CN102072094A - 功率合成双风轮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电装置，特别公开了一种功率合成双风轮风力发电机。该功率合成双风轮风力发电机，其特征是：包括前风轮和后风轮，前风轮与后风轮之间安装一个将二者相连接的机械合成机构，由前风轮和后风轮分别作功，通过机械合成机构合成后，共同驱动发电机。该功率合成双风轮风力发电机，在前风轮之后设计一个风轮，将前风轮作功之后余下来的动能再利用，前后风轮的所作的功，经机械合成机构合成后共同驱动发电机，其结果是同样规格的风力发电机其输出功率提高60％左右，提高风力资源利用率，提高风力发电发电设备产出和运行经济效益，同时减力塔架的支反力矩使塔更安全。

Description

功率合成双风轮风力发电机

(一)技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，特别涉及一种功率合成双风轮风力发电机。

(二)背景技术

目前现有技术的风力发电机的风能利用率C_p不高，贝兹极限是0.593，这只是个理论数值，实际的风力发电机的C_p只有0.4左右，有一半以上的风能未被利用，公认是风轮桨叶之后形成螺旋涡流自行将能量耗尽。而目前风力发电的单位功率投资比较高而产出却又较低，因而经济性较差。

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种经济适用、风能利用率高的功率合成双风轮风力发电机。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种功率合成双风轮风力发电机，其特征是：包括前风轮和后风轮，前风轮与后风轮之间安装一个将二者相连接的机械合成机构，由前风轮和后风轮分别作功，通过机械合成机构合成后，共同驱动发电机。

该功率合成双风轮风力发电机，后风轮是吸收前风轮作功后剩余的动能再作功，从而使得相同规格的风力发电机输出功率提高60％左右。后风轮的后桨叶设计为独立变距、单独变距控制或由变距角为零在顺桨状态的固定桨叶，由前风轮统一变距控制。机械合成机构为由锥齿轮及齿轮组成的差动齿轮系。

本发明从提高风能利用率C_p来提高风力发电机的经济性，众所周知蒸汽轮机也是叶片动力机械，它有多个叶轮组成，它得益于机座有导流通道，风力发电机不可能有导流通道，气流工作后在空间形螺旋涡流。本发明在机舱之前风轮作功之后，在机舱之后再装一个后风轮，以吸收涡流再次作功，前、后风轮所作的攻经过机械合成机构合成后，共同驱动发电机形成功率合成双风轮风力发电机，将风力发电机的输出功率提高50％以上。

N＝N₁+N₂

公式中N为总功率，N1是前风轮功率，N2是后风轮功率，目前现有技术的风力发电机只有N1。

$N_1=\frac{1}{2}m{V}^2{C}_p$

C_p是风能利用系数，如果C_p＝0.4则仍有60％的风能未利用，有了后风轮就有N₂，两个风轮不像汽轮机多个叶轮有轴相连的轴，而是互相独立的，连转速和力矩都不相同，是独立各自作功的，作出N₁和N₂的功需要相加合成。本发明采用差动齿轮系为机械合成机构，将N₁和N₂相加合成后去驱动发电机。

本发明也和现有技术风轮风力发电一样采用桨叶变距来控制风轮转速，使系统能在最佳状态运转。

本发明的有益效果是：该功率合成双风轮风力发电机，在前风轮之后设计一个风轮，将前风轮作功之后余下来的动能再利用，前后风轮的所作的功，经机械合成机构合成后共同驱动发电机，其结果是同样规格的风力发电机其输出功率提高60％左右，提高风力资源利用率，提高风力发电发电设备产出和运行经济效益，同时减力塔架的支反力矩使塔更安全。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明功率合成双风轮风力发电机的工作原理示意图。

附图2为本发明功率合成双风轮风力发电机的变距示意图。

附图3为本发明功率合成双风轮风力发电机的传动系统示意图。

图中，L₁前风轮，L₂后风轮，H机械合成机构，i₁前速比，i₂后速比，M_h1合成机构前力矩，M_h2合成机构后力矩，ω₁前风轮角速，ω₂后风轮角速，1前桨叶，2、3、4、5、9、10、11柱齿轮，6、8、16锥齿轮，7齿轮，12内齿轮，13后桨叶，14发电机，15输出轴齿轮，17动力输出轴。

(五)具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该功率合成双风轮风力发电机，其特征是：包括前风轮L₁和后风轮L₂，前风轮L₁与后风轮L₂之间安装一个将二者相连接的机械合成机构H，由前风轮L₁和后风轮L₂分别作功，通过机械合成机构H合成后，共同驱动发电机14。后风轮L₂是吸收前风轮L₁作功后剩余的动能再作功。后风轮L₂的后桨叶13设计为独立变距、单独变距控制或由变距角为零在顺桨状态的固定桨叶，由前风轮L₁统一变距控制。机械合成机构H为由锥齿轮6、8、16及齿轮7组成的差动齿轮系。

以下结合附图详细说明：

1、功率分配和传动比i₁和i₂的求解

风轮之所以能作功，是它吸收了风的动能E，根据流体力学E＝1/2mV²，这里m是来风的质量，V是风的速度，但是风力发电机只利用了来风能量的一部分，这就是风能利用系数C_p。

N₁＝E₁C_p

公式中N₁是前风轮所作的功，E₁是风动能，设N₂是后风轮所作的功，E₂是前风轮作功后余下的动能，假设前后风轮的设计风能利用系数都相同，则有：

N₂＝E₂C_p

E₂＝E₁-E₁C_p＝E₁(1-C_p)

N₂＝E₂C_p＝E₁(1-C_p)C_p

$\frac{N_2}{N_1}=1-C_p=K$

K是本发明功率合成双轮风力发电机比单轮风力发电机出力增加率

N₂＝KN₁

N₁＝M₁ω₁      N₂＝M₂ω₂

M₂ω₂＝M₁ω₁K

设M₂＝K₁M₁，W₂＝K₂W₁，并设K₁＝K₂，则有：

$K_1=K_2=\sqrt{K}$

$M_2=\sqrt{K}{M}_1,$ ${\mathrm{\ω}}_2=\sqrt{K}{\mathrm{\ω}}_1$

从图1可见要保持机械合成机构H平衡，机械合成机构H的行星齿轮最好是只作公转而不作自转，则有ω_h2＝ω_h1，M_h2＝M_h1

$i_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_{h1}}{{\mathrm{\ω}}_1}$ $i_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_{h2}}{{\mathrm{\ω}}_2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{h1}}{{\mathrm{\ω}}_1\sqrt{K}}$

$i_2=\frac{i_1}{\sqrt{K}}$

2、塔架的支反力矩

单风轮风力发电机的作功力矩M₁全部由塔架支承，本发明功率合成双轮风力发电机有了后风轮作功力矩M₂，而M₂与M₁是方向相反的，塔架支反力矩M_t是M₁和M₂之差。

$M_t=M_1-M_2=M_1-\sqrt{K}{M}_1$

$M_t=M_1(1-\sqrt{K})=M_1{K}_t$

公式中

是塔架支矩系数，当K＝0.62时K_t＝0.21，塔的支反力矩M_t只有单风轮的支反力矩M₁的21％，从而减少塔架支反力矩的百分之七十九。

3、变距控制

①前、后风轮独立的变距控制

将前风轮L₁与后风轮L₂当成分别两台独立的风能机，各自有来风速度V₁和V₂和各自的角速度ω₁和ω₂，都可以用测速仪测得，用现有技术处理后分别控制前风轮变距角β₁和后风轮变距角β₂来实现变距，此法是根据实测数据进行控制，比合理和准确。

②后风轮固定顺桨的变距控制

图2中O₁是前风轮的桨叶中心，O₂是后风轮的桨叶中心，β₁是前风轮桨叶变距角，也是前风轮桨叶迎风角，假设桨叶是薄型平面起着导流叶片作用，则β₁也是尾风流向的角度也是尾流涡旋的螺旋角。β₂是后风轮的变距角。当β₁和β₂等于零时，前风轮和后风轮都处在顺桨状态。当β₁和β₂都不等零时，风轮桨叶的迎风面S_W从图3可见：

S_ω1＝ssinβ₁

S_ω2＝Ssin(β₊β₂)

公式中S_ω1是前桨叶1的迎风面积，S_ω2是后桨叶13的迎风面积。正常工作的风力发电机λ＞3，而β₁都在70°以上，Sinβ₁接近1，β₂可变的范围不大，调节能力不大，因此可以忽略令β₂恒等于零，后风轮的桨叶是固定的，成为后风轮的桨叶固定β₂＝0的顺桨固定状态。

Sin＝SSinβ₁

后风轮虽是定桨但它仍具变距功能，它的迎面角是β₁，变距与前风轮同步，由前风轮变距也控制了后风轮，结果使得结构大为简化。当β₁＝0时前风轮顺桨停机的时候后风轮本来就是顺桨也停机了，当β₁不等零时，螺旋风流经后风轮桨叶作功导流后，成为直流的低速尾气。

图3中，由前风轮L₁、后风轮L₂及机械合成机构H所组成，机械合成机构H通过输出轴齿轮15和动力输出轴17作用于发电机14。本实施例选用新疆金风科技S62-1200的数据：

原额功率N＝1200KW

风能利用系数C_P＝0.380

设计风轮转速n＝15.4转/分

发电机转速为747～1358

总传动比i＝67.9

功率增大系数：K＝1-C_P＝1-0.380＝0.62。本发明实施例的增加功率N_S：N_S＝N₁(1+K)＝1.62×1200KW＝1944KW。

从附图3的机械合成机构H的输出速比i_Z可定为5，则有前风轮L₁到机械合成机构H的前速比i₁和后风轮L₂到机械合成机构H的后速比i₂。

$i_1=\frac{i}{i_Z}=\frac{67.9}{5}=13.58$

$i_1=\frac{i}{i_Z}=\frac{67.9}{5}=13.58$

$=\frac{i}{i_Z}=\frac{13.58}{\sqrt{0.62}}=\frac{13.58}{0.7874}=17.25$

图3中齿轮数对照表

图中编号	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	15	16
														齿轮齿数	130	34	128	36	40	170	40	132	38	34	170	34	20

根据图3传动系统图和以上表中齿轮齿数计算从前风轮L₁到发电机14的传速比i＝67.97，从后风轮L₂到发电机14的传速比i_n＝86.84，后风轮的转速

合成后保证发电机14的转速。

Claims (4)

1.一种功率合成双风轮风力发电机，其特征是：包括前风轮(L1)和后风轮(L₂)，前风轮(L₁)与后风轮(L₂)之间安装一个将二者相连接的机械合成机构(H)，由前风轮(L₁)和后风轮(L₂)分别作功，通过机械合成机构(H)合成后，共同驱动发电机(14)。

2.根据权利要求1所述的功率合成双风轮风力发电机，其特征是：后风轮(L₂)是吸收前风轮(L₁)作功后剩余的动能再作功。

3.根据权利要求1所述的功率合成双风轮风力发电机，其特征是：后风轮(L₂)的后桨叶(13)设计为独立变距、单独变距控制或由变距角为零在顺桨状态的固定桨叶，由前风轮(L₁)统一变距控制。

4.根据权利要求1所述的功率合成双风轮风力发电机，其特征是：机械合成机构(H)为由锥齿轮(6、8、16)及齿轮(7)组成的差动齿轮系。

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