CN101196172B - 易变风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及的是易变风力发电机，其特点是叶片形状、叶片数量、叶轮扫掠面积、发电机功率都能随着风速变化而变化，使风机一直工作于最佳工况下，易变风力发电机采用两个叶轮，理论最大吸纳风能效率83.5％，具有抵御极限风力强的优势。

Description

易变风力发电机

技术领域  本发明专利涉及的是易变风力发电机

背景技术  风能是洁净的能源，取之不尽用之不竭。随着人们认识对燃烧能源危害地球环境是对人类本身生存的挑战。同时大规模使用的一次性矿物燃烧能源也渐近枯竭，人们千方百计选择能替代的并仍能维持社会不断发展的能源。首先热中的便是风力能。从近期国内外风能机械增长速度看已呈现出相当大的热情。由于风能是随着风速的3次方正比变化，而风轮获取风能的能力是随其直径的2次方正比变化，为此风能机械追赶风速度化总是滞后一个档次，必须丢掉一些能量，因而风能利用率不高，限制了风能的利用。再由于风能受环境阻力影响大，风速随着高度而增大，且更加平稳，因而要想获取稳定而又更大的风力能，其风机的轴心高度必须向上发展，也就是风力发电机的功率必须增大。由于现有技术除风叶浆距能变，发电机只能在两种状态变化外，其它都不能变化，为此造成风电初期投入大，成本居高不下，难以和水、火电抗衡，使用推广有一定困难。目前是靠政府政策维持才得以如此发展。再由于风机功率增大必须增加风叶长度，风叶过长对制造、运输、安装和维护都带来很大困难，目前制造2兆瓦风力发电机已很困难，为了更大型或巨型风力发电机的开发，而发明易变风力发电机。

发明内容  本发明案采用主、辅两发电机，主发电机为立式装于塔架上部中心，接受伞齿轮传递叶轮获取的风力能而转变为电力能。主发电机可进行多级功率调整，以适应风速度化，而保持长时间获得最佳工况。辅助发电机为卧式水平放置，全功率发电机，该发电机没有常规的定子，只有内外转子，也就是说工作中，定子和转子都在转动，并且转动方向相反，因此，其发电转速为内外两转子的转速之和，和常规全功率发电机相比，其转速得到提高，发电机磁级将可减小，发电机制造成本将会下降。辅助发电机外壳和主叶轮的轴合二为一，大伞轮安装于辅助发电机外壳上。机舱与齿轮箱合二为一。下部采用钢性材料，上部盖可采用高强度复合材料，顶部加装避雷计，以防当两叶轮同时旋转至水平位置而落雷击，机舱内设三个轴承座，承担两个叶轮轴，中间轴承座承担互相垂直的大轴小和齿轮轴。

本发明案设主辅两个叶轮，主风叶轮的轮毂与辅助发电机外转子外壳相连，风轮上装有大小两个叶片，大叶片为固定叶片，小叶片与伸缩杆相连，靠杆的伸与缩。构成活动叶片，小叶片的形状恰是两叶片长度相加后的总长度叶片的上部形状，大叶片为其下部形状。伸缩活动叶片杆件，便能达到改变叶片数量及改变叶轮扫掠面积的目的。假如我们选择大小叶片长度相等，当活动叶片的长度(调整后的叶轮半径尺)，等于大小叶片长度之和，忽略风速对杆件的影响，则认为此时叶轮为一个叶片，当R＜(L₁+L₂)，则认为叶片数＞1，R＝(L₁+L₂)/2则认为叶片数为1.5，当活动叶片长度调后R＞(L₁+L₂)，其叶片数是否＜1，有待于今后试验后而定。当L₁＝L₂则风叶扫掠面积随着R值的调动按S_扫＝2πRL变化。

辅助叶轮与辅助发电机内转子轴相连，并受到机舱上轴承限制，叶轮功能和主叶轮相同，只是叶片要考虑主叶轮大、小叶片叶根，叶尖产生螺旋涡作用于对应的辅助风轮叶片处的特殊性，即能很好地吸纳螺旋涡，而获得最佳风能利用。辅助叶片角度必须使其转向与主叶轮转向相反。

本发明案风机的理论风能利用率 ${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{16}{27}+(1-\frac{16}{27})\frac{16}{27}\≈83.5\%.$

叶片采用充气性叶片，调整夹层两边的气体压力，可对叶片外形有微小改变以迎合风速变而保持最佳工况，充气压力的增加可增强风叶强度。如果充入气体选用特殊的比重小于普通空气的氢或氦，其空气浮力还可克服叶片的部分自重，减少叶片转动过程消耗于自身的转动惯量。与其相连的辅助发电机外转子的重量较大、能起到叶片振动阻尼作用。由于辅助发电机内转子与主发电机叶轮转速方向相反。其主、辅叶轮可以起到功率平衡作用，主叶轮迎面风速提高，其转速提高，叶片产生的螺旋涡增大，辅助叶轮得到能量增大相反的方面转速增大，主叶轮负荷也有部分增大，为此其电磁力矩更进一步阻尼了主叶轮在旋转过程的振动。辅导叶片吸纳的风功率相对主风叶轮要小得多，其振动也受到主叶轮的阻尼。为此，本发明案叶片振动要比常规单叶片运行振动小。

主发电机需要和并网变压器配合方能构成多级功率调整的发、输变电系统，已另案申请了专利，可采用绕线式双馈输出，专子输出电力径逆变入网。可采用同步发电机，也可采用笼型发电机，建议提高输出电压等级以更利于做成多级功率调整发电机。

辅助发电机发生出电力必须经逆变电系统转化为附合并网条件的三相交流电输进电网，与主发电机可同用一个变压器，发电机除采用主发电机同样方式处，还可采用永磁式发电极，永磁和鼠笼形发电机只需一个转子设置发电绕组，发电机制做要简单的多。

附图说明  图1为易变风力发电机原理示意图，图2为不同数量叶片风能利用特性图。

具体实施  图1中，1主发电机，2、辅助发电机，3、主发电叶轮大叶片，4、主发电叶轮小叶片，5、辅助叶轮大叶片，6、辅助叶轮小叶片，7、伸缩杆，伸缩杆与小叶片构成活动叶片，大叶片均为固定叶片，8、机舱下部，9、机舱上盖，可用复合材料以减轻重量，10、大伞齿轮，11、小伞齿轮，12、辅助发电机外转子与小伞齿轮合用轴承支架，固定在机舱底座上，小伞齿轮采用双端出轴，目的是改变单端出轴的悬壁梁工作状态易造成齿轮损坏的问题，13、外转子滑环是将外转子发出电能输出，并将发电之前主叶轮用电送入，14、内转子滑环，将内转子上发出电能输出，并将提供辅助叶片在发电前的用电，15、内转子轴，16、辅助叶轮轮毂，17、塔架，18、避雷针。

本发明专利工作过程：闸柱辅助叶轮，松开主叶轮闸，主叶轮在风力的驱动下，开始转动，如果风速小，使活动叶片伸长至最大位置，加速叶轮的启动，当叶轮转速达到并网要求时，并网从最低功率级开始，依次上升，这样发电机启动电流对电网冲击小，随着风速的增大发电机与变压器的连接逐渐从低电压到达额定功率时的电压值时，松开辅助叶轮制动闸，辅助叶轮在主叶轮叶尖和叶根螺旋涡的作用下，开始旋转，辅助发电机也开始发电，此时主叶轮的转速有可能下降，如有转速低至不能维持本级发电，主发电机便退下一级，维持两发电机同时发电而变压器输入电网的电压不变，如果风速增大，发电机往高功率级切换，到达额定功率时为止，如果风速继续增大，则收缩活动叶片，使叶轮扫掠面积缩小，维持额定功率下发电，当叶轮扫掠面积调至最小时，风速仍在增加，此时，主发电机.可切换到超载工作，同时可适当增加辅助叶轮直径，阻尼制约主叶轮的转速增加，当主叶轮调至最值小直径，主发电机已调至最大输出，辅助风叶轮也已到达极限，意味着整机已临近为自保安全而离网时刻，当超载发电时间达到规定值时，则启动偏航系统驶向叶片○发电角度，下闸离网最终把两叶轮叶片闸死在顺风速水平位置，以躲避极限风力的破坏。发电过程中，风速下降，则操作程序相反，活动叶轮伸长，伸完后风速还在下降则功率切换向低级切换。

本方案和三叶片发电机相比较，明显的优势是抵御极限风力破坏能力强，当两叶轮叶片固定在顺风水平位置时，反受风力破坏的最大受风面积仅为两叶片最大横断面积之和，而三叶片风轮无论停在什么位置，其受风面积也都是两叶片最大侧纵断面之和，再者，两叶轮分置于塔架两边，相对较悬臂单叶轮平衡，在强风作用下，对偏航及塔架的扭曲破坏要小。

本案选择伞齿轮做为升速器件也深知伞齿轮的一些弊端，常规伞齿轮单端出转，其受力近似悬臂梁齿轮易坏，为此本案伞齿轮均为两端出轴，使伞齿轮受力有所改善，小伞齿轮选用高强度材料，并进行精密热处理，大伞轮因只是一个齿圈，可选用球墨铸铁，因球墨铸铁有自润滑功能，强度以球墨铸铁为基准，并满足服务年限要求，则小伞齿轮强度富裕量将很大，假如速比在10左右，因单叶片叶尖速比可以很高，叶轮转速假如在30～50转/分，小伞轮转速也只在300～500转，主发电机磁极数也只在24～36间，其发电机较全功率发电机要小得多，1.5兆全功率风力发电机重量已超过50T，球墨铸铁如果满足不了润滑要求，则可设置间隙向啮合前的齿面喷洒乳化液，即润滑又冷却，成本也低。但要在伞齿轮下部设置收集淋洒液体的装置，以便循环使用。

如果两发电机功率选择相等，两叶轮转速绝对值相等，则主叶轮所承担负荷为75％，辅助叶轮将承担25％，辅助发电机造价较高，内转子轴较粗。如主发电机承担70％，辅助发电机承办担30％，那么主叶轮承担负荷85％，而辅助叶轮承担15％负荷，为此具体设计时根据多方因素通盘综合考虑，力求即经济又合理的最佳效果。

该发明案易变风力发电机的视觉效果，正面看近似一座时钟的时分针在不停的转动，侧面看好象一个巨人在做摇擘运动。给人的视觉感并不令人讨厌。

噪音问题是本案的最大问题，也是最难解决的问题，如果风轮最大半径在百米以上，转速在30～50之间，其叶尖线速已相当高，其啸叫之音肯定会很大，由于本人能力有限，实在无法解决，但曾有一个想法，想请音乐家、声学家、乐器大师们，借助于口琴、风琴原理，发明一种装置即解决叶片避雷问题，双能在高风速下产生一种简单音乐，以替盖啸叫之音，如能发明在不同风速下，发出不同弦律的音乐，以报告风力级别，那便更美妙了，发明权属他们自己，人们还会感谢他，尊敬他，我将首先向他躹躬致谢。

Claims (5)

1.易变风力发电机，其特征在于：由辅助发电机做为主发电大叶轮的主轴，其一端与主叶轮相连，水平横卧于机仓内，另一端与辅助发电叶轮相连，主发电机垂直装置于辅助发电机下面，塔架的上部中心，其轴与小伞齿轮相连，小伞齿轮与大伞齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述易变风力发电机，其特征在于辅助发电机有内外两个转子，外转子与主叶轮相连，内转子轴与辅助叶轮相连。

3.根据权利要求1所述易变风力发电机，其特征在于，大伞齿轮装于辅助发电机外壳上，并 与下部主发电机轴上的小伞齿轮啮合 。

4.根据权利要求1所述易变风力发电机，其特征在于主叶轮与辅助叶轮的叶片能确定叶轮转向的叶片角度是相反的，促使两叶轮的旋转方向相反。

5.根据权利要求1所述易变风力发电机其特征在于主、辅叶轮处于机仓两端，保持塔架受力相对均衡。 

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