專利名稱：風能轉換器及其方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如權利要求1前序部分所述的風能轉換器、 一種用于 控制風能轉換器的一個或多個區(qū)域的溫度的方法及其應用。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中已知的現(xiàn)代風能轉換器包括置于基礎上并剛性連接到基 礎的風輪機。風輪機包括一塔架和一置于塔架頂部的風輪機機艙。包括一 個或多個風輪機葉片的風輪機轉子通過延伸出機搶前部的低速軸連接到機 艙。
電氣和機械部件的溫度控制 一一特別是在部件運行期間一 一 總是一個 問題，尤其是在風能轉換器領域，該問題具有重要意義。通常，同樣類型 的風能轉換器需要能夠在地球上酷熱和極冷的地區(qū)工作，這使得在風能轉 換器系統(tǒng)中非常需要控制例如齒輪、發(fā)電機、動力操縱設備、軸承等風輪 機部件的溫度。
盡管現(xiàn)代風輪機在將風輪機轉子的旋轉轉換為電力方面變得越來越有 效，但是該過程總是導致在某些風輪機部件中將一些能量轉換成熱量。
必須從部件中去除這些多余的熱量以保護部件并使得它們正常工作。 傳統(tǒng)上，這必須借助于一個或多個冷卻系統(tǒng)來進行，冷卻系統(tǒng)借助于冷卻 介質可將熱量從部件輸送到散熱器，散熱器可將熱量^到風輪機外部的 空氣中，并且/或者通過產(chǎn)生一股來自于風輪機外部的空氣并經(jīng)過部件的空 氣流來M熱量。
但是外部空氣的溫度、濕度、純度等的質量難以控制。此外，現(xiàn)代風 輪機在功率輸出方面變得越來越大，因此也經(jīng)常產(chǎn)生越來越多的多余熱量，而這又與空氣是熱的相對較差的導體的事實相結合，使得這些類型的冷卻 系統(tǒng)非常大，既昂貴又笨重。
另外，風輪機外部空氣的溫度在不同的地點、不同的季節(jié)以及白天與
黑夜之間都變化很大，在極端情況下從零下30攝氏度變化至零上50攝氏 度，這一事實將使得風能轉換器在某些情況下的冷卻系統(tǒng)尺寸過大并且昂 貴。此問題當然可通過使得風能轉換器的溫度控制系統(tǒng)適應特定建造地點 來克服，但是這在后勤上是困難、昂貴的，并且將延長風能轉換器的運輸 時間。
在美國專利US 6，676，122 Bl中公開了另一種控制風輪機部件溫度的 方法，其中冷卻系統(tǒng)通過循環(huán)塔架和機艙內的空氣、使其通過塔架和機艙 的表面散發(fā)熱量來冷卻機搶和塔架內的部件。但是這種系統(tǒng)實施起來既復 雜又困難，因為風能轉換器通常在白天產(chǎn)生大多數(shù)電力(因為在白天有更 多的風)，大多數(shù)冷卻也通常需要在白天進行，而太陽和環(huán)境溫度會加熱 風輪機的表面。因此這種系統(tǒng)將不得不具有非常大的冷卻能力以能夠正常 工作，這使得系統(tǒng)本身非常大且昂貴。
至于離岸風能轉換器，已知使用海水來冷卻風輪機的不同部件，但是， 如果冷卻系統(tǒng)是開放的，會存在冰凍、堵塞、腐蝕及其他嚴重問題，這些 問題難以解決，而且解決起來很昂貴，而如果系統(tǒng)例如通過將冷卻介質循 環(huán)通過置于海水中的軟管而封閉，則存在冰凍、風暴、過度生長及其他需 要解決的問題?？朔@些系統(tǒng)的問題是困難的而且是昂貴的，并且不論這 種技術是如何實施的，其只是在離岸風能轉換器中才可用。
在DE 10 2004 061 391 Al中公開了另一種控制風輪機中溫度的方法， 其中通過風輪機基礎中的線纜導管來吸入空氣以降低空氣的溫度，然后利 用空氣來冷卻風輪機的塔架中的設備。但是這種冷卻系統(tǒng)效率不是很高， 并且包括前面提及的幾個缺點，例如難以控制質量等。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種沒有上述缺點的風能轉換器。
特別地，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于控制風能轉換器的一個或 多個區(qū)域的溫度的、有利的和節(jié)約成本的技術，特別是提供一種在何處以及如何散發(fā)多余熱量和/或吸收所需熱量的技術。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種風能轉換器，其包括風輪機、風輪機基礎和用于控制 風輪機的 一個或多個區(qū)域的溫度的溫度控制裝置。該溫度控制裝置包括用 于交換熱量的裝置。該風能轉換器的特征在于，用于交換熱量的裝置置于 基礎外部的大地中。
基礎周圍的大地溫度在一個相對小的范圍內變化，并且在一定的深度 處，整個地球的溫度都是基本恒定的。因此，將用于交換熱量的裝置結合 在基礎外部的大地中是有利的，因為該環(huán)境更可測和恒定。
在本發(fā)明的一個方面，所述溫度控制裝置包括將熱量傳送到所述風輪 機的所述一個或多個區(qū)域或者從所述風輪機的所述一個或多個區(qū)域傳送熱 量的冷卻流體、用于產(chǎn)生所述冷卻流體流的一個或多個泵、以及用于從所 述冷卻流體散發(fā)熱量或者向所述冷卻流體供給熱量的散熱裝置。
產(chǎn)生流向或來自需要加熱或冷卻的風輪機區(qū)域的冷卻流體流是一種在 溫度控制系統(tǒng)中、特別是在風能轉換器中長距離地傳送熱量的有效方式。
需要強調的是，術語"散熱裝置"應當理解為任意類型的吸收或IUl 熱量的結構或設備。
在本發(fā)明的一個方面，所述用于交換熱量的裝置是所述溫度控制裝置 的散熱裝置。
通過使得用于交換熱量的裝置為溫度控制裝置的散熱裝置，置于風輪 機基礎周圍的大地中的該部分溫度控制裝置成為溫度控制裝置的散熱裝置。
這是有利的，因為風輪機基礎周圍的大地具有非常大的熱容，并且是 熱的相對良好的導體，這使得其非常適于作為風能轉換器的溫度控制裝置 的散熱裝置的安置地，因為基礎外部的大地提供了很好的受控環(huán)境，使得 能夠非常準確地設計溫度控制系統(tǒng)的尺寸并且在風能轉換器的整個壽命期 間都可保證散熱裝置的熱容。在本發(fā)明的一個方面，所述散熱裝置包括用于將所述區(qū)域的大量多余 熱量M到所述基礎外部的所述大地的裝置，并且/或者所述散熱裝置包括 用于從所述基礎外部的所述大地吸收所述區(qū)域所需的大量熱量的裝置。
通過在所述基礎外部的大地中散發(fā)或吸收熱量的主要部分，可以制造 更加節(jié)約成本的溫度控制系統(tǒng)，因為所述溫度控制裝置的散熱裝置的容量 由此變得更加恒定和可測，而不管在地球上的位置如何或者處于一天或一 年中的什么時刻。
在本發(fā)明的一個方面，所述溫度控制裝置包括一個或多個流體管道， 用于將冷卻流體導入所述風輪機的所述一個或多個區(qū)域和所述基礎外部的 所述大地，并且/或者在所述風輪機的一個或多個區(qū)域和所述基礎外部的所 述大地之間引導冷卻流體。
使用將冷卻流體導入風輪機區(qū)域和在所述基礎外部的大地中延伸的散
置之間引導冷卻流體的流體管道是有利的，因為這提供了 一種輸送流體的 簡單且有效的方法。
在本發(fā)明的一個方面，所述一個或多個流體管道形成一個或多個閉合 回路，使得所述冷卻流體在所述溫度控制裝置內循環(huán)。
將冷卻流體從地面下方泵送到高于50米的高度是復雜和昂貴的。通過 使得冷卻流體在閉合系統(tǒng)內循環(huán)，下行的流體將協(xié)助上行流體的向上輸送。 由此，泵基本上僅需要克服流體管道內的流動阻力。
此外，通過使得流體管道閉合，可避免與環(huán)境的直接相互影響。這是 有利的，因為由此能夠避免將不希望的異物和例如濕氣、昆蟲、沙子、灰 塵、鹽分等其他物體引入風輪機內部。由此能夠在風輪機內部獲得盡可能 受控的環(huán)境，由此延長了不同風輪機部件的壽命，并且由于環(huán)境受控，也 可更精確地預測部件的壽命。
在本發(fā)明的一個方面，所述基礎外部的所述大地中包括所述溫度控制 裝置的兩個或多個獨立的流體管道。
置于基礎外部的大地中的流體管道一旦安裝完成會非常難于訪問，即使該地下位置提供了相對于外部磨損的高度的保護，但沒有系統(tǒng)能夠提供 絕對的故障保護。因此為在基礎外部的大地中延伸的部分或溫度控制裝置 提供至少兩個獨立的流體管道是有利的，因為這樣就能夠為溫度控制系統(tǒng)
提供冗余。例如，如果在具有三個獨立的閉合回路的大地中^:置三個獨立 的流體管道就足以為風輪機提供足夠的冷卻或加熱，那么可在大地中設置 六個獨立閉合回路的六個獨立流體管道，由此為在基礎外部的大地中延伸 的部分或溫度控制裝置提供100%的過剩容量，并由此基本上消除了在風
輪機的壽命內溫度控制系統(tǒng)的容量縮減到不希望的水平的風險。
在本發(fā)明的一個方面，所述一個或多個流體管道基本上經(jīng)過所述風輪 機的風輪機塔架內部的全部長度。
通過使流體管道延伸過風輪機的塔架，傳遞到大地或來自大地的一些 熱量可用來加熱或冷卻塔架或位于塔架中的風輪機部件。如果溫度控制裝 置主要用于冷卻機艙和/或機艙內的部件，則這是特別有利的，因為由此一 些熱量將在傳遞到大地之前就已經(jīng)散發(fā)掉，由此使得位于大地中的用于交 換熱量的裝置的尺寸/容量可縮小。
在本發(fā)明的一個方面，所述冷卻流體是液體，例如是防凍劑和水的溶 液、甲醇、丙二醇或乙酸鉀。
例如防凍溶液等的液體可相對簡單并且廉價地長距離輸送，其具有相 對高的熱容和相對好的導熱性能，因此在風能轉換器的溫度控制系統(tǒng)中使 用液體作為冷卻流體是有利的。
在本發(fā)明的一個方面，所述基礎外部的所述大地是緊鄰所述基礎的大地。
緊鄰基礎的大地通常在構建基礎時挖掘。通過在建造或安裝基礎的過 程中在此自由空間中構建用于交換熱量的裝置，能夠以簡單和廉價的方式 安裝用于交換熱量的裝置。
此外，如果用于交換熱量的裝置置于基礎附近，則用于交換熱量的裝 置由試圖在風輪機附近停泊的船只、進行土壤耕作的農(nóng)業(yè)機械等、挖掘作 業(yè)等損壞的風險會降低，因為用于交換熱量的裝置在一定程度上受到基礎的保護。在本發(fā)明的一個方面，所述用于交換熱量的裝置基本上垂直地延伸入 所述風輪機下方和/或周圍的大地中。通常，挖掘入地內越深則將變得越熱，即使在地球的北極區(qū)域，凍土 深度也只有幾米深。通過使散熱裝置例如以 一個或多個熱管的形式基本上 垂直地延伸入所述風輪機基礎下方和/或周圍的大地中，能夠更準確地預測 周圍溫度，而不管風能轉換器位于地球何處。這是有利的，因為由此能夠 更準確地設計溫度控制系統(tǒng)的容量大小，由此基本上消除了系統(tǒng)尺寸過大 的成本。在本發(fā)明的一個方面，所述用于交換熱量的裝置在緊鄰所述基礎的大 地中大致水平地延伸。通過使得散熱裝置在緊鄰風輪機基礎的大地中大致水平地延伸，能夠 以簡單且廉價的方式安裝流體管道，因為管道可通過常規(guī)的挖掘機挖入大 地，或者在離岸情況下可被放入通過噴射形成的溝道內。在本發(fā)明的 一個方面，所述用于交換熱量的裝置在緊鄰所述基礎下方 的大地中大致水平地延伸。將用于交換熱量的裝置置于緊鄰基礎下方的大地中是有利的，因為用 于交換熱量的裝置由此受到基礎的保護，并且基本上不需要額外的地面準 備工作以使得用于交換熱量的裝置更容易，因為通常情況下，為了容納基 礎，無論如何都要挖掘一個洞。在本發(fā)明的一個方面，所述用于交換熱量的裝置布置在位于所述1^出 外部的大地中的一個或多個溝道內。通過將用于交換熱量的裝置置于例如沿基礎延伸的溝道內，能夠為用 于交換熱量的裝置提供良好受控的環(huán)境。此外，如果溝道是基本上防水的， 則用于交換熱量的裝置將被置于濕度基本恒定的環(huán)境中，由此使得用于交 換熱量的裝置的周圍大地的傳熱能力增加，由此增加了溫度控制裝置的容 量。在本發(fā)明的一個方面，所述用于交換熱量的裝置布置的深度位于所述基礎外部的所述大地的表面和所述基礎的深度之間。如果所述用于交換熱量的裝置位于地面，則周圍環(huán)境的變化溫度對用 于交換熱量的裝置的容量的影響將過于顯著，而如果用于交換熱量的裝置 位于大地內過深的位置，則安裝用于交換熱量的裝置的成本將顯著增加， 因此用于交換熱量的裝置置于大地內、不深于^ 出是有利的。在本發(fā)明的一個方面，所述風輪機的一個或多個區(qū)域是所述風輪機的 機搶和/或位于所述機艙內的一個或多個風輪機部件，例如電力變換器、發(fā) 電機和/或變速箱。機搶和在機搶內的部件傳統(tǒng)上由周圍的空氣直接地或者通過換熱器冷卻，因為當考慮到如何冷卻放置在位于向空中伸出例如80米的高塔架端部 處的機艙內的部件時，這種選擇是顯而易見的。然而，如前所述，空氣冷 卻存在一些缺點，而考慮到機艙的安置，借助于包括置于風輪機塔架下方 的基礎外部的大地中的、用于交換熱量的裝置的溫度控制裝置來控制機艙 和/或機舦內部件的溫度是特別有創(chuàng)造性的。在本發(fā)明的一個方面，所述用于交換熱量的裝置基本上僅僅置于1^出 外部的大地中。一旦安裝完成，風輪機基礎的內部是非常難于訪問的，不管是離岸風 輪機還是陸基風輪機的基礎。因此將所有溫度控制裝置、以及由此將用于 交換熱量的裝置全部置于風輪機基礎外部是有利的，因為由此可訪問這些 用于交換熱量的裝置。此外，如果用于交換熱量的裝置位于基礎內部中或穿過基礎內部，則 熱量將不可避免地歉t到基礎中。取決于基礎的類型，基礎可對于局部熱 膨脹非常敏感，若將熱量局部地散發(fā)到基礎中，則差J出被損壞的風險會增 加，或者至少會增加基礎壽命減少的風險。因此，將用于交換熱量的裝置 基本上僅僅置于基礎外部的大地中是有利的。另外，本發(fā)明提供了 一種用于控制根據(jù)上述任一風能轉換器的一個或 多個區(qū)域的溫度的方法，其中熱量在所述風輪機的基礎外部的大地中M 或吸收。由此獲得了用于控制風能轉換器的一個或多個區(qū)域的溫度的方法的一 個有利實施方式。此外，本發(fā)明提供了根據(jù)上述任一方法的應用，以用于控制根據(jù)上述 任一風能轉換器的一個或多個區(qū)域的溫度，其中所述風能轉換器是陸基風 能轉換器。使用根據(jù)本發(fā)明的用于控制陸基風能轉換器的一個或多個區(qū)域的溫度 的方法是有利的，因為這種方法提供了用于控制風能轉換器的一個或多個 區(qū)域的溫度的簡單且節(jié)約成本的手段。


下面將參考附圖描述本發(fā)明，其中圖1示出了現(xiàn)有技術中已知的大型現(xiàn)代風輪機的正視圖； 圖2示出了用于風輪機部件的傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的簡化實施方式； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的風能轉換器的一個實施方式的正視剖視圖； 圖4示出了現(xiàn)有技術已知的用于陸基風輪機的風輪機基礎的正視圖； 圖5示出了沿風輪機J^出延伸的流體管道的一個實施方式的正視剖視 圖的一部分；圖6示出了在沿風輪機基礎的溝道內延伸的流體管道的一個實施方式 的正視剖視圖的一部分；圖7示出了包括流體管道的風輪機基礎和地板的俯視圖；圖8示出了包括在基礎周圍大地內的流體管道的風能轉換器的俯視圖；圖9示出了包括單樁基礎和一大致豎直的散熱裝置的離岸風能轉換器 的正^f見剖浮見圖；圖10示出了包括重力J^出和一大致水平的散熱裝置的離岸風能轉換 器的正4見剖4見圖；圖11示出了一個包括五個獨立冷卻流體管道的簡化的風能轉換器的 側視圖；圖12示出了一個包括四個延伸進大地的獨立流體管道的簡化的風能 轉換器的側^L圖；以及圖13示出了冷卻流體接頭的一個實施方式的剖視圖。
具體實施方式
圖1示出了一個風能轉換器7，其包括一個置于風輪機基礎6上并剛 性連接到風輪機基礎6的現(xiàn)代風輪機1。風輪機1包括塔架2和置于塔架2 頂部的風輪機機搶3。包括三個風輪機葉片5的風輪機轉子4通過延伸出 機艙3前部的低速軸連接到機艙3。在此實施方式中，基礎6置于大地9內，大致完全低于大地9的表面， 并且基礎6和周圍的大地9 一起固定并且承載風輪機1，并由此保證風輪 機l保持其水平和豎直位置，即使在非常大且重的風輪機l受到重力、風 載等的顯著影響時也是如此。圖2示出了在風輪機1正常工作時用于控制風輪機1的一個或多個區(qū) 域(例如機艙3和/或置于機搶3內的風輪機部件11)的溫度的傳統(tǒng)溫度控 制裝置10的實施方式，該溫度控制裝置10處于塔架內或者處于風輪機1 的其他部件內或其他部件處。在此實施方式中，風輪機部件11是一個電力變流器12，但是在其他 實施方式中，該部件可以是風輪機齒輪、發(fā)電機、軸承、液壓系統(tǒng)、潤滑 系統(tǒng)、4幾艙3或塔架2或轉子4的全部或一部分或者其組合。在此實施方式中，電力變流器12包括不同類型的電力處理設備，例如 功率電阻器13、母板14及其他。在此實施方式中，母板14由空氣冷卻， 而功率電阻器13由空氣和液體冷卻。溫度控制裝置10的散熱裝置21——呈帶風扇的主散熱器15的形 式一一在可與風輪機1外部的空氣進行熱量交換的位置處安裝在電力變流 器12的外部。冷卻流體從主散熱器15流經(jīng)雙向閥19并且流經(jīng)泵17，其 產(chǎn)生冷卻流體流。冷卻流體從泵17流經(jīng)電力變流器12內的一些設備。被 加熱的冷卻流體然后返回散熱裝置21而被再次冷卻。在此實施方式中，電力變流器12還包括僅可由空氣冷卻或僅需由空氣 冷卻的設備。圍繞電力變流器12的柜室因此設置有至少一個柜室風扇18， 該風扇18產(chǎn)生來自機艙3的空氣氣流或者來自風輪機l外部的空氣氣流。如果風輪機l置于寒冷的環(huán)境中且天氣平靜，并進行發(fā)電、大部分內 部熱量的！Ut以及停止，則需要加熱電力變流器12內的電力處理設備。這 可通過啟動雙向閥19、改變冷卻流體流的方向、并使流體在電力變流器12 內部循環(huán)且經(jīng)過一個冷卻流體加熱器20來完成。如果環(huán)境溫度高并且天氣有風，則風輪機l內部的設R產(chǎn)生很多熱 量，使得溫度上升到一定程度，使得一些設備關閉以使其免于高溫損壞。 這將使得大多數(shù)或全部電力產(chǎn)出停止，并由此也停止大部分內部熱量的產(chǎn) 生。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的風能轉換器7的一個實施方式的正視剖視圖， 該風能轉換器7包括作為溫度控制裝置10的散熱裝置21的基礎6。在本發(fā)明的此實施方式中，風能轉換器7是陸基的，并且包括一個置 于風輪機基礎6上的風輪機1?；A6在此實施方式中基本上是在增強混 凝土的現(xiàn)場制作，但是在另一實施方式中，基礎6可以完全或部分地預制 成例如一個或多個金屬或混凝土殼或結構的形式，它們例如能夠在現(xiàn)場使 用例如混凝土、石塊、沙子或其他材料填充。在此實施方式中，溫度控制裝置10包括一閉合的流體管道22，該管 道從機艙3延伸，向下經(jīng)過塔架2，進入基礎6周圍的大地9，然后返回機 艙3,從而形成交換熱量的裝置16。在圖3中，流體管道22—定程度地簡 化，而在另一實施方式中，流體管道可在返回風輪機之前采取更復雜的結 構。在本發(fā)明的另一實施方式中，溫度控制裝置IO還可包括冷卻流體的開 環(huán)流，例如，如果基礎6包括貯蓄器(未示出)，則冷卻流體從例如機艙 泵送到該貯蓄器，并且從該貯蓄器泵送到風輪機；或者如果冷卻流體是地 下水，則地下水被泵送到風輪機需加熱或冷卻的區(qū)域，此后被泵送回去或 者以其他方式處理掉。在圖示的閉合回路28中，冷卻流體是鹽水，但是在本發(fā)明的另一實施 方式中，冷卻流體可以是另外的防凍劑和水的溶液，例如水和異丙醇。冷 卻流體也可以是任意其他類型的防凍溶液，例如甲醇、丙二醇或者乙酸鉀， 或者可以是氨、C02和/或氟利昂氣體。在本發(fā)明的此實施方式中，溫度控制裝置10控制機艙3內的特定部件 11的溫度，但是在另一實施方式中，溫度控制裝置IO也可以或者替代地 控制整個機搶3的溫度——包括機艙內的空氣，也可以控制塔架2內的部 件和/或塔架內的空氣的溫度，還可以控制轉子4的特定部件11的溫度， 以例如維持葉片5的無霜狀態(tài)，還可以控制置于風輪機外部一一例如在相 鄰房間內(未示出) 一一的風輪機部件11的溫度和/或所述房間內的溫度 或者任意組合。圖4示出了現(xiàn)有技術已知的用于陸基風輪機1的風輪機基礎6的正視 剖視圖。這種類型的基礎6通常通過在大地中挖掘一個大洞并且在洞中澆注一 個地板8來制作。此后立起一個框架(未示出)以大致限定基礎6的外邊 界?；A6設置有一呈加強件33形式的加強結構和一個圓柱形金屬中心部， 以用于將基礎6連接到風輪機塔架2。在此實施方式中，加強件通過金屬 桿或焊接的網(wǎng)格狀金屬加強件形成。在形成加強結構后，混凝土被注入到"模"中，當混凝土凝固后，框 架被去除，并且基礎6覆蓋以一些挖掘出來的泥土。圖5示出了沿風輪機基礎6延伸的流體管道22的一個實施方式的正視 剖視圖的一部分。在本發(fā)明的此實施方式中，用于交換熱量的裝置16形成為一個管22, 該管22在基礎6外圍的外部循環(huán)三次，然后返回到風輪機l。在另一實施 方式中，基礎6可包括數(shù)個獨立的流體管道22。在此實施方式中，管22在建造基礎6期間或者緊接著建造完基礎6 之后、在挖掘出的洞被重填之前鄰接1^地置入洞內，并且整個^5出6基 本上由大地9覆蓋。在此實施方式中，流體管道22沒有被固定或引導，而在另一實施方式 中，流體管道22可被固定到例如地板8、 ^f出6的外表面或多個獨立的保 持件(未示出)，在建造基礎6期間并且在管道22的整個壽命期間基本上 固定流體管道22的位置。圖6示出了在沿風輪機基礎6的溝道34內延伸的流體管道22的一個 實施方式的正詳見剖#見圖的一部分。在本發(fā)明的此實施方式中，洞內的地板8設置有基本上平行于^5出6 的外邊界延伸的大致豎直的壁35，由此形成一個溝道34。在此溝道34內， 用于交換熱量的裝置16設置成溫度控制裝置10的多個流體管道22的形 式。在此實施方式中，溝道34在洞被重填之前填充有呈沙子形式的顆粒物 質。不管是否下雨，水都將從基礎上流下并且匯集在溝道34內，保證了直 接鄰接用于交換熱量的裝置16的環(huán)境基本上始終是潮濕的。圖7示出了包括流體管道22的風輪機基礎6和地板8的俯視圖。在本發(fā)明的此實施方式中，緊挨基礎6下方的地板8包括在地板8內 延伸的至少一個軟管22,其方式保證了例如來自流經(jīng)軟管的冷卻流體的熱 量在一個大的面積上以盡可能有效的方式或以所需的方式散發(fā)。在此實施 方式中，軟管22呈Z字形的樣式，而在另一實施方式中，流體管道22可 以另外的樣式(例如螺旋形、圓形、方形或其他形式)沿水平和豎直面放 置。在本發(fā)明的此實施方式中，流體管道22是軟管，但是在另一實施方式 中，管道22可以是一個或多個埋在地板8內、在基礎6的表面上延伸的管、 管子、通道、管道等，或者可以例如是上述方式的組合。在一個實施方式 中，流體管道22還可包括能夠增加流體管道22的表面積以改善其散發(fā)或 吸收熱量的能力的翅片、表面的不規(guī)則形狀等。在此實施方式中，流體管道22連接到地板8內的網(wǎng)格狀加強件33， 但是在另一實施方式中，流體管道22可結合在加強件內，或者流體管道 22可在地板8內不受引導地延伸。圖8示出了包括位于周圍大地9內的流體管道22的風能轉換器7的俯視圖。在本發(fā)明的此實施方式中，流體管道22分布在風輪機基礎6周圍的大 地9內。流體管道22可以例如鉆入大地9內 一定深度——例如鉆入地面下 半米到一米之間，或者它們可以不同深度地分層布置。在地球的一些區(qū)域，例如在北極區(qū)，為溫度控制裝置IO設置至少兩個 流體管道的獨立閉合回路28是有利的， 一個靠近大地的表面設置，另一個 置于大地9內的深處。然后，靠近表面設置的回路28可用于從冷卻流體散 發(fā)多余熱量，而置于更深處的回路28可在啟動前或者啟動時或者在如果天 氣極度寒冷而使得一個或多個風輪機部件11的運行溫度低于一定程度時 用于加熱冷卻流體，例如用于加熱部件ll。在這些特定環(huán)境中，冷卻流體 的溫度也可以借助于例如熱泵等逆循環(huán)加熱系統(tǒng)來升高。圖9示出了包括單樁基礎25和一個大致豎直的散熱裝置21的離岸風 能轉換器7的正視剖視圖。在本發(fā)明的此實施方式中，風能轉換器7包括置于單樁基礎25的底座 24上的風輪才幾1。單樁基礎25包括一個樁26，該樁例如是鋼樁26，多數(shù)情況下直徑在 3.5米到4.5米之間。樁26被打入海床下一定深度。其中，樁26有多深取 決于地下的類型，但通常處于10到20米之間。在本發(fā)明的此實施方式中，風能轉換器11設置有溫度控制裝置10, 溫度控制裝置10包括緊鄰風輪機基礎6的、基本上豎直延伸到大地9內的 流體管道22，使得在風輪機1之下的大地9用作溫度控制裝置10的基本 上豎直的散熱裝置21。在另一實施方式中，流體管道22的豎直延伸可限制成延伸到基礎25 的豎直高度處，流體管道22可豎直和/或水平地延伸到基礎25外的海床9 中，或者流體管道22可在樁26的外表面上延伸。在本發(fā)明的另 一實施方式中，豎直散熱裝置21也可以形成為一個或多 個熱管(未示出)。在其最簡單的形式中，熱管包括一密封的容器以及一 具有毛細作用的管線系統(tǒng)，容器中包含工作流體及其蒸汽。熱管大致上是效率非常高的熱超導體，其提供熱吸收和傳輸系統(tǒng)，具有以熱能形式輸送 大量能量的能力。在熱管表面上任意位置處施加熱量導致在內部產(chǎn)生l汽相變，這使得 熱能可以具有極小溫度梯度的汽相傳遞。在熱導率方面，熱管呈現(xiàn)的熱性能可超過由純銅制成的具有相同尺寸的部件1000倍。通常，熱管制成桿狀，具有圓形截面，但其他形狀也是可能的，例如 其他截面或者扁平截面的熱管。例如在地下是巖石等的情況下，使用熱管是有利的，或者它們可與水平散熱裝置21等(例如用于打樁等的樁)結合使用。圖10示出了離岸風能轉換器7的正^L剖視圖，該風能轉換器7包括重 力基礎27和大致水平的散熱裝置21。大多數(shù)現(xiàn)有的離岸風能轉換器7使用重力基礎27，所示的重力基礎27 由增強混凝土制成，但在另一實施方式中，其也可以由放置在海床上的平 坦鋼箱上的圓柱形鋼管制成。通常，鋼的重力基礎27顯著地輕于混凝土基礎27,并且盡管完工的 基礎必須具有例如超過1000噸的重量，鋼結構可制作得相對較輕，使得鋼 重力基礎27可借助于駁船、通過用于架設風輪機1的重量相當輕的相同起 重機相對快速地運輸和安裝。重力基礎27中填充有橄欖石(一種非常密實的礦石)、石塊、沙子、 沙礫、混凝土或其任意組合，這給基礎提供了足夠的重量來承受暴風雨、 波浪、冰壓等。在本發(fā)明的此實施方式中，流體管道22在重力^出27的外部被引導， 并且在基礎6周圍的海床中基本上水平地鋪設，從而使得周圍的大地9形 成溫度控制裝置10的散熱裝置21。圖3至10示出了本發(fā)明的關于陸基或離岸基礎6的特定實施方式的不 同實施方式，但是本發(fā)明還可與其他類型的基礎6結合使用，例如三腳架 式^f出(未示出)、橋墩式基礎(未示出)等。三腳架式基礎(未示出)與離岸風輪機1一起使用，它們通常包括位于風輪機塔架下方的鋼樁，在剛樁上生成一個鋼制框架，該鋼制框架將力從塔架傳遞到三個鋼樁。這三個鋼樁根據(jù)土壤條件和冰載荷鉆入海床中10 到20米。三腿樣式的優(yōu)點是它適于較深的水深，同時，在安裝之前在現(xiàn)場 僅需要最少的準備工作。橋墩式基礎(未示出)與陸基風輪機1一起使用，并且通常形成為具 有內部和外部波故金屬管，在其間用混凝土澆固多個螺栓，并且風輪機塔 架連接到其上。圖11示出了包括五個獨立冷卻流體回路28的簡化的風能轉換器7。 在本發(fā)明的此實施方式中，風能轉換器7的溫度控制裝置10包括五個 分開且獨立的冷卻流體閉合回路28，但是在另一實施方式中，溫度控制裝 置10可包括其他數(shù)量的回路28,例如兩個、三個、四個、六個、七個或 更多。每個回路28包括一位于機艙3內的流體泵17，用于在流體管道22內 形成流體循環(huán)。在另一實施方式中，泵17可置于其他地方，例如塔架2 內、風輪;f幾外部一一例如在相鄰房間內或者甚至在基礎6內。在此實施方式中，流體管道22從機搶3延伸，向下經(jīng)過塔架2，進入 大地9而提供用于交換熱量的裝置、由此佳j尋大地9用作溫度控制裝置10 的散熱裝置21，然后返回機搶3。在此實施方式中，在流體管道22內循環(huán)的冷卻流體也將流經(jīng)或通過機 艙3內需要加熱或冷卻的部件ll,或者例如通過葉片5以為其除水。這可 以例如通過在每個部件11處安裝一溫度或遠程控制混合閥來完成，從而保 證最優(yōu)工作溫度和/或減少或消除熱波動。在機艙3、塔架2內和/或其他地方，冷卻流體也可以向空氣換熱器(未 示出)傳送大量的冷卻流體。這個或這些換熱器可用來控制機艙3內、塔 架2內和/或其他地方的溫度，由此使得能夠基本上消除與環(huán)境(例如機艙 3內)的所有開放式的相互影響，使得機艙3可以完全閉合，從而機搶3 內的環(huán)境得到良好控制。在風能轉換器7的一些實施方式中，產(chǎn)生熱量或需要熱量的部件11也置于塔架2內部，在這種情況下，冷卻流體還將經(jīng)過這些部件ll，或者 甚至借助于往空氣換熱器的冷卻流體在塔架2內形成受控的環(huán)境。
在另一實施方式中，流體管道22也可延伸于塔架2外部，例如用以冷 卻或加熱置于相鄰房間(未示出)內的風輪機部件ll。
圖12示出了一包括延伸進大地9的四個獨立流體管道22的簡化的風 能轉換器7。
在本發(fā)明的此實施方式中， 一個大的泵17產(chǎn)生在四個獨立、分開的流 體管道22內的冷卻流體流，所述流體管道22延伸經(jīng)過塔架2、基礎6周 圍的大地9、然后再次返回。每個流體管道22包括一個閥29，所述閥29 可以是開關閥29,用以控制經(jīng)過特定管道22的流動。在此實施方式中， 因此能夠通過打開或關閉或多或少的流體管道來控制冷卻流體的流速。
在此實施方式中，溫度控制裝置10還包括通往機搶3內的空氣換熱器 的冷卻流體，以使得才幾搶可基本上與外部環(huán)境隔離，但是在另一實施方式 中，溫度控制裝置10還可包括如圖2所示的與周圍空氣進行換熱的傳統(tǒng)冷 卻系統(tǒng)。該傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)可控制機搶內的空氣溫度，或者可以用來控制特 定部件11的溫度。
圖3至12所示的溫度控制裝置10均構造為輸送在風輪機1的不同區(qū) 域23中產(chǎn)生的大量熱量或所需的大量熱量，以在大地9中散發(fā)或從大地9 中吸收熱量，但是，例如，如果溫度控制裝置10還包括用于與周圍空氣進 行熱量交換的傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，則可以僅有一部分產(chǎn)生或所需的熱量與大地 9進行交換。
圖13示出了冷卻流體接頭32的一個實施方式的剖^f見圖。 在本發(fā)明的此實施方式中，風輪機1設置有一個接頭32，用于在塔架
2和機搶3之間引導冷卻流體。在傳統(tǒng)風輪機1中，機槍3能夠相對于塔
架2旋轉，以保證轉子4總是面對來風。
為了保證冷卻流體經(jīng)過該旋轉接合處，該接合處設置有接頭32，該接
頭32包括連接到機艙3的上部和連接到塔架2的下部。接頭設置有位于兩
個部分之間的多個環(huán)形通道30，并且通道30通過一呈例如O形環(huán)形式的密封件31分隔。流體管道22經(jīng)過與通道30連接的上部和下部，使得流體 可經(jīng)過旋轉接合處而在不同流體管道內的流體不會混合。
在本發(fā)明的此實施方式中，接頭32的中心是中空的，使得電纜等可引 導經(jīng)過接頭32。
通常，機搶3僅沿一個方向旋轉有限的次數(shù)，然后被強迫沿相反方向 旋轉。在本發(fā)明的另一實施方式中，還可行的是，流體管道22借助于柔性 軟管等由機搶3引導到塔架2、然后返回，該柔性軟管等或多或少地從機 艙3自由下垂到塔架2中，如同許多風輪機l中的電纜那樣。
上文已經(jīng)參考溫度控制系統(tǒng)IO、風能轉換器7、基礎6、散熱裝置21 等的特定示例說明了本發(fā)明。然而，應當理解，本發(fā)明不限于上述特定示 例，而是如同權利要求書所寫明的那樣，在本發(fā)明范圍內可以多種變例進 行設計和改變。附圖標記列表 1 風輪機
2塔架
3 機艙
4轉子
5葉片
6 基礎
7風能轉換器
8 地板
9 風輪機基礎外的大地 10溫度控制裝置
11風輪纟幾部件
12電力變流器
13功率電阻器
14母板
15主散熱器
16用于交換熱量的裝置
17泵
18驅動空氣進入的柜室風扇
19雙向閥
20冷卻流體加熱器
21散熱裝置
22流體管道
23需要加熱或冷卻的風輪機區(qū)域
24底座
25單樁1^出
26樁
27重力J^出28冷卻流體回路 29閥
30環(huán)形通道 31密封件 32接頭 33加強件 34溝道 35壁
權利要求
1.一種風能轉換器(7)，包括風輪機(1)，風輪機基礎(6)，以及溫度控制裝置(10)，其用于控制所述風輪機(1)的一個或多個區(qū)域(23)的溫度，并包括用于交換熱量的裝置(16)，其特征在于，所述用于交換熱量的裝置(16)置于所述基礎(6)外部的大地(9)中。
2. 如權利要求1所述的風能轉換器(7 ),其中所述溫度控制裝置(10 )包括用于將熱量輸送到所述風輪機(1)的一個或多個區(qū)域(23)或者從所述風輪機(1)的一個或多個區(qū)域(23)輸送熱量的冷卻流體、用于產(chǎn)生所述冷卻流體的流動的一個或多個泵(17)、以及用于從所述冷卻流體lt^熱量或向所述冷卻流體供應熱量的一個或多個散熱裝置(21)。
3. 如權利要求1或2所述的風能轉換器(7),其中所述用于交換熱量的裝置(16)是所述溫度控制裝置(10)的散熱裝置(21)。
4. 如權利要求2或3所述的風能轉換器(7 )，其中所述散熱裝置(21)包括用于將所述區(qū)域(23)的大量多余熱量散發(fā)到所述基礎(6)外部的所述大地(9)中的裝置，并且/或者所述散熱裝置(21)包括用于從所述基礎(6)外部的所述大地(9)吸收所述區(qū)域(23)所需的大量熱量的裝置。
5. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述溫度控制裝置(10)包括一個或多個流體管道(22)，用于將冷卻流體導入所述風輪4幾(1)的一個或多個區(qū)域(23)和所述基礎(6)外部的所述大地(9),并且/或者在所述風輪機(1)的一個或多個區(qū)域(23)和所述基礎(6)外部的所述大地(9)之間引導冷卻流體。
6. 如權利要求5所述的風能轉換器(7)，其中所述一個或多個流體管道(22)形成一個或多個閉合回路(28),使得所述冷卻流體在所述溫度控制裝置(10)內循環(huán)。
7. 如權利要求5或6所述的風能轉換器(7)，其中所述基礎(6)外部的所述大地(9)包括所述溫度控制裝置(10)的兩個或多個獨立的流體管道(22)。
8. 如權利要求5至7中任一項所述的風能轉換器(7),其中所述一個或多個流體管道(22)基本上經(jīng)過所述風輪機(1)的風輪機塔架(2)內部的全部長度。
9. 如權利要求2、 5或6中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述冷卻流體是液體，例如是防凍劑和水的溶液、甲醇、丙二醇或乙酸鉀。
10. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述基礎(6)外部的所述大地(9)是緊鄰所述基礎(6)的大地。
11. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述用于交換熱量的裝置(16)基本上垂直地延伸入所述風輪機(1)下方和/或周圍的大地(9)。
12. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述用于交換熱量的裝置(16)在緊鄰所述基礎(6)的大地(9)中大致水平地延伸。
13. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述用于交換熱量的裝置(16)在緊鄰所述基礎(6)下方的大地(9)中大致水平地延伸。
14. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述用于交換熱量的裝置(16)布置在位于所述基礎(6)外部的大地(9)中的一個或多個溝道(34)內。
15. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述用于交換熱量的裝置(16 )布置的深度位于所述基礎(6 )外部的所述大地(9 )的表面和所述基S出(6)的深度之間。
16. 如上述權利要求中任一項所述的風能轉換器(7)，其中所述風輪機(1)的一個或多個區(qū)域(23)是所述風輪機(1)的機艙(3)和/或位于所述機搶(3)內的一個或多個風輪機部件(11)，例如電力變流器、發(fā)電才幾和/或齒輪箱。
17. —種用于控制如權利要求1至16中任一項所述的風能轉換器(7 )的一個或多個區(qū)域(23)的溫度的方法，其中熱量在所述風輪機(1)的基礎(6)外部的大地(9)中散發(fā)或吸收。
18. 如權利要求17所述的方法的應用，以用于控制如權利要求1至16中任一項所述的風能轉換器(7)的一個或多個區(qū)域(23)的溫度，其中所述風能轉換器(7)是陸基風能轉換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括風輪機(1)、風輪機基礎(6)和用于控制風輪機(1)的一個或多個區(qū)域(23)的溫度的溫度控制裝置(10)的風能轉換器(7)。溫度控制裝置(10)包括用于交換熱量的裝置(16)。風能轉換器(7)的特征在于用于交換熱量的裝置(16)位于基礎(6)外部的大地(9)中。此外，本發(fā)明涉及用于控制風能轉換器(7)的一個或多個區(qū)域(23)的溫度的方法及其應用。
文檔編號F03D9/00GK101553662SQ200780040444
公開日2009年10月7日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權日2006年11月3日
發(fā)明者G·拉森, J·B·克里斯坦森, N·M·亨里克森, S·P·詹森 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)有限公司