CN101943125B - 悬挂式水平轴风力发电机组 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电技术领域的用于通信塔架的基于下偏保护的悬挂式水平轴风力发电机组，包括：悬吊机构、风力发电机、风轮系统、尾舵系统和控制系统，悬吊机构固定设置于通信塔架的外侧，风力发电机与悬吊机构转动连接，风力发电机的前端与风轮系统固定连接，风力发电机的尾端与尾舵系统固定连接，控制系统设置于通信塔架的底部并与风力发电机的输出端相连接，风力发电机与尾舵系统在初始状态下均为水平安置。本发明能够悬挂在通信塔架上以免去安装风力发电机组的塔架成本，节约空间，又能为通信基站设备提供绿色、清洁的能源，节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种风力发电技术领域，具体是一种用于通信塔架的基于下偏保护的悬挂式水平轴风力发电机组。
背景技术
风力发电是目前普遍应用的可再生能源之一，但是风力发电存在难以解决的难题，(1)自然界中风力大小差别很大，大风时高速转动会导致风轮损坏甚至烧毁风力发电机；(2)自然界中风向飘忽不定，如何根据风向的改变调节风力发电机的对风方向。风轮侧偏是微小型风能转换系统中风轮超转速保护的一种形式，归结起来主要有侧翼式和偏心式两种结构。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献号CN1456804，公开日2003-11-19日，记载了一种“小型风力发电机尾板侧偏自保装置”，该技术的风铲(1)的下端固定连接曲柄(3)，曲柄(3)通过铰轴安装在风力发电机尾杆(2)上，曲柄(3)的另一端连接销子(4)，销子(4)插在滑套(5)中，滑套(5)中活动套装有滑杆(6)，滑杆(6)上带有与销子(4)配合使用的销子槽，滑杆(6)的一端连接弹簧(10)，另一端连接拉线(7)，拉线(7)的另一端连接拉杆(8)，拉杆(8)固定安装在活动尾板(9)上。
上述技术属于侧翼式结构，该种保护方式是依靠弹簧进行复位，而弹簧在用一段时间后就容易变形，造成复位力矩改变，另外弹簧在空气中很容易锈蚀。即使加以处理，弹簧机构用在风力发电机上也不太理想可靠。
而另一种偏心式结构的保护原理是：风轮偏置安装，具有一个偏心距，尾舵系统和机座电机壳体是铰链连接铰接的，这个铰接轴不是垂直于侧偏转轴，而是向后和向侧边各倾斜一个角度，当尾舵系统从初始位置转到折尾保护位置时，随着尾舵系统重心位置在风轮侧偏过程中的抬高，就会产生重力回位力矩。从物理学中的得知：物体只有在能量最小的位置才能达到稳定平衡状态，故尾舵系统重心的抬高，就打破了他原有的平衡，在新的位置上由于重力的作用，它就要建立一种新的平衡，那么它只有在和风轮侧偏时产生的力矩相等，才能产生一种稳定的平衡。
由于这种机构在设计时涉及的参数较多，不容易准确解决参数之间各个量的关系，风轮的气动力在侧偏时，还缺少准确的计算，另外由于风的大小和风向的变化都是随机的，它们时时刻刻都在变，在很短的时间内可产生很大幅度的变化，风轮受力情况极为复杂，所以该种方式的设计，不能只停留在理论计算上，还需试验测试，但牵引台牵引试验以及风洞试验都不能完全正确描述风力发电机的特征。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种悬挂式水平轴风力发电机组，能够悬挂在通信塔架上以免去安装风力发电机组的塔架成本，节约空间，又能为通信基站设备提供绿色、清洁的能源，节能减排。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：悬吊机构、风力发电机、风轮系统、尾舵系统和控制系统，其中：悬吊机构固定设置于通信塔架的外侧，风力发电机与悬吊机构转动连接，风力发电机的前端与风轮系统固定连接，风力发电机的尾端与尾舵系统固定连接，控制系统设置于通信塔架的底部并与风力发电机的输出端相连接，风力发电机与尾舵系统在初始状态下均为水平安置。
所述的悬吊机构包括：支撑臂、悬吊杆、回转机构、摆动机构和限位保护机构，其中：支撑臂固定设置于通信塔架的外部，悬吊杆的上端与支撑臂固定连接并保持自然下垂的角度，下端与回转机构转动连接，回转机构通过限位保护机构和摆动机构固定连接，摆动机构与风力发电机相连。
所述的回转机构为水平轴承结构，所述的摆动机构为竖直轴承结构；
所述的限位保护机构为具有凹槽的半圆柱体外壳，该凹槽的尺寸与风力发电机外壳的尺寸相对应，以限制电机下偏保护的角度并连接回转机构和摆动机构。
所述的控制系统包括：整流单元、极端保护模块、功率控制模块、防反充单元、整合模块、负载控制单元、中央控制单元，其中：风力发电机输出端依次连接整流单元、极端保护模块、功率控制模块、防反充单元和整合模块，将风力发电机输出的三相电源整流为直流电信号后由整合模块输出至蓄电池进行充电，整合模块的输出端与负载控制单元相连，负载控制单元的输出端与负载接入端相连，中央控制单元的输出端分别与极端保护模块、功率控制模块以及负载控制单元相连以输出控制指令。
所述的整流单元的输入端上设有具有接地保护的三相防雷单元，防止由于雷电击中导致的电路损坏；
所述的整流单元的输入端上设有与中央控制单元相连接的频率检测单元，由中央控制单元进行风力发电机输出频率的监测并相应输出控制指令至负载控制单元；
所述的极端保护模块包括：极端保护单元、电压检测单元和比较单元，其中：极端保护单元和电压检测单元分别与整流单元的输出端相并联，电压检测单元的输出端分别与比较单元和中央控制单元相连接以传输控制器实时母线电压信息，极端保护单元的控制端分别与比较单元和中央控制单元相连接以传输实时的控制信号。
所述的功率控制模块包括：功率控制单元、功率驱动单元和状态检测单元，其中：功率控制单元的输入端与极端保护模块的输出端相连接，功率驱动单元的输入端和输出端分别与中央控制单元和功率控制单元相连接以接收中央控制单元给出的逻辑信号并进行功率放大输出驱动信息，状态检测单元的输入端和输出端分别与功率控制单元和中央控制单元相连接以接收功率控制单元实时反馈的错误信号并进行电平转换输出给中央控制单元。
所述的整合模块上分别设有整合单元、电压监测单元和电流监测单元，其中：电压监测单元的输入端和输出端分别与蓄电池输入端和中央控制单元相连接以接收蓄电池实时电压并输出AD码，电流监测单元的两个输入端和输出端分别与整合单元的输入端、整合单元的负载输出端和中央控制单元相连接以接收蓄电池以及负载的实时电流信号并输出AD码。
本发明具有以下主要优点：传统的侧偏方式，对风和保护的功能都由尾舵系统来完成，尾舵系统的侧偏是靠重力产生的回位力矩和风力产生的气动力矩共同作用而形成的。侧偏时风轮和尾舵系统的受力非常复杂，理论计算不能完全拟合出实际工作时的工况，还需反复试验测试去修正计算结果，设计过程非常繁琐。
尾舵系统仅仅是起到对风的作用，而大风时的超转速保护功能是风能对风轮的推力矩实现的，推力仅仅和风轮的尺寸、风速、空气密度相关联，设计过程简便清晰，计算受力时无需相互迭代，可以精密的计算出风力发电机的起始保护点，离散性很小；和传统的安装方式相比，该安装形式受力好，以往安装在通信塔架上水平轴风力发电机组都是采用支撑结构且不具有保护功能，本发明采用悬吊机构，受力与振动都较以往方式有改善，且在风速过大时自动下偏，限制风力发电机的转速，保护风力发电机自身；本发明安装在通信塔架上，和一般的风力发电机组和光伏组件等相比，不占用多余空间，免去了使用部门征地和地基施工等庞杂费用；通信塔架分布范围广、高度高、内部空间大，本发明可直接安装在通信塔架上，省略一般风力发电机组中的塔架部分，节省了塔架生产和运输两方面的成本；解决无电地区通信设施的供电问题。由于我国幅员辽阔，相当一部分通信基站都建立在海拔较高，人烟稀少，交通运输不便的地方，使得通信设施的供电成为一个难题。配合安装在通信塔架上的风力发电机组，既能节约安装风力发电机组的成本，又能解决通信设施的供电问题，同时还能节能减排。
风机控制器配有极端保护单元，在风机输出电压异常升高时限制风力发电机的输出功率，保护控制器本体和负载，同时配有功率限制单元用来调节控制器的输出功率，同时还可以通过控制风力机输出功率来达到控制风力机转速的目的，负载控制单元控制负载是否接通负载输出，在特殊保护功能中将关闭负载输出，保护控制器和蓄电池。
极端保护单元的控制逻辑由两部分共同完成。电压监测实时采集母线电压，当采集到但前母线电压过高时，电压监测单元同时传递信号给比较单元和控制单元，由控制单元驱动极端保护单元，限制母线电压升高。由于极端保护单元是在系统极端情况下进行保护，故而在控制上同时也可由比较单元进行控制驱动，两者之间体现“或”的关系，即比较单元和控制单元任意一端都可以驱动极端保护单元进行工作，增加了系统的可靠性。同时，比较单元和控制单元是从系统的两个节点上取电的，控制单元是从蓄电池端取电，该端电压稳定。而当异常情况下，如蓄电池虚接时，则有比较单元直接从风机输入端取电，一旦风力发电机输出电压，比较单元就可上电工作。两控制部分进行互补，使得控制器能在无需蓄电池正常保护系统。
功率控制单元可调节控制控制器的输出功率。当蓄电池接近于充满状态时，功率控制单元限制输出大小，对蓄电池进行浮充；当蓄电池处于亏电状态时，功率控制单元不再限制输出，对蓄电池进行充电；当蓄电池的充电电流大于蓄电池可以承受的最大充电电流时，功率控制单元限制输出大小；而当风机转速过高时，功率控制单元可增加输出大小以实现限制风机转速的目的。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为双回转及限位保护机构示意图。
图3为本发明超速保护示意图。
图4为风力发电机系统结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：悬吊机构1、风力发电机3、风轮系统2、尾舵系统4和控制系统5，其中：悬吊机构1固定设置于通信塔架6的外侧，风力发电机3与悬吊机构1转动连接，风力发电机3的前端与风轮系统2固定连接，风力发电机3的尾端与尾舵系统4固定连接，控制系统5设置于通信塔架6的底部并与风力发电机3的输出端相连接，风力发电机3与尾舵系统4在初始状态下均为水平安置。
如图2所示，所述的悬吊机构1包括：支撑臂7、悬吊杆8、限位保护机构9、回转机构10和摆动机构11，其中：支撑臂7固定设置于通信塔架6的外部，悬吊杆8的上端与支撑臂7固定连接并保持自然下垂的角度，下端与回转机构10转动连接，回转机构10通过限位保护机构9和摆动机构11固定连接，摆动机构11与风力发电机3相连。
所述的回转机构10为水平轴承结构，所述的摆动机构11为竖直轴承结构；
所述的限位保护机构9为具有凹槽的半圆柱体外壳，凹槽的尺寸与风力发电机外壳的尺寸相对应。限位保护机构9用来限制电机下偏保护的角度，并起到连接水平转轴和竖直转轴的作用。当风力发电机向下摆动时，风力发电机的外壳与限位保护机构9的凹槽部分接触，限位保护机构9给风力发电机一个应力，限制风力发电机继续摆动。当风力发电机不再受风推力时，风力发电机在重力作用向反方向摆动，当风力发电机壳接触到限位保护机构9时，再由限位保护机构9给风力发电机一个应力，限制风力发电机继续摆动。
所述的风轮系统3包括：叶片固定盘12、叶片13和导流罩14，叶片13置于叶片固定盘12上，使用多个螺栓依次穿过叶片13和叶片固定盘12将叶片夹紧固定，导流罩14固定在叶片固定盘12上。
所述的尾舵系统5包括：尾舵板15和尾梁16，尾舵板15和尾梁16，尾舵板15使用螺栓固定在尾梁16的端部。
如图3所示，所述的控制系统6包括：整流单元18、极端保护模块、功率控制模块、防反充单元21、整合模块、负载控制单元23、中央控制单元32，其中：风力发电机输出端依次连接整流单元18、极端保护模块、功率控制模块、防反充单元21和整合模块，将风力发电机输出的三相电源整流为直流电信号后由整合模块输出至蓄电池进行充电，整合模块的输出端分别与负载控制单元23、蓄电池接入端相连，负载控制单元23的输出端与负载接入端相连，中央控制单元32的输出端分别与极端保护模块、功率控制模块以及负载控制单元23相连以输出控制指令。
所述的整流单元18的输入端上设有具有接地保护的17三相防雷单元，防止由于雷电击中导致的电路损坏；
所述的整流单元18的输入端上设有与中央控制单元相连接的频率检测单元24，由中央控制单元32进行风力发电机输出频率的监测并相应输出控制指令至功率控制单元20；
所述的极端保护模块包括：极端保护单元19、电压监测单元25和比较单元26，其中：极端保护单元19和电压监测单元25分别与整流单元18的输出端相并联，电压监测单元25的输出端分别与比较单元26和中央控制单元32相连接以传输控制器实时母线电压信息，极端保护单元19的控制端分别与比较单元26和中央控制单元32相连接以传输实时的控制信号。
所述的功率控制模块包括：功率控制单元20、功率驱动单元27和状态检测单元28，其中：功率控制单元20的输入端与极端保护模块的输出端相连接，功率驱动单元20的输入端和输出端分别与中央控制单元32和功率控制单元20相连接以接收中央控制单元32给出的逻辑信号并进行功率放大输出驱动信息，状态检测单元28的输入端和输出端分别与功率控制单元20和中央控制单元32相连接以接收功率控制单元实时反馈的错误信号并进行电平转换输出给中央控制单元。
所述的整合模块上分别设有整合单元22、电压监测单元30和电流监测单元29，其中：电压监测单元30的输入端和输出端分别与蓄电池输入端和中央控制单元32相连接以接收蓄电池实时电压并输出AD码，电流监测单元29的两个输入端和输出端分别与整合单元的输入端、整合单元的负载输出端和中央控制单元32相连接以接收蓄电池以及负载的实时电流信号并输出AD码。
当蓄电池处于严重亏电状态时，中央控制单元32可发出命令，使得驱动单元31停止驱动负载控制单元23，负载断电。控制器输出完全充入蓄电池，使得蓄电池容量快速恢复正常水平。当蓄电池电量恢复正常水平后，再由中央控制单元32向驱动单元31恢复驱动负载控制单元23，恢复负载的供电。同时，当电流监测单元29检测到负载端电流较大或接近短路电流并将信号传递给中央控制单元32时，中央控制单元32将同样断开负载输出，保护控制器本体和蓄电池，并发出报警信号，通知检修人员对负载进行检修，当检修人员确认负载恢复正常后将控制器断电后重启，中央控制单元32将重新打开负载输出。
如图4所示，在风轮系统的迎风方向与实际风向不同时。尾舵系统受到风的推力，受力后风力发电机通过转动方向，直至尾舵系统受力平衡，即风轮系统的迎风方向与实际风向相同。在风力发电机组的风轮系统受到风的水平推力F时，推动风轮系统向下摆动，此时风轮系统的扫风面积减小，吸收的风能也就进一步减小，从而实现超转速保护的功能，这种超转速保护方式即为本实施例特有下偏保护方式。当风力减小时，风轮系统所受的推力F也减小，风力发电机组在机体的重力作用下回位。
当风速小于初始下偏风速时，风力发电机在重力G的作用下有上偏的趋势，如图2所示即风力发电机绕摆动点O顺时针摆动，此时限位保护装置给风力发电机提供一个反方向的力矩，限制其上偏(顺时针摆动)，避免风轮系统与悬吊杆进行干涉。
当风速大于初始下偏风速时，风力发电机下偏，即风力发电机绕摆动点O逆时针摆动，当下偏角度到达最大设计摆动幅度时，限位保护装置给风力发电机提供一个反方向的力矩，限制其继续下偏摆动(逆时针摆动)，避免尾舵系统与悬吊杆进行干涉。
本实施例通过以下方式进行工作：
1)当机体未下偏时，对风力发电机的摆动中心的力矩平衡条件为Mf+MG+MB＝0；
其中：Mf为风作用在风轮上的水平推力F对摆动中心0的力矩，MG为机体的重力G对摆动中心0的力矩，MB为支撑力B对摆动中心0的力矩；
2)当机体在临界下偏状态和下偏调速过程中，支撑力矩MB＝0，在此条件下机体力矩平衡条件为：MF+MG+Mf＝0；
其中：Mf为偏转中心O的摩擦力矩。
3)当风速超过风力发电机组的调速风速时，MF＞MG+Mf，使机体向下偏转，继而使风轮受到的推力MF转速相对减小，同时力矩MF和MG的力臂也会相应的改变，当风力推力MF减小时，机体在MG的作用下复位。
Claims (9)
1.一种悬挂式水平轴风力发电机组，包括：悬吊机构、风力发电机、风轮系统、尾舵系统和控制系统，其特征在于：悬吊机构固定设置于通信塔架的外侧，风力发电机与悬吊机构转动连接，风力发电机的前端与风轮系统固定连接，风力发电机的尾端与尾舵系统固定连接，控制系统设置于通信塔架的底部并与风力发电机的输出端相连接，风力发电机与尾舵系统在初始状态下均为水平安置；
所述的控制系统包括：整流单元、极端保护模块、功率控制模块、防反充单元、整合模块、负载控制单元、中央控制单元，其中：风力发电机输出端依次连接整流单元、极端保护模块、功率控制模块、防反充单元和整合模块，将风力发电机输出的三相电源整流为直流电信号后由整合模块输出至蓄电池进行充电，整合模块的输出端与负载控制单元相连，负载控制单元的输出端与负载接入端相连，中央控制单元的输出端分别与极端保护模块、功率控制模块以及负载控制单元相连以输出控制指令。
2.根据权利要求1所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的悬吊机构包括：支撑臂、悬吊杆、回转机构、摆动机构和限位保护机构，其中：支撑臂固定设置于通信塔架的外部，悬吊杆的上端与支撑臂固定连接并保持自然下垂的角度，下端与回转机构转动连接，回转机构通过限位保护机构和摆动机构固定连接，摆动机构与风力发电机相连。
3.根据权利要求2所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的回转机构为水平轴承结构，所述的摆动机构为竖直轴承结构。
4.根据权利要求2所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的限位保护机构为具有凹槽的半圆柱体外壳，该凹槽的尺寸与风力发电机外壳的尺寸相对应，以限制电机下偏保护的角度并连接回转机构和摆动机构。
5.根据权利要求1所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的整流单元的输入端上设有具有接地保护的三相防雷单元。
6.根据权利要求1所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的整流单元的输入端上设有与中央控制单元相连接的频率检测单元，由中央控制单元进行风力发电机输出频率的监测并相应输出控制指令至负载控制单元。
7.根据权利要求1所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的极端保护模块包括：极端保护单元、电压检测单元和比较单元，其中：极端保护单元和电压检测单元分别与整流单元的输出端相并联，电压检测单元的输出端分别与比较单元和中央控制单元相连接以传输控制器实时母线电压信息，极端保护单元的控制端分别与比较单元和中央控制单元相连接以传输实时的控制信号。
8.根据权利要求1所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的功率控制模块包括：功率控制单元、功率驱动单元和状态检测单元，其中：功率控制单元的输入端与极端保护模块的输出端相连接，功率驱动单元的输入端和输出端分别与中央控制单元和功率控制单元相连接以接收中央控制单元给出的逻辑信号并进行功率放大输出驱动信息，状态检测单元的输入端和输出端分别与功率控制单元和中央控制单元相连接以接收功率控制单元实时反馈的错误信号并进行电平转换输出给中央控制单元。
9.根据权利要求1所述的悬挂式水平轴风力发电机组，其特征是，所述的整合模块上分别设有整合单元、电压监测单元和电流监测单元，其中：电压监测单元的输入端和输出端分别与蓄电池输入端和中央控制单元相连接以接收蓄电池实时电压并输出AD码，电流监测单元的两个输入端和该电流监测单元的输出端分别与整合单元的输入端、整合单元的负载输出端和中央控制单元相连接以接收蓄电池以及负载的实时电流信号并输出AD码。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 201611 Shanghai Songjiang District Chedun town stay Industry Road No. 202 Patentee after: SHANGHAI GHREPOWER GREEN ENERGY Co.,Ltd. Address before: 201108 Shanghai city Minhang District Yuanjiang Road No. 3883 Patentee before: SHANGHAI GHREPOWER GREEN ENERGY Co.,Ltd. |
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Granted publication date: 20120822 |