CN101545456A - 垂直重力势能蓄能双层桨叶推挽驱动风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明“垂直重力势能蓄能双层桨叶推挽驱动风力发电机”组属先进、新型能源、绿色、可再生能源技术领域，蓄能风力发电技术。主要解决如下技术问题：一、在我的《双层水平旋转随动变角桨叶推挽驱动风力发电机组》风电技术的基础上进一步研究开发，将风机与垂直重力势能蓄能装置结合，完全自主知识产权。二、垂直重力势能蓄能装置在大风或负荷低谷时，在将风能转化为电能的同时，用剩余能量把混凝土重块提起，存储能量。在风小或负荷高峰时释放能量帮助风力发电机组发电以保证稳定供电。三、运行控制系统在并网时控制机组输出电能频率与电网同步，电能质量与电网匹配。而在独立运行时，在风力随时变化的情况下，可在保证电能质量符合国家标准的前提下稳定运行。

Description

垂直重力势能蓄能双层桨叶推挽驱动风力发电机组

技术领域：

先进、新型，绿色、可再生能源，风力发电技术。

背景技术：

在我的《双层水平反向旋转随动变角桨叶推挽驱动风力发电机组》风电技术的基础进一步研究开发，完全自主知识产权。

发明内容：

在我的《双层水平反向旋转随动变角桨叶推挽驱动风力发电机组》风电技术的基础上的改进型，构思新颖且经实验反复考证，技术创新、实用，即可参网又可独立运行，为远离电网的无电地区和边防、海岛等提供稳定的电能供给创造了条件。

一、风力发电机组的输出功率依风力大小随时改变，并网时影响电网稳定运行，更无法稳定独立运行。本人在研制出立轴直驱水平旋转随动变角桨叶永磁同步风力发电机组的模型机后就开始为其加装储能装置，以提高其运行性能和适应范围。

实用的储能方法大致有以下几种；

1、蓄电池，只适用于小功率的场合。

2、抽水蓄能，只适用于有水库的场合。

3、压缩空气蓄能，功率很难做大。

4、飞轮电池，属机械储能，MW级以下，且价格昂贵。

我这里用的是垂直重力势能储能，亦属机械储能范畴。其原理是：

1、当风力发电机组轻载或风大时，风机主轴用发电剩余的动能拖动一个特殊结构的卷杨机，缓缓吊起一块置于风机塔架中心，重达百吨的钢筋混凝土块，起吊最高高度可达25M。在这个过程中，发电剩余的动能被转换成钢筋混凝土重块被吊高所存储的垂直重力势能。

2、当无风，重载或风小时，控制机构把特殊结构的卷杨机转换成高速比的滑轮齿轮箱组，在混凝土重块缓缓下行时，释放势能，经工控机和执行机构控制，拖动发电机主轴旋转，保持电压、周波稳定，并带足有功负载。

3、垂直重力势能的存储和释放转换的适时控制和释放势能多少需要严密、精准、可靠的控制，所以，专用工控机和精确、可靠的执行机构加上多重保护是必不可少的。

4、若要储存更多的能量，可在风机塔架的水平面下构筑地下室，以扩大钢筋混凝土重块的升降范围。

二、风机：

1、安装在垂直轴上的上下两层的桨叶同时被风推动，力量相同，旋转方向相反，经特殊的机构一推一拉驱动第三轴旋转，在这里，水平分布的两组六片桨叶由专用工控计算机控制，经直流电机，减速机等组成的执行机构调整，在任意风向时每层均有一片桨叶平面迎风，推动主轴旋转，而绕主轴180°的另一片桨叶则调整为水平状态，立面迎风，对风的阻力很小。随着主轴的转动，每层六片桨叶的角度被不断随机调整，一直保持上述状态，即上、下两层桨叶在主轴的两侧始终有两片桨叶迎风，推拉主轴旋转，同时有两片桨叶为顺风状态，减小桨叶旋转的阻力，形成对第三轴推挽驱动的态势，在风机桨叶直径范围内捕捉风能，最大限度地把风能转化为两根风机主轴的旋转机械能，且主轴所承受的侧向推力趋零。

2、为获得更多的能量，就要加大桨叶的直径，由于用了大量的无缝钢管和钢绞线，使风机整体结构即庞大又轻巧，平视象两座钢索斜拉桥，鸟瞰则如蜘蛛网，整体为柔性连接，故结构牢，重量轻，耐疲劳，迎风有效面积大。两层桨叶带动上、下两根相对反向旋转的主轴一推一挽驱动中间轴，实现力的叠加，这在机械结构的设计、加工的精度和难度方面造成极大的困难，但经过多次的设计、实验、改进，现已有了重大突破，经实验完全可以满足上述要求。

3、为了防止雷电破坏，立轴的顶端和两层六片桨叶的支撑轴外端都设有放电尖端，既避雷针，经支撑轴、钢绞线、主轴外套联为一体，为避免雷电电流烧伤轴承，通过多套大面积的滑环和含铜炭刷与防雷接地网相连。

三、发电机：

1、发电机转子由上下两层风机主轴推挽驱动的第三轴同轴联接，其上镶嵌着由钕铁硼永磁体构成的多极发电机磁场，以适应风机主轴的低转速需要。当这个磁场随风机旋转时，就切割定子线圈，产生电能。

2、发电机的定子线圈采用高压连接，输出10KV50HZ的三相电能。由于转子上的钕铁硼永磁体磁极磁场极强，磁通密度很大，所以定子线圈每伏匝数较少。这样，定子线圈结构紧凑，效率高。并为连接成10KV高电压输出创造了有利条件。

3、为了调整上网电压和无功功率，与现有的各种永磁电机不同，特殊结构的钕铁硼永磁体多极数磁极与定子铁心之间，磁力间隙可调整。

四、自动控制系统：

1、本风力发电机组的自动控制系统由双层水反向平旋转随动变角桨叶计算机控制系统和若干可编程控制器及风向、风速传感器、定子线圈温度传感器、主轴转速传感器、输出电压变送器、电流变送器、有功功率变送器、无功功率变送器、等诸多传感器、变送器和若干电动执行机构组成，保证双层桨叶边推动上、下主轴反向旋转边自行调整迎风、顺风角度。当遇到风力达到10级以上等极端情况时，双层六片桨叶自动调整迎风角度，直至调至0度(既与水平面平行)，同时，刹车系统启动，保证风机不受损坏。

2、为考虑到电网事故、故障、本机检修、自然灾害和在各种极端情况下都能泰然处置，保证以工控机为核心的控制系统不间断的正常工作，确保电动执行机构能准确无误地把桨叶调整到需要的位置，控制电源采用配置了带浮充电源的蓄电池的直流供电系统。

4、蓄能控制系统通过控制垂直重力势能蓄能装置的主轴的正、反转和刹车，使风力发电机组在大风或负荷低谷时，在将风能转化为电能的同时，用剩余能量把混凝土重块提起，存储能量。在风小或负荷高峰时释放能量帮助风力发电机组发电以保证稳定供电。

5、输出控制系统在并网时控制机组输出电能频率与电网同步，无功、电压等电能质量指标与电网匹配。而在独立运行时，在风力随时变化的情况下，可在保证电能质量符合国家标准的前提下稳定运行。

具体实施方式：

一、本人自2004年起，利用业余时间研制此风力发电机，经过近几年的努力，在制作出第一台模型机的基础上，完成其全部的设计理念，并付诸实施。

二、500KW模型机正在制作中。

Claims (1)

1. 本发明的技术特征主要有：立轴、双层随动变角水平反向旋转桨叶、整体柔性连接的风机，永磁、可调间隙、特殊结构的多极同步发电机。结合垂直重力势能蓄能机构及其控制系统，组成垂直重力势能蓄能双层桨叶推挽驱动风力发电机组

   1、垂直重力势能蓄能双层桨叶推挽驱动风力发电机组。

   2、带换向离合器输出轴的双层水平反向旋转随动变角桨叶推挽驱动风力发电机组

   3、与双层水平反向旋转随动变角桨叶推挽驱动风力发电机组配套的垂直重力势能蓄能机械装置

   4、由双层水平反向平旋转随动变角桨叶计算机控制系统、垂直重力势能蓄能计算机控制系统、参网与独立运行控制系统组成的整机控制系统。