液冷系统提升风力发电机组工作效率的示意图

由热力学知识可知，风力发电机组冷却系统中的热平衡方程式为

式中 Q——系统的总散热量；

qm——冷却介质的质量流量；

cp——冷却介质在进口温度t1与出口温度t2温度范围内的平均定压质量比热。

由于液体工质的密度与比热容都远远大于气体工质，因此冷却系统采用液体冷却介质时能够获得更大的制冷量而结构更为紧凑，能有效地解决风冷系统制冷量小与体积庞大的问题。

对于兆瓦级的风力发电机组而言，其齿轮箱与发电机的发热量较大，通常需采用液冷方式进行冷却，冷却系统的结构如图2-31所示。

冷却系统内冷却介质先流经油冷器，与高温的齿轮箱润滑油进行热交换，带走齿轮箱所产生的热量，然后流入设置在发电机定子绕组周围的换热器，吸收发电机产生的热量，最后由水泵送至外部散热器进行冷却，再继续进行下一轮循环热交换。在通常情况下，冷却水泵始终保持工作，循环将系统内部热量带至外部散热器进行散热。而润滑油泵可由齿轮箱箱体内的温度传感器控制，当油温高于额定温度时，润滑油泵启动，油被送到齿轮箱外的油冷器进行冷却。当油温低于额定温度时，润滑油回路切断，停止冷却。由于各风力发电机组采用的控制变频器不同，其功能与散热量也有所差异。当控制变频器的散热量较小时，可在机舱内部设置风扇，对控制变频器与其他散热部件进行强制空冷；当控制变频器的散热量较大时，可在控制变频器外部设置换热器，由冷却介质将产生的热量带走，从而达到对控制变频器的温度控制。(www.xing528.com)

图2-31　采用液冷方式的冷却系统结构示意图

对于发电功率更大的兆瓦级风力发电机组，其齿轮箱、发电机与控制变频器的散热量都比较大，对系统的冷却可采用对发电机和控制变频器进行液冷与对齿轮箱润滑油进行强制空冷相结合的冷却方式，图2-32所示即为采用此冷却方式的某1.5MW风力发电机组冷却系统。机组的冷却系统包括油冷与水冷系统两部分，其中油冷系统负责齿轮箱的冷却，水冷系统则负责发电机与控制变频器的冷却。在油冷系统中，润滑油对齿轮箱进行润滑，温度升高后的润滑油被送至机舱中部上方的润滑油冷却装置进行强制空冷，冷却后的润滑油再回到齿轮箱进行下一轮的润滑。水冷系统则是由乙二醇水溶液空气换热器，水泵，阀门以及温度、压力、流量控制器等部件组成的闭合回路，回路中的冷却介质流经发电机和控制变频器换热器将它们产生的热量带走，温度升高后进入机舱尾部上方的外部散热器进行冷却，温度降低后回到发电机和控制变频器进行下一轮冷却循环。

图2-32　某1.5MW风力发电机组冷却系统示意图

1—桨叶；2—轮毂；3—机舱盖；4—齿轮箱；5—油泵；6—润滑油冷却装置；7—发电机；8—控制变频器；9—水泵；10—外部散热器

与采用风冷冷却的风力发电机组相比，采用液冷系统的风力发电机组结构更为紧凑，虽增加了换热器与冷却介质的费用，却大大提高了风力发电机组的冷却效果，从而提高了风力发电机组的工作效率。同时由于机舱可以设计成密封型，避免了舱内风沙雨水的侵入，给机组创造了有利的工作环境，还延长了设备的使用寿命。