DE19947915A1

DE19947915A1 - Kühlsystem für Baugruppen in einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE19947915A1
Application number: DE19947915A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Krokoszinski
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-10-06
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem zur Kühlung verlustbehafteter Baugruppen (7) einer Anlage (14), insbesondere einer Stromrichteranlage, in einer Windkraftanlage (1). Auf einem Turm (13) der Windkraftanlage (1) ist in einem Maschinenraum (11) eine Windturbine mit Generator (2) angeordnet. In einem Anlagenraum (10) am oder im Fußbereich des Turms (13) ist die Anlage (14) mit den verlustbehafteten Baugruppen (7) angeordnet. Es sind Mittel (6, 8, 15) zur Führung eines zumindest teilweise durch Kaminwirkung erzeugten Luftstromes (12) durch die Anlage (14) aus dem Fußbereich des Turms (13), durch den Turm (13) und den Maschinenraum (11) zu einem Luftaustritt (9) vorhanden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem zur Kühlung verlustbehafteter Bau gruppen in einer Windkraftanlage. Das Kühlsystem arbeitet als Luftkühlung und ist insbesondere geeignet zur Kühlung von Stromrichtergeräten.

Die Luftkühlung ist neben der Flüssigkeitskühlung eine allgemein bekannte und häu fig verwendete Kühlungsart für verlustbehaftete Baugruppen einer Leistungselektro nik. Bei der Luftkühlung wird in Anwendungsfällen, in denen die Größe und Masse des verwendeten Kühlkörpers nicht von entscheidender Bedeutung sind, die natürli che Konvektion bevorzugt, weil dadurch ein Ventilator vermieden werden kann. Ein Ventilator oder Kühlgebläse wirkt zwar durch eine Beschleunigung der Luftbewegung auf 3-5 m/s positiv im Sinne der Kühlleistung (der Wärmeübergangskoeffizient kann von nur ca. 9 W/m²K bei natürlicher Konvektion (incl. Wärmestrahlung) auf ca. 25-35 W/m²K verdrei- bis vierfacht werden), aber negativ im Sinne der Zuverlässigkeit, Komplexität und Kosten. Ein Kühlgebläse ist eine wichtige Komponente hinsichtlich der Verfügbarkeit eines Stromrichters: wenn es ausfällt, muß der Stromrichter abge schaltet werden, weil er sich sonst wegen Überhitzung selbst zerstört.

In heutigen Windkraftanlagen, die noch meistens mit Festfrequenz (50 Hz) arbeiten, sind alle elektrischen Geräte wie Generator, Transformator sowie Schutz- und Re geleinrichtungen auf dem Anlagen-Turm in der Nähe der Windturbine angeordnet. Die Übersetzung der Rotorfrequenz in die 50 Hz Generatorfrequenz wird durch ein mechanisches Getriebe erreicht. Die vom Generator gelieferte Wechselspannung wird durch einen (je nach Leistung sehr schweren) Transformator auf die Netzspan nung gebracht und ins Netz eingespeist.

Zur Kühlung reicht meist die Luftbewegung auf dieser Höhe über dem Erdboden, die ja auch den Rotor antreibt: falls die Luftbewegung nicht ausreicht oder nutzbar ist, werden Lüfter eingesetzt, um die Verlustwärme dieser Anlagen abzuführen.

Die Entwicklung moderner Konzepte für Windkraftanlagen geht in Richtung höherer Leistungen, höherer Wirkungsgrade und vor allem geringerer Kosten. Man wird Stromrichteranlagen einsetzen und die gesamte Stromrichter- und Transformatoran lage aus dem Turmkopf an oder in den Turmfuß verlegen, um Gewicht im Turmkopf zu sparen, was dann entweder durch eine größere Windturbine (höhere Leistung bei gleicher Turmbauweise) oder aber durch eine leichtere Bauweise des Turmes und seines Fundaments (bei gleicher Leistung) ausgenutzt werden kann.

Zusätzlich werden durch Einsatz von PM-erregten Synchrongeneratoren variable Drehzahlen und damit höheren Stromrichter-Taktfrequenzen möglich, um das teuere, schwere und geräuschproduzierende Getriebe einsparen zu können, den Wirkungs grad, der je nach Windgeschwindigkeit verschieden von der Drehzahl abhängt, stän dig in das Optimum regeln zu können, und die magnetischen Komponenten wie Transformatoren oder Spulen kleiner aufbauen zu können.

Zur Realisierung dieser neuartigen Konzepte für Windkraftanlagen werden moderne Stromrichtertechnologien basierend auf IGBT-Modulen oder abschaltbaren Thyristo ren (IGCTs) verwendet werden, die immer eine Kühlung benötigen. Bekannte Kühl konzepte haben für die vorgesehene Anwendung die Nachteile, daß die natürliche Konvektion zu große Kühlkörper erfordert, forcierte Kühlung durch elektrische Geblä se zu unzuverlässig und teuer ist, und eine Flüssigkühlung zu komplex und zu teuer ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Windkraftanlage, bei der verlustbehaftete Baugruppen im Bereich des Turmfußes angeordnet sind, ein geeig netes Kühlsystem anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen ange geben.

Bei dem Kühlsystem wird die Möglichkeit genutzt, durch eine Luftführung durch den Turm eine Kaminwirkung und damit einen für Kühlzwecke nutzbaren Luftstrom zu erzeugen.

Es wird damit ein Kühlsystem erreicht, das

- ausfallsichere Funktion gewährleistet, wann immer die Windturbine rotiert;
- weitgehend wartungsfrei ist;
- geringstmöglichen Alterungsprozessen (Korrosion, Verschleiß) unterworfen ist;
- hinreichend Kühlleistung zur Verfügung stellt, um die Kühleroberflächentempera tur unter einem vorgegebenen Maximalwert zu halten, und
- im Turmfuß oder in einem separaten Gebäude nur wenig Raum einnimmt.

Eine forcierte Kühlung mittels Gebläse ist möglich.

Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 1 mit einer mittels eines einfachen oder mehrstufi gen Sauggebläses 4 forcierten Luftkühlung dargestellt. Bei hinreichend geringen Kühlleistungsanforderungen ist jedoch auch eine Anordnung ohne Gebläse, also mit alleiniger Nutzung eines durch Kaminwirkung erzeugten Luftstromes 12 möglich.

Bei der Windkraftanlage 1 ist auf einem Turm 13 ein Maschinenraum 11 angeordnet. Der Maschinenraum 11 enthält eine Windturbine mit Generator 2, an deren Achse mittels einer mechanischen oder hydraulischen Kupplung mit Getriebe 3 das Saug gebläse 4 gekoppelt ist.

Am Turm 13 oder in dessen Fußbereich ist in einem Anlagenraum 10 eine Anlage 14 mit verlustbehafteten Baugruppen 7 angeordnet. Die Anlage 14 mit den Baugruppen 7 kann beispielsweise eine Stromrichteranlage sein.

Zur Führung des Luftstromes 12 sind im Fußbereich des Turms 13 Filter 6 zur Luft ansaugung und oberhalb der Baugruppen 7 ein Sammelkanal 15 angeordnet. Im Turm 13 ist der Luftstrom 12 durch einen Luftkanal 8 zum Gebläse 4 geführt. An ei nem Luftaustritt 9 tritt der Luftstrom aus. Mit 5 sind elektrische Leitungen zur Verbin dung des Generators 2 mit der Stromrichteranlage 14 bezeichnet.

Wesentliche Vorteile der vorgeschlagenen Gesamtanordnung bestehen darin, daß die Kaminwirkung sowohl bei Ausführungen mit, als auch ohne Gebläse nutzbar ist und im Fußbereich des Turms kein zusätzlicher Raum für Einrichtungen zur Forcie rung der Luftbewegung benötigt wird.

Bei Anordnung eines Sauggebläses wird kein elektrischer Gebläseantrieb benötigt, da eine mechanische Ankopplung an die Turbinenachse vorgesehen ist.

Der durch das Sauggebläse erzeugte Luftstrom wird so durch den Anlagenraum, z. B. ein Stromrichterkabinett geführt, daß entweder

a) die Kühlkörper der Stromrichterkomponenten direkt durch die forcierte Luft bewegung gekühlt werden, oder

b) der Rückkühler eines Flüssigkeitskühlsystems von der Luft durchströmt wird.

Fall b) wird in der Regel häufiger vorkommen, weil dabei die Verlustleistung durch die Flüssigkühlung von den Halbleitern auf eine große Kühlfläche ein Luftstrom ver teilt wird.

Die Kühlleistung ist in diesem Fall über die Rotationsfrequenz der Turbinenachse direkt gekoppelt an die anfallende elektrische Leistung der Turbine und damit auch an die anfallende Verlustleistung in der Leistungselektronik. Wenn die Turbine ruht, fällt auch keine Verlustwärme an: das Gebläse steht. Wenn die Turbine maximale Leistung bei maximaler Frequenz erbringt, läuft auch das Kühlgebläse mit maximaler Leistung. Diese wird zwar der Nutzleistung der Windturbine entzogen, jedoch mit hö herem Wirkungsgrad als im Fall eines elektrischen Gebläses.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil sind die geringen Kosten der Anlage: ein elektri sches Gebläse für forcierte Luftkühlung bedarf außer der Anschaffung des motori schen Antriebs auch einer elektrischen Speisung (Motorschutzschalter oder Strom richter), ggf. einer elektronischen Regeleinrichtung und jedenfalls einer Schutzein richtung, die die Funktion des Gebläses überwacht und die Stromrichter durch Ab schalten gegen Überhitzung schützt. Ein einfaches, mechanisch angetriebenes Ge bläse erfordert dagegen lediglich eine mechanische oder hydraulische Kupplung (mit oder ohne Drehzahlübersetzung), die eine zu vernachlässigende Ausfallwahrschein lichkeit hat. Eine periodische Wartung dieser Komponente ist dennoch notwendig.

Claims

1. Kühlsystem zur Kühlung verlustbehafteter Baugruppen (7) einer Anlage (14), insbesondere einer Stromrichteranlage, in einer Windkraftanlage (1), wobei

- auf einem Turm (13) der Windkraftanlage (1) in einem Maschinenraum (11) eine Windturbine mit Generator (2) angeordnet ist,
- in einem Anlagenraum (10) am oder im Fußbereich des Turms (13) die Anla ge (14) mit den verlustbehafteten Baugruppen (7) angeordnet ist, und
- Mittel (6, 8, 15) zur Führung eines zumindest teilweise durch Kaminwirkung erzeugten Luftstromes (12) durch die Anlage (14) aus dem Fußbereich des Turms (13), durch den Turm (13) und den Maschinenraum (11) zu einem Luftaustritt (9) vorhanden sind.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (6, 8, 15) zur Führung des durch Kaminwirkung erzeugten Luftstromes (12) Filter (6) zur Luftansaugung, ein Sammelkanal (15) oberhalb der verlustbehafteten Baugrup pen (7) und ein durch den Turm (13) geführter Luftkanal (8) vorhanden sind.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß au ßerdem zur forcierten Kühlung im Maschinenraum (11) ein ein- oder mehrstufiges Sauggebläse (4) mittels einer mechanischen oder hydraulischen Kupplung mit Ge triebe (3) an die Achse der Windturbine mit Generator (2) gekoppelt ist, mit dem der Luftstrom (12) zum Luftaustritt (9) transportiert wird.

4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung mit Getriebe (3) ein Drehzahlübersetzungsverhältnis von mehr als 1 bewirkt.

5. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mehrstu figes Getriebe (3) eingesetzt ist, wobei die Drehzahl der Gebläsestufen des Gebläses (4) gleich oder unterschiedlich gewählt ist.

6. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Luft strom zu kühlenden verlustbehafteten Baugruppen (7) massive, mit Finnen versehe ne Kühlkörper mit aufmontierten Leistungshalbleiterbauelementen sind.

7. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der vom Luftstrom zu kühlenden verlustbehafteten Baugruppen (7) ein Rückkühler eines ge schlossenen Flüssigkühlsystems ist.