DE102011107013A1 - Cooling device for wind turbines - Google Patents

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Abstract

Eine Kühleinrichtung für Windenergieanlagen mit auf einem Turm (3) drehbar angeordnetem Maschinenhaus (1) und mit mindestens einem mit diesem verbundenen Wärmetauscher (9), der Bestandteil eines Kühlkreislaufs ist und für eine Wärmeabgabe an die Umgebung der äußeren Luftströmung ausgesetzt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein der äußeren Luftströmung ausgesetzter Wärmetauscher (9) an einer Stelle (19) angeordnet ist, an der die Luftströmung durch die aus der Geometrie des Turmes (3) resultierende Verdrängungswirkung beschleunigt ist.A cooling device for wind turbines with on a tower (3) rotatably mounted nacelle (1) and with at least one associated with this heat exchanger (9), which is part of a cooling circuit and is exposed to heat dissipation to the environment of the outer air flow is characterized in that at least one heat exchanger (9) exposed to the outer air flow is arranged at a location (19) at which the air flow is accelerated by the displacement effect resulting from the geometry of the tower (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Windenergieanlagen mit auf einem Turm drehbar angeordnetem Maschinenhaus und mit mindestens einem mit diesem verbundenen Wärmetauscher, der Bestandteil eines Kühlkreislaufs ist und für eine Wärmeabgabe an die Umgebung der äußeren Luftströmung ausgesetzt ist.The invention relates to a cooling device for wind turbines with rotatably mounted on a tower engine house and with at least one associated with this heat exchanger, which is part of a cooling circuit and is exposed to heat dissipation to the environment of the outer air flow.

In den im Maschinenhaus befindlichen Aggregaten, wie Getriebe, Generatoren usw., fallen im Betrieb Verluste an, so dass für eine Abfuhr von Verlustwärme an die Umgebung Sorge getragen werden muss. Im Stand der Technik sind hierfür Kühleinrichtungen vorgesehen, die in einem Kreislauf ein Kühlmedium an betreffenden Wärmequellen vorbeiführen und einen oder mehrere Wärmetauscher besitzen, denen Ventilatoren vor- oder nachgesetzt sind, um einen entsprechenden Durchstrom von Kühlluft zu erzeugen. In Windenergieanlagen ergibt sich betriebsbedingt zusätzlich die Möglichkeit, die herrschende Windströmung, deren Stärke mit der Erzeugung von Verlustwärme korreliert, zum Durchströmen von Wärmetauschern zu nutzen und somit die Effektivität des Kühlsystems zu verbessern. Dementsprechend ist es Stand der Technik, einen oder mehrere Wärmetauscher an der Außenseite des Maschinenhauses anzuordnen, so dass er, ohne dass aktive Mittel wie Gebläse erforderlich sind, von Kühlluft durchströmbar ist.In the units located in the nacelle, such as gearboxes, generators, etc., incurred during operation losses, so that care must be taken to dissipate heat loss to the environment. In the prior art cooling devices are provided for this purpose, which lead in a circuit a cooling medium to relevant heat sources and one or more heat exchangers, which fans upstream or downstream, to produce a corresponding flow of cooling air. In the case of wind turbines, the additional possibility of utilizing the prevailing wind flow, the strength of which correlates with the generation of heat loss, for the flow through of heat exchangers, and thus for improving the efficiency of the cooling system, additionally results. Accordingly, it is state of the art to arrange one or more heat exchangers on the outside of the machine house so that it can be flowed through by cooling air without the need for active means such as blowers.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Kühleinrichtung für Windenergieanlagen zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine weiter verbesserte Energiebilanz auszeichnet.Based on this prior art, the invention has the object to provide a cooling device for wind turbines, which is characterized by a further improved energy balance.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Kühleinrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.According to the invention this object is achieved by a cooling device having the features of claim 1 in its entirety.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass zumindest ein der äußeren Luftströmung ausgesetzter Wärmetauscher an einer Stelle angeordnet ist, an der die Luftströmung durch die aus der Geometrie des Turmes resultierende Verdrängungswirkung beschleunigt ist. Diese Anordnung des Wärmetauschers nutzt den Umstand aus, dass der Turm bei der üblichen, rohrförmigen Gestalt wie ein kreiszylindrischer Körper umströmt wird, wobei sich zu beiden Seiten einer den Staubereich bildenden, durch die Rotorachse definierten Vertikalebene, am Umfang des Turmes Strömungsbereiche stark beschleunigter Strömung ergeben. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung eines oder mehrerer Wärmetauscher derart, dass er sich zumindest teilweise in einem solchen Strömungsbereich befindet, führt zu einer verbesserten Durchströmung und damit verstärkter Wärmeabgabe an die Umgebungsluft. Dank der so verbesserten Kühlwirkung können zusätzliche, aktive Mittel zur Verstärkung der Luftströmung mit geringerer Leistung benutzt werden oder ganz in Wegfall kommen, so dass insgesamt eine Verbesserung der Energiebilanz erreicht wird.According to the characterizing part of claim 1, an essential feature of the invention is that at least one of the outer air flow exposed heat exchanger is disposed at a position at which the air flow is accelerated by the resulting from the geometry of the tower displacement effect. This arrangement of the heat exchanger takes advantage of the fact that the tower is flowed around in the usual tubular shape like a circular cylindrical body, resulting in strongly accelerated flow areas at the periphery of the tower flow areas on both sides of a dust region forming defined by the rotor axis vertical plane , The inventively provided arrangement of one or more heat exchangers such that it is at least partially in such a flow region leads to improved flow and thus increased heat transfer to the ambient air. Thanks to the improved cooling effect, additional, active means for increasing the flow of air at lower power can be used or eliminated altogether, so that an overall improvement in the energy balance is achieved.

Vorteilhafterweise ist der jeweilige Wärmetauscher benachbart zu der äußeren Oberfläche des Turmes angeordnet, so dass er sich großteils innerhalb des Bereichs der am stärksten beschleunigten Strömung befindet.Advantageously, the respective heat exchanger is located adjacent to the outer surface of the tower so that it is largely within the region of the fastest accelerated flow.

Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass der jeweilige Wärmetauscher unterhalb des Maschinenhauses in einer Ebene angeordnet ist, die zu der der Achsrichtung des Rotors entsprechenden Hauptwindrichtung senkrecht oder in einem Winkel hierzu geneigt ist. Der Bereich beschleunigter Strömung wird dadurch optimal für die Durchströmung des jeweiligen Wärmetauscher genutzt.With particular advantage, the arrangement may be such that the respective heat exchanger is arranged below the machine house in a plane which is inclined to the main wind direction corresponding to the axial direction of the rotor perpendicular or at an angle thereto. The area of accelerated flow is thereby optimally utilized for the flow through the respective heat exchanger.

In besonders vorteilhafter Weise kann beidseits des Turmes zumindest ein Wärmetauscher angeordnet sein, der vorzugsweise unmittelbar an der Unterseite des Maschinenhauses befestigt ist.In a particularly advantageous manner can be arranged on both sides of the tower at least one heat exchanger, which is preferably attached directly to the bottom of the machine house.

Ungeachtet der durch die beschleunigte Strömung erreichten Verbesserung des Wärmeüberganges kann dem jeweiligen Wärmetauscher zusätzlich eine Einrichtung zur Strömungsführung und/oder -aufbereitung zugeordnet sein.Regardless of the improvement achieved by the accelerated flow of the heat transfer, the respective heat exchanger may additionally be assigned a device for conducting and / or conditioning the flow.

In vorteilhafter Weise können diesbezüglich am jeweiligen Wärmetauscher eine oder mehrere Strömungsleitflächen vorgesehen sein.Advantageously, one or more flow control surfaces can be provided in this regard on the respective heat exchanger.

Alternativ oder zusätzlich hierzu kann ein dem jeweiligen Wärmetauscher vor- oder nachgesetzter Ventilator als aktiver Strömungsverstärker zugeordnet sein.Alternatively or in addition thereto, a ventilator upstream or downstream of the respective heat exchanger can be assigned as an active flow amplifier.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert.The invention is explained in detail below with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 eine stark vereinfacht gezeichnete, skizzenhafte Darstellung lediglich des dem Maschinenhaus benachbarten oberen Teils einer Windenergieanlage mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, gesehen auf eine Seite des Maschinenhauses; 1 a greatly simplified sketched, sketchy representation of only the machine house adjacent upper part of a wind turbine with an embodiment of the cooling device according to the invention, as seen on one side of the machine house;

2 eine der 1 entsprechend vereinfachte Darstellung, gesehen auf die Stirnseite des Maschinenhauses und 2 one of the 1 according to simplified representation, seen on the front side of the machine house and

3 eine diagrammartige Darstellung des Strömungsbildes der den Turm der Windanlage umströmenden Luft, wobei Beispiele der erfindungsgemäßen Anordnung von Wärmetauschern eingezeichnet sind. 3 a diagrammatic representation of the flow pattern of the tower of the wind turbine surrounding air, examples of the inventive arrangement of heat exchangers are shown.

Die 1 und 2 zeigen in vereinfachter, skizzenhafter Darstellung den oberen Teil einer Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus 1, das in der üblichen Weise auf einem Turm 3 drehbar angeordnet ist, so dass sich die Drehachse 5 des Rotors 7 auf die Hauptwindrichtung einstellen kann. Von einem Kühlkreislauf, der zur Kühlung von Aggregaten vorgesehen ist, die sich im Inneren des Maschinenhauses 1 befinden und während des Betriebs Verlustwärme erzeugen, sind in den Figuren lediglich äußere Wärmetauscher 9 dargestellt, während der übrige, im Maschinenhaus 1 befindliche Kühlkreislauf, ebenso wie die im Maschinenhaus 1 befindlichen Aggregate nicht dargestellt sind, da diese Komponenten sämtlich dem Stand der Technik entsprechen können. Bei dem vorliegenden Beispiel sind zwei Wärmetauscher 9 mit der Unterseite 11 des Maschinenhauses 1 so verbunden, dass sie sich beidseits neben dem Turm 3 befinden, wobei, wie aus 2 entnehmbar ist, die Wärmetauscher 9 zu der äußeren Oberfläche 13 des Turmes 3 eng benachbart sind.The 1 and 2 show in simplified, sketchy representation of the upper part of a wind turbine with a nacelle 1 in the usual way on a tower 3 is rotatably arranged so that the axis of rotation 5 of the rotor 7 can adjust to the main wind direction. From a cooling circuit, which is designed to cool aggregates, located inside the machine house 1 are located and generate heat loss during operation, in the figures, only external heat exchangers 9 shown while the rest, in the nacelle 1 located cooling circuit, as well as those in the engine house 1 located aggregates are not shown, since these components can all correspond to the prior art. In the present example, there are two heat exchangers 9 with the bottom 11 of the machine house 1 connected so that they are on both sides next to the tower 3 are, where, how out 2 is removable, the heat exchanger 9 to the outer surface 13 of the tower 3 are closely adjacent.

3 veranschaulicht das Strömungsbild bei der Umströmung eines stationären Kreiszylinders, wie er vorliegend durch den Turm 3 der Windenergieanlage verkörpert ist. Die in 3 nur teilweise bezifferten Stromlinien 15 verlaufen vor Erreichen des Turmes 3 zueinander parallel, d. h. mit über das Strömungsfeld gleicher Strömungsgeschwindigkeit. Bei Annäherung an den an der Vorderseite des Turmes 3 befindlichen Staubereich 17 erfolgt durch den Verdrängungseffekt des Turmes 3 das Zusammenrücken der Stromlinien 15, was bei Unterschallströmungen eine Beschleunigung der Strömung zur Folge hat. Beidseits des Turmes 3 bilden sich somit Kontraktionsbereiche 19 beträchtlich erhöhter Strömungsgeschwindigkeit. Im Nachlauf hinter dem Turm 3 bildet sich eine Turbulenzzone 21 mit Ablösewirbeln. 3 illustrates the flow pattern in the flow around a stationary circular cylinder, as in the present case through the tower 3 the wind turbine is embodied. In the 3 only partially quantified streamlines 15 run before reaching the tower 3 parallel to each other, ie with over the flow field same flow velocity. When approaching the at the front of the tower 3 located storage area 17 done by the displacement effect of the tower 3 the contraction of the streamlines 15 , which results in an acceleration of the flow in subsonic flows. On both sides of the tower 3 thus forming contraction areas 19 considerably increased flow velocity. In the wake behind the tower 3 a turbulence zone forms 21 with detachment vertebrae.

Erfindungsgemäß sind die Wärmetauscher 9 so angeordnet, dass sie innerhalb der beschleunigten Kontraktionsbereiche 19 gelegen sind. Die 3 zeigt im oberen Teil einen Wärmetauscher 9, der innerhalb einer Ebene 23 angeordnet ist, die zu der der Achse 5 des Rotors 7 entsprechenden Hauptwindrichtung senkrecht ist. An der unteren Seite der 3 ist ein demgegenüber abgewandeltes Beispiel dargestellt, bei dem sich der Wärmetauscher 9 in einer gegenüber der Ebene 23 um einen, vorzugsweise kleinen Winkel α geneigten Ebene befindet. Zusätzlich sind bei dieser Variante Einrichtungen zur Strömungsführung sowie zur Strömungsaufbereitung dem Wärmetauscher 9 zugeordnet. Für die Strömungsführung weist der Wärmetauscher 9, der in der Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet sein kann, innere Führungslamellen 25 (lediglich je eine in 3 beziffert) auf. Am äußeren Rand des Wärmetauschers 9 kann zudem eine Strömungsleitfläche 27 vorgesehen sein, die sich, wie beispielhaft in 3 gezeigt, entgegen der Hauptwindrichtung erstreckt und die Strömung zusätzlich intensiviert. Die 3 zeigt weiterhin, dass als Einrichtung zur aktiven Strömungsaufbereitung ein Ventilator 29 oder mehrere Ventilatoren dem unteren Wärmetauscher 9 vorgesetzt oder nachgesetzt sein können. Ein solcher oder solche kann bzw. können zusätzlich zu den Lamellen 25 und/oder der Leitfläche 27 oder alternativ hierzu vorgesehen sein. Entsprechende Einrichtungen zur Strömungsführung und -aufbereitung können auch an dem in 3 oben liegenden Wärmetauscher 9 vorgesehen sein. In jedem Fall führt die erfindungsgemäße Anordnung einer oder mehrerer Wärmetauscher 9 in einem Bereich, in dem die Geometrie des Turmes 3 eine Konzentration der Stromlinien 15 der Luftströmung verursacht, so dass eine Zone beschleunigter Strömung entsteht, zu einer Verbesserung der Wärmeabgabe des betreffenden Wärmetauschers 9 an die Umgebungsluft. Ferner können andere Wärmetauscherbauarten je nach Bedarfsfall zum Einsatz kommen.According to the invention, the heat exchangers 9 arranged so that they are within the accelerated contraction areas 19 are located. The 3 shows in the upper part of a heat exchanger 9 that is within a level 23 is arranged to that of the axis 5 of the rotor 7 corresponding main wind direction is perpendicular. At the bottom of the 3 In contrast, a modified example is shown in which the heat exchanger 9 in one opposite the plane 23 is at a, preferably small angle α inclined plane. In addition, in this variant, devices for flow guidance and for flow conditioning the heat exchanger 9 assigned. For the flow guidance, the heat exchanger has 9 , which may be formed in the manner of a plate heat exchanger, inner guide plates 25 (only one each in 3 numbered). At the outer edge of the heat exchanger 9 can also have a flow guide 27 be provided, which, as exemplified in 3 shown, extending against the main wind direction and intensifies the flow additionally. The 3 further shows that as a means for active flow conditioning, a fan 29 or multiple fans to the lower heat exchanger 9 may be preset or postponed. Such or such may or may in addition to the slats 25 and / or the guide surface 27 or alternatively be provided for this purpose. Corresponding devices for flow guidance and conditioning can also be used on the in 3 overhead heat exchanger 9 be provided. In any case, the arrangement according to the invention leads one or more heat exchangers 9 in an area where the geometry of the tower 3 a concentration of streamlines 15 causes the air flow, so that a zone of accelerated flow is formed, to improve the heat output of the heat exchanger in question 9 to the ambient air. Further, other types of heat exchangers may be used as needed.

Claims (7)

Kühleinrichtung für Windenergieanlagen mit auf einem Turm (3) drehbar angeordnetem Maschinenhaus (1) und mit mindestens einem mit diesem verbundenen Wärmetauscher (9), der Bestandteil eines Kühlkreislaufs ist und für eine Wärmeabgabe an die Umgebung der äußeren Luftströmung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein der äußeren Luftströmung ausgesetzter Wärmetauscher (9) an einer Stelle (19) angeordnet ist, an der die Luftströmung durch die aus der Geometrie des Turmes (3) resultierende Verdrängungswirkung beschleunigt ist.Cooling device for wind turbines with on a tower ( 3 ) rotatably mounted nacelle ( 1 ) and at least one associated with this heat exchanger ( 9 ), which is part of a cooling circuit and is exposed to a heat transfer to the environment of the outer air flow, characterized in that at least one of the outer air flow exposed heat exchanger ( 9 ) in one place ( 19 ) is arranged at which the air flow through the from the geometry of the tower ( 3 ) is accelerated resulting displacement effect. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Wärmetauscher (9) benachbart zu der äußeren Oberfläche (13) des Turmes (3) angeordnet ist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the respective heat exchanger ( 9 ) adjacent to the outer surface ( 13 ) of the tower ( 3 ) is arranged. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Wärmetauscher (9) unterhalb des Maschinenhauses (1) in einer Ebene (23) angeordnet ist, die zu der der Achsrichtung (5) des Rotors (7) entsprechenden Hauptwindrichtung senkrecht oder in einem Winkel (α) geneigt ist.Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the respective heat exchanger ( 9 ) below the machine house ( 1 ) in one level ( 23 ) which is arranged to that of the axial direction ( 5 ) of the rotor ( 7 ) is inclined perpendicularly or at an angle (α) corresponding to the main wind direction. Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits des Turmes (3) zumindest je ein Wärmetauscher (9) angeordnet ist. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that on both sides of the tower ( 3 ) at least one heat exchanger each ( 9 ) is arranged. Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem jeweiligen Wärmetauscher (9) eine Einrichtung zur Strömungsführung (27) und/oder -Aufbereitung (29) zugeordnet ist.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the respective heat exchanger ( 9 ) a device for flow guidance ( 27 ) and / or preparation ( 29 ) assigned. Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am jeweiligen Wärmetauscher (9) Strömungsleitflächen (27) vorgesehen sind.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that at the respective heat exchanger ( 9 ) Flow control surfaces ( 27 ) are provided. Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am jeweiligen Wärmetauscher (9) mindestens ein vor- und/oder nachgesetzter (29) Ventilator angeordnet ist.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that at the respective heat exchanger ( 9 ) at least one previous and / or later ( 29 ) Fan is arranged.
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