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(guó)碳減排的重要支撐力量[1]，其中風(fēng)電行業(yè)將迎來(lái)更大的發(fā)展空間。 風(fēng)電機(jī)組正朝著單機(jī)功率大型化， 裝機(jī)總量規(guī)?；\(yùn)維管理智慧化以及來(lái)源多元化的方向發(fā)展。 為了確保“十四五”規(guī)劃和“碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略的順利實(shí)施，風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前可再生能源領(lǐng)域亟需解決的重要課題。

風(fēng)電機(jī)組的熱管理是風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重要保障。 風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中，時(shí)常出現(xiàn)由于風(fēng)電機(jī)組大功耗部件（如發(fā)電機(jī)，齒輪箱，變頻器及控制柜）過(guò)熱導(dǎo)致故障停機(jī)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(jī)組的冷卻技術(shù)不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，而且對(duì)于促進(jìn)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(shí)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(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。 然而，隨著單機(jī)功率和機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘康牟粩嗵嵘?，風(fēng)冷和液冷技術(shù)已經(jīng)逐漸達(dá)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(lái)風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期可靠安全地運(yùn)行。

為全面認(rèn)識(shí)風(fēng)電機(jī)組的熱管理解決方案，本文全面回顧了風(fēng)電機(jī)組風(fēng)冷和液冷技術(shù)的國(guó)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(jī)組熱控領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，并展望了新一代風(fēng)電機(jī)組冷卻技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，進(jìn)而為未來(lái)風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)組產(chǎn)生的熱量帶走。 根據(jù)供風(fēng)的主被動(dòng)性，風(fēng)冷技術(shù)可分為自然通風(fēng)和強(qiáng)制風(fēng)冷。

自然通風(fēng)是利用自然風(fēng)將風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的熱量通過(guò)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(jiàn)，因?yàn)榇藭r(shí)的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量小，相應(yīng)的熱耗散也不大， 僅通過(guò)自然通風(fēng)就可以解決風(fēng)電機(jī)組的冷卻散熱需求。 需要注意的是，由于沒(méi)有任何動(dòng)力來(lái)源， 自然通風(fēng)冷卻方式只能通過(guò)風(fēng)電機(jī)組的布局優(yōu)化和風(fēng)道設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。 最常見(jiàn)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(guó)等[2]提出了利用煙筒效應(yīng)來(lái)優(yōu)化塔筒風(fēng)道以強(qiáng)化1.5 MW 風(fēng)電機(jī)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(shí)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(kāi)孔位置的影響。 此外，加裝聚風(fēng)-導(dǎo)流裝置也可強(qiáng)化風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(duì)機(jī)艙“底進(jìn)尾排”的氣流路徑設(shè)計(jì)，在機(jī)艙底部進(jìn)風(fēng)口迎著輪轂方向添加聚風(fēng)罩以及在機(jī)艙上部增加導(dǎo)流罩有利于強(qiáng)化機(jī)艙內(nèi)部的自然對(duì)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(jī)組規(guī)模增大，風(fēng)電機(jī)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(qiáng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)主要是通過(guò)引入風(fēng)機(jī)方式來(lái)增強(qiáng)機(jī)艙內(nèi)部的氣流循環(huán)，提高對(duì)流換熱能力。 因而，強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)除了關(guān)鍵部件風(fēng)機(jī)外，其它與自然通風(fēng)冷卻并無(wú)區(qū)別。 目前，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組風(fēng)冷技術(shù)研究主要集中在機(jī)艙內(nèi)部主要部件的布局優(yōu)化[4-5]以及機(jī)艙內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計(jì)優(yōu)化[6]。 值得關(guān)注的是，與陸上風(fēng)電機(jī)組不同，海上風(fēng)電機(jī)組由于所處的特殊海水環(huán)境，其機(jī)艙通常采用密閉設(shè)計(jì)。 機(jī)艙內(nèi)部與外界環(huán)境之間的熱交換需要通過(guò)換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效率有所下降。 為強(qiáng)化海上風(fēng)電的強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流換熱，周年勇等[7]引入了機(jī)艙內(nèi)部空氣射流系統(tǒng)。 如圖2 所示，風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱和發(fā)電機(jī)通過(guò)自身的冷卻系統(tǒng)與機(jī)艙尾側(cè)的進(jìn)風(fēng)實(shí)現(xiàn)熱交換，而機(jī)艙內(nèi)部的其它部件（如控制柜，變頻器和變壓器等）則通過(guò)遠(yuǎn)程空氣射流系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)流換熱循環(huán)。

圖2 3 MW 海上發(fā)電機(jī)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(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高、易于集成以及維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電機(jī)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(jī)組機(jī)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(jī)艙提供進(jìn)出口，使得灰塵、顆粒以及鹽霧極易進(jìn)入到機(jī)艙內(nèi)部腐蝕電子器件，不利于風(fēng)電機(jī)組（特別是海上風(fēng)電機(jī)組）的長(zhǎng)期可靠安全運(yùn)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(shì)。 而且，由于對(duì)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(jī)組有限機(jī)艙空間與日益增長(zhǎng)的功耗之間的矛盾。 此外，液冷技術(shù)允許風(fēng)電機(jī)艙設(shè)計(jì)為密閉空間，可避免灰塵、顆粒以及鹽霧對(duì)風(fēng)電機(jī)組（特別是海上風(fēng)電機(jī)組）侵蝕造成的使用壽命和可靠性下降風(fēng)險(xiǎn)。 因而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電機(jī)組液冷技術(shù)已開(kāi)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(jī)組熱管理領(lǐng)域較為常用。 發(fā)電機(jī)、變頻器、控制柜以及齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的大功耗部件，因而成為風(fēng)電機(jī)組熱管理的重點(diǎn)研究對(duì)象。 發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，除了采用表面風(fēng)冷散熱外，還可以通過(guò)空心導(dǎo)體單相液冷進(jìn)行散熱[8-9]。圖3（a）為風(fēng)力機(jī)組發(fā)電機(jī)的常見(jiàn)冷卻方案。 發(fā)電機(jī)定子外圍的鋼殼設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，液體通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入發(fā)電機(jī)鋼殼中的通道帶走發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量。 此后，高溫工質(zhì)通過(guò)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(jìn)入發(fā)電機(jī)，開(kāi)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(jìn)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(guò)板式換熱器進(jìn)行熱交換，最終經(jīng)過(guò)機(jī)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(jì)[12-13]以及整個(gè)液冷系統(tǒng)的流體調(diào)控問(wèn)題[14]。針對(duì)同樣存在高溫風(fēng)險(xiǎn)的齒輪箱，鑒于齒輪箱齒輪機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的液體潤(rùn)滑需求，基于潤(rùn)滑油的冷卻系統(tǒng)方案應(yīng)運(yùn)而生[15]。有趣的是，齒輪箱內(nèi)含有大量潤(rùn)滑油，因而可以驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑油循環(huán)并借助艙內(nèi)空氣進(jìn)行換熱。 目前已發(fā)展出結(jié)合液冷技術(shù)以及潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)的高效能風(fēng)電機(jī)組冷卻方案[16]，如圖3（c）所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)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(jìn)一步上升，單相液冷技術(shù)已難以滿足新一代風(fēng)電機(jī)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(guò)密閉空間內(nèi)液體工質(zhì)汽液相變實(shí)現(xiàn)熱量的吸收和釋放，因而具有散熱能力強(qiáng)、等溫性好等優(yōu)勢(shì)。 目前在研究變頻器等大功耗電子器件時(shí)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(dá)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(xì)力的作用下再次返回蒸發(fā)端，進(jìn)而繼續(xù)開(kāi)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(lái)發(fā)展起來(lái)的均熱板技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)熱量在二維平面的高效傳遞，見(jiàn)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(jī)組的散熱效能。 然而，伴隨風(fēng)電機(jī)組的不斷擴(kuò)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(duì)未來(lái)風(fēng)電機(jī)組的大型化、規(guī)?；⒅悄芑投嘣l(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(chǔ)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(shí)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(wú)需工質(zhì)、結(jié)構(gòu)緊湊且易于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。目前，半導(dǎo)體制冷主要用來(lái)解決風(fēng)電機(jī)組變頻器和控制柜中的局部熱點(diǎn)散熱[21-22]。此外，半導(dǎo)體制冷技術(shù)還可以用來(lái)給風(fēng)電機(jī)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(shí)熱流密度過(guò)大導(dǎo)致的高溫風(fēng)險(xiǎn)和溫升過(guò)快造成的停機(jī)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(qiáng)、均溫性好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，適合于長(zhǎng)距離、分布式、不均勻的熱源進(jìn)行散熱和控溫。 考慮到風(fēng)電機(jī)組當(dāng)前散熱痛點(diǎn)（如變頻器和控制柜）區(qū)域隨機(jī)分布的熱源，泵驅(qū)兩相流體冷卻系統(tǒng)無(wú)疑具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)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(jī)械泵驅(qū)使回路中的工質(zhì)發(fā)生循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)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(lái)實(shí)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(dòng)兩相流回路散熱技術(shù)利用工質(zhì)潛熱替代顯熱進(jìn)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(shì)。 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(jì)能取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(chǔ)熱技術(shù)。固液相變儲(chǔ)熱技術(shù)通過(guò)相變材料的熔化和凝固來(lái)突破能量供需在時(shí)間和空間上的不匹配缺陷。 由于該方案具有能量密度大，過(guò)程溫度幾乎恒定以及可控性高的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在電場(chǎng)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(guó)“三北”地區(qū)陸上風(fēng)電機(jī)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用提供了很好的契機(jī)。 重要的是，借助于固液相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)，可以在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行高峰存儲(chǔ)部分熱耗散，而在機(jī)組運(yùn)行低谷且周圍環(huán)境溫度較低時(shí)用來(lái)對(duì)機(jī)艙、葉片等關(guān)鍵部件進(jìn)行保溫，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

綜上所述，隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化、規(guī)?；⒅悄芑投嘣姆较虬l(fā)展，其機(jī)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(dá)到了技術(shù)瓶頸，限制了風(fēng)電機(jī)組的進(jìn)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(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低運(yùn)維成本，提高風(fēng)機(jī)可用率，還可改善發(fā)電效率和提高風(fēng)場(chǎng)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(jià)值高。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組因高溫導(dǎo)致的設(shè)備老化、故障停機(jī)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(jī)組的散熱需求。 在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的雙重驅(qū)動(dòng)下， 為保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠高效運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組的冷卻技術(shù)革新已迫在眉睫。 針對(duì)風(fēng)電機(jī)組大型化、規(guī)?；?、智能化和多元化的發(fā)展需求， 本文展望新一代風(fēng)電機(jī)組冷卻技術(shù)的發(fā)展方向，為未來(lái)風(fēng)電機(jī)組的熱管理技術(shù)革新提供素材和借鑒。

1） 風(fēng)電機(jī)組熱管理由“分布式”向“一體化”轉(zhuǎn)變。 現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組熱管理設(shè)計(jì)大多是針對(duì)不同對(duì)象設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻方式，使得在運(yùn)行維護(hù)階段難以進(jìn)行高效跟蹤管理。 為提高風(fēng)電機(jī)組可靠性和安全性，新一代風(fēng)電機(jī)組的散熱技術(shù)將采用“一體化”熱管理方案， 同時(shí)開(kāi)發(fā)風(fēng)電機(jī)組的自適應(yīng)熱管理平臺(tái)，以便于后期安裝維護(hù)以及靈活調(diào)控。

2） 風(fēng)電機(jī)組熱管理由“傳統(tǒng)化”向“多元化”轉(zhuǎn)變。 現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組冷卻技術(shù)，風(fēng)冷和液冷技術(shù)依然為主流設(shè)計(jì)，缺乏新型高效冷卻技術(shù)的主動(dòng)引入機(jī)制。 更重要的是，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部器件種類繁多，其對(duì)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(yùn)行的長(zhǎng)期可靠性。 這就迫使新一代風(fēng)電機(jī)組的冷卻技術(shù)研發(fā)將根據(jù)器件自身熱特性，設(shè)計(jì)“多元化”的冷卻方案并進(jìn)行綜合管理。

3） 風(fēng)電機(jī)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(jī)組的熱設(shè)計(jì)單純是為了將風(fēng)電機(jī)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(lái)能源體系的主流。 因而，新一代風(fēng)電機(jī)組的熱管理技術(shù)將發(fā)展風(fēng)儲(chǔ)一體化，利用固液相變儲(chǔ)熱技術(shù)將風(fēng)電機(jī)組的散熱轉(zhuǎn)化為可利用的熱能，達(dá)到節(jié)能減排效果。