当前位置: 新能源网 » 新能源技术 » 风电技术 » 技术动态 » 正文

风力发电中的电子冷却

日期:2020-01-14    来源:功率电子应用

国际新能源网

2020
01/14
08:59

关键词: 风力发电 风电机组冷却 风机冷却

   风力发电系统捕获自然气流并将其转换为机械能,然后转化为电能。风车长期以来一直利用自然,可再生的风流来碾磨谷物和抽水。现在,这些风车已经演变成高度工程化的风力涡轮机,长长的,高度工程化的叶片在数十米高的钢塔上旋转。
  有一些相对较小的风力涡轮机为个人房屋或企业提供动力。它们可以产生约100 kW的功率。但是,当今的风力涡轮机行业大多数用于公用事业规模的发电。这些大型,高大的风力涡轮机,在数十或数百个领域中,可为电网系统提供高水平的电力,并覆盖数千个最终用户。全世界有超过25万台这样的涡轮机在使用。
  大多数公用事业规模的风力涡轮机都建在开阔,自然风大的陆地或近海上。每台涡轮机可产生1.0-1.5 MW的电能,足以为数百个家庭供电。美国的风力发电装机容量约为75吉瓦。而且,尽管受到当地的抵制,美国已经开始与其他国家一起进行海上安装。迄今为止,中国风电装机容量最大,约为150吉瓦。在全球范围内,预计风力涡轮机的总发电量在2016年至2020年之间将接近翻番,达到792吉瓦。这足以为美国2.2亿户普通家庭供电
  风力发电机的力学
  当自然风吹过涡轮时,其叶片会捕获能量并旋转。该旋转使转子内部的轴旋转。轴连接到变速箱,可以增加旋转速度。变速箱连接到发电的发电机。大多数风力涡轮机由钢管塔组成。在此之上的是机舱结构,容纳涡轮机的轴,变速箱,发电机和控制装置。
  在机舱的面向风的一端是一个轮毂,涡轮机叶片固定在该轮毂上。叶片和轮毂一起称为转子。转子的直径决定了涡轮机可以产生多少能量。转子越大,利用的动能就越大。此外,较大的转子需要较高的塔架,这会使转子暴露于更快的风中。
  风力涡轮机配备有风力评估设备,包括风向标。这些将数据发送到计算机以使涡轮自动旋转到风中,并发送到可以使叶片倾斜以进一步优化能量捕获的变桨系统。

  涡轮和火
  每年有数百台风力涡轮机着火。最常见的原因是雷击,但设备过热也可能是原因。机油和机舱内的机器和电线非常靠近易燃材料,例如液压润滑油和塑料。错误的接线或过热会引起火灾。结果是灾难性的。大风吹来的氧气会迅速使机舱内部起火。一旦起火,就不可能有意将其扑灭。水管无法达到机舱的高度,像这样的风力涡轮机通常安装在偏远地区,远离紧急援助。

  机舱中的电子设备
  当然,大多数风力涡轮机都不会着火。然而,尽管周围风很大,但机舱中的电子设备仍需要进行有效的热管理才能连续运行。最重要的电子设备是发电机和功率转换设备。
  发电机是风力涡轮机的心脏。它将风纺转子的旋转能量转换为电能。它产生风力涡轮机系统馈入电网的电能。
  发电总是伴随着热量的损失,从而导致发电机的铜绕组变热。更大容量的发电机甚至进一步受到挑战。发电机的热损失将随其线性尺寸的立方成比例增加,从而导致发电机效率严重下降。
  必须散发过多的发电机热量,以保持效率并避免损坏。在大多数风力涡轮机上,这是通过将发电机封闭在管道中,使用大型风扇进行空气冷却来实现的。一些制造商提供了可以在风力涡轮机中使用的水冷发电机。水冷模型需要在机舱中安装一个散热器,以散发来自液体冷却矩阵的热量。
  风力涡轮机可以设计成具有同步发电机或异步发电机,并且可以具有到电网的各种形式的直接或间接连接。直接电网连接意味着发电机连接到(通常是三相)交流电网。
  具有间接电网连接的风力涡轮机通常使用功率转换器。这些可以是AC-AC转换器(有时称为AC / DC-AC转换器)。他们使用整流器将交流电转换为直流电(DC),然后使用逆变器将其转换为可用的交流电。在此过程中,电流流经一系列的绝缘栅双极晶体管开关(IGBT)。它们通过产生人工正弦波将直流电转换为交流电以提供给电网。开关接通和断开的频率越多,电流流过的电流就越接近真实的正弦波,并且流过的正弦波越多,功率越纯。产生的交流电与电网的频率和相位匹配。
  但是,这些开关启动得越快,它们产生的热量就越多,并且在风力涡轮机输入可变的情况下,用于此应用的IGBT需要非常频繁地循环。除非适当冷却,否则会产生大量热量,这将大大降低总体效率。

  即使提高了效率,风力涡轮机的发电系统和子系统也必须在有限的机舱空间内管理不断增加的热量。此外,即使发生的功率损耗只有3-5%,热管理系统也必须消散200-300 kW的热量和更多的热量。
  空气冷却已在小型风力涡轮机中得到有效利用,但对于去除兆瓦级机组产生的热量却不切实际。它的热容量太低,以至于难以将足够的空气吹过电动机或通过变频器以维持可靠的工作温度。这就是为什么大型风力涡轮机比空气更经常使用水冷的原因。

  闭环冷却系统由去离子水和乙二醇(ABB)混合而成。
  然而,水冷系统相对较大,并且它们的热效率限制迫使发电子系统的尺寸和重量基本跟踪其发电量。由于水的热性能限制,用于10兆瓦风力涡轮机的发电设备几乎是5兆瓦模型的尺寸和重量的两倍。这主要是因为水冷无法充分散布额外的热负荷而不将其散布开来。
  帕克·汉尼。(Parker Hannifin)是风力涡轮机电子产品液体冷却系统的一家供应商。它的可蒸发介电液(VDF)系统提供的传热能力明显大于水。VDF系统需要较少的流体并降低泵速。1升/分钟的VDF流量可以达到6升/分钟的水流量所提供的相同的耗散率,因此可以使用更小的系统。
  密封的VDF组件设计为防泄漏的,但是如果发生泄漏,则非导电流体不会损坏电子组件。冷却系统的效率和热堆叠的缺乏提供了另一个优势,因为该系统可保持相当严格的温度范围。缺少热循环消除了涡轮电子设备上的应力,从而延长了其使用寿命。
  结论
  风力涡轮机电子设备中的热量问题主要涉及发电机和功率转换电子设备。发电机的热负荷来自铜线电阻和铁心旋转产生的铁损。由于摩擦,进一步的热损失是机械的。这些能量损失变成分配给风力涡轮机机舱的热能。
  来自机舱的功率转换系统的多余热量主要是由于电容器和功率半导体等电子组件的阻抗所致。较高的温度会缩短系统寿命并增加故障率。诸如液体冷却的热管理方法可以有效地适用于机舱电子设备。
返回 国际新能源网 首页

新能源资讯一手掌握,关注 风电头条 储能头条 微信公众号

看资讯 / 读政策 / 找项目 / 推品牌 / 卖产品 / 招投标 / 招代理 / 发新闻

风电头条

储能头条

0条 [查看全部]   相关评论

扫码关注
国际能源网
扫码关注
光伏头条
扫码关注
储能头条
扫码关注
风电头条

客服电话400-8256-198
新闻举报
返回首页
返回顶部

国际能源网站群

国际能源网 国际新能源网 国际太阳能光伏网 国际电力网 国际风电网 国际储能电池网 国际节能环保网 国际煤炭网 国际石油网 国际燃气网