CN102338037A - 盘式垂直轴微风发电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明是针对微风或轻风情况下，如何降低风力发电机系统的起动风速和开始发电风速而研制的盘式垂直轴微风发电机系统。通过轴向磁场的盘式发电机，不存在普通径向磁场电机中的齿槽阻力矩，实现了微风甚至轻风起动，通过带有低电压提升功能的充电器，则升高了低风速时的整流电压，充电更容易。随着我国乡村公路建设事业的发展，环保节能的风电路灯和风光互补路灯得到广泛应用，提高弱风地段路灯发电机效果，减少蓄电池成本，构成一个高效、可靠的垂直轴微风发电机系统，具有很高的社会经济效益，系统由风轮机(1)、发电机(2)、充电器(3)、蓄电池(4)、控制器(5)、用电负载(6)和制动器(7)构成。

Description

盘式垂直轴微风发电机系统

技术领域

本发明属于风力发电系统技术领域，具体地说，是提出一种带垂直轴风轮机的、在微风中容易起动和发电的轴向磁场盘式发电机和带有低电压升高功能的充电器的复合技术系统。

背景技术

在风力发电系统技术领域，发电机是将机械能转变为电能的、必不可少的机电能量转换装置。为了从风中得到更多的能量，在风轮机确定的前提下，希望发电机具有更低的机组起动风速，更长的风力发电时间，以便从风中得到更多的能量。

这就要求发电机有更小的起动阻力矩，适合微风起动；但低风速时仍存在发电电压低于蓄电池电压而无法充电的问题，所以也要求在更低的风速下开始发电，普通机种很难满足微风发电的技术要求。

发明内容

本发明的目的是通过采用盘式风力发电机来减小起动阻力矩，摒弃因存在齿槽会增加起动阻力的普通径向磁场发电机，盘式发电机可以在更低的风速下起动；另外由于微风发电时的电压可能低于蓄电池电压，本发明采用了能把整流后的电压升高一定倍率的特殊充电器，二个措施共同作用，解决了微风起动和发电问题。

本发明的是这样实现的，一种由风轮机(1)、发电机(2)、充电器(3)、蓄电池(4)、控制器(5)、用电负载(6)和制动器(7)构成的盘式垂直轴微风发电机系统，风轮机(1)与发电机(2)直接轴连，轴上安装有制动器(7)，发电机(2)的输出线接充电器(3)的交流输入端，经过整流、滤波等环节向蓄电池(4)充电，系统通过控制器(5)的控制，向负载器(6)输送电能，实现风能的高效、安全利用，其特征为，所述发电机(2)是四线制盘式发电机，且所述充电器(3)中有一个低压增压电路。

采用本发明的微风发电机系统，既降低了微风起动时的风速阈值，又降低了开始微风发电的下限，使风力发电系统能增加微风发电时间，系统将可能利用微风能量多发电。

附图说明

图1为本发明的微风发电机系统框图。

图2为发明的充电器线路图。

图3为本发明的发电机电压矢量图。

图4为本发明的系统电气结构原理图。

具体实施方式

图1为本发明的微风发电机系统框图。风轮机(1)又称风轮透平机，是系统从风中采能的装置，本系统采用可靠性高，结构牢固，抗强风的垂直轴机型。除了上述优点外，垂直轴机型的另外二个优点是无需对风装置，适应风向变化频繁的场所，而且电能从风机传送到充电器(3)无需电刷滑环而发电机输出端线可以直接从发电机引出接入系统内。风轮机(1)安装在发电机转轴或外壳或与之相连接的平台上，具体安装位置，可视风轮机的结构形式而定。图中风轮机是H型机，也可以是其它多种形式，例如S型、风杯型、达里厄型、弗来纳型等或由它们组成的复合型等不同机型。

本发明中的发电机(2)采用盘式永磁同步发电机结构，普通径向磁通发电机都带有齿槽，齿用来减少气隙长度，增加气隙磁通，槽用来嵌放定子绕组，径向磁通发电机的磁场和绕组呈圆周分布，由于定子齿部和槽部导磁率炯异，带磁场的转子在运转时，磁极往往被齿部吸引而难以转向槽部，产生较大的运转阻力，称为齿槽阻力矩，尤其是起动时的阻力矩较大，影响到机组在微风中起动。而盘式机的磁通在轴向，磁场和绕组呈平面布置，可以不要定子铁芯，即使有定子铁芯也可以没有齿槽，转子在任何位置磁力线大小都一样，所以没有齿槽阻力矩，起动阻力比普通径向磁通发电机小得多。显然采用盘式机使机组更容易起动，微风起动性能更优越。盘式机有内转子式和外转子式的不同结构，可根据风轮机的要求选择。与现有常用风力发电机不同的是，通常的风力发电机为三线输出，而本发明中的发电机(2)的特征为，发电机(2)是带有零线的一组星形绕组，共有四根引出线的盘式永磁三相同步发电机。

充电器(3)在本发明的系统中起着同样至关重要的作用。通常的充电器为三相桥式整流器，其输出最高直流电压为：

UL＝(3)^1/2·Uφ，

Emax.＝(2)^1/2·UL＝2.449Uφ  (式-1)

从图2中可以看出，本发明系统中的充电器(3)由整流部分(31)、滤波部分(32)和充电开关(33)三部分构成，其特征为，所述整流部分(31)中的三相桥式整流器的直流输出端连接到由电容器C1和C2相串联的滤波电路(32)；发电机(2)的零线通过充电开关电路(33)中的开关S2连接到电容器C1和C2的中点。开关S2由控制器(5)控制通断，在微风状态下控制器(5)检测到发电机(2)低电压输出时，控制器(5)使开关S2闭合，将三相桥式整流器改变成为二个串联电压叠加的三相半波整流器，以提高直流输出电压。

这个低压增压电路的机理是，当S2闭合时，整流桥改变为二个三向半波整流器串联的运行模式，其输出最高直流电压为：

Emax.＝2·(2)^1/2·Uφ＝2.828Uφ(式-2)

(式-2)与(式-1)相比，整流后的直流电压提高1.155倍，即有15.5％的电压增幅，该增幅保证了本发明的系统比不采用本发明系统的起始充电风速更低，具有在微风状态下更好的充电能力，也就是说，只要风中能量足够，就有更多的充电电流。通过图3所示的发电机相电压、线电压以及整流器特性可以更清楚地了解产生低电压升幅的原理。

蓄电池(4)是用来储蓄过剩的风电，以备系统在无风时或微风风电不足时使用所储蓄的电能，蓄电池有许多种类，如常温下的酸性、碱性二大类蓄电池和高温下运行的钠硫电池等，如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池等。由于铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，在风电系统中得到广泛应用。蓄电池在充电时将电能改变为化学能储存在蓄电池中，在放电时又将蓄电池中的化学能还原成电能供负载使用。

用电负载(6)由有用负载L、过荷负载R以及它们各自的控制开关S3和S4组成，见图6。有用供电负载L是指需要由本系统提供供电的负载，例如，风电路灯中的照明灯泡，家用风机系统中的灯具、电视机等用电设备；过荷负载R指蓄电池充足电后，如果当时风仍很强，而发电机的有用负载又很小，为了防止轻负载时发电机转速太高，必须将发电机发出的多余电能消耗在过荷负载R中，这样，发电机就不容易超速飞车。

控制器(5)是保护、监视、调节本系统中风轮机(1)、发电机(2)、充电器(3)、蓄电池(4)、用电负载(6)、制动器(7)等各部件，以使系统个部件有序、高效工作的执行信号控制机构，例如，开关S1、S2、S3和S4的通断、发出制动器执行和解除信号、电压电流的测量、保护等等功能都必须是由控制器(5)送出执行指令。

制动器(7)是在系统遭遇特大强风时，为保护风轮机的安全、防止为强风所毁，而必须制动停转；在系统出现故障不能再运行，否则会引起更大的器件损坏，也必须加以制动；在过大的风况下，发电机也可能发生过载，这时，如发电机中的热积累超过发电机温升极限，必须使系统制动停转；或者由于负载很小而蓄电池已经充足电后，过充电将缩短蓄电池寿命，为保护蓄电池，也都必须用制动器使风轮系统停转。所以，制动器是系统安全工作所必不可少的设施。制动器(7)可以是机械式的，可以是电磁式的，也可以是单纯地用继电器将发电机的三相输出线短接，中型风力发电系统中可采用复合制动器，以达到更好的制动效果，例如，可以加入再生制动。制动器可以由控制器自动控制，也可以人工手动操作。

Claims (3)

1.一种盘式垂直轴微风发电机系统，系统由风轮机(1)、发电机(2)、充电器(3)、蓄电池(4)、控制器(5)、用电负载(6)和制动器(7)组成，风轮机(1)与发电机(2)直接轴连，轴上安装有制动器(7)，发电机(2)的输出线接充电器(3)的交流输入端，经过整流、滤波等环节向蓄电池(4)充电，系统通过控制器(5)的控制，向负载器(6)输送电能，实现风能的高效、安全利用，其特征为，所述发电机(2)是四线制盘式发电机，且所述充电器(3)中有一个低压增压电路。

2.权利要求1所述的盘式垂直轴微风发电机系统，其特征为，其中发电机(2)是带有零线的一组星形绕组，共有四根引出线的盘式永磁三相同步发电机。

3.权利要求1所述的盘式垂直轴微风发电机系统，系统中的充电器(3)由整流部分(31)、滤波部分(32)和充电开关(33)三部分构成，其特征为，所述整流部分(31)中的三相桥式整流器的直流输出端连接到由电容器C1和C2相串联的滤波电路(32)；发电机(2)的零线通过充电开关电路(33)中的开关S2连接到电容器C1和C2的中点。开关S2由控制器(5)控制通断，在微风状态下控制器(5)检测到发电机(2)低电压输出时，控制器(5)使开关S2闭合，将三相桥式整流器改变成为二个串联电压叠加的三相半波整流器，以提高直流输出电压。

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