機部件，亦即 比其它類型的冷卻系統更有效地收集多餘熱量。在本發明的一方面，所述一個或多個冷卻系統包括通氣裝置，例如發 電機通氣裝置等。因而實現本發明的有利實施例。
在本發明的另 一方面，所述一個或多個冷卻系統包括至少 一個熱交換 器，所述熱交換器將所述多餘熱量傳遞到所述用於傳送的裝置。因而保證 可以有效地將多餘熱量從例如主閉環風輪機液體冷卻劑系統傳送到輔助閉 環系統，所述輔助閉環系統包括熱量從熱交換器到遠處地點例如中央設置 的區域供熱分配中心的傳送。通過使用熱交換器還保證了，熱能從主風輪
進行，所述方法此外具有高效率度。
在本發明的一方面，所述用於傳送的裝置是例如用於對住宅單元、大 廈、房間等供熱的區域或遠程供熱系統的一部分。因而保證將風輪機中的 多餘熱量用在需要的地點且不浪費。另外，還保證了將多餘熱量傳送到在 終端用戶為他們熱量消耗付費的情況下所建造的供熱系統。
在本發明的一方面，所述用於傳送的裝置直接連接到限定的地點，例 如一個或多個暖房。因而保證直接在供熱地點使用該多餘熱量，而不必將 熱量從例如一個閉環系統傳送到另一閉環系統。因而可以減少安裝成本。
在本發明的一方面，所述風輪機將多餘熱量與由附加能量源產生的熱 量相結合供應，所述附加能量源例如為電加熱器或電連接到風輪機上的卸
載(拋負載，dumpload)系統，熱泵系統，基於常規燃料如煤、(石)油 和天然氣的能量系統等。因為 一個或多個風輪機所產生的多餘能量可由於 例如交變風力條件而變動，所以由此保證了例如區域供熱系統的供熱需要 或供熱溫度不單獨依靠風輪機中的多餘熱量，而是與一些能量源結合，所 述能量源可控以供應所需的能量，以便滿足上述要求。能量源可以例如是 一個或多個風輪機一例如也供應多餘熱量的風輪機一的發電機。
在本發明的另 一方面，所述熱泵系統還從空氣中一例如從風lfe"機內部 或從外界一移出熱量。因而保證可以產生最大量的熱能用於例如區域供熱 系統。而且保證即使風輪機部件不產生多餘熱量或者不產生足夠的多餘熱 量時，也可以產生熱能。在本發明的一方面，所述至少一個熱交換器位於風輪機塔架中或風輪
機機搶中或風輪機基座中。由此這樣使得熱交換器的地點最佳將熱交換 器定位成靠近產生多餘熱量的風輪機部件，以及定位在風輪機的具有用於 熱交換器的足夠實際空間的位置中例如在塔架的上部或下部中。
在本發明的另 一方面，所述至少一個熱泵系統全部或部分地設置在風 輪機塔架(2)中或風輪機機搶(3)中或風輪機基座中。因而這樣保證熱 泵系統的地點最優將熱泵系統定位成靠近產生多餘熱量的風輪機部件， 以及定位在風輪機的具有用於熱泵系統的足夠實際空間的位置中例如在塔 架的上部或下部中。
在本發明的一方面，所述至少一個熱交換器位於風輪機塔架和風i^機 機艙的外部，例如位於所述至少一個風輪機附近的地表上方或下方的容器 中。因而例如通過將熱交換器設置在位於風輪機附近的大廈中而保證熱交 換器不會佔據風輪機內的空間。
在本發明的還一方面，所述至少一個熱泵系統位於風輪機塔架和風輪 機機搶的外部，例如位於所述至少一個風輪機附近地表的上方或下方的容 器中。因而例如通過將熱交換器設置在位於風輪機附近的大廈中而保證熱 交換器不會佔據風輪機內的空間。
在本發明的一方面，所述至少一個風輪機是包括至少兩個風輪機的風 電場(風輪機場，wind park)。因而保證可以從所述風電場傳送更多的熱 能，並因而將大量的多餘熱量供應到例如大的區域供熱系統。
在本發明的另一方面，所述風電場包括用於從所述至少兩個風輪機集 聚多餘熱量的儲能裝置，例如至少一個中央熱水儲箱。
在本發明的另一方面，每個風輪機都包括至少一個熱交換器和/或熱泵 系統、用於通過至少一個附加能量源產生熱量的裝置、用於從風輪機集聚 多餘熱量的儲能裝置和/或用於對限定的地點供熱或區域供熱或遠程供熱 的控制和調節裝置。
本發明還涉及風輪機或風電場以及供利用至少 一個風輪機中的 一個或 多個風輪機部件的多餘熱量的方法。另外，本發明還涉及利用至少一個風輪機中的一個或多個風輪機部件 的多餘熱量的方法的使用，其中所述風輪機是水平軸或垂直軸風輪機，所 述風輪機是直接驅動的或者用齒輪傳動裝置驅動的，和/或所述風輪機是定 速式或變速式風輪機。因而得到有利的方法及使用。


下面將參照

本發明，在附圖中
圖1示出在風輪機轉子中包括三個風輪機葉片的大型現代風輪機， 圖2示意性地示出現有技術中已知的、用於風輪機的冷卻系統的原理， 圖3示意性地示出本發明的一個實施例，其中風輪機冷卻系統連接到
形成閉環系統的外部受熱系統上，
圖4示出本發明的優選實施例，其中風輪才幾冷卻系統和外部受熱系統
通過熱交換器系統連接，
圖5示意性地示出熱交換器的一個實施例的構造和功能，
圖6示意性地示出包括額外的加熱器裝置的熱交換器的一個實施例的
構造和功能，以及
圖7示意性地示出風電場中的互連風輪機和互連的風電場以及附加的
熱電聯合才幾糹且。
具體實施例方式
圖1示出現代風輪機1，該風輪機1具有塔架2和設置在塔架頂部上 的風輪機機艙3。
風輪機轉子包括至少一個葉片，例如如圖所示包括三個風輪機葉片5， 該風輪機轉子通過變槳機構6連接到輪轂4。每個變槳機構都包括葉片軸 承和變槳致動裝置，所述變槳致動裝置能使葉片變槳(俯仰)。變槳過程 由變槳控制器控制。
如圖1所示，超過一定等級的風將驅動轉子並能使所述轉子旋轉。旋 轉運動轉變成電力，所述電力通常供應到公用電網，如本領域技術人員已知的。
圖2示意性示出用於風輪機的冷卻系統的一個現有技術實施例。向電 能的轉化導致在各種不同風輪機部件中產生多餘的熱量，例如通過旋轉系 統和固定系統之間的摩擦產生或者在電器部件中產生。熱量必須通過風輪 機冷卻系統10從各部件中除去，以便保護各部件並保證它們合適地起作 用。在運行期間產生熱的風輪機部件包括發電機8、功率電子設備9、變壓 器以及其它控制單元、軸承、齒輪箱7等。
如圖2所示，來自例如位於風輪^L^搶中的齒輪箱7、發電機8和功 率電子設備9的多餘熱量通過冷卻系統10除去，所述冷卻系統10穿過和/ 或圍繞各組件。傳統上冷卻系統10通過液體冷卻劑將多餘熱量引到散熱 器，所述散熱器可將熱量排放到風輪機外部的空氣和/或從風輪機外部產生 空氣的氣流，所述氣流通過各部件。
圖3示意性示出本發明的一個實施例。冷卻系統10將多餘熱量從風輪 機部件運送到風輪機l外部的用於供熱處理站的地點，包括住宅單元、大 廈、房間等的區域供熱。
如本發明的這個實施例所示，風輪機1和受熱對象11 二者通過冷卻系 統10相互連接，即，多餘熱量直接被從風輪機各部件傳送到一閉環系統中 的外部供熱的地點，所述閉環系統包括大體上位於地面上和/或土地中的冷 卻系統部件。
在本發明的一個實施例中，附加的能量例如通過熱泵添加到所述冷卻 系統10中，所述熱泵從它周圍的環境中提取熱量，以便使待傳送到外部供 熱地點的所述多餘熱量升溫。
在本發明的另一個實施例中，供熱處理站包括對暖房(溫室)12、養 魚場等供熱。
圖4示出本發明的優選實施例，其中多餘的熱量從風輪機各部件運送 到風輪機外部的一用於經由熱交換器13供熱的地點，所述熱交換器13將 冷卻系統10所運送的多餘熱量交換到風輪機供熱系統14的外部，例如區 域供熱系統15。熱交換器13可以位於風輪機1的內部例如圖中所示的機艙3或塔架2中，或者位於風輪機的外部例如自由空氣中或分開的房屋中。
圖5示意性地示出"一次通過管側(one pass tube-side)"直管熱交 換器類型的熱交換器13的一個實施例的構造和功能，其中熱量從第一液體 介質交換到第二液體介質，例如將多餘熱量從基於內部冷卻劑的系統10 交換到外部區域供熱系統15 。
參照本發明的一個實施例，多餘熱量通過第一液體冷卻劑系統從風輪 機部件傳送到具有溫度Tti的熱交換管路入口 16。冷卻劑通過壓力穿過熱 交換器13流到出口 17，即，管路入口 16處的壓力比管路出口 17處的壓 力高，因而保證流體流動如箭頭所示。在管路出口17處，溫度為Tt。。
作為例子，包括第二液體介質的區域供熱系統15連接到具有入口溫度 Td的熱交換器殼入口 18上。第二液體介質通過壓力穿過熱交換器13流到 熱交換器殼出口19，即，殼入口 18處的流體壓力高於殼出口 19處的流體 壓力，由此保證流體流動如箭頭所示。在殼出口19處，溫度為Ts。。
第一和第二流體介質在一隔板20的系統的分開的兩側上通過，從而利 用第一和第二介質之間的熱交換。熱交換從具有最高入口溫度的介質朝向 具有最低溫度的介質，即，如果第二液體介質的入口溫度Tsi低於第一冷卻 劑的入口溫度Tti，則多餘熱量從風輪機冷卻系統10交換到區域供熱系統 15。
所交換的熱的量取決於管和殼入口溫度之間的差、流速、材料等。 對於本發明的其它實施例，所用的熱交換器可以是其它類型，例如"兩
通管側(two pass tube side)"直管式熱交換器、U形管熱交換器、板式
熱交換器等。
對於本發明的另一實施例，其中多餘熱量從內部冷卻系統10交換到外 部區域供熱系統15，區域供熱系統15要求殼出口溫度Ts。達到一定溫度， 以《更能提供足夠的熱量傳送到例如住宅單元、大廈、房間等的區域供熱。
如果例如由於各風輪機部件所產生的多餘熱量較少而不能滿足要求， 則可能必需將外部熱源的附加能量供應到區域供熱系統15 。
如圖6所示，對於;^發明的一個實施例，形式為電加熱器21的附加的能量在內部連接到熱交換器13的殼體迴路上，以用於升高例如外部區域供 熱系統15的溫度。
在本發明的另一實施例中，附加的能量例如通過熱泵添加到內部冷卻 系統10，以升高傳送到所述熱交換器的所述第一冷卻劑的入口溫度Tti。
在本發明的另 一實施例中，附加的能量例如通過熱泵供應到熱交換器 13外部的殼迴路。
在本發明的一個實施例中，供應到殼迴路的附加能量來自 一能量源， 例如熱交換器13所處的本發明的風輪機1、太陽能電池、柴油發電機等。
在本發明的另 一實施例中，來自外部能量源的附加能量供應到熱交換 器13的管路(未示出)。
在本發明的一個實施例中，附加的能量從專用風輪機1供應到公用電 網，該專用風輪^L不作為電力生產的一部分。
在本發明的另 一優選實施例中，來自風輪機部件的多餘熱量被運送到 風輪機外部的用於通過熱泵加熱的地點，所述熱泵將熱量從所述風輪機部 件移動到風輪機外部的更高溫度的供熱系統，如區域供熱系統。
在本發明的甚至另一實施例中，附加的熱能可以通過一個或多個熱泵 系統供應到冷卻系統，所述熱泵系統將空氣中熱量，例如風輪機內部或者
外界的熱量，移動到風輪機外部的更高溫度的供熱系統例如區域供熱系統。 在本發明的另 一實施例中，所述一個或多個熱泵系統可以將空氣中的 熱量，例如風輪才幾內部或者外界的熱量，移動到風輪機外部的更高溫度的 供熱系統例如區域供熱系統，即使當風輪機和風輪機部件不產生多餘熱量 時也是如此。
所述熱泵或者熱泵系統可以設置在風輪機內部如機搶或塔架中，或者 設置在風輪機的外部例如自由空氣中或分開的房屋中。
圖7示出本發明的一個實施例的風電場，所述風電場包括至少兩個風 輪機l，每個風輪機1都具有風輪機冷卻系統10，在該系統中多餘熱量被 從風輪機部件傳送到熱交換器13中的管路和/或傳送到 一個或多個熱泵系 統。熱交換器13的殼迴路23或者在熱泵系統情況下的散熱迴路通過連接和調節裝置22直接或間接地內互連，以便形成更大，的區域供熱系統 15。
如圖7所示，對於本發明的另一實施例，可以將兩個或多個風電場內 互連，以便形成甚至更大規模的區域供熱系統15。在互連點處，可能需要 附加的連接和調節裝置24。
對於也在圖7中示出的本發明的另一實施例，供應區域供熱系統15 的一個或多個風電場可以額外連接到其它類型的能量源，例如熱電^i合機 組(CHP-plant) 25上。
在本發明(未示出)的另一實施例中，所述其它類型的能量源可以是 連接到一個或多個風電場的至少一個熱泵。
在本發明(未示出)的一個實施例中，所述區域供熱系統15包括儲能 裝置例如蓄熱器，以便滿足不同連接的熱負荷的需要。1、風輪機；
2、塔架；
3、機餘；
4、輪轂；
S、轉子葉片；
6、變槳機構；
7、齒輪箱；
8、發電機；
9、功率電子設備；
10、風輪機冷卻系統；
11、直接受熱對象
12、暖房；
13、熱交換器；
14、風輪機外部供熱系統；
15、區域供熱系統；
16、熱交換器管入口；
17、熱交換器管出口；
18、熱交換器殼入口；
19、熱交換器殼出口；
20、隔板；
21、電加熱器；
22、連接和調節裝置；
23、熱交換器殼迴路；
24、熱電聯合機組(CHP-plant)。
權利要求
1. 一種供熱系統，包括至少一個風輪機(1)，產生多餘熱量的一個或多個風輪機部件，以及用於從所述風輪機部件除去所述多餘熱量的一個或多個冷卻系統(10)，其特徵在於，所述供熱系統還包括用於傳送的裝置，該用於傳送的裝置將所述多餘熱量的至少一部分傳送到位於所述至少一個風輪機(1)外部的至少一個地點中的供熱處理站。
2. 按照權利要求l所述的供熱系統，其特徵在於，所述多餘熱量包括 由風輪機部件例如軸承、齒輪箱(7)等中的機械摩擦產生的熱量，以A/ 或者由電氣風輪機部件例如發電機(8)、功率變換器、變壓器和其它控制 單元等產生的熱量。
3. 按照權利要求1或2所述的供熱系統，其特徵在於，所述一個或多 個冷卻系統(10)是在所述風輪機(1)內或者從中伸出的閉合冷卻迴路。
4. 按照權利要求l-3之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述一個或 多個冷卻系統(10)包括液體冷卻劑裝置。
5. 按照權利要求l-3之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述一個或 多個冷卻系統(10)包括通氣裝置，例如發電機通氣裝置等。
6. 按照權利要求l-5之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述一個或 多個冷卻系統(10)包括至少一個熱交換器(13)，所述熱交換器(13) 將所述多餘熱量傳遞到所述用於傳送的裝置。
7. 按照權利要求l-6之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述用於傳 送的裝置是例如用於給住宅單元、大廈、房間等供熱的區域供熱系統(15) 或遠程供熱系統的一部分。
8. 按照權利要求l-6之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述用於傳送的裝置直接連接到限定的地點，例如一個或多個暖房(12)。
9. 按照前i^5L利要求之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述風輪機 (1)將多餘熱量與由附加能量源產生的熱量結合供應，所述附加能量源例如為電加熱器(21)、電連接到風輪機(1)上的卸載系統、熱泵系統，基 於常規燃料如煤、油和天然氣等的能量系統或其組合。
10. 按照權利要求9所述的供熱系統，其特徵在於，所述熱泵系統還 移送空氣中的熱量，例如來自風輪機內部或來自外界的熱量。
11. 按照前述權利要求之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述至少 一個熱交換器(13 )位於風輪機塔架(2)中，或位於風輪機機艙(3)中， 或位於風輪機基座中。
12. 按照前述權利要求之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述至少 一個熱泵系統完全或部分地位於風輪機塔架(2)中或風輪;ML搶(3)中 或風輪機基座中。
13. 按照權利要求l-9之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述至少 一個熱交換器(13)位於風輪機塔架(2)和風輪才;i4^搶(3)的外部，例 如位於所述至少一個風輪機(1)附近的地表上方或下方的容器中。
14. 按照權利要求l-9之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述至少 一個熱泵系統位於風輪機塔架(2)和風輪;ML艙(3)的外部，例如位於 所述至少一個風輪機(1)附近的地表上方或下方的容器中。
15. 按照前述權利要求之一所述的供熱系統，其特徵在於，所述至少 一個風輪機(1)是包括至少兩個風輪機(1)的風電場。
16. 按照權利要求12所述的供熱系統，其特徵在於，所述風電場包括 用於集聚所述至少兩個風輪機(l)中的多餘熱量的儲能裝置，例如至少一 個中央熱7jc儲箱。
17，按照前述權利要求之一所述的供熱系統，其特徵在於，每個風輪 機都包括至少一個熱交換器和/或熱泵系統，用於通過至少一個附加能量源 生產熱量的裝置，用於集聚風輪機中多餘熱量的儲存裝置和/或用於給限定 地點供熱或區域供熱或遠程供熱的控制和調節裝置。
18. 風輪機(1)或包括一個以上風輪機(1)的風電場，所述風輪機 (1)包括一個或多個產生多餘熱量的風輪機部件和一個或多個用於將所述多餘熱量移動到用於傳送的裝置的冷卻系統(10)，該用於傳送的裝置將 所述多餘熱量的至少一部分傳送到位於所述風l^機(1)外部的至少一個地 點中的供熱處理站。
19. 按照權利要求18所述的風輪機(1)或風電場，其特徵在於，所 述多餘熱量被通過一個或多個熱交換器(13)和/或一個或多個熱泵傳送到 所述用於傳送的裝置。
20，用於在至少一個風輪機(1)外部的至少一個地點中的供熱處理站 處利用所述風輪機(l)中的一個或多個風輪機部件的多餘熱量的方法，所 述方法包括以下步驟通過一個或多個冷卻系統(10)除去所述風輪機部件中的多餘熱量，以及將所述多餘熱量的至少一部分傳送到風輪機(1)外部的至少一個地點 中的供熱處理站。
21. 按照權利要求20所述的方法，其特徵在於，通過一個或多個熱交 換器(13)和/或一個或多個熱泵將所述多餘熱量從所述風輪機冷卻系統(10)傳遞到熱傳送系統例如區域供熱系統(15)或遠程供熱系統。
22. 按照權利要求20或21所述的方法的使用，其中所述風輪機是水 平軸或垂直軸風輪機，所述風輪機是直接驅動的或者裝備有齒輪傳動裝置 和/或所述風輪才幾是定速風輪機或變速風輪機。
全文摘要
本發明涉及一種供熱系統，所述供熱系統包括至少一個風輪機，一個或多個產生多餘熱量的風輪機部件以及一個或多個用於除去所述風輪機部件中的所述多餘熱量的冷卻系統。該供熱系統還包括用於傳送的裝置，以便將所述多餘熱量的至少一部分傳送到所述至少一個風輪機外部的至少一個地點中的供熱處理站。本發明還涉及風輪機或風電場以及利用一個或多個風輪機部件的多餘熱量的方法。此外，本發明還涉及利用至少一個風輪機中的一個或多個風輪機部件的多餘熱量的方法的使用。
文檔編號F03D9/00GK101535637SQ200780040415
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月5日 優先權日2006年11月3日
發明者G·拉森 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司