風電機組冷卻技術研究綜述

張程賓

（東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096）

可再生能源已經成為我國碳減排的重要支撐力量[1]，其中風電行業將迎來更大的發展空間。 風電機組正朝著單機功率大型化， 裝機總量規模化，運維管理智慧化以及來源多元化的方向發展。 為了確保“十四五”規劃和“碳中和”國家戰略的順利實施，風電機組的技術革新和產業升級已經成為我國當前可再生能源領域亟需解決的重要課題。

風電機組的熱管理是風電機組長期穩定可靠運行的重要保障。 風電發展過程中，時常出現由于風電機組大功耗部件（如發電機，齒輪箱，變頻器及控制柜）過熱導致故障停機甚至引發火災等重大事故的案例。 發展新型高效風電機組的冷卻技術不僅具有顯著的經濟和社會效益，而且對于促進風電大型化、規模化、智能化和多元化發展也有重要的現實意義。 作為常用的熱管理方法，風冷和液冷技術在現有風電機組中得到了廣泛應用。 然而，隨著單機功率和機組裝機總容量的不斷提升，風冷和液冷技術已經逐漸達到其冷卻能力的極限，亟需發展新型高效冷卻技術以保障未來風電機組長期可靠安全地運行。

為全面認識風電機組的熱管理解決方案，本文全面回顧了風電機組風冷和液冷技術的國內外研究現狀。 在此基礎上，分析討論了新型冷卻技術在風電機組熱控領域應用的可行性，并展望了新一代風電機組冷卻技術的未來發展方向，進而為未來風電機組的熱管理技術革新提供素材和借鑒。

1 風冷技術

風冷技術是風電機組最早也是應用最為廣泛的一種冷卻技術，其基本原理是利用空氣將風電機組產生的熱量帶走。 根據供風的主被動性，風冷技術可分為自然通風和強制風冷。

自然通風是利用自然風將風電機組產生的熱量通過發電艙體配置的風道內空氣攜帶流向外部大氣環境。 這種冷卻技術在風電發展初期階段最為常見，因為此時的風電機組裝機容量小，相應的熱耗散也不大， 僅通過自然通風就可以解決風電機組的冷卻散熱需求。 需要注意的是，由于沒有任何動力來源， 自然通風冷卻方式只能通過風電機組的布局優化和風道設計來進行強化。 最常見的自然通風方式是利用 “煙筒效應” 和添加導流裝置。陳效國等[2]提出了利用煙筒效應來優化塔筒風道以強化1.5 MW 風電機組散熱的技術。 煙筒效應的原理如圖1（a）所示，大功率的變頻器和控制柜布置在塔筒的一層，熱空氣在塔筒內不斷上升，使得聚集在頂部的空氣膨脹氣壓增大，繼而從頂側的排風口排出， 同時塔筒底部由于空氣上升形成負壓，環境冷空氣從塔筒門吸入，繼續循環。 重要的是，煙筒效應需要綜合考慮環境條件（風速、溫度等）以及塔筒的高度和開孔位置的影響。 此外，加裝聚風-導流裝置也可強化風電機組機艙的散熱效果[3]，工作原理如圖1（b）所示。從圖中可以看出，針對機艙“底進尾排”的氣流路徑設計，在機艙底部進風口迎著輪轂方向添加聚風罩以及在機艙上部增加導流罩有利于強化機艙內部的自然對流換熱。

圖1 自然通風冷卻優化方式Fig.1 Optimization approach of natural ventilation cooling

隨著風電機組規模增大，風電機組的功耗突破了自然通風技術的冷卻極限。 在此背景下，散熱能力更強的強迫風冷技術應運而生。 強迫風冷技術主要是通過引入風機方式來增強機艙內部的氣流循環，提高對流換熱能力。 因而，強迫風冷技術除了關鍵部件風機外，其它與自然通風冷卻并無區別。 目前，國內外風電機組風冷技術研究主要集中在機艙內部主要部件的布局優化[4-5]以及機艙內部風道設計優化[6]。 值得關注的是，與陸上風電機組不同，海上風電機組由于所處的特殊海水環境，其機艙通常采用密閉設計。 機艙內部與外界環境之間的熱交換需要通過換熱器來實現，從而導致換熱效率有所下降。 為強化海上風電的強迫風冷對流換熱，周年勇等[7]引入了機艙內部空氣射流系統。 如圖2 所示，風電機組的齒輪箱和發電機通過自身的冷卻系統與機艙尾側的進風實現熱交換，而機艙內部的其它部件（如控制柜，變頻器和變壓器等）則通過遠程空氣射流系統進行對流換熱循環。

圖2 3 MW 海上發電機組內部散熱原理圖Fig.2 Schematic diagram of thermal management of 3 MW offshore wind turbine

風冷技術由于結構簡單、成本低廉、可靠性高、易于集成以及維護管理方便等優點，在風電機組熱管理領域得到了廣泛應用。 然而，由于風冷技術的傳熱媒介為空氣，其冷卻效果易于受到環境、氣候和地理位置的影響。 而且， 由于空氣的比熱容較小，溫控響應速度慢，容易出現風電機組機艙內溫度不斷上升從而發生故障的現象。 更重要的是，由于風冷技術需要機艙提供進出口，使得灰塵、顆粒以及鹽霧極易進入到機艙內部腐蝕電子器件，不利于風電機組（特別是海上風電機組）的長期可靠安全運行。

2 液冷技術

與傳統風冷技術相比，液冷技術在散熱能力和響應速度上具有顯著優勢。 而且，由于對流換熱效能提升，液冷系統的結構更為緊湊，能有效緩解當前風電機組有限機艙空間與日益增長的功耗之間的矛盾。 此外，液冷技術允許風電機艙設計為密閉空間，可避免灰塵、顆粒以及鹽霧對風電機組（特別是海上風電機組）侵蝕造成的使用壽命和可靠性下降風險。 因而，國內外學者針對風電機組液冷技術已開展大量研究。 一般而言，液冷技術可分為單相液冷技術和氣液相變冷卻技術。

單相液冷技術在風電機組熱管理領域較為常用。 發電機、變頻器、控制柜以及齒輪箱是風電機組的大功耗部件，因而成為風電機組熱管理的重點研究對象。 發電機是風電機組的核心部件，除了采用表面風冷散熱外，還可以通過空心導體單相液冷進行散熱[8-9]。圖3（a）為風力機組發電機的常見冷卻方案。 發電機定子外圍的鋼殼設計為空心結構，液體通過循環泵進入發電機鋼殼中的通道帶走發電機產生的熱量。 此后，高溫工質通過外置換熱器將熱量排散到周圍環境中。 與外界熱交換后，工質降溫后再次進入發電機，開始新一輪循環。 變頻器以及控制柜中大功耗電子器件數量眾多且呈非均勻分布特征，因而通常采用液冷板方式進行散熱[10-11]。如圖3（b）所示，在變頻器、控制柜的電子器件上布置液冷板，同樣利用泵驅循環系統將液冷板帶走的熱量與外循環回路通過板式換熱器進行熱交換，最終經過機艙外側的換熱器將熱量散發到外界環境。需注意的是，單相液冷技術要解決好各液冷板的流量分配[10]、優化設計[12-13]以及整個液冷系統的流體調控問題[14]。針對同樣存在高溫風險的齒輪箱，鑒于齒輪箱齒輪機械轉動的液體潤滑需求，基于潤滑油的冷卻系統方案應運而生[15]。有趣的是，齒輪箱內含有大量潤滑油，因而可以驅動潤滑油循環并借助艙內空氣進行換熱。 目前已發展出結合液冷技術以及潤滑油循環系統的高效能風電機組冷卻方案[16]，如圖3（c）所示。

圖3 風電機組核心部件的液冷方案Fig.3 Liquid cooling solutions for core components of the wind turbine

隨著散熱功率的進一步上升，單相液冷技術已難以滿足新一代風電機組冷卻需求，故相變液冷技術引起了人們的重視。 相變液冷技術是通過密閉空間內液體工質汽液相變實現熱量的吸收和釋放，因而具有散熱能力強、等溫性好等優勢。 目前在研究變頻器等大功耗電子器件時關注的相變液冷技術主要有熱管散熱技術[17-18]和均熱板散熱技術[19-20]。 熱管散熱技術的原理如圖4（a）所示。液態工質在熱管蒸發段吸收熱量發生蒸發相變，產生的蒸汽到達冷凝段發生冷凝相變放出熱量，在冷凝段液化的工質在毛細力的作用下再次返回蒸發端，進而繼續開始新一輪循環。 需要注意的是，常規熱管由于自身結構限制，僅僅能夠完成一維傳熱。 此外，近年來發展起來的均熱板技術則可實現熱量在二維平面的高效傳遞，見圖4（b），使得散熱面積更大且表面溫度分布更加均勻。

圖4 相變液冷散熱原理Fig.4 Principle of phase-change liquid-cooling

液冷技術，相較于風冷技術，大大提高了風電機組的散熱效能。 然而，伴隨風電機組的不斷擴容，其功耗也不斷增大，因而亟需發展更為高效的冷卻技術以應對未來風電機組的大型化、規模化、智能化和多元化發展需求。

3 新型冷卻技術

縱觀當前電子器件的冷卻技術，除了傳統的風冷和液冷技術外，還出現了一些富有應用前景的新型冷卻技術，主要有半導體制冷（TEC）、泵驅兩相流回路冷卻系統和固液相變儲熱技術等等。

1） 半導體制冷技術。半導體制冷是一種利用帕爾帖效應實現電能和熱能轉化的新技術，具有調控便利、熱慣性小、響應速度快、無需工質、結構緊湊且易于維護的優勢。目前，半導體制冷主要用來解決風電機組變頻器和控制柜中的局部熱點散熱[21-22]。此外，半導體制冷技術還可以用來給風電機組的大功耗和快速升溫器件散熱，利用其快速響應且便于控制的特性避免瞬時熱流密度過大導致的高溫風險和溫升過快造成的停機故障。

2） 泵驅兩相流回路冷卻技術。現有的研究表明[23-26]，泵驅兩相流回路冷卻技術具有換熱能力強、均溫性好、質量輕等優點，適合于長距離、分布式、不均勻的熱源進行散熱和控溫。 考慮到風電機組當前散熱痛點（如變頻器和控制柜）區域隨機分布的熱源，泵驅兩相流體冷卻系統無疑具有很高的推廣應用價值。 圖5 給出了變頻器泵驅兩相流回路冷卻系統的工作原理。 在該系統中，機械泵驅使回路中的工質發生循環流動，同時利用工質在微通道冷板內沸騰相變和在板翅式冷凝器冷凝相變來實現熱量的收集、傳輸和排散。 相比于傳統的單相液冷技術，泵驅動兩相流回路散熱技術利用工質潛熱替代顯熱進行熱量傳遞，不僅為發熱器件提供幾乎恒溫的冷卻工況，還可減小循環流量節約泵功耗，并且在系統體積和重量上也具有突出優勢。 所以，發展泵驅微流道兩相流回路冷卻技術在風電行業有很好的技術示范作用，預計能取得顯著的經濟和社會效應。

圖5 泵驅兩相流回路冷卻系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of pump-driven two-phase loop cooling system

3） 固液相變儲熱技術。固液相變儲熱技術通過相變材料的熔化和凝固來突破能量供需在時間和空間上的不匹配缺陷。 由于該方案具有能量密度大，過程溫度幾乎恒定以及可控性高的優勢，目前已經在電場削峰填谷[27]、廢熱回收[28]、建筑節能[29]和電子器件熱管理[30]等領域有著廣泛的應用。 需要注意的是，我國“三北”地區陸上風電機組的應用環境存在著晝夜溫差大的特性，這為固液相變儲能技術的應用提供了很好的契機。 重要的是，借助于固液相變儲熱系統，可以在風電機組運行高峰存儲部分熱耗散，而在機組運行低谷且周圍環境溫度較低時用來對機艙、葉片等關鍵部件進行保溫，從而達到節能減排的效果。

綜上所述，隨著風電機組向大型化、規模化、智能化和多元化的方向發展，其機艙內產生的熱負荷不斷增大， 傳統的冷卻方式已經達到了技術瓶頸，限制了風電機組的進一步發展。 泵驅兩相流回路等新型冷卻技術，不僅可消除安全生產隱患，延長設備使用壽命，降低運維成本，提高風機可用率，還可改善發電效率和提高風場效益，在風電行業具有技術示范效應，推廣應用價值高。

4 結束語

風電機組因高溫導致的設備老化、故障停機和火災隱患已經成為制約風電行業發展的重要技術瓶頸。 傳統的風冷和液冷技術已經難以滿足新一代風電機組的散熱需求。 在經濟和社會效益的雙重驅動下， 為保障風力發電機組安全可靠高效運行，風電機組的冷卻技術革新已迫在眉睫。 針對風電機組大型化、規模化、智能化和多元化的發展需求， 本文展望新一代風電機組冷卻技術的發展方向，為未來風電機組的熱管理技術革新提供素材和借鑒。

1） 風電機組熱管理由“分布式”向“一體化”轉變。 現有風電機組熱管理設計大多是針對不同對象設計獨立的冷卻方式，使得在運行維護階段難以進行高效跟蹤管理。 為提高風電機組可靠性和安全性，新一代風電機組的散熱技術將采用“一體化”熱管理方案， 同時開發風電機組的自適應熱管理平臺，以便于后期安裝維護以及靈活調控。

2） 風電機組熱管理由“傳統化”向“多元化”轉變。 現有風電機組冷卻技術，風冷和液冷技術依然為主流設計，缺乏新型高效冷卻技術的主動引入機制。 更重要的是，風電機組內部器件種類繁多，其對應的熱特性也各不相同，籠統地采取相同冷卻方案難以保障器件運行的長期可靠性。 這就迫使新一代風電機組的冷卻技術研發將根據器件自身熱特性，設計“多元化”的冷卻方案并進行綜合管理。

3） 風電機組熱管理由“散熱導向”向“綜合熱利用”轉變。 現有風電機組的熱設計單純是為了將風電機組的功耗排散到外界環境中。 然而，“十四五”規劃指出，為提高能源體系的利用效率，綜合能源利用模式是未來能源體系的主流。 因而，新一代風電機組的熱管理技術將發展風儲一體化，利用固液相變儲熱技術將風電機組的散熱轉化為可利用的熱能，達到節能減排效果。