CN101691853B - 一种水平轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种水平轴风力发电机，包括塔柱、储气罐、叶轮动力机、发电机组，所述发电机组包括发电机、叶轮、转轴，所述发电机为内转子发电机；所述叶轮动力机设在发电机的前方或后方，所述叶轮动力机包括涡轮、风罩，所述涡轮带动发电机转子旋转，所述风罩与发电机定子连接；所述储气罐与叶轮动力机之间设有进风管，所述叶轮动力机上设有进风口和出风口，进风管与进风口连接。在低风速时，叶轮动力机可作为发电机的辅助启动装置；正常状态下，可通过叶轮动力机加快发电机的转动，使发电机达到满发功率状态；在超大风速时，叶轮动力机可作为发电机的刹车装置；叶轮动力机可作为发电机的散热装置。

Description

一种水平轴风力发电机

技术领域

本发明涉及水平轴风力发电机。 

背景技术

目前采用并网发电的大型水平轴风力发电机还存在很多问题，而这些难题都是由于自然风存在许多的不稳定性所引起的。在低风速时，大型的垂直风力发电机难以启动，或者根本无法启动，导致发电机白白浪费了资源；在正常风速时，大型的水平轴风力发电机虽然能够启动并工作，但是发电机的发电效率不高，往往是没有达到满发的状态；在超大风时，发电机的转速明显加快，甚至超过了发电机本身的额定功率，这时候的发电机处于危险状态，发电机部件有可能会被损坏，而超高的功率输出同时也存在一定的危险。另外，因为自然风会无时无刻的存在小风、低风速或者高风速，导致发电机的发电功率极其不稳定，接入电网时会对电网造成冲击。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水平轴风力发电机，能够在低风速时启动发电机，在正常状态下帮助发电机达到满发功率，在超大风速时能够限制发电机的转速，保证了发电机的在外界不稳定因素下都能工作在正常状态，使其发电功率对电网不会造成冲击。 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种水平轴风力发电机，包括塔柱、安装在塔柱上的发电机组，所述发电机组包括发电机、叶轮、连接发电机与叶轮的转轴，所述发电机为内转子发电机；还包括 储气罐、叶轮动力机；所述叶轮动力机设在发电机的前方或后方，所述叶轮动力机包括涡轮、风罩，所述涡轮带动发电机转子旋转，所述风罩与发电机定子连接；所述储气罐与叶轮动力机之间设有进风管，所述叶轮动力机上设有进风口和出风口，进风管与进风口连接。 

在晚上电网电量富余时，利用与电网连接的空气压缩机对储气罐进行压缩空气，使一部分的电能转换成为具有内能的高压气体，完成了电能向内能的转换。高压气体被储存在储气罐中，等到白天电网电量紧缺且自然风力较小，叶轮不能使发电机达到满发状态时，释放储气罐中的高压气体，这部分的高压气体经管道被输送至叶轮动力机中，通过进风口进入到风罩内，并利用其形成的强大气流推动涡轮转动，由于涡轮能够带动发电机转子转动，涡轮的转动的同时也带动了发电机转子的转动，一定程度上加快了发电机转子的转动速度，即使发电机的发电量增加，完成了内能向风能的转换。这样一来，可令发电机始终处于满发的状态，发电机就可以对电网提供持续稳定的电能，完成了风能向电能的转换。本发明的水平轴风力发电机经过了电能-内能-风能-电能的转换，能够在电网电量富余时以其他形式储存其一部分的能量，在电网电量紧缺时能够持续稳定的将电能回馈到电网中，实现平衡电网的目的。 

另外，在低风速发电机难以启动时，储气罐可向涡轮动力机吹气，利用高压气体在风罩内形成的强大气流来推动涡轮的转动，从而带动发电机转动，完成发电机在低风速的启动。启动后的发电机由于发电功率比较低，此时也可以利用储气罐中的高压气体使发电机的转速达到额定转速，即使发电机工作在满发状态，从而发电机接入电网时不会对电网造成冲击。 

在超大风速时，发电机转子在叶片的带动下速度会越来越高，甚至会超过发电机本身的额定转速，有可能会给发电机本身造成损坏，发电机的发电功率也会超过额定功率，发电机产生的超高电压一定程度上存 危险，且接入电网时会对电网产生一个强烈的冲击，严重影响电网的稳定性。此时，空气压缩储能系统可作为刹车装置使用，储气罐中的高压气体通过管道进入风罩内，气管的喷气方向与涡轮的旋转方向相反，相当于对涡轮施加了一个相反的推力，该推力能够抑制涡轮的旋转，可使涡轮的速度减缓，从而达到了限制发电机转子速度的目的。可把超额定功率运行的发电机限制到只能工作在额定功率下，即使发电机工作在满发状态，从而发电机接入电网时不会对电网造成冲击。 

叶轮动力机吸收高压气体的能量后，高压气体从叶轮动力机上的出气口排出，可在出气口上连接管道，管道的出口伸入到发电机内部，从叶轮动力机排出的高压气体经管道被输送至发电机中，这部分的气体对发电机内部构件进行吹气，一定程度上可以加快发电机的散热。 

作为改进，所述叶轮动力机设在发电机前方，所述涡轮固定套在转轴上，所述风罩与发电机定子前端固定连接。所述进风管上设有增压器，所述出风口处连接有排风管，所述排风管伸入发电机内，所述塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

作为改进，所述叶轮动力机设在发电机前方，所述涡轮与发电机转子前端固定连接，所述风罩与发电机定子前端固定连接。所述进风管上设有增压器，所述出风口处连接有排风管，所述排风管伸入发电机内，所述塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

作为改进，所述叶轮动力机设在发电机后，所述涡轮固定套在转轴上，所述风罩与发电机定子后端固定连接。所述进风管上设有增压器，所述出风口处连接有排风管，所述排风管伸入发电机内，所述塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

作为改进，所述叶轮动力机设在发电机后，所述涡轮与发电机转子后端固定连接，所述风罩与发电机定子后端固定连接。所述进风管上设有增压器，所述出风口处连接有排风管，所述排风管伸入发电机内，所述塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

本发明的另一技术方案是：一种水平轴风力发电机的工作方法，包括塔柱、安装在塔柱上的发电机组，所述发电机组包括发电机、叶轮、连接发电机与叶轮的转轴，所述发电机为内转子发电机；还包括储气罐、叶轮动力机；所述叶轮动力机设在发电机的前方或后方，所述叶轮动力机包括涡轮、风罩，所述涡轮带动发电机转子旋转，所述风罩与发电机定子连接；所述储气罐与叶轮动力机之间设有进风管，所述叶轮动力机上设有进风口和出风口，进风管与进风口连接。在风力不足发电机不能达到满发的情况下，释放储气罐中的高压气体，高压气体沿着进风管被输送至叶轮动力机的进风口，该部分的高压气体在风罩内形成强大的气流，并在涡轮上形成推力，加快了发电机转子的转动速度，使处于弱风下的发电机达到满发状态。 

作为改进，在低风速发电机难以启动时，释放储气罐中的高压气体，高压气体沿着进风管被输送至叶轮动力机的进风口，该部分的高压气体在风罩内形成强大的气流，推动涡轮的转动，通过叶轮和涡轮的共同作用实现发电机的启动。 

作为改进，在超大风并使发电机转速超过额定转速的情况下，释放储气罐中的高压气体，高压气体沿着进风管被输送至叶轮动力机的进风口，该部分的高压气体在风罩内形成强大的气流，该部分气流反向作用在涡轮上，对与发电机转子连接的涡轮形成一个阻力，限制了发电机转子速度的最大值，使发电机处于安全的发电状态。 

作为改进，所述出风口通过排风管伸入到发电机内部，从风罩内排出的高压气体通过排风管进入到发电机内部，对发电机内部构件进行吹气，加快了发电机的散热。 

作为改进，塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接；速度传感器测量出第一叶片组的旋转速度，并将信号回馈到控制器中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制电磁阀的流量。 

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是： 

1)能够在低风速第一叶片组能以启动发电机时，涡轮可作为辅助启动，在叶轮和涡轮的共同带动下，发电机可以做到轻松启动； 

2)发电机在正常运行状态下，通过利用高压气体推动涡轮，从而拖动发电机转子增速，使发电机达到满发功率状态； 

3)在超大风速时，通过利用高压气体反向推动涡轮，从而抑制发电机转子速度的增加，使发电机转子恢复到额定转速状态，使其发电功率对电网不会造成冲击； 

4)从叶轮动力机排出的高压气体通过管道直接进入到发电机内部，对发电机内部构件进行吹气，加快了发电机的散热。 

附图说明

图1为实施例1中水平轴风力发电机结构示意图， 

图2为图1的剖视图； 

图3为实施例2中水平轴风力发电机结构示意图， 

图4为图3的剖视图； 

图5为实施例3中水平轴风力发电机结构示意图， 

图6为图5的剖视图； 

图7为实施例3中水平轴风力发电机结构示意图， 

图8为图7的剖视图； 

图9为本发明的电气连接图。 

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。 

实施例1 

如图1、2所示，一种水平轴风力发电机，包括塔柱4、储气罐5、叶轮动力机2、安装在塔柱4上的发电机组。所述发电机组包括发电机3、叶轮1、连接发电机3与叶轮1的转轴11，所述发电机3为内转子发电机，包括内转子32和外定子31。所述叶轮动力机2设在发电机3的前方，所述叶轮动力机2包括涡轮22、风罩21，所述涡轮22固定套在转轴11上，所述风罩21与发电机定子31前端固定连接。所述储气罐5与叶轮动力机2之间设有进风管7，所述叶轮动力机2的风罩21上设有进风口8和出风口10，进风管7沿着塔柱4向上延伸并与进风口8连接，所述进风管7上还设有增压器6。所述出风口10处连接有排风管9，所述排风管9伸入发电机3内。所述塔柱4上设有控制器(未标示)，叶轮1上设有速度传感器(未标示)，进风管7上设有电磁阀(未标示)，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

实施例2 

如图3、4所示，一种水平轴风力发电机，包括塔柱4、储气罐5、叶轮动力机2、安装在塔柱4上的发电机组。所述发电机组包括发电机3、叶轮1、连接发电机3与叶轮1的转轴11，所述发电机3为内转子32发电机，包括内转子32和外定子31。所述叶轮动力机2设在发电机3前方，所述涡轮22与发电机转子32前端固定连接，所述风罩21与发电机定子 31前端固定连接。所述储气罐5与叶轮动力机2之间设有进风管7，所述叶轮动力机2的风罩21上设有进风口8和出风口10，进风管7沿着塔柱4向上延伸并与进风口8连接，所述进风管7上还设有增压器6。所述出风口10处连接有排风管9，所述排风管9伸入发电机3内。所述塔柱4上设有控制器(未标示)，叶轮1上设有速度传感器(未标示)，进风管7上设有电磁阀(未标示)，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

实施例3 

如图5、6所示，一种水平轴风力发电机，包括塔柱4、储气罐5、叶轮动力机2、安装在塔柱4上的发电机组。所述发电机组包括发电机3、叶轮1、连接发电机3与叶轮1的转轴11，所述发电机3为内转子32发电机3，包括内转子32和外定子31。所述叶轮动力机2设在发电机3后，发电机3转轴11向后延伸一段距离，所述涡轮22固定套在转轴11的延伸段上，所述风罩21与发电机3定子31后端固定连接。所述储气罐5与叶轮动力机2之间设有进风管7，所述叶轮动力机2的风罩21上设有进风口8和出风口10，进风管7沿着塔柱4向上延伸并与进风口8连接，所述进风管7上还设有增压器6。所述出风口10处连接有排风管9，所述排风管9伸入发电机3内。所述塔柱4上设有控制器(未标示)，叶轮1上设有速度传感器(未标示)，进风管7上设有电磁阀(未标示)，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

实施例4 

如图7、8所示，一种水平轴风力发电机，包括塔柱4、储气罐5、叶轮动力机2、安装在塔柱4上的发电机组。所述发电机组包括发电机3、叶轮1、连接发电机3与叶轮1的转轴11，所述发电机3为内转子32发电机3，包括内转子32和外定子31。所述叶轮动力机2设在发电机3后，所述涡轮22与发电机3转子32后端固定连接，所述风罩21与发电机3定子31后端固定连接。所述储气罐5与叶轮动力机2之间设有进风管7， 所述叶轮动力机2的风罩21上设有进风口8和出风口10，进风管7沿着塔柱4向上延伸并与进风口8连接，所述进风管7上还设有增压器6。所述出风口10处连接有排风管9，所述排风管9伸入发电机3内。所述塔柱4上设有控制器(未标示)，叶轮1上设有速度传感器(未标示)，进风管7上设有电磁阀(未标示)，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。 

如图9所示，上述四个实施例中的水平轴风力发电机在晚上电网13电量富余时，利用与电网13连接的空气压缩机12对储气罐5进行压缩空气，使一部分的电能转换成为具有内能的高压气体，完成了电能向内能的转换。高压气体被储存在储气罐5中，等到白天电网13电量紧缺且自然风力较小，叶轮1不能使发电机3达到满发状态时，释放储气罐5中的高压气体，这部分的高压气体经进风管7被输送至叶轮动力机2中，通过进风口8进入到风罩21内，并利用其形成的强大气流推动涡轮22转动，由于涡轮22能够带动发电机3转子32转动，涡轮22的转动的同时也带动了发电机转子32的转动，一定程度上加快了发电机转子32的转动速度，即使发电机3的发电量增加，完成了内能向风能的转换。这样一来，可令发电机3始终处于满发的状态，发电机3就可以对电网13提供持续稳定的电能，完成了风能向电能的转换。本发明的水平轴风力发电机3经过了电能-内能-风能-电能的转换，能够在电网13电量富余时以其他形式储存其一部分的能量，在电网13电量紧缺时能够持续稳定的将电能回馈到电网13中，实现平衡电网13的目的。 

实施例5 

如图1至9所示，水平轴风力发电机的工作方法，包括塔柱4、安装在塔柱4上的发电机组，所述发电机组包括发电机3、叶轮1、连接发电机3与叶轮1的转轴11，所述发电机3为内转子32发电机3；还包括储气罐5、叶轮动力机2；所述叶轮动力机2设在发电机3的前方或后方， 所述叶轮动力机2包括涡轮22、风罩21，所述涡轮22带动发电机3转子32旋转，所述风罩21与发电机3定子31连接；所述储气罐5与叶轮动力机2之间设有进风管7，所述叶轮动力机2上设有进风口8和出风口10，进风管7与进风口8连接。 

发电机3的启动方式：低风速发电机3难以启动时，储气罐5将高压气体释放，高压气体沿着进风管7被输送至叶轮动力机2的进风口8，该部分的高压气体经过再增压后在风罩21内形成强大的气流，推动涡轮22的转动，通过叶轮1和涡轮22的共同作用实现发电机3的启动。 

发电机的发电方式：发电机3在正常发电但没有达到满发的情况下，速度传感器测量出叶轮1的旋转速度，并将信号回馈到控制器中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制电磁阀的流量，储气罐5中的高压气体通过电磁阀进入增压器6中，经过增压器6的再次增压，高压气体从进风口8进入到风罩21中，该部分的高压气体在风罩21内形成强大的气流，并在涡轮22上形成推力，加快了涡轮22以及发电机3转子32的转动速度，随着叶轮1的速度慢慢上升，电磁阀的流量逐渐减小，高压气体对涡轮22的作用减弱，使发电机转子32能够平稳的到达额定转速。在外部高压气体的辅助下，发电机3能够时刻的保持在满发状态，使发电机3接入电网13时更稳定。 

发电机的刹车方式：超大风使发电机3转速超过而定转速的情况下，速度传感器测量出叶轮1的旋转速度，并将信号回馈到控制器中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制电磁阀的流量和进风口8的喷风方向。储气罐5中的高压气体通过电磁阀进入增压器6中，经过增压器6的再次增压，高压气体从进风口8进入到风罩21中，该部分的高压气体在风罩21内形成强大的气流，该部分气流反向作用在第二叶片组上，对 第二叶片组施加一个反向的推力，限制了发电机转子32速度的最大值，使发电机3的发电状态保持在满发状态。 

发电机的散热方式：从风罩21内排出的高压气体通过排风管9进入到发电机3内部，高压气体在转子32与定子31之间的气息游走，从中带走发电机转子32和定子31上的一部分热量，加快了发电机3的散热。 

本发明的一种垂直轴风力发电机及其工作方法，能够在低风速时启动发电机，在正常状态下帮助发电机达到满发功率，在超大风速时能够限制发电机的转速，保证了发电机的在外界不稳定因素下都能工作在正常状态，使其发电功率对电网不会造成冲击。 

Claims (6)

1.一种水平轴风力发电机，包括塔柱、安装在塔柱上的发电机组，所述发电机组包括发电机、叶轮、连接发电机与叶轮的转轴，所述发电机为内转子发电机；其特征在于：还包括储气罐、叶轮动力机；所述叶轮动力机设在发电机的前方或后方，所述叶轮动力机包括涡轮、风罩，所述涡轮带动发电机转子旋转，所述风罩与发电机定子连接；所述储气罐与叶轮动力机之间设有进风管，所述叶轮动力机上设有进风口和出风口，进风管与进风口连接；所述进风管上设有增压器；所述出风口处连接有排风管，所述排风管伸入发电机内；所述塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机，其特征在于：所述叶轮动力机设在发电机前方，所述涡轮固定套在连接发电机与叶轮的转轴上，所述风罩与发电机定子前端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机，其特征在于：所述叶轮动力机设在发电机前方，所述涡轮与发电机转子前端固定连接，所述风罩与发电机定子前端固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机，其特征在于：所述叶轮动力机设在发电机后，所述涡轮固定套在连接发电机与叶轮的转轴上，所述风罩与发电机定子后端固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机，其特征在于：所述叶轮动力机设在发电机后，所述涡轮与发电机转子后端固定连接，所述风罩与发电机定子后端固定连接。

6.一种水平轴风力发电机的工作方法，该水平轴风力发电机包括塔柱、安装在塔柱上的发电机组，所述发电机组包括发电机、叶轮、连接发电机与叶轮的转轴，所述发电机为内转子发电机；其特征在于：还包括储气罐、叶轮动力机；所述叶轮动力机设在发电机的前方或后方，所述叶轮动力机包括涡轮、风罩，所述涡轮带动发电机转子旋转，所述风罩与发电机定子连接；所述储气罐与叶轮动力机之间设有进风管，所述叶轮动力机上设有进风口和出风口，进风管与进风口连接；

在风力不足发电机不能达到满发的情况下，释放储气罐中的高压气体，高压气体沿着进风管被输送至叶轮动力机的进风口，该部分的高压气体在风罩内形成强大的气流，并在涡轮上形成推力，加快了发电机转子的转动速度，使处于弱风下的发电机达到满发状态；

在低风速发电机难以启动时，释放储气罐中的高压气体，高压气体沿着进风管被输送至叶轮动力机的进风口，该部分的高压气体在风罩内形成强大的气流，推动涡轮的转动，通过叶轮和涡轮的共同作用实现发电机的启动；

在超大风并使发电机转速超过额定转速的情况下，释放储气罐中的高压气体，高压气体沿着进风管被输送至叶轮动力机的进风口，该部分的高压气体在风罩内形成强大的气流，该部分气流反向作用在涡轮上，对与发电机转子连接的涡轮形成一个阻力，限制了发电机转子速度的最大值，使发电机处于安全的发电状态；

所述出风口通过排风管伸入到发电机内部，从风罩内排出的高压气体通过排风管进入到发电机内部，对发电机内部构件进行吹气，加快了发电机的散热；

塔柱上设有控制器，叶轮上设有速度传感器，进风管上设有电磁阀，所述速度传感器、电磁阀均与控制器连接；速度传感器测量出叶轮的旋转 速度，并将信号回馈到控制器中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制电磁阀的流量。 

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