TW201802352A - 模組化風力發電設備 - Google Patents

Abstract

本案發明為一種風力發電設備(10)，其具有一塔架(20)、一驅動系統(30)、一氣缸、以及一覆蓋(50)，該驅動系統(30)具有一轉子(32)、一轉子軸承(34)、較佳的一齒輪(36)以及一發電機(38)，該氣缸以其縱向軸線橫向地延伸至該塔架(20)的縱向軸線，將該驅動系統(30)部分地罩蓋在該氣缸(40)之一側上，該覆蓋(50)將該氣缸(40)封閉在其另一側上。於此，該驅動系統(30)具有一介質，用於冷卻介於其相對該轉子(32)的面側及其側向區域之間的空氣循環。該氣缸(40)罩蓋住一內部氣缸(42)，且其將該氣缸(40)的內部分割成一外部的氣缸空間(44)及一內部的氣缸空間(46)。該覆蓋(50)被開發成一空氣對空氣的熱交換器，藉此，該內部氣缸(42)，在形成一封閉的冷卻迴路之下，以此種其可連通的方式，和該驅動系統(30)相對該轉子(32)的面側及該覆蓋(50)連接。

Description

模組化風力發電設備

本案發明為一種風力發電設備，其具有一塔架、一驅動系統、一氣缸及一覆蓋，該驅動系統具有一轉子、一轉子軸承、必要的一齒輪以及一發電機，該氣缸以其縱向軸線橫向地延伸至該塔架的縱向軸線，將該驅動系統部分地罩蓋在該氣缸之一側上，該覆蓋將該氣缸封閉在其另一側上。

此種風力發電設備例如是從美國專利US 4,527,072 A得知的，藉此，在此結構下的想法是要使用模組化結構、及在該塔架之驅動系統組件的簡單安裝選項、以及相關的簡易互換性，來減少維修所需的停機時間件。

由於此結構，該發電設備的該驅動系統僅可以最終的組合被完成，且其功能性僅能在該發電設備建構之後才可被檢測；此為一缺點。此外，根據此技術水準，僅該驅動系統的一被動冷卻被提供，而其就現代的發電設備而言是不足夠的。

然而，風力發電設備通常是以分別建構的方法被建立的，藉此，該等像是轉子軸承、齒輪、聯結器及發電機的主要構件，被連續地配置在被設置於其下面之一主要的框架上。在該主要的框架上，該直立的旋 轉件再次是和驅動器及煞車器一起被設置的。在沒有齒輪直接地被驅動的發電機的形況中，該主要的框架被穩固地和該發電機靜子附接，且被設置在該發電機的後面。然後，該等額外的單元，例如是潤滑系統、冷卻及電氣設備，被裝設在該主要的框架上或在該主要的框架處，且通常是以一鑲板保護來自外部天氣條件隔開。一用於此組合的是歐洲專利EP 0 821 161 B1。

然而，亦有整合該等構件及使用用於負載傳輸之齒輪及發電機的罩殼之驅動系統上部結構。於此，此驅動系統可被附接至一緩衝樑，然後該緩衝樑使用直立式軸承穿過該轉子負載件至該塔架。一範例為世界專利WO 2008/113 318 A2。由於該基本上緊湊的設計，該等必要的冷卻元件必須被設置在該緩衝樑的外面，並以一支撐結構被附接至該緩衝樑。

在另一架構中，該齒輪及該發電機被裝設在一鑄造金屬罩殼中，且以一非常緊湊的方式被配置。此種架構可例如是見於歐洲專利EP 0 811 764 B1。該等次要的單元，像是液壓系統、冷卻等等被分別地附接在該主要的框架或艙罩殼處。

為了該安裝，此些結構其等之構件的維護及修理需要大量的努力及時間，其具有一負作用，特別是在離岸的風力發電設備的情況中，由於不穩定的天氣條件及整體不利的工作條件。

因此，本案發明的目的是要創造一種緊湊的風力發電設備，該風力發電設備是可快速地及簡單地被裝設及被維護的，其中特別的是主動式冷卻必須被提供用於驅動系統構件之消散的熱量的充分移除。

藉由附有申請專利範圍第1項之特徵的該風力發電設備，此目的根據本案發明被完成。該等附屬項申請專利範圍說明本案發明之該等有利的配置。

在本案發明之下的基本想法是要進一步發展從根據美國專利US 4,527,072A之現有的相關技術所知道的“***(plug-in)”式發電設備，以達成一功能性的驅動系統可被***準備用於罩蓋該驅動系統之該發電設備中，藉此，通過該驅動系統及***式罩殼的組合，一封閉的冷卻空氣迴路被產生用於該發電設備的該氣缸。

本案發明的目的是要創造一種由轉子、轉子軸承、必要的齒輪及發電機所構成的驅動系統，其是非常緊湊及輕的，且因此是低成本的，且於其中，該等外部的負載不會被轉移至此些構件，而該驅動系統是***設成一在一氣缸中、或是在一支撐鋼管中的單元，且是以該轉子軸承被固定在前面，以致隨後該等負載能使用在該支撐結構中的此鋼管被傳遞，該支撐結構為該塔架。

該齒輪，如果其是可用的，幾乎沒有應變，該發電機根本沒有因外部的負載而有應變。

介於該驅動系統單元及該氣缸之間的連接，較佳地是以該轉子軸承之該外部環圈的該等固定螺絲被實施。該發電機被直接地固定於在該齒輪或該轉子軸之後面板蓋上的面部，以使該發電機在該齒輪或該轉子軸有任何變形的情況下，能沒有內部的負載自由地移動。

為了該進一步的解說，雖然其被假設成該驅動系統具有一發電機，但是本案發明亦可被應用於無齒輪驅動的風力發電設備。

該氣缸可被開發成一圓形的氣缸，且其特別的是被生產成一簡單圓筒形滾軋過的鋼管，其具有一在朝向該轉子軸承連接之頭端部處的凸緣。具有精心處理之來自多片金屬板之幾何複雜的焊接結構或是複雜的鑄造部件是不需要的。

然而，該氣缸亦可具有另一例如是一矩形或一六邊形的底座面積。該氣缸的縱向軸線被橫向地定向於該塔架的縱向軸線，其可被配置成垂直於該塔架的縱向軸線，或是其可從垂直於該縱向軸線偏離特別是介於0°及30°之間。

此外，在根據本案發明的該風力發電設備中，該發電機及該齒輪的冷卻是以一藉由周圍的空氣被冷卻的空氣對空氣的熱交換器被進行的，該空氣對空氣的熱交換器被附接於該氣缸之在該驅動系統單元的相對側的端部。通過被空氣充滿之該發電機的靜子及/或轉子，該內部的冷卻空氣流直接地從該發電機提取該熱損耗。該齒輪的該熱損耗亦被引導至此內部的空氣流，較佳地是使用一油對空氣的熱交換器，該油對空氣的熱交換器是在該發電機的前面，或較佳地是在該發電機的後面。然後，該內部的空氣流較佳地是首先被引導至該氣缸的外部，那是在介於該氣缸的內壁部及該內部氣缸的外壁部之間的氣缸空間，以便在一高溫準位的情況下，能使用該氣缸的壁部用於冷卻。然後該空氣流通過一由該覆蓋所形成之空氣對空氣的板式熱交換器，其是被設置在室外空氣流中的外側。

該氣缸及該內部氣缸被設計成中空的氣缸。

特別的是，該氣缸及該覆蓋被設計成被螺鎖在一起之單獨的元件。為此，其可被提出，藉由將一錐形化的覆蓋區段插設在該氣缸中， 該氣缸罩蓋住一覆蓋區段。

較佳的是，該整個發電設備被裝備成一順風機，以使由該覆蓋所形成的該板式熱交換器逆著該空氣流延伸，且因此被直接地設置在該空氣流之進來的空氣中。

繞著該內部氣缸被徑向地配置之由薄的且較佳地是不銹鋼板片所構成的該板式熱交換器，以下亦被稱為“中央的內部空氣管件”，且此些替代式地被構成和該內部氣缸是可滲透的，或是具有一用於外部的冷卻流之封閉的設計。因此，該內部的冷卻空氣流從外部至該內部氣缸分別地被引導介於二板片之間。該外部的空氣可吹過其間，以從內部將熱量消散至外部。

如同先前針對該氣缸被說明的，即使該內部氣缸可具有一不同的底座面積，例如是從如同一具有一圓形的底座面積之圓形的氣缸的設計變化出的一矩形或一六邊形。

為了能消散為電力輸出約3%之發生的熱損耗，需要一些板片金屬對。該冷卻板的該整體表面是由該發電設備輸出、該效率水準、該等外部的溫度條件、及該最大允許的內部溫度所導致的結果。

即使此冷卻單元是可從外部被***該氣缸成一組合，但較佳地是以一凸緣和該氣缸相連。該氣缸被預先裝設有一附有一適當的空氣管道的內部氣缸、用於齒輪油冷卻的油/空氣冷卻系統、以及一或數個用於空氣循環的風扇。

如果不需要一在艙室的風力追蹤系統，例如是在一浮動式風渦輪的情況中，則此整個配置是特別有利的。在此情況下，該氣缸可直接 地和該塔架或該支撐結構連接。

此架構不僅是非常輕及緊湊的，藉此，該等外部的負載被保持和該齒輪及該發電機隔開，並且亦產生一封閉的冷卻迴路，該封閉的冷卻迴路是和該外部的空氣密閉式地密封開。主要的是，此對離岸的發電設備是絕對必要的。

本案發明為一種風力發電設備，其具有一塔架、一驅動系統、一氣缸及一覆蓋，該驅動系統具有一轉子、一轉子軸承、較佳的一齒輪以及一發電機，該氣缸以其縱向軸線橫向地延伸至該塔架的縱向軸線，將該驅動系統部分地罩蓋在該氣缸之一側上，且該覆蓋將該氣缸封閉在其另一側上。於此，該驅動系統具有一用於冷卻空氣循環之介於其相對該轉子的面側及其側向區域之間的介質。該氣缸具有一內部氣缸，其較佳地是被同心地配置，且其將該氣缸的內部分割成一外部的氣缸空間及一內部的氣缸空間。該覆蓋被開發成一空氣對空氣的熱交換器，藉此，在形成一封閉的冷卻迴路之下，該內部氣缸是以此種其可連通的方式，和該驅動系統相對該轉子的面側及該覆蓋連接。

在該塔架之該氣缸的防扭力配置是較佳的。該塔架具有一支撐該偏擺控制器之凸鏡狀至滴形狀的橫斷面是特佳的。

特別的是，該內部氣缸的該橫截面面積對應於該氣缸空間的該橫截面面積，以使在該整個冷卻迴路中，一致的空氣流或空氣流速度能被達成。

根據另一較佳的配置，該內部氣缸具有一朝向該驅動系統圓錐式地延伸出的區段。此區段簡化了該內部氣缸至該驅動系統的連接，特 別是至該發電機的連接，其他需要冷卻之例如是整流器的元件可被固定在其後面。

此外，其較佳地是以此種方式被設計，即該內部氣缸封閉住該驅動系統相對該轉子的面側，其為該發電機的後壁部。為此，其被特別規畫成該發電機外徑較佳地是小於該齒輪外徑。

該齒輪之該外徑特別的是對應於該氣缸之該外徑。

一方面，該空氣循環可受到該發電機之內部的風扇影響。然而，一被裝設在該內部氣缸中的風扇是特佳的。或者或額外地，甚至可在該氣缸空間中設置一或數個風扇。

最後，如上所述的，如果該風力發電設備被設計成一順風機是較佳的。

借助於一執行範例，本案發明被詳細地解說於下，該執行範例為如同在該等隨附的圖式中被顯示出之該較佳的設計，其顯示：圖1為在該較佳的設計中之一風力發電設備的一概略圖示的側面；圖2為被顯示在圖1中之該風力發電設備的一分解視圖；圖3為圖1之該風力發電設備的一截面側視圖；圖4為圖1之該風力發電設備附有概略地被顯示出的空氣循環的一截面側視圖；圖5為一浮動式離岸風力發電設備之一較佳的設計的一整體立體視圖；圖6為一浮動式離岸風力發電設備之另一較佳的設計的一整體立體視圖；及 圖7為被顯示在圖6中之該風力發電設備在一轉子的區域中的一詳細的視圖。

圖1顯示在該較佳的設計中之一風力發電設備的概略圖示的側面。

該風力發電設備10具有一塔架20，該塔架20具有一被附接至其上側的氣缸40，該氣缸40以其縱向軸線橫向地延伸出，在此範例中，大致和該塔架20的縱向軸線對角地成80°，並罩蓋該驅動系統30，從該處該轉子32、該轉子軸承34及該齒輪36是可被看見的。

在相對該驅動系統30的側面上，一封閉該氣缸40的覆蓋50被提供，其被設計成空氣對空氣的熱交換器，且其外部的冷卻鰭片可被清楚地看見。

被顯示在圖1中的該風力發電設備特別被設計成一浮動式順風-風力發電設備，該氣缸40穩固地被附接至塔架20，該塔架20接著被錨接至該浮動式底座。於此其特別被提出該錨接裝置並未被嚙結在塔架20，而是在氣缸40。

圖2顯示被顯示在圖1之該風力發電設備的一分解視圖。

從此圖式，明顯的是，一功能性的及特別是先前被測試過的驅動系統30，其具有一轉子32、一轉子軸承34、一齒輪36以及一發電機38，可***設成一在該氣缸40中在其一側面上之功能性的單元，藉此，氣缸40的另一側面以該覆蓋50被覆蓋住。

於此，該塔架20、該驅動系統30、該氣缸40及該覆蓋50 是以此種方式被設計，即當該等構件被彼此連接時，一被封閉的內部空間被產生，與環境的物質交換不會發生於該處。

此外，在圖2中，其可看出在氣缸40中，一相對氣缸40被同心地配置的內部氣缸42被提供，該內部氣缸42將氣缸40的內部分割成一外部的氣缸空間44及一內部的氣缸空間46。該內部氣缸42特別是使用徑向的支撐結構被附接至氣缸40，該等徑向的支撐結構連接該氣缸40的內壁部和該內部氣缸42的外壁部。

圖3顯示該風力發電設備10的一截面側視圖，以使介於驅動系統30、氣缸40之間的該功能性的相互作用，特別是介於內部氣缸42及該覆蓋50之間的該功能性的相互作用變得清楚。

該內部氣缸42以一種方式被設計，即在該轉子32的相對側上之該驅動系統的面側，其為該發電機38的後壁部，覆蓋住該內部氣缸42的一側，以使該驅動系統30的面側僅和該內部氣缸的內部46連通，但未直接地和(外部的)氣缸空間44連通。

在另一側面上，該內部氣缸42是和該覆蓋50的該等引導結構連接，該覆蓋50以一種其等連通的方式被設計成空氣對空氣的熱交換器，以使一封閉的冷卻迴路能被產生介於該驅動系統30及該覆蓋50之間，該封閉的冷卻迴路從該覆蓋50被引導通過該內部氣缸的內部46至該驅動系統30，並從驅動系統30被引導通過該氣缸空間44至該覆蓋50。

該冷卻空氣迴路以被使用在圖4中的該等箭頭被顯示出。於此，該內部的空氣循環被設計成完全地被封閉。藉由以逆流的方式吹至該覆蓋50之外部的空氣，該熱損耗在該覆蓋50處被消散。

最後，圖5顯示一被專門設計之浮動式風力發電設備10的一立體視圖，該浮動式風力發電設備10具有一被附接在一浮動式底座上的塔架20。該塔架20在其上側支撐一氣缸40，該氣缸40以一種防扭力的方式和塔架20連接，藉此該塔架20使用被固定在氣缸40上的固著點和該底座錨接。

該浮動式風力發電設備10特別被設計成一順風機，藉此，該塔架20具有一橫截面，其至少支撐該偏擺控制器。

該驅動系統30具有一在該被顯示出的執行範例中及被罩蓋在氣缸40內的雙葉片轉子，如同先前被說明過的，藉此，該氣缸40被一在相對該驅動系統30的側面上的覆蓋50封閉。

圖6顯示一風力發電設備10之該較佳的設計的另一執行範例，該風力發電設備10具有一被附接在一浮動式底座上的塔架20。該塔架20在一直立的區段被分割開，並從此處分歧出二根叉分的支柱，在該等支柱的端部各別地被提供有一被防扭力附接的氣缸40。

各個此些氣缸40分別地罩蓋住一個驅動系統30，以使一浮動式風力發電設備10被產生，該浮動式風力發電設備10總共具有兩個驅動系統30。此程序對建構一總體有效的發電設備是特別有利的，於其中，該等各別的單元是小型的，且因此能有一在該浮動式底座上之較佳的負載分佈。

最後圖7標示出在一驅動系統30的該區域中之該錨接的細部。於此，其可被清楚地看見該錨接纜繩被固緊在支撐管件40處，以使該驅動系統30的一更換可在不影響該浮動式風力發電設備10的整個穩定性下 被執行。

Claims (10)

1. 一種風力發電設備(10)，其具有一塔架(20)，一驅動系統(30)，其具有一轉子(32)、一轉子軸承(34)、較佳的一齒輪(36)及一發電機(38)，一氣缸(40)，以其縱向軸線橫向地延伸至該塔架(20)的縱向軸線，將該驅動系統(30)部分地罩蓋在其一側上，以及一覆蓋(50)，其將該氣缸(40)封閉在其另一側上，其特徵在於該驅動系統(30)具有一介質，用於冷卻介於其相對該轉子(32)的面側及其側向區域之間的空氣循環，該氣缸(40)罩蓋住一內部氣缸(42)，其將該氣缸(40)的內部分割成一外部的氣缸空間(44)及一內部的氣缸空間(46)，該覆蓋(50)被設計成一空氣對空氣的熱交換器，藉此，在形成一封閉的冷卻迴路之下，該內部氣缸(42)以此種其可連通的方式，和相對該轉子(32)的該驅動系統(30)的該面側及該覆蓋(50)連接。
2. 根據申請專利範圍第1項之風力發電設備(10)，其中該氣缸(40)以一種防扭力的方式被附接至該塔架(20)。
3. 根據申請專利範圍第1或2項之風力發電設備(10)，其中該氣缸(40)及該內部氣缸(42)被同心地附接至彼此。
4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之風力發電設備(10)，其中該內部氣缸(42)的橫截面面積對應於該中間的空間的橫截面面積。
5. 根據申請專利範圍第1至4項中任一項之風力發電設備(10)，其中該內部氣缸(42)在該驅動系統(30)的方向上具有一圓錐式地被延伸出的區段。
6. 根據申請專利範圍第1至5項中任一項之風力發電設備(10)，其中該內部氣缸(42)封閉相對該轉子(32)的該驅動系統(30)的該面側。
7. 根據申請專利範圍第1至6項中任一項之風力發電設備(10)，其中該發電機(38)之外徑小於該齒輪(36)之外徑。
8. 根據申請專利範圍第1至7項中任一項之風力發電設備(10)，其中該齒輪(36)之外徑對應於該氣缸(40)之外徑。
9. 根據申請專利範圍第1至8項中任一項之風力發電設備(10)，其中一風扇(48)被裝設在該內部氣缸(42)中及/或在氣缸空間(44)中。
10. 根據申請專利範圍第1至9項中任一項之風力發電設備(10)，其中該風力發電設備(10)被設計成一順風機。