張程賓

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096）

可再生能源已經(jīng)成為我國碳減排的重要支撐力量[1]，其中風(fēng)電行業(yè)將迎來更大的發(fā)展空間。 風(fēng)電機組正朝著單機功率大型化， 裝機總量規(guī)?；?，運維管理智慧化以及來源多元化的方向發(fā)展。 為了確?！笆奈濉币?guī)劃和“碳中和”國家戰(zhàn)略的順利實施，風(fēng)電機組的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)成為我國當(dāng)前可再生能源領(lǐng)域亟需解決的重要課題。

風(fēng)電機組的熱管理是風(fēng)電機組長期穩(wěn)定可靠運行的重要保障。 風(fēng)電發(fā)展過程中，時常出現(xiàn)由于風(fēng)電機組大功耗部件（如發(fā)電機，齒輪箱，變頻器及控制柜）過熱導(dǎo)致故障停機甚至引發(fā)火災(zāi)等重大事故的案例。 發(fā)展新型高效風(fēng)電機組的冷卻技術(shù)不僅具有顯著的經(jīng)濟和社會效益，而且對于促進風(fēng)電大型化、規(guī)?；?、智能化和多元化發(fā)展也有重要的現(xiàn)實意義。 作為常用的熱管理方法，風(fēng)冷和液冷技術(shù)在現(xiàn)有風(fēng)電機組中得到了廣泛應(yīng)用。 然而，隨著單機功率和機組裝機總?cè)萘康牟粩嗵嵘?，風(fēng)冷和液冷技術(shù)已經(jīng)逐漸達到其冷卻能力的極限，亟需發(fā)展新型高效冷卻技術(shù)以保障未來風(fēng)電機組長期可靠安全地運行。

為全面認(rèn)識風(fēng)電機組的熱管理解決方案，本文全面回顧了風(fēng)電機組風(fēng)冷和液冷技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 在此基礎(chǔ)上，分析討論了新型冷卻技術(shù)在風(fēng)電機組熱控領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，并展望了新一代風(fēng)電機組冷卻技術(shù)的未來發(fā)展方向，進而為未來風(fēng)電機組的熱管理技術(shù)革新提供素材和借鑒。

1 風(fēng)冷技術(shù)

風(fēng)冷技術(shù)是風(fēng)電機組最早也是應(yīng)用最為廣泛的一種冷卻技術(shù)，其基本原理是利用空氣將風(fēng)電機組產(chǎn)生的熱量帶走。 根據(jù)供風(fēng)的主被動性，風(fēng)冷技術(shù)可分為自然通風(fēng)和強制風(fēng)冷。

自然通風(fēng)是利用自然風(fēng)將風(fēng)電機組產(chǎn)生的熱量通過發(fā)電艙體配置的風(fēng)道內(nèi)空氣攜帶流向外部大氣環(huán)境。 這種冷卻技術(shù)在風(fēng)電發(fā)展初期階段最為常見，因為此時的風(fēng)電機組裝機容量小，相應(yīng)的熱耗散也不大， 僅通過自然通風(fēng)就可以解決風(fēng)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(fēng)冷卻方式只能通過風(fēng)電機組的布局優(yōu)化和風(fēng)道設(shè)計來進行強化。 最常見的自然通風(fēng)方式是利用 “煙筒效應(yīng)” 和添加導(dǎo)流裝置。陳效國等[2]提出了利用煙筒效應(yīng)來優(yōu)化塔筒風(fēng)道以強化1.5 MW 風(fēng)電機組散熱的技術(shù)。 煙筒效應(yīng)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(nèi)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(cè)的排風(fēng)口排出， 同時塔筒底部由于空氣上升形成負(fù)壓，環(huán)境冷空氣從塔筒門吸入，繼續(xù)循環(huán)。 重要的是，煙筒效應(yīng)需要綜合考慮環(huán)境條件（風(fēng)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(fēng)-導(dǎo)流裝置也可強化風(fēng)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(shè)計，在機艙底部進風(fēng)口迎著輪轂方向添加聚風(fēng)罩以及在機艙上部增加導(dǎo)流罩有利于強化機艙內(nèi)部的自然對流換熱。

圖1 自然通風(fēng)冷卻優(yōu)化方式Fig.1 Optimization approach of natural ventilation cooling

隨著風(fēng)電機組規(guī)模增大，風(fēng)電機組的功耗突破了自然通風(fēng)技術(shù)的冷卻極限。 在此背景下，散熱能力更強的強迫風(fēng)冷技術(shù)應(yīng)運而生。 強迫風(fēng)冷技術(shù)主要是通過引入風(fēng)機方式來增強機艙內(nèi)部的氣流循環(huán)，提高對流換熱能力。 因而，強迫風(fēng)冷技術(shù)除了關(guān)鍵部件風(fēng)機外，其它與自然通風(fēng)冷卻并無區(qū)別。 目前，國內(nèi)外風(fēng)電機組風(fēng)冷技術(shù)研究主要集中在機艙內(nèi)部主要部件的布局優(yōu)化[4-5]以及機艙內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計優(yōu)化[6]。 值得關(guān)注的是，與陸上風(fēng)電機組不同，海上風(fēng)電機組由于所處的特殊海水環(huán)境，其機艙通常采用密閉設(shè)計。 機艙內(nèi)部與外界環(huán)境之間的熱交換需要通過換熱器來實現(xiàn)，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效率有所下降。 為強化海上風(fēng)電的強迫風(fēng)冷對流換熱，周年勇等[7]引入了機艙內(nèi)部空氣射流系統(tǒng)。 如圖2 所示，風(fēng)電機組的齒輪箱和發(fā)電機通過自身的冷卻系統(tǒng)與機艙尾側(cè)的進風(fēng)實現(xiàn)熱交換，而機艙內(nèi)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(tǒng)進行對流換熱循環(huán)。

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

風(fēng)冷技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、易于集成以及維護管理方便等優(yōu)點，在風(fēng)電機組熱管理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 然而，由于風(fēng)冷技術(shù)的傳熱媒介為空氣，其冷卻效果易于受到環(huán)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(yīng)速度慢，容易出現(xiàn)風(fēng)電機組機艙內(nèi)溫度不斷上升從而發(fā)生故障的現(xiàn)象。 更重要的是，由于風(fēng)冷技術(shù)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(nèi)部腐蝕電子器件，不利于風(fēng)電機組（特別是海上風(fēng)電機組）的長期可靠安全運行。

2 液冷技術(shù)

與傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)在散熱能力和響應(yīng)速度上具有顯著優(yōu)勢。 而且，由于對流換熱效能提升，液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，能有效緩解當(dāng)前風(fēng)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(shù)允許風(fēng)電機艙設(shè)計為密閉空間，可避免灰塵、顆粒以及鹽霧對風(fēng)電機組（特別是海上風(fēng)電機組）侵蝕造成的使用壽命和可靠性下降風(fēng)險。 因而，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電機組液冷技術(shù)已開展大量研究。 一般而言，液冷技術(shù)可分為單相液冷技術(shù)和氣液相變冷卻技術(shù)。

單相液冷技術(shù)在風(fēng)電機組熱管理領(lǐng)域較為常用。 發(fā)電機、變頻器、控制柜以及齒輪箱是風(fēng)電機組的大功耗部件，因而成為風(fēng)電機組熱管理的重點研究對象。 發(fā)電機是風(fēng)電機組的核心部件，除了采用表面風(fēng)冷散熱外，還可以通過空心導(dǎo)體單相液冷進行散熱[8-9]。圖3（a）為風(fēng)力機組發(fā)電機的常見冷卻方案。 發(fā)電機定子外圍的鋼殼設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)，液體通過循環(huán)泵進入發(fā)電機鋼殼中的通道帶走發(fā)電機產(chǎn)生的熱量。 此后，高溫工質(zhì)通過外置換熱器將熱量排散到周圍環(huán)境中。 與外界熱交換后，工質(zhì)降溫后再次進入發(fā)電機，開始新一輪循環(huán)。 變頻器以及控制柜中大功耗電子器件數(shù)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(qū)循環(huán)系統(tǒng)將液冷板帶走的熱量與外循環(huán)回路通過板式換熱器進行熱交換，最終經(jīng)過機艙外側(cè)的換熱器將熱量散發(fā)到外界環(huán)境。需注意的是，單相液冷技術(shù)要解決好各液冷板的流量分配[10]、優(yōu)化設(shè)計[12-13]以及整個液冷系統(tǒng)的流體調(diào)控問題[14]。針對同樣存在高溫風(fēng)險的齒輪箱，鑒于齒輪箱齒輪機械轉(zhuǎn)動的液體潤滑需求，基于潤滑油的冷卻系統(tǒng)方案應(yīng)運而生[15]。有趣的是，齒輪箱內(nèi)含有大量潤滑油，因而可以驅(qū)動潤滑油循環(huán)并借助艙內(nèi)空氣進行換熱。 目前已發(fā)展出結(jié)合液冷技術(shù)以及潤滑油循環(huán)系統(tǒng)的高效能風(fēng)電機組冷卻方案[16]，如圖3（c）所示。

圖3 風(fēng)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(shù)已難以滿足新一代風(fēng)電機組冷卻需求，故相變液冷技術(shù)引起了人們的重視。 相變液冷技術(shù)是通過密閉空間內(nèi)液體工質(zhì)汽液相變實現(xiàn)熱量的吸收和釋放，因而具有散熱能力強、等溫性好等優(yōu)勢。 目前在研究變頻器等大功耗電子器件時關(guān)注的相變液冷技術(shù)主要有熱管散熱技術(shù)[17-18]和均熱板散熱技術(shù)[19-20]。 熱管散熱技術(shù)的原理如圖4（a）所示。液態(tài)工質(zhì)在熱管蒸發(fā)段吸收熱量發(fā)生蒸發(fā)相變，產(chǎn)生的蒸汽到達冷凝段發(fā)生冷凝相變放出熱量，在冷凝段液化的工質(zhì)在毛細力的作用下再次返回蒸發(fā)端，進而繼續(xù)開始新一輪循環(huán)。 需要注意的是，常規(guī)熱管由于自身結(jié)構(gòu)限制，僅僅能夠完成一維傳熱。 此外，近年來發(fā)展起來的均熱板技術(shù)則可實現(xiàn)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(shù)，相較于風(fēng)冷技術(shù)，大大提高了風(fēng)電機組的散熱效能。 然而，伴隨風(fēng)電機組的不斷擴容，其功耗也不斷增大，因而亟需發(fā)展更為高效的冷卻技術(shù)以應(yīng)對未來風(fēng)電機組的大型化、規(guī)?；?、智能化和多元化發(fā)展需求。

3 新型冷卻技術(shù)

縱觀當(dāng)前電子器件的冷卻技術(shù)，除了傳統(tǒng)的風(fēng)冷和液冷技術(shù)外，還出現(xiàn)了一些富有應(yīng)用前景的新型冷卻技術(shù)，主要有半導(dǎo)體制冷（TEC）、泵驅(qū)兩相流回路冷卻系統(tǒng)和固液相變儲熱技術(shù)等等。

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

2） 泵驅(qū)兩相流回路冷卻技術(shù)。現(xiàn)有的研究表明[23-26]，泵驅(qū)兩相流回路冷卻技術(shù)具有換熱能力強、均溫性好、質(zhì)量輕等優(yōu)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(fēng)電機組當(dāng)前散熱痛點（如變頻器和控制柜）區(qū)域隨機分布的熱源，泵驅(qū)兩相流體冷卻系統(tǒng)無疑具有很高的推廣應(yīng)用價值。 圖5 給出了變頻器泵驅(qū)兩相流回路冷卻系統(tǒng)的工作原理。 在該系統(tǒng)中，機械泵驅(qū)使回路中的工質(zhì)發(fā)生循環(huán)流動，同時利用工質(zhì)在微通道冷板內(nèi)沸騰相變和在板翅式冷凝器冷凝相變來實現(xiàn)熱量的收集、傳輸和排散。 相比于傳統(tǒng)的單相液冷技術(shù)，泵驅(qū)動兩相流回路散熱技術(shù)利用工質(zhì)潛熱替代顯熱進行熱量傳遞，不僅為發(fā)熱器件提供幾乎恒溫的冷卻工況，還可減小循環(huán)流量節(jié)約泵功耗，并且在系統(tǒng)體積和重量上也具有突出優(yōu)勢。 所以，發(fā)展泵驅(qū)微流道兩相流回路冷卻技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)有很好的技術(shù)示范作用，預(yù)計能取得顯著的經(jīng)濟和社會效應(yīng)。

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

3） 固液相變儲熱技術(shù)。固液相變儲熱技術(shù)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(yōu)勢，目前已經(jīng)在電場削峰填谷[27]、廢熱回收[28]、建筑節(jié)能[29]和電子器件熱管理[30]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 需要注意的是，我國“三北”地區(qū)陸上風(fēng)電機組的應(yīng)用環(huán)境存在著晝夜溫差大的特性，這為固液相變儲能技術(shù)的應(yīng)用提供了很好的契機。 重要的是，借助于固液相變儲熱系統(tǒng)，可以在風(fēng)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(huán)境溫度較低時用來對機艙、葉片等關(guān)鍵部件進行保溫，從而達到節(jié)能減排的效果。

綜上所述，隨著風(fēng)電機組向大型化、規(guī)?；?、智能化和多元化的方向發(fā)展，其機艙內(nèi)產(chǎn)生的熱負(fù)荷不斷增大， 傳統(tǒng)的冷卻方式已經(jīng)達到了技術(shù)瓶頸，限制了風(fēng)電機組的進一步發(fā)展。 泵驅(qū)兩相流回路等新型冷卻技術(shù)，不僅可消除安全生產(chǎn)隱患，延長設(shè)備使用壽命，降低運維成本，提高風(fēng)機可用率，還可改善發(fā)電效率和提高風(fēng)場效益，在風(fēng)電行業(yè)具有技術(shù)示范效應(yīng)，推廣應(yīng)用價值高。

4 結(jié)束語

風(fēng)電機組因高溫導(dǎo)致的設(shè)備老化、故障停機和火災(zāi)隱患已經(jīng)成為制約風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。 傳統(tǒng)的風(fēng)冷和液冷技術(shù)已經(jīng)難以滿足新一代風(fēng)電機組的散熱需求。 在經(jīng)濟和社會效益的雙重驅(qū)動下， 為保障風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠高效運行，風(fēng)電機組的冷卻技術(shù)革新已迫在眉睫。 針對風(fēng)電機組大型化、規(guī)模化、智能化和多元化的發(fā)展需求， 本文展望新一代風(fēng)電機組冷卻技術(shù)的發(fā)展方向，為未來風(fēng)電機組的熱管理技術(shù)革新提供素材和借鑒。

1） 風(fēng)電機組熱管理由“分布式”向“一體化”轉(zhuǎn)變。 現(xiàn)有風(fēng)電機組熱管理設(shè)計大多是針對不同對象設(shè)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(fēng)電機組可靠性和安全性，新一代風(fēng)電機組的散熱技術(shù)將采用“一體化”熱管理方案， 同時開發(fā)風(fēng)電機組的自適應(yīng)熱管理平臺，以便于后期安裝維護以及靈活調(diào)控。

2） 風(fēng)電機組熱管理由“傳統(tǒng)化”向“多元化”轉(zhuǎn)變。 現(xiàn)有風(fēng)電機組冷卻技術(shù)，風(fēng)冷和液冷技術(shù)依然為主流設(shè)計，缺乏新型高效冷卻技術(shù)的主動引入機制。 更重要的是，風(fēng)電機組內(nèi)部器件種類繁多，其對應(yīng)的熱特性也各不相同，籠統(tǒng)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(fēng)電機組的冷卻技術(shù)研發(fā)將根據(jù)器件自身熱特性，設(shè)計“多元化”的冷卻方案并進行綜合管理。

3） 風(fēng)電機組熱管理由“散熱導(dǎo)向”向“綜合熱利用”轉(zhuǎn)變。 現(xiàn)有風(fēng)電機組的熱設(shè)計單純是為了將風(fēng)電機組的功耗排散到外界環(huán)境中。 然而，“十四五”規(guī)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(fēng)電機組的熱管理技術(shù)將發(fā)展風(fēng)儲一體化，利用固液相變儲熱技術(shù)將風(fēng)電機組的散熱轉(zhuǎn)化為可利用的熱能，達到節(jié)能減排效果。