CN102305189A - 一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统 - Google Patents

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鲁林平
王一平
朱丽
黄群武
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，包括下部塔架1、回转轴承3和风力机，还包括上部塔架2、钢丝绳和/或钢材杆8、梁6、尾舵7和吊杆9，回转轴承设置在上、下部塔架之间，上部塔架的两侧分别与梁的一端连接，最上的梁外端通过钢丝绳和/或钢材杆与上部塔架的顶端连接，相邻梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆连接，吊杆的上端与最下的梁连接，风力机与上部塔架的顶部、梁或/和吊杆的下端连接，梁长相等，一侧梁上的风力机比另一侧多，尾舵与上部塔架、梁或/和机舱连接。本发明叶片寿命长；占地面积小；安装和维修成本低；可靠性好；应用范围广；取消了机舱内的回转轴承或回转驱动装置；轴承受力小；自动对风、偏航。

Description

一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统
技术领域
本发明属于风能利用领域，涉及一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统。
背景技术
随着世界性能源危机和全球环境污染加剧，许多国家都更加重视洁净的可再生能源的研究、开发和利用。全球风能理事会指出，风力发电技术相比其它可再生能源技术而言更成熟，其效率也更高，产业前景最好，其开发利用增长率远高于常规能源，风力发电技术是世界上发展最快的可再生能源技术之一。
风轮是风能转换为机械能的核心部件，因此叶片的性能决定风电机组的性能，叶片在设计寿命期内的安全稳定运行至关重要。水平轴风力发电机的叶片在旋转过程中，受水平推力、惯性力和重力的综合作用。受风切变影响，水平推力的大小始终变化，无论对叶片还是传动系统和塔架都产生大的交变载荷；惯性力的方向随时变化；重力在叶片根部产生一个与旋转频率同频率的交变载荷。上述三个交变载荷以及由此产生的振动是叶片破坏的主要原因。
风力发电机单机功率越做越大，目前国际上比较一致的看法是：单机功率越大，成本越低，其原因是一般认为风力机功率越大，所需的风力机数目越少，需要维修的部件越少，成本越低。
实际上，由于受建筑物和地面的摩擦作用，随着高度的增加，风速逐渐增大，这种现象称之为风切变，叶片在回转平面内处于不同位置时，风速会有差异，因而在回转平面垂直方向上叶片承受的水平推力和回转力矩的大小会不同，导致叶片受到疲劳载荷。同时，重力也会在叶片上产生交变载荷。因此，叶片越长，重量越重，受风切变和重力载荷的影响越大，导致叶片所承受的交变载荷越大，叶片越容易发生破坏。目前，大型风力发电机叶片破坏的报道还不多见，主要是因为安装时间短，问题还没有完全暴露，若干年后，也许会大面积爆发。一旦出现问题，风电场由于停机、停电造成经济损失，再算上维修、吊装及更换零部件、超限运输、重复安装等等花费，加之风机大多安装在偏远或者交通不便的地区，吊装拆卸难度大，最后付出的代价巨大。因此，虽然风电机组的制造成本随功率增加而降低，但考虑到后期的维修等费用，其总成本反而会上升。另一方面，巨型风电机组其叶片长度将达到60-70m，陆上运输、安装极为困难，安装用的吊车容量将超过1200-1400t，很多地区不具备这个条件，从而限制了巨型风电机组的使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统。
本发明的技术方案概述如下：
一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，包括下部塔架1、回转轴承3和风力机，还包括上部塔架2、钢丝绳和/或钢材杆8、梁6、尾舵7和吊杆9，回转轴承设置在上部塔架和下部塔架之间，上部塔架的两侧分别与梁的一端连接，最上面的梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆与上部塔架的顶端连接，相邻梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆连接，吊杆的上端与位于最下面的梁固定连接，风力机与上部塔架的顶部、梁或/和吊杆的下端固定连接，上部塔架两侧的梁的长度相等，一侧的梁上设置的风力机的数量比另一侧的梁上设置的风力机的数量多1-20个，风力机包括风轮4和机舱5，风力机为2-100个，尾舵与上部塔架、梁或/和机舱通过销轴进行连接。
最上面的梁的中部通过1-10根钢丝绳和/或钢材杆与所述上部塔架的顶端连接，相邻梁的中部通过1-10根钢丝绳和/或钢材杆绳两两连接。
尾舵的数目为1-100个。
吊杆为2-50个。
还可以包括横拉杆10，横拉杆设置在吊杆之间。
还包括斜拉杆11，斜拉杆的一端与吊杆连接，斜拉杆的另一端与最下面的梁连接。
还包括桅12，桅的一端连接在下部塔架上。
风力机的功率为优选0.5～500kW，最好是2～100kW。
本发明的优点和积极效果是：
(1)叶片寿命长。本发明的上部塔架上安装多个中、小型风力机，其叶片短，在高度方向上受风切变影响小，短叶片的疲劳载荷小，同时短叶片的制造技术成熟，性能稳定，因而叶片的寿命长。
(2)占地面积小。考虑到尾流的影响，现有技术的普通风电机组在安装时要相隔一定的距离，而本发明的在一个塔架上的多个风力机仅仅需要考虑风力机侧向的相互影响，大大节省了占地面积。同时，中、小型机组的尾流影响距离短，在风电场内可以布置更多本发明，有利于提高风电场的总装机容量，提高风电场的经济效益。
(3)独特的安装方式。本发明的上部塔架连接有梁，在正常使用时，作为风力机的安装结构，在安装和维修时梁可以作为吊支架，不需要或者仅需要小型起吊机械就可以进行设备安装与拆装，有效降低安装维修成本。
(4)维修成本低。主要体现在以下几个方面：一是由于采用中、小型风力机，其叶片不仅短而且重量轻，运输方便和更换简便；二是规模化效益高，利于集成化和模块化和规模化，降低生产成本，提高经济效益；三是中、小型风力机技术成熟，零部件价格便宜。
(5)系统的可靠性好。本发明由于采用的是在一个塔架上布置多个风力机的方式，当单个或某几个风力机发生故障，不会对其他风力机产生影响，系统仍然能够基本保持正常运转。风电场的风力机数目更多，单个风力机发生故障对系统和电网的影响微乎其微。
(6)应用范围广。与大型和巨型风电机组相比，本发明由于采用中、小型风力机，无论是对风场条件、地理位置还是占地面积的要求要低的多，大大拓展了本系统的应用范围。
(7)取消了机舱内的回转轴承或回转驱动装置。由于在上部塔架和下部塔架中间布置了回转驱动装置，实现了上部塔架、梁和风力机的整体回转，因此不需要在单个风力机的机舱内设置回转轴承或回转驱动装置。
(8)本发明的悬挂结构改善回转轴承的受力。吊杆的下端悬挂的风力机由于位于回转轴承的下方，承受水平推力时，在回转轴承上产生的倾覆力矩的方向与上方的风力机产生的倾覆力矩方向相反而相互抵消，从而减小了作用在回转轴承上的倾覆力矩。
(9)自动对风、偏航和安全保护。尾舵在风速小于额定风速时产生的回转力矩驱动回转轴承以上部分进行对风。不对称布置的风力机在风速大于额定风速时产生的回转力矩驱动回转轴承以上部分进行偏航。
(10)不需要驱动系统。由于结构的对风、偏航和安全保护通过尾舵都可以实现，因此不需要再设置液压式或电机驱动式的回转驱动装置。
(11)在一个长的梁的端部和中部布置有若干钢丝绳和/或钢材杆，将梁两两连接并连接到塔架上，能以较小的代价大大改善梁的受力，降低结构的总体成本。
附图说明
图1为多转子风力发电系统的示意图。
图2为多转子风力发电系统第二种形式的示意图。
图3为多转子风力发电系统第三种形式的示意图。
图4为多转子风力发电系统的尾舵安装形式俯视示意图。
图5为多转子风力发电系统第二种尾舵安装形式的俯视示意图。
图6为多转子风力发电系统第三种尾舵安装形式的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，包括下部塔架1、回转轴承3和风力机，还包括上部塔架2、钢丝绳和/或钢材杆8、梁6、尾舵7和吊杆9，回转轴承设置在上部塔架和下部塔架之间，上部塔架的两侧分别与梁的一端连接，最上面的梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆与上部塔架的顶端连接，相邻梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆连接，吊杆的上端与位于最下面的梁固定连接，风力机与上部塔架的顶部、梁或/和吊杆的下端固定连接，上部塔架两侧的梁的长度相等，一侧的梁上设置的风力机的数量比另一侧的梁上设置的风力机的数量多1-20个，风力机包括风轮4和机舱5，风力机为2-100个，尾舵与上部塔架、梁或/和机舱通过销轴进行连接。
最上面的梁的中部通过1-10根钢丝绳和/或钢材杆与所述上部塔架的顶端连接，相邻梁的中部通过1-10根钢丝绳和/或钢材杆绳两两连接。
尾舵的数目为1-100个。
吊杆为2-50个。
还可以包括横拉杆10，横拉杆设置在吊杆之间。
还包括斜拉杆11，斜拉杆的一端与吊杆连接，斜拉杆的另一端与最下面的梁连接。
还包括桅12，桅的一端连接在下部塔架上。
风力机的功率为优选0.5～500kW，最好是2～100kW。
本发明专利的工作原理为：
当风速达到风力机的启动风速时，风力机开始转动工作，产生的电能转换成与电网同频同相的电后连接到电网上进行并网发电，或输送到蓄能系统进行储能。尾舵在风速小于额定风速时产生的回转力矩驱动回转轴承以上部分进行对风，不对称布置的风力机在风速大于额定风速时产生的回转力矩驱动回转轴承以上部分进行偏航。

Claims (9)

1.一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，包括下部塔架(1)、回转轴承(3)和风力机，其特征是还包括上部塔架(2)、钢丝绳和/或钢材杆(8)、梁(6)、尾舵(7)和吊杆(9)，所述回转轴承设置在所述上部塔架和所述下部塔架之间，上部塔架的两侧分别与梁的一端连接，最上面的梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆与所述上部塔架的顶端连接，相邻梁的外端通过钢丝绳和/或钢材杆连接，所述吊杆的上端与位于最下面的梁固定连接，所述风力机与所述上部塔架的顶部、所述梁或/和吊杆的下端固定连接，所述上部塔架两侧的梁的长度相等，一侧的梁上设置的风力机的数量比另一侧的梁上设置的风力机的数量多1-20个，所述风力机包括风轮(4)和机舱(5)，所述风力机为2-100个，所述尾舵与所述上部塔架、所述梁或/和所述机舱通过销轴进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是所述最上面的梁的中部通过1-10根钢丝绳和/或钢材杆与所述上部塔架的顶端连接，相邻梁的中部通过1-10根钢丝绳和/或钢材杆绳两两连接。
3.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是所述尾舵的数目为1-100个。
4.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是所述吊杆为2-50个。
5.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是还包括横拉杆(10)，所述横拉杆设置在所述吊杆之间。
6.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是还包括斜拉杆(11)，所述斜拉杆的一端与所述吊杆连接，所述斜拉杆的另一端与最下面的梁连接。
7.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是还包括桅(12)，所述桅的一端连接在所述下部塔架上。
8.根据权利要求1所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是所述风力机的功率为0.5～500kW。
9.根据权利要求8所述的一种带有吊杆的能自动对风的多转子风力发电系统，其特征是所述风力机的功率为2～100kW。
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