CN102900601B - 一种自动调速式模块化风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动调速式模块化风力发电系统，包括风力机模块、风力发风电机以及电气控制和输出部分，所述的风力机模块至少两个，每个风力机模块之间连接风力机模块连接器，所述的风力机模块连接器上端设有上可偏心连接器，上可偏心连接器上端连接风力机模块，上可偏心连接器下端连接主动传动轴，主动传动轴下端经离合器连接从动传动轴，传动轴一端经下可偏心连接器连接风力机模块。从而解决了在不稳定的自然风况下保证发电机稳定高效运行和对自然风源的高效利用的问题。具有结构简单、安全性高、易安装、实用性广，使风电运营成本大幅下降的特点，且大大地提高了风能资源的有效利用率和易于推广应用。

Description

一种自动调速式模块化风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种自动调速式模块化风力发电系统。

背景技术

现有风力发风电机系统中的风力机均为整体式结构，因此，在风力发电机的整体结构设计和安装尤其是风力机的结构设计问题上必须根据勘测的风源数据，充分考虑风力发电机在飓风时的抗风能力、卸荷以及刹车泄风装置等的安全性问题，因此使得整个风力机发电系统非常笨重，建造成本居高不下。同时由于风力机的扫风面积在设计时已经固定，风源太大时要卸荷或刹车停止发电避免风力机和设备损坏，而在微风时又无法启动风力机旋转带动发电机发电；在低风况时风力发电机又不能发出额定的电能，因此这种传统而且极其被动的风力发电机构设计方式使人们对风能的利用效率极低。

因此，由于风机结构等技术问题造成人们对风源利用的极端被动或说对风源的要求相当苛刻，使得人们对风力能源的利用和风发电事业的发展进展缓慢，风源利用率低下，风电的成本居高不下，风电技术应用得不到有效地推广。

现有的风力发电技术存在如下不足：

（1）风力机的扫风面积固定性设计，使风力机无法在自然风况下保证发电机稳定高效运行和对自然风源的高效利用；

（2）为了保证风电设备的可靠运行和抗拒飓风时对风机的破坏性，不但对风力机的结构、抗风措施、运行方式、塔架机构等的抗风性能，都必须加大在飓风时安全冗余量的设计，大大地加大了投资运营成本；

（3）对自然风源的利用是一种及其被动式的利用，因此风源的利用率低，风电成本高，绿色风电能源的应用难以推广。

发明内容

本发明其目的就在于提供一种自动调速式模块化风力发电系统，具有结构简单、安全性高、易安装、实用性广，使风电运营成本大幅下降的特点，且大大地提高了风能资源的有效利用率和易于推广应用。

实现上述目的而采取的技术方案，包括风力机模块、风力发风电机以及电气控制和输出部分，所述的风力机模块至少两个，每个风力机模块之间连接风力机模块连接器，所述的风力机模块连接器上端设有上可偏心连接器，上可偏心连接上端连接风力机模块，上可偏心连接器下端连接主动传动轴，主动传动轴下端经离合器连接从动传动轴，传动轴一端经下可偏心连接器连接风力机模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

由于采用了至少两个风力机模块和每个风力机模块之间连接风力机模块连接器的模块化结构设计，通过多个模块化风力机的组合设计和自动调速连接器单元的有机配合，利用离合器实现对风力机扫风面积的控制，实现风力机模块随风源变化状况进行自动加减的自动调整，使人们对风力资源的有效利用达到最大化地利用，改变了风力机的传统设计思路，使风力机的结构更为简单实用，且大大地提高了风能资源的有效利用率，使风电运营成本大幅下降，和更易于推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

     图1为本装置结构原理示意图。

     图2为本装置中风力机模块连接器结构原理示意图。

     图3为图2中A-A剖视图。

具体实施方式

包括风力机模块10、风力发风电机15以及电气控制和输出部分16，如图1所示，所述的风力机模块10至少两个，每个风力机模块10之间连接风力机模块连接器12，所述的风力机模块连接器12上端设有上可偏心连接器210，上可偏心连接器210上端连接风力机模块10，上可偏心连接器210下端连接主动传动轴310，主动传动轴310下端经离合器415连接从动传动轴313，传动轴313一端经下可偏心连接器220连接风力机模块10。

所述的离合器415设在自动限速控制腔510内，如图2所示，所述的离合器415上端设有离合控制器416，主动传动轴310上端设有离心限速器413, 所述的主动传动轴310和从动传动轴313一端设有主动传动轴定位轴承311和从动传动轴定位轴承312。

所述的离合器415可以为离心离合器，包括飞块1、转子2和复位弹簧3，如图3所示。

所述的每个风力机模块10之间连接的风力机模块连接器12为模块化连接。

所述的上可偏心连接器210和下可偏心连接器220为柔性连接，可以连接风力机模块10为水平状或垂直状或弧形状。

所述的自动限速控制腔510可以作支撑连接。

一端经下可偏心连接器220连接风力机模块10。

本装置是由多个风力机模块组成的风力机组合单元，与风力发电组成的风力发电系统，该系统包括：多个风力机模块（至少两个）通过风力机模块连接器（至少一个）的连接以形成一个完整的风力机组合单元；该风力机模块连接器单元具有连接、自动调速和自动泄风等功能。风力机模块连接器单元用于对应控制和调整风力机模块参与发电或是作用与泄风的自动控制，以对应控制风力发电机的转速。即当风源很小时风力机模块连接器中的控制机构使各风力机模块互相连接组成一个整体，使系统中的风力机模块全部参与发电运行，此时风力机的扫风面积达到最大值，使风力机在微风中也能正常发电；随着风源的逐渐增大，因风力机模块连接器的控制作用，使得风力机模块逐渐脱离自动转入泄风状态，而用于发电运行模块的个数逐渐减少，风力机的扫风面积逐渐下降；而在当风源逐渐变小时，反之工作在泄风状态运行的风力机模块又自动转入发电运行，由于及时增大了风力机的扫风面积，使风力机转速得以稳定，风力发电机的转速也相对稳定，以至保证发电机在大小风况状态下都能正常运行发电，使发电机的输出得以保持相对稳定。从而大大地提高了风能资源的有效利用率。

本装置可以连接风力机模块10为弧形状，并以自动限速控制腔510作支撑连接，可以在涵洞中使用。

模块化的风力发电机系统的工作原理

如图1所示，本实施例中垂直轴模块化风力机发电系统包括：风力机模块10和风力机模块连接器12连接形成风力机单元，通过多个风力机模块单元组合后（至少两个或以上）形成一个风力机模块组合单元组，带动风力发电机15形成一个可根据风电场自然风源的大小和风力发电机的动力需求自动调整风力机模块10参与发电运行的数量，实现自动增减风力机的扫风面积,使风力机能在自然风源情况下保证获得较稳定的风能资源推动风力发电机旋转，使风力发电机正常运转发电，再通过电气控制和输出部分组成一个完整的风力发电机系统。（系统组成）

本实施例中，风力发电机系统中的风力机组合单元组为了保证风力发电机的正常运转发电，其风力机组合单元组中，至少有两个或两个以上的风力机模块单元（根据风力发电机的功率、风电场风源的具体情况以及对风力机扫风面积大小的要求，决定风力机组合单元组中风力机模块的数量）参与风力发电机发电运行。每一个风力机模块连接器12用于对应风力机模块工作状态的变换控制，以保证风力发电机15的正常发电运转。当风源很小时，风力机模块连接器12中的控制机构连接（后面详述），系统中的风力机模块，使全部风力机模块参与发电运转，此时风力机的扫风面积达到最大值，使风力机在微风中也能正常运转发电；随着风源的逐渐增大，因风力机模块连接器的控制作用使得风力机模块由上至下逐渐脱离风电运转，而自动转入泄风状态运转，使用于发电运转的风力机模块单元个数逐渐减少，风力机的扫风面积逐渐下降，使风力机在大风中也能稳速运转，使风力发电机仍能正常发电，这就可省去了卸荷和刹车装置；而在当风源逐渐变小时，反之由于风力机模块连接器12的控制和调节作用，使在泄风状态运行的风力机模块单元又自动转入发电状态运行，由于风力机扫风面积随风源的减小而自动增大，以至保证了在风源较小的情况下，使风力发电机都能获得相对稳定地风能动力推动风力发电机正常运转发电，从而大大地提高了风能资源的有效利用率。

风力机模块连接器12的作用原理

如图2所示风力机模块连接器，本实施例包括：上可偏心连接器210 、自动限速控制腔510 和下可偏心连接器220三个部分组成风力机模块连接器12。

上可偏心连接器210为一个近似万向节结构的连接器，分上、下两部分，其上部分与上一层风力机模块传动轴相连接，其下部分一端为连接器与上部分的连接器咬合，另一端为轴，与自动限速控制腔510内的从动传动轴310连体，（自动限速控制腔510另有详细描述）。下可偏心连接器220与上可偏心连接器210的结构一样，但上下端方向相反，便于与下一层风力机模块连接。（12系统的组成）

本实施例通过本发明在具体操作时，自动限速控制腔510，1、对应将各风力机模块相互连接，并将获得的风能动力向风力发电机传导推动发电机发电。2、通过自动限速控制腔510的调节控制作用，在不同的风况下根据风力发电机的载荷情况对风力机模块组合单元组中的模块工作状态进行自动调节，改变风力机的扫风面积至使风力发电机获得稳定的风能动力，让风力发电机旋转发出电能。3、自动限速控制腔510还起到提供风力机模块的安装固定作用。4、可偏心连接器的意义在于消除N个风力机模块叠加安装时的轴向偏差，使风力机的制造、安装、维护都变得更加简单。

自动限速控制腔510的作用原理

如图2所示自动限速控制腔510，本实施例包括：主动传动轴310、主动传动轴定位轴承311、离心限速器413、离合器415、离合控制器416、从动传动定位轴承312、从动传动轴313 等部分共同安装在自动限速控制腔510中，主动传动轴310和从动传动轴313分别向自动限速控制腔两端延伸与上下可偏心连接器相连。

本实施例中，主传动轴定位装置311和从动传动轴定位装置312是保证主动传动轴310与从动传动轴313的垂直同心度的定位和旋转；离心限速器413安装在主动传动轴310上，在泄风状态时起到限速的作用；离合器415分上下两部分，分别安装在主动传动轴310和从动传动轴313相接的顶端用于传递动力 ；在离合器下部从动离合器部分装有离合控制器416以传动和调整发电机最高转速等作制用。

本装置自动限速控制腔510的主要工作原理(现以离心式离合器为例)：自动限速控制腔510是风力机模块连接器12中的调节控制部分组件，他通过上可偏心连接器210将上层风力机模块的风能旋转动力传递给主动传动轴310，再由安装在主动传动轴310和从动传动轴313顶端的离合器415(离合器415的上下（片）部份,分别安装在主动传动轴310和从动传动轴313两轴的顶端，通过离合器415将风能旋转动力传导给从动传动轴313，从动传动轴313又将风能旋转动力传导给下可偏心连接器220，下可偏心连接器220最终将上层风力机模块的旋转动力传导给下风力机模块或风力发电机上，加大风力发电机的旋转动力。

当风力发电机的旋转速度超过额定转速时，在离心力的作用下先使最上层风力机模块离合器415的上下离合器片张开分离，分离后的上层风力机模块进入泄风工作状态,风力机的扫风面积减小；如风力发电机的旋转速度继续超过额定转速时,下一层的风力机模块继续重复最上一层风力机模块的过程进入泄风工作状态,该过程逐渐进行至风力发电机运行进入额定转速状态，形成实现部分风力机模块自动泄风，部分风力机模块参与发电，风力机的扫风面积自动减小从而达到风力发电机稳定转速的目的。而工作在泄风状态的风力机模块因风源过大时风力机模块在离心限速器413的限制下工作在一定的转速范围内不至于飞车。

当风源减小时由于风能的减弱，风力发电机的旋转速度下降，离心力也随之减弱飞块1被复位弹簧复位，使离合器415在离合控制器416的作用下咬合，被咬合的最下层原运行在泄风状态的风力机模块立即进入发电运行状态运行，因此自动增加了发电运行风力机的模块数，加大了风力机的扫风面积；如此根据风源的情况和在离合控制器416的作用下，风力机模块由泄风状态逐渐全部加入发电运行状态，使风力发电机获得的风能动力逐渐增加，使风力发电机继续稳定转速发电。

由于自动限速控制腔的调节等作用，可以使风力机模块根据风源和风力发电机功率的大小，使风力机组合单元组中的风力机模块单元自动接入和退出发电运行状态的有效运行数量，如此使风力机模块达到自动调整风力机扫风面积目的，从而到达自动调整和控制风力发电机的转速，使风力发电机工作在良好的运行工作状态，从而充分的利用了风力资源发出稳定的电能。如此使绿色能源获得充分地利用。

Claims (9)

1.一种自动调速式模块化风力发电系统，是由多个风力机模块（10）组成的风力机组合单元，与风力发电机（15）以及电气控制和输出部分（16）组成的风力发电系统，其特征在于，所述的风力机组合单元，由至少两个风力机模块（10）通过至少一个风力机模块连接器（12）的连接以形成一个风力机组合单元，所述的风力机模块连接器（12），由上端设有上可偏心连接器（210）、自动限速控制腔（510）和下可偏心连接器（220）三个部分组成，其特征在于，所述的自动限速控制腔（510）由主动传动轴（310）、主动传动轴定位轴承（311）、离心限速器（413）、离合器（415）、离合控制器（416）、从动传动定位轴承（312）、从动传动轴（313）各部分共同安装在自动限速控制腔（510）中，主动传动轴（310）和从动传动轴（313）分别向自动限速控制腔（510）两端延伸与连接器相连。

2.根据权利要求1所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，其特征在于，所述的风力机组合单元，在超一定的高风速旋转时，风力机组合单元中各风力机模块（10）逐渐进入泄风状态并各自成独立，而在低风速旋转状态时离合器（415）是逐渐自动咬合，使各风力机模块（10）分别进入发电状态，自动逐渐形成一体的风力机组合单元。

3.根据权利要求1所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，所述的风力机模块连接器（12）包括：上可偏心连接器（210）、自动限速控制腔（510）和下可偏心连接器（220），其特征在于，所述的风力机模块连接器（12）两端有可偏心连接器与风力机模块（10）为柔性链接，可以连接风力机模块（10）为水平状或垂直状或弧形状，以在不同场合中使用安装，并可消除N个风力机模块（10）叠加安装时的轴向偏差，自动限速控制腔体可作连接支撑。

4.根据权利要求1或2所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，其特征在于，所述的离合器（415）分上下两部分，分别安装在主动传动轴（310）和从动传动轴（313）两轴的顶端，通过离合器（415）将风能旋转动力传导给从动传动轴（313）输出，其特征在于，在离心力增大到设定的高转速时进入自动分离状态，在低转速时进入自动咬合状态。

5.根据权利要求1所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，其特征在于，所述的离合控制器（416）含弹簧，离合器（415）在离合控制器（416）的作用下控制离合器（415）的分离与咬合。

6.根据权利要求1所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，其特征在于，所述的离心限速器（413）为附加控制件安装在主动传动轴（310）上，风力机模块（10）进入泄风状态时在离心限速器（413）限制下工作在一定的转速范围内不至于飞车。

7.一种自动调速式模块化风力发电系统，包括由多个风力机模块（10）组成的风力机组合单元，与风力发电机（15）以及电气控制和输出部分（16）组成的风力发电系统，其特征在于，实现该系统自动调速运行发电的方法是由系统中多个风力机模块（10）至少两个，通过风力机模块连接器（12）的连接至少一个，组成风力机组合单元，所述的风力机模块连接器（12）由上端设有上可偏心连接器（210）、自动限速控制腔（510）和下可偏心连接器（220）三个部分组成，所述的自动限速控制腔（510）由主动传动轴（310）、主动传动轴定位轴承（311）、离心限速器（413）、离合器（415）、离合控制器（416）、从动传动定位轴承（312）、从动传动轴（313）各部分共同安装在自动限速控制腔（510）中，主动传动轴（310）和从动传动轴（313）分别向自动限速控制腔（510）两端延伸与连接器相连传递风能动力，在上述机构的有序配合下按照当风速逐渐下降进入低风速状态时，各个风力机模块（10）自下而上，逐渐咬合连成一个整体，风力机组合单元扫风的总面积等于其中各风力机模块（10）的扫风面积之和，以捕捉最大的风能保证发电机获得足够的风能动力；而在风速逐渐增大时，风力机组合单元中超速的风力机模块（10）将自上而下地逐渐分离进入泄风状态工作，以减小风能动力防止发电机超速运行，保证发电机正常发电，如此有序地完成风力机模块（10）的运行方式切换实现自动调速。

8.根据权利要求7所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，其特征在于，所述的风力机模块连接器（12）两端设有可偏心连接器与风力机模块（10）为柔性链接，以消除N个风力机模块（10）叠加安装时的轴向偏差。

9.根据权利要求7所述的一种自动调速式模块化风力发电系统，其特征在于，所述的离合器（415）的分离和咬合在离合控制器（416）的控制作用下使得离合控制点可以人为整定，实现风力机组合单元中各风力机模块（10）按自上而下或自下而上逐个切换运行状态进入泄风或发电运行实现自动调速目的；所述的离合器（415）通过改变离心力的作用方向实现控制主、从传动轴带动相应的风力机模块（10）在低风速时自动链接、高风速时在超设定转速后自动分离，达到风力机模块（10）泄风或发电两种运行状态自动转换。