整機散熱
起初在風電行業發展的初期,散熱問題是不需要過分考慮的。另外,當時的變流柜、箱變以及等設備往往是風機旁邊的地面上的。隨著風力發電行業的發展,隨著降成本的考慮以及降低工程造價,開始將原本放置于塔筒外面的設備都開始慢慢移到塔筒內。在機組容量尚小時,機組內部的變流柜和電控柜使用自然風冷,或者強迫風冷,熱量直接排到機組內部,沒有整機的散熱系統。如塔底的變流柜和電控柜直接將熱空氣排放到塔筒內。但是在這樣的情況下,還是會有自然的煙囪效應可以起到促使風機內部的空氣流動的作用。
隨著風電機組單機容量的繼續增大,機組內的發熱部件的發熱量不斷增大,雖然人們對機組內部各個部件的散熱給予了更多的關注,加強了散熱設計,但是由于熱量雖然排出了機柜,但是由于排出的熱量聚集在了機組內部,機組內環境的溫度不斷升高,機柜所處的散熱環境也不斷惡劣,最終導致過溫。
在此種情況下,人們開始重視起了機組內環境的溫度控制。
專利《風力發電機組的冷卻系統及風力發電機組》中提出了利用機頭部位的動靜結合處的縫隙進風,如葉根與輪轂罩結合處的縫隙。氣流從葉根處的縫隙進入輪轂,經底座沿塔筒而下,最后從塔底的塔筒壁上而出。在出風口設置抽風機,來提供空氣流動的動力。這個方案的優點是可以利用比地面溫度更低的高空空氣來冷卻風機內部的發熱部件。這在風機機組逐漸趨向于大型化,發熱功率不斷提高的當下,尋找廉價的冷源來給機組的發熱部件進行降溫成為越來越迫切的需求。高空冷空氣具有比近地面空氣更低的溫度,這使其在作為冷源方面具有較高的性價比優勢。但隨之而來的缺點是,空氣在塔筒內的流動是逆著煙囪效應的,塔筒內的空氣流動容易形成渦流,為實現設計目的,需要增大塔底抽風機的功率,以及在風路上設置多個抽風機,實現中間接力。
另外,存在的另一個問題是,從葉根與輪轂之間的縫隙進入的空氣難以過濾,在具有沙塵暴的地區,或者高鹽霧的海上應用環境情況下,機組內環境難以控制。由于這個方案沒有濕度控制功能,只能應用于空氣干燥的地區。
為解決上述問題,專利《風力發電機組的內部環境控制系統》改變了上面方案的空氣流動方向,改為從塔底近地面處進風,沿塔筒而上,進入機頭,然后從葉根與輪轂之間的縫隙流出。塔底側壁面上的抽風機改為送風機。這樣把送風機產生的熱量也一并帶入了機組內,原本近地面的空氣溫度就比高空空氣溫度高,還需要另外加入送風機產生的熱量,這無疑是雪上加霜。為了彌補冷源不夠冷的缺憾,這套方案在機組內設置了中央空調作為補充。這無疑加大了冷源的獲取成本。雖然中央空調的加入,使這套方案具備了給機組內環境除濕的能力,但空調除濕能力相對于進氣量而言,依然是杯水車薪。這種方案依舊限制了它的應用范圍,決定了其不適應高度潮濕地區。較高的冷源獲取成本也決定了其運行費用較高。