CN101220802B - 万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统 - Google Patents

万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，主要由塔架、工控机PLC、电力传输控制器、发电机组、发电机组安装座和风速计传感器组成，其中塔架用地脚螺栓固定在塔基上，并与发电机组安装座连接，该塔架上设有稳定环；工控机PLC用电力输出控制电缆将其与发电机组、风速计传感器连接、电力传输控制器通过电力传输电缆与发电机组相连；发电机组由定子、转子和增速箱组成，该发电机组通过法兰固定在发电机组安装座上，其特征在于：所述发电机组为立式发电机组，其增速箱主轴上装有鼠笼状风帆架和多级风帆；所述鼠笼状风帆架分别设有至少两个不同面积的主风帆、副风帆、微风帆，各级风帆通过风帆轴相连。本发明可将风能以较高效率转为电能。

Description

万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统
技术领域
本发明涉及可再生能源发电技术领域，尤其涉及一种利用风力资源发电的万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统。
背景技术
风力发电作为可再生能源技术中发展最快、最可能实现商品化、产业化的技术之一，近10年来取得了很大发展。目前世界风力发电技术朝着单机容量大型化、变桨距风电机组、变速风力发电机组、兆瓦级以上的海上风电场及其适用的风力发电机组方向发展。
我国风能资源丰富，估计可开发风能资源相当于10亿千瓦左右，即使开发一半，也有5亿千瓦，比之于火电可少用10亿吨煤炭，比之于核电可相当于500座每座装机100万千瓦的核电站；海上风能资源可能是陆上的3倍。但是我国风电绝大部分关键技术落后，有些甚至是空白。截止到2000年底，我国风电总装机容量为34.4万千瓦，不足国内电力总装机容量的0.2％，其中90％以上的是进口机组，剩下的少量机组主要是合资生产以及科研样机。
目前采用的旋翼风力发电机，存在以下问题：(1)虽然设有偏航装置，但其旋转支撑以上部分非常笨重(兆瓦级机头重量达到数千吨，其中包括发电机、增速机、翼片、螺距调整机构、整流罩、风向自寻迹机构等)，而该发电机由于需要自动寻找风向，因而其旋转支撑机构故障率高；(2)其电力输出线采用集电环装置，故障率高，需要经常维护更新；(3)其翼片相当于飞机旋翼，由于它们是利用升力做功，所以对加工精度和材料要求都非常高，致使其成本高，从而直接导致风力发电价高，降低了推广速度；(4)为了提高其单机发电功率，需加大扫风面积，从而导致翼尖速高、噪声大。目前兆瓦级风机叶片半径已经做到70～80m，使得转速与旋转半径形成很大矛盾——旋转半径小单机功率就做不大，旋转半径大就会造成翼尖速超音速产生激波，不但降低了效率，还发出极大噪声；(5)在遇到超级风速如台风、飓风时，尽管翼片装置有螺距调整装置，在飓风状况下可将螺距调整至升力为零并锁死，但仍不能保障翼片不损毁，因此不但增加了维修成本，而且还不能充分利用风能；(6)翼尖很容易进入失速状态，使效率降低；(7)由于其风叶水平安装，当寻找来风方向时需要经过一系列复杂的过程，同时通过偏航机构实现转向，对风向变化的响应极慢，无法适应短时多变的风向变化；(8)其叶片转动时会造成一定的视觉污染，如果长时间观看会产生眩晕、不适。
因此多级风速自适应方向风帆机成为风力发电机的发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用风力资源发电的万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，该系统可以在不同风向、不同风速情况下均能以较高的效率将风能转化成电能。
为解决上述问题，本发明所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，主要由塔架、工控机PLC、电力传输控制器、发电机组、发电机组安装座和风速计传感器组成，其中所述塔架用地脚螺栓固定在塔基上，并与所述发电机组安装座连接，该塔架上设有稳定环；所述工控机PLC用电力输出控制电缆将其与所述发电机组、风速计传感器连接；所述电力传输控制器通过电力传输电缆与所述发电机组相连；所述发电机组由定子、转子和增速箱组成，该发电机组通过法兰固定在所述发电机组安装座上，其特征在于：所述发电机组为立式发电机组，其增速箱主轴上装有鼠笼状风帆架；所述鼠笼状风帆架分别设有至少两个不同面积的主风帆、副风帆、微风帆，各级风帆通过风帆轴相连。
所述发电机组定子一端直接固定在所述塔架上，另一端用所述法兰固定在所述增速箱上；所述发电机组转子上、下两端分别通过轴承与所述增速箱、发电机组安装座相连。
所述鼠笼状风帆架顶部、裙部分别设有顶部整流罩、裙部整流罩；且所述顶部整流罩上设有避雷针，并与所述风速计传感器相连；所述裙部整流罩内设有至少两个稳定滚轮，并与塔架上的稳定环相配合。
所述鼠笼状风帆架的帆架架肋上设有单向棘轮轴式阻尼。
所述各级风帆装有单向液压减振器，并通过减振器铰链与所述鼠笼状风帆架相连。
所述各级风帆设有锁勾并与锁机连接，所述锁机与限位器构成联动机构。
所述各级风帆在逆风复位后，所述锁机自动碰入锁定状态。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、由于本发明利用风对风帆的压力，实现了风能向机械能，再向电能的转换。特别设计的鼠笼状风帆架上装有主风帆、副风帆、微风帆等数级不同面积的自动组合的风帆，使其在任何风速等级下都能恒功率的发出电能；同时本发明的万向风帆系统可瞬间响应任何风向的风面并加以利用，并能够自动适应任何风向玫瑰图的复杂风场，提高了风能利用率。
2、本发明采用主轴为鼠笼状风帆架的立式发电机组，其中发电机组为固定部件，可通过输电线缆直接输出，或通过增速器驱动，可靠性极高。
3、由于本发明取消了偏航装置，将发电机定子直接固定在塔架上，不动不绕、运动部件轻、精度要求较低，因而结构简单、成本低、可靠性高、噪声低，可有效避免偏航时产生绕线缠绕现象。
4、由于本发明各级风帆都装有单向减振器，当风帆处于迎风状态时减振器逐级拉开并传递能量，而当风帆处于返回状态时则只需很小的推力即可复位；同时由于本发明设有锁机装置，风帆在复位后可自动碰入锁定状态；而当本发明处于维修或超设计风速状态时，由于所有各级风帆可以锁定，从而整体形成一个流线型圆桶，因此不易损坏任何部件。
5、由于本发明运用工控机PLC对整个系统进行控制，可有效地控制各级风帆锁定机构的开闭，从而提高了工作效率。
6、由于本发明在鼠笼状风帆架裙部装有稳定滚轮，并与塔架上的稳定环相配合，使风帆在各方向工作时笼架可以保持稳定旋转。
7、由于本发明在鼠笼状风帆架顶部和裙部分别装有整流罩，可以使整个系统内部空气流动处于相对稳定状态；同时在整流罩顶部(系统的最高点)装置有避雷针，使整个系统在雷雨天气中依然保证工作安全、可靠。
8、本发明利用风压作用于风帆，其输出功率只与风速、风压、帆面积有关，风帆相对速度永远小于风速，不论任何时候都不会产生超音速，所以噪声很低；另外只要加大风帆面积，就可提高单机功率，而不受转速和旋转半径的限制；并且由于本发明的风帆装有单向棘轮轴式阻尼，所以对风脉动、湍流可以起到一定的稳定作用。
9、由于本发明中的发电机及其增速箱等重量大的部件是固定部件，都直接座落在基础塔架上，而旋转部件仅仅为风帆、风帆架、锁机等，故其重量轻、故障率低，安装、维护方便。
10、由于本发明对风帆的加工精度和材料要求都不太高，因此加工成本较低，有利于降低风力发电成本。
11、本发明采用随风向展开风帆，在其相对位置观看时并不会产生眩晕感，当将其做为广告载体时，还会产生多种变化的画面，增加视觉美感。
12、由于采用风力发电，不排放任何有害气体和废弃物，不需要移民，可有效减排CO2，因而其具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明风帆架结构示意图。
图3为本发明多级风帆结构示意图。
图4为本发明鼠笼架俯视图。
图5为本发明风帆结构示意图。
图6为本发明多级风帆低风速工作状态示意图。
图7为本发明多级风帆中风速工作状态示意图。
图8为本发明多级风帆高风速工作状态示意图。
图9为本发明多级风帆维修状态及超高风速示意图。
图10为本发明工控机程序控制图。
图11为本发明参数初始状态框图。
图中：101-塔架    103-稳定环    104-电力输出控制电缆105-裙部整流罩    106-地脚螺栓    107-发电机组安装座108-发电机组    109-发电机组定子    110-法兰    111-增速箱201-发电机组转子    202-发电机组轴承    203-增速箱主轴204-顶部整流罩    205-鼠笼状风帆架    206-帆架架肋207-单向棘轮轴式阻尼    208-稳定滚轮    301-风速计传感器302-工控机PLC    303-锁机    3031-主帆锁机    3032-副帆锁机3033-微帆锁机    401-主风帆    402-单向液压减振器4051-主帆锁勾    4052-副帆锁勾    4053-微帆锁勾    406-副风帆407-微风帆    409-风帆轴    506-避雷针    601-电力传输电缆602-电力传输控制器
具体实施方式
一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统(参见图1)，主要由塔架101、工控机PLC 302、电力传输控制器602、发电机组108、发电机组安装座107和风速计传感器301组成。其中工控机PLC 302至少两台。
塔架101用地脚螺栓106固定在塔基上，并与发电机组安装座107连接，该塔架101上设有两个稳定环103；工控机PLC 302用电力输出控制电缆104将其与发电机组108、风速计传感器301连接；电力传输控制器602通过电力传输电缆601与发电机组108相连。
发电机组108为立式发电机组，由定子109、转子201和增速箱111组成，并通过法兰110固定在发电机组安装座107上。发电机组定子109一端直接固定在塔架101上，另一端用法兰110固定在增速箱111上；发电机组转子201上、下两端分别通过轴承202与增速箱111、发电机组安装座107相连。
该发电机组108增速箱主轴203上装有鼠笼状风帆架205。
鼠笼状风帆架205(参见图1、4、5)设有不同面积的主风帆401两个、副风帆406两个、微风帆407三个，各级风帆通过风帆轴409相连并错开角度，使风帆群形成螺旋状，从而可以提高风帆架的转矩稳定性；其顶部、裙部分别设有顶部整流罩204、裙部整流罩105，在顶部整流罩204上设有避雷针506，并与风速计传感器301相连，并且裙部整流罩105内设有两个与塔架101上的稳定环103相互作用的稳定滚轮208，从而保证鼠笼状风帆架205的稳定。其中稳定环103与稳定滚轮208的数量还可多于两个。
鼠笼状风帆架205的帆架架肋206上设有单向棘轮轴式阻尼207(参见图2)，当出现风脉动、湍流现象时，该单向棘轮轴式阻尼207可以起一定的稳定作用。
各级风帆均装有单向液压减振器402，并通过减振器铰链与鼠笼状风帆架205相连。
各级风帆均设有锁勾并与锁机303连接——主风帆锁勾4051与主帆锁机3031、副帆锁勾4052与副帆锁机3032、微帆锁勾4053与微帆锁机3033连接(参见图3)。上述锁机303与限位器构成联动机构，使风力发电机能在不同风速等级情况下只打开相应等级的风帆，而锁定其它等级风帆，从而保证在不同风速情况下输出较稳定功率的电力。同时各级风帆在逆风复位后，锁机303可自动碰入锁定状态。
当风帆进入迎风角时，在风力的作用下风帆自动打开；各级风帆的着力点最后都集中在帆架架肋206处，并依次传导给增速箱111、发电机组108；同时通过单向液压减振器402均匀释放能量，推动鼠笼状风帆架205旋转，促使发电机组108发出电能，并将发出的电能通过电力传输电缆601和电力传输控制器602输送至用电端。
本发明的多级风帆的内、外表面还可作为各种广告的载体。
图6、图7、图8分别为本发明多级风帆低风速、中风速、高风速工作状态示意图；图9为本发明多级风帆维修状态及超高风速示意图。
本发明参数初始状态如图11所示。首先依次将风向谱、风速谱、来风方向等高线预置、来风方向粗糙度预置、来风方向障碍物预置所确定的数据输入给一台工控机PLC 302，然后通过工控机PLC 302发出指令，调整各级风帆；在风力的推动下，发电机组108发出电能，并通过整流、逆变器将电流输送给电网；同时发电机组108将输出功率反馈给工控机PLC 302。
另外一台工控机PLC 302的程序控制如图10所示：风速计传感器301将接收到的信息传输给工控机PLC 302，由工控机PLC 302进行数据处理。
当判断风速为高风速时，微风帆407开锁，主风帆401、副风帆406锁定，然后判断是否为超高风速、维修状态：若是，则主风帆401、副风帆406和微风帆407锁定；若不是，则上微风帆407开锁、下微风帆407锁定。
当判断风速为中风速时，副风帆406开锁，主风帆401、微风帆407锁定，然后判断是否为中高风速：若是，则双副风帆开锁；若不是，则上副风帆406开锁、下副风帆406锁定。
当判断风速为低风速时，主风帆401开锁，副风帆406、微风帆407锁定，然后判断是否为低低风速：若是，则双主风帆401开锁，调整单向液压减振器402的阻尼系数，若不是，则上主风帆401开锁、下主风帆401锁定。
当需要手动维修时，则进入手动维修程序，并将数据传输给工控机PLC302，由工控机PLC 302发出指令，将主风帆401、副风帆406和微风帆407锁定。
当发电机组408发电时，通过电力传输控制器602将数据传输给工控机PLC 302，由工控机PLC 302判断发电机组108是否过负荷：若是，则将主风帆401、副风帆406和微风帆407锁定；若不是，则返回起始状态。

Claims (7)

1.一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，主要由塔架(101)、工控机PLC(302)、电力传输控制器(602)、发电机组(108)、发电机组安装座(107)和风速计传感器(301)组成，其中所述塔架(101)用地脚螺栓(106)固定在塔基上，并与所述发电机组安装座(107)连接，该塔架(101)上设有稳定环(103)；所述工控机PLC(302)用电力输出控制电缆(104)将其与所述发电机组(108)、风速计传感器(301)连接；所述电力传输控制器(602)通过电力传输电缆(601)与所述发电机组(108)相连；所述发电机组(108)由定子(109)、转子(201)和增速箱(111)组成，该发电机组(108)通过法兰(110)固定在所述发电机组安装座(107)上，其特征在于：所述发电机组(108)为立式发电机组，其增速箱主轴(203)上装有鼠笼状风帆架(205)；所述鼠笼状风帆架(205)分别设有至少两个不同面积的主风帆(401)、副风帆(406)、微风帆(407)，各级风帆通过风帆轴(409)相连。
2.如权利要求1所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，其特征在于：所述发电机组定子(109)一端直接固定在所述塔架(101)上，另一端用所述法兰(110)固定在所述增速箱(111)上；所述发电机组转子(201)上、下两端分别通过轴承(202)与所述增速箱(111)、发电机组安装座(107)相连。
3.如权利要求1所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，其特征在于：所述鼠笼状风帆架(205)顶部、裙部分别设有顶部整流罩(204)、裙部整流罩(105)；且所述顶部整流罩(204)上设有避雷针(506)，并与所述风速计传感器(301)相连；所述裙部整流罩(105)内设有至少两个稳定滚轮(208)，并与塔架(101)上的稳定环(103)相配合。
4.如权利要求1所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，其特征在于：所述鼠笼状风帆架(205)的帆架架肋(206)上设有单向棘轮轴式阻尼(207)。
5.如权利要求1所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，其特征在于：所述各级风帆装有单向液压减振器(402)，并通过减振器铰链与所述鼠笼状风帆架(205)相连。
6.如权利要求1所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，其特征在于：所述各级风帆设有锁勾并与锁机(303)连接，所述锁机(303)与限位器构成联动机构。
7.如权利要求6所述的一种万向风帆多级风速自适应立轴风力发电机系统，其特征在于：所述各级风帆在逆风复位后，所述锁机(303)自动磁入锁定状态。
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