CN101956672A - 一种适于宽风速范围的风力发电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种适于宽风速范围的风力发电方法及装置，用于解决风力发电机风能利用范围小的问题。技术方案是：发电机设置数个，并设置一套电磁阻尼机构；其中风力机利用一个中心大齿轮传动连接各发电机；计算机根据风速信号控制电机的接入数量，当风速超过设定风速时，由计算机控制电磁阻尼机构动作，对中心大齿轮施加降速阻力。本发明主要特点如下：采用多部发电机联用，避免了直驱电机出现故障后，需要整机拆掉维修问题；由计算机根据风速控制电机的接入数量，当风速超过设定的风速时，由计算机控制电磁阻尼机构动作，使风机仍在使用范围内正常运转发电，风速利用范围可达2-60m/s；风力机与各发电机之间由齿轮开齿传动，整机结构紧凑，设备造价和运行成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电技术，特别是能够适于宽风速范围的风力发电方法及装置，属风力发电技术领域。
背景技术
随着能源与环境的压力增加，清洁可再生新能源愈来愈受到重视。在各类绿色能源中，风能是前景潜力巨大的可再生能源之一。风力发电装置的主要部件有风力机，齿轮箱、发电机、调向机构、制动机构、控制单元、塔架等，其中风力机和发电机是主要的能量转换部件。风力机把风能转换为机械能，发电机把机械能转换为电能。由于风能的特殊性，风力机一般速度在20-200r/min，发电机属于高速旋转机械，其转速为1000～1500r/min，因此传统结构需要在风力机和发电机之间设置升速齿轮箱，将风力机轴的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机转速相匹配。传统风力发电装置存在的主要问题如下：1.风力机对风速范围有着较为严格的要求，一般为3～20m/s，当风速超过该范围后，就需要停机，因而浪费了该风速范围外的风能资源；2.通用的风力发电机一旦出现故障后，需要整机停车维修，维护难度大、成本高且影响发电；3.升速齿轮箱高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率，特别是大容量风电机组齿轮箱的结构庞大，造价昂贵，维护成本高。
发明内容
本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种可在2-60m/s的风速范围内正常向外输送电能的适于宽风速范围的风力发电方法及装置。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种适于宽风速范围的风力发电方法，它利用一垂直轴风力发电机，所述垂直轴风力发电机包括风力机和发电机，其特别之处是：所述发电机设置数个，并设置一套电磁阻尼机构；所述风力机利用一个中心大齿轮传动连接各发电机；所述风力机的的风向标上设有风速传感器，计算机根据风速信号控制电机的接入数量，风速低，接入发电机数量少，风速高，接入发电机数量多，当风速达到设定风速时，接入全部发电机；当风速超过设定风速时，由计算机控制电磁阻尼机构动作，对中心大齿轮施加降速阻力。
一种适于宽风速范围的风力发电装置，它包括风力机、发电机、塔架、固定在塔架顶部的中心柱，其中风力机包括叶片和旋转装置，其特征在于：所述旋转装置为上、下两段结构，上、下两段结构分别由连接杆斜撑杆与叶片连接，所述旋转装置下段结构包括下旋转筒、下支座和中心大齿轮、下旋转筒套装在中心柱外，下旋转筒和中心柱之间设有轴承，中心大齿轮套装在下旋转筒外并与其周向固定，所述发电机设置3-8个，发电机分布在中心大齿轮周边，各发电机主轴上安装增速小齿轮，中心大齿轮、增速小齿轮啮合连接。
上述适于宽风速范围的风力发电装置，在所述中心大齿轮下部设置电磁阻尼机构，所述电磁阻尼机构由电磁铁和阻尼环组成，所述阻尼环固接在中心大齿轮底部，电磁铁设置多个，均布在阻尼环下方；所述电磁铁端面和阻尼环端面之间的间距为1～5毫米。
上述适于宽风速范围的风力发电装置，所述旋转装置上段结构包括上旋转筒和支撑上旋转筒的上支座，上旋转筒套装在中心柱外，上旋转筒和中心柱之间设有轴承。
本发明针对现有风力发电装置风能利用范围小、设备结构庞大、运行成本高等问题进行了改进，提供了一种可大幅度提高风能利用范围的风力发电方法及实现该方法的装置，与现有技术相比本发明主要特点如下：1.采用多部发电机联用，避免了直驱电机出现故障后，需要整机拆掉维修问题，当设备机出现故障，只需要把故障部分更换掉，所以维护简单，维护成本低；2.在风向标上设置测定风速传感器，使在风速达到切入风速后，由计算机控制电机的接入数量，风速高，接入发电的电机数量多，风速低接入发电的电机数量少，当风速达到设定的风速时接入发电的电机数量最多，风机输出功率最大，当风速超过设定的风速时，由计算机控制电磁阻尼机构动作，对中心大齿轮施加降速阻力，使风机仍在使用范围内正常运转发电，因此在2-60m/s的风速范围内，风机都可以正常向外输送电能，大大增加了风能利用范围，加大了风力发电机的利用效率；3.风力机与各发电机之间由齿轮开齿传动，去掉了齿轮箱，降低了传动装置的重量和故障率，整机结构紧凑，运行可靠性高，设备造价和运行成本低。
附图说明
图1是本发明装置示意图；
图2是图1A部局部放大视图。
图中标号含义如下：1.塔架；2.叶片；3.连接杆；4.斜撑杆；5.中心柱；6.风速传感器；7.下旋转筒；8.中心大齿轮；9.增速小齿轮；10.发电机；11.下支座；12.阻尼环；13.电磁铁；14.上旋转筒；15.上支座。
具体实施方式
本发明方法用于垂直轴风力发电机，所述垂直轴风力发电机包括风力机和发电机，发电机多个联用，风力机利用一个中心大齿轮通过安装在各发电机主轴上的增速小齿轮将增速后的旋转运动传递到各发电机，驱动发电机发电，该传动方式无需齿轮箱增速，故降低了传动装置的重量和故障率，整机结构紧凑。本发明利用设置在风向标上的风速传感器，将采集到的风速信号传递到计算机控制系统，计算机根据风速信号控制发电机的接入数量，在风速达不到切入要求时，发电机输出线路断开，发电机不输出电能，发电机没有载荷，发电机只有机械阻力，风速达到发电机切入要求时，发电机输出线路接通，发电机输出电能，风速低，接入发电机数量少，风速高，接入发电机数量多，当风速达到设定风速时，接入全部发电机，此时发电量最大，当风速超过设定风速时，由计算机控制电磁阻尼机构动作，对中心大齿轮施加降速阻力，使风机仍可在使用范围内正常运转发电，因此在2-60m/s的风速范围内，风机都可以正常向外输送电能，大大增加了风能利用范围，提高了风力发电机的利用效率。
参看图1、图2，本发明装置包括风力机、发电机、塔架1和固定在塔架顶部的中心柱5，位于中心柱上部的桁架处装有风速传感器6。其中风力机包括叶片2和旋转装置，旋转装置为两段结构，由位于中心柱5上部的上段结构和位于中心柱下部的下段结构组成，叶片经连接杆3、斜撑杆4与上段结构、下段结构连接。该设计减少了旋转装置自身的重量，由于重量减轻，磨擦阻力减小，在降低自身能耗的同时，降低了机械部件的故障率。
参看图2，所述旋转装置下段结构包括下旋转筒7、下支座11和中心大齿轮8、下旋转筒套装在中心柱外，下旋转筒和中心柱之间设有轴承，中心大齿轮套装在下旋转筒外并与其周向固定，发电机10设置3-8个，各发电机分布在中心大齿轮周边，发电机主轴上安装增速小齿轮9，中心大齿轮、增速小齿轮啮合连接。所述旋转装置上段结构包括上旋转筒14和支撑上旋转筒的上支座15，上旋转筒套装在中心柱外，上旋转筒上部和中心柱之设有径向轴承，上旋转筒下部与上支座间设有推力轴承。由于采用多机联用发电，若有个别发电机出现故障，只拆卸维修故障发电机即可，整机工作不受影响，提高了风力发电机运行率。
仍参看图2，本发明装置还设有电磁阻尼机构，电磁阻尼机构由电磁铁13和阻尼环12组成，所述阻尼环固接在中心大齿轮底部，电磁铁位于下支座11上，电磁铁设置多个，它们均布在阻尼环下方；电磁铁端面和阻尼环端面之间的间距为1～5毫米。电磁铁的通、断电由计算机控制，风速超过设定值时，电磁铁通电时，经阻尼环向中心大齿轮施加降速阻力，以保持中心大齿轮正常转速范围。
Claims (4)
1.一种适于宽风速范围的风力发电方法，它利用一垂直轴风力发电机，所述垂直轴风力发电机包括风力机和发电机，其特征在于：所述发电机设置数个，并设置一套电磁阻尼机构；所述风力机利用一个中心大齿轮传动连接各发电机；所述风力机的的风向标上设有风速传感器，计算机根据风速信号控制电机的接入数量，风速低，接入发电机数量少，风速高，接入发电机数量多，当风速达到设定风速时，接入全部发电机；当风速超过设定风速时，由计算机控制电磁阻尼机构动作，对中心大齿轮施加降速阻力。
2.一种适于宽风速范围的风力发电装置，它包括风力机、发电机、塔架(1)、固定在塔架顶部的中心柱(5)，其中风力机包括叶片(2)和旋转装置，其特征在于：所述旋转装置为上、下两段结构，上、下两段结构分别由连接杆(3)斜撑杆(4)与叶片连接，所述旋转装置下段结构包括下旋转筒(7)、下支座(11)和中心大齿轮(8)、下旋转筒套装在中心柱外，下旋转筒和中心柱之间设有轴承，中心大齿轮套装在下旋转筒外并与其周向固定，所述发电机(10)设置3-8个，发电机分布在中心大齿轮周边，各发电机主轴上安装增速小齿轮(9)，中心大齿轮、增速小齿轮啮合连接。
3.根据权利要求2所述的适于宽风速范围的风力发电装置，其特征在于：在所述中心大齿轮(8)下部设置电磁阻尼机构，所述电磁阻尼机构由电磁铁(13)和阻尼环(12)组成，所述阻尼环固接在中心大齿轮底部，电磁铁设置多个，均布在阻尼环下方；所述电磁铁端面和阻尼环端面之间的间距为1～5毫米。
4.根据权利要求3所述的适于宽风速范围的风力发电装置，其特征在于：所述旋转装置上段结构包括上旋转筒(14)和支撑上旋转筒的上支座(15)，上旋转筒套装在中心柱外，上旋转筒和中心柱之间设有轴承。
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