CN102900625B - 一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组 - Google Patents
一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，包括叶片风轮，其特征在于所述叶片风轮与智能型超大功率液力传递系统连接，智能型超大功率液力传递系统连接与发电机连接。本发明不但大幅度降低了成本、简化了结构，提高了机组的风能利用效率，也大幅度的提高了风力发电机组的电能输出特性，比原先的机械传递风电功率方式超越了很多，不但有良好的并网和谐性能，还有良好的低电压穿越性能，同时也表现出良好的离网独立运行特性。
Description
技术领域
本发明属于于中、大型风电技术领域，具体是一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组。
背景技术
现代的中型、大型风力发电机组都是采用械方式进行风能发电的，其从叶片风轮处收集风能到最后的输出电能的流程是：风能→机械能→变速箱→发电机的模式，此模式最后输出的电能质量差、波动幅度很大，因为没有任何的储能、平衡能量的手段，直接受到风速变化的影响，在并网时此种波动很大的电能很不利于电网调控，也不能够独立的运行。
此种传统的风力发电机组的动力传递模式已经发展了几十年，其波动很大的动力输出特性受到人们广泛的诟病，在国家绿色能源政策的支持下，均是并网方式运行，电网方面一直都是以“垃圾电”来称呼它。
在中型和大型机组方面也因为在并网时没有“低电压穿越”性能，给电网电压造成大的波动，即便是重新加装能够实行这个性能的设备，也是投资巨大。
另外，由于叶片风轮的转速与发动机转速相差极大，一般大型风力发电机组的叶片转速只有15-20转/每分钟，而末端的发电机转速在1500转/每分钟，所以必须使低转速动力轴功率通过变速箱变速为高转速动力轴功率，才能够与高速发电机匹配实现正常发电。
但这是一种变速比极大的变速箱，变速比一般在1：70-1:90之间，这样大的变速比造成了变速箱的很大问题，如此大变速比的变速箱因为低速齿轮受力太大，经常造成损坏，如果加大变速箱的传递功率，又会大幅度的增加变速箱的体积和重量，使整个机组上部的空中机舱总重量呈几倍的大幅度增加，所以传统的风力发电机组的空中部分的机舱重量都在几十吨、上百吨，最大的甚至达到300吨（见中央电视台2012年09月的专题报道《超级工程》中的“巨型5兆瓦风力发电机组”介绍，其顶部的机箱重量就是300吨重），其中变速箱所占的比重大约占到整个空中机舱的1/3重量，如此大的重量悬顶在一个并不特别粗的钢筒上，在大自然变化莫测的风力的情况下无疑是十分不安全的，不但成本大幅度的增加，也给制造、安装带来了极大的麻烦和难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，我们通过参考、研究大量的类似范围的风力发电机液压传递功率方式，并且通过大量的实际试验、创新和发明，提出了智能型超大功率液力传递动力系统概念，这是一种集成化了的全新概念的液压系统，与传统液压技术完全是两个不同的技术范畴，这种超大功率可以精密、快速调节的新型的液压技术，不但彻底摒弃了以机械设备方式“传递硬性功率”的风力发电机组的老做法，不但提高了整个机组的效率，而且大幅度的减轻了机箱的重量降低了成本，下面是本发明的详细内容：
一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，包括叶片风轮，其特征在于所述叶片风轮与智能型超大功率液力传递系统连接，智能型超大功率液力传递系统连接与发电机连接。
所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述智能型超大功率液力传递系统包括低速超大功率液力增压器、气压储能罐、飞轮储能稳速器、液压马达和微处理计算机。
所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于叶片风轮与低速超大功率液力增压器连接，低速超大功率液力增压器与气压储能罐并联旁通连接，气压储能罐与液压马达并联连接，液压马达与飞轮储能稳速器轴连接，飞轮储能稳速器与发电机轴连接，叶片风轮与低速超大功率液力增压器之间、低速超大功率液力增压器与气压储能罐之间、气压储能罐上以及液压马达上分别设置有探测头，所述探测头分别与微处理计算机的输入端连接，气压储能罐上、低速超大功率液力增压器与气压储能罐之间、气压储能罐与液压马达之间分别设置有执行电磁阀，所述执行电磁阀分别与微处理计算机的输出端连接。
所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述低速超大功率液力增压器工作的转速范围是5-20转/每分钟，其输出功率范围是20-2000千瓦。
所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述气压储能罐是一个钢制圆柱形罐体，其容积是0.2-5立方米，气压储能罐中的上部为纯度为99%的氮气，氮气所占的容积为整个罐体容积的1/2-1/3，气压储能罐中的下部是液体，如液压油、酒精、防冻液、纯水、乳化液等，优选液压油，气压储能罐的工作压力范围是5-15兆帕，储存能量范围是50-2000千瓦/每分钟功率。
所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述飞轮储能稳速器是一个外圆直径为800-1200毫米、宽度为30-40毫米的幅板型飞轮，由重量为800-2000公斤的铸铁材料制成，储存能量范围是50-200千瓦/每分钟功率，飞轮储能稳速器对动力输出轴上的波动功率自动即时进行精密调整，达到总功率波动率≤1%。
所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述微处理计算机根据风力发电机功率输出情况的大小，对产生的液体压力、流量进行及时的探测采样、运算放大、并且给出动作信号、输出控制信号，控制伺服单元的执行系统即时执行电磁阀动作，对整个液压系统进行随时、快速、精密、大功率调节，达到高标准输出总功率的性能，使功率的波动范围在1%以内。
本发明的核心的四部分技术介绍如下：
一、超大功率低速液力增压器：传统的液压系统的液体（液压油）增压是使用增压泵，又叫液压泵来做到的，然而这种液压泵需要很高的转速，一般是1500转/每分钟，传递的动力能量功率范围也不能做的很大，一般最大仅几千瓦，因为转速高，传递的功率小，不能适应风力发电机组的低转速、大功率的需要。而本发明的超大功率低速液力增压器是低转速的，转速最低在每分钟几转即可产生很大的压力，设计的转速范围是5-20转/每分钟，并且传递的功率可以达到2000千瓦（2兆瓦），是特别适合现在的风力发电机组的低转速、大功率的状态，不但效率高，而且压力大传递的功率大。
二、气压储能调节器：液体是不可压缩的，但是气体是可以压缩的，本发明的气压储能器是一个能够承受较大压力的钢制，圆柱形状的罐子，容积0.2-5立方米（根据功率大小选择），下部分是液压油，上部分是氮气（安全的惰性气体），通过微处理计算机的精密快速控制，对流经此处的液压油进行快速精密的调节，使上部分的氮气受到较大压力的压缩，因为气体有可以压缩的物理特性，所以这些被密封在钢罐中的氮气就会形成一个独特的“高压气体弹簧”的物理作用，当液压油的压力变化时，这个气体弹簧就会产生“吸收高压、填补低压”的压力调节性能，再通过快速阀门的调节（此快速调节阀门是由微处理计算机控制的），所以可以大流量的进行大功率的精密调节达到精密、快速而且是大功率的能量控制。
这种调节方式在传统的液压技术也有类似的器件，称为压力调节器，但这个传统意义上的压力调节器仅仅是控制和调整液压管道中的小量的压力，不能精密而快速的调节很大的功率流量，很大的功率流量如：50-200千瓦功率时，必须使进、出气压调节储能罐的液压油以≥4立方分米/每秒钟/1兆帕的体积/时间/兆帕速率的数量关系进行及时的调节，才能够达到精密的大功率控制。
而本发明这种气压储能钢罐能够承受的最大压力是45兆帕（450公斤/平方厘米），工作时的压力仅是最大承压的1/3，即15兆帕（保证了安全性），在5-15兆帕的功率调节中，可以在一分钟内调节50-200千瓦的功率能量，所以在50-200千瓦的风力发电机组中是非常适用的。
三、飞轮储能稳速器：在液压油到达“油马达”时，液体中的压力能量通过油马达转换为机械性的轴功率输出能量与发电机连接，产生电能，在油马达与发电机连接之间，我们加装了一个大型飞轮，因为飞轮具有储能、稳压、稳速特点，此技术也是一个最成熟的实用技术，具有结构简单、成本低廉、安全长寿、效果特别好的特性，我们在此处加装的这个飞轮，其转速也是通过微处理计算机控制和调节的，因此能够将功率的波动幅度得到极大的减少，可以做到总功率的波动范围在≦1%。
四、微处理计算机控制技术：我们在传统的液压传递技术的基础上，加上了微处理计算机控制技术，使之成为一种全新的精密液压调节传递技术，不但可以保留原先传统液压技术的优点，更加是使传统液压技术有了本质上的改变。本发明对传统的风力发电机组本质结构上的巨大改变，首先是不再使用硬性的机械传递动力的模式，而是以具有柔性储能并且有调节特点的液力传递技术，使动力的传递有了本质的改变，不但使结构更简单，如：再不需要问题多多的变速箱了，同时可以通过精密的功率调节，使风力发电机组的风能利用效率得到大幅度的提高，输出的电能是十分平稳而且是可以调整的。利用这种精密可控的液压传递技术，更可以使发电机发出的电能呈现出“平稳、可调”的状态，这种状态是电网特别欢迎的和谐的电能，应该称呼为“黄金电”，由于是通过微处理计算机控制的电能，又有气压储能控制和飞轮储能稳速作用，所以从根本上杜绝了并网中的低电压穿越问题。另外、在一些对转速要求不高的场合，如：抽水、碾米、鱼塘增氧、粉碎机等诸多的场合，均可以以离网方式进行独立的运转，也为风能的广泛利用提供了一种新的方式。
本发明突破了传统液压技术传递功率小，不能随时进行高精度调节较大的功率，如：传递几十千瓦、几百千瓦、几千千瓦，在解决了大功率液力增压器的基础上，通过微处理计算机方式进行全程控制，设置在微处理器中的程序自动进行自动、超快速的动态控制，既简化了结构、降低了成本，又达到最好的控制效果，相比传统的液压技术，这是一个本质的飞跃，更是一种全新概念的智能液力传动技术。本发明因为结合了现代的计算机控制技术、气压储能技术和飞轮稳速技术，更采用了低速超大功率液力增压器，极大的改善了传统的液压技术的原先性能，也可以说是创新了一种新型的、高智能、超大功率特性的、应用广泛的液力传递技术，在中、大型风力发电机组上使用此项技术，不但大幅度降低了成本、简化了结构，提高了机组的风能利用效率，也大幅度的提高了风力发电机组的电能输出特性，比原先的机械方式传递风电功率超越了很多，不但有良好的并网和谐性能，还有良好的低电压穿越性能，同时也表现出良好的离网独立运行特性。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是本发明的气压储能罐的结构示意图；
图3是本发明的气压储能罐的稳压状态图；
图4是本发明的气压储能罐的输出功率状态图；
图5是本发明的气压储能罐的吸纳功率状态图；
图中，1—叶片风轮；2—低速超大功率液力增压器；3—微处理计算机；3.1—探测头；3.2—执行电磁阀；4—气压储能罐；4.1—氮气；4.2—液压油；5—液压马达；6—飞轮储能稳速器；7—发电机。
具体实施方式
实施例1
50千瓦全程功率液压式低风速风力发电机组：
风轮直径：18米；
迎风面积：（扫掠面积）：254.34平方米（取值：每平方米200±10%瓦风能密度）；
输出功率：50千瓦（风速=8m/s；4-5级风时）；
叶片形式：翼型 NACA4418低风速型翼型；
叶片数量： 3片 ；
设计额定风速：8m/s（4-5级风）；
额定功率：50千瓦（最大85千瓦）；
实际功率范围：3-7m/s风速（2~级风）时输出10-30千瓦功率；8m/s风速时输出50千瓦功率；14m/s 风速时输出85千瓦功率；
启动风速（切入风速）： ≤3m/s；
工作风速：3-20m/s；（14m/s风速以上时由液压机构进行浆叶顺浆和刹车动作，20m/s时风轮通过液压系统进行偏航停机）
风轮转速：风轮转速30-60转/每分钟；
液压低速增压器转速：25-80转/每分钟；
输出液压功率：20-90千瓦；
液压油压力：5-15兆帕；
液压马达功率：≦100千瓦；
液压马达转速：100-200转；
配套发电机转速：100-200转；
实施例：2
200千瓦全程功率液压式低风速风力发电机组：
风轮直径：38米；
迎风面积：（扫掠面积）：1017.36平方米（每平方米200±10%瓦风能密度）；
输出功率：203.5千瓦（风速=8m/s；4-5级风时）；
叶片形式：翼型 NACA4418低风速型翼型；
叶片数量：3片 ；
设计额定风速：8m/s（4-5级风）；
额定功率：203.5千瓦（最大350千瓦）；
实际功率范围：3-7m/s风速（2~级风）时输出50-90千瓦功率；8m/s风速时输出203千瓦功率；14m/s 风速时输出350千瓦功率；
启动风速（切入风速）： ≤3m/s；
工作风速：3-20m/s；（14m/s风速以上时由液压机构进行浆叶顺浆和刹车动作，20m/s时风轮通过液压系统进行偏航停机）
风轮转速：风轮转速20-40转/每分钟；
液压低速增压器转速：25-80转/每分钟；
输出液压功率：200-390千瓦；
液压油压力：5-15兆帕；
液压马达功率：200千瓦-390千瓦；
液压马达转速：100-200转；
配套发电机转速：100-200转；
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的独特性和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，包括叶片风轮（1），其特征在于所述叶片风轮（1）与智能型超大功率液力传递系统连接，智能型超大功率液力传递系统连接与发电机（7）连接，所述智能型超大功率液力传递系统包括低速超大功率液力增压器（2）、气压储能罐（4）、飞轮储能稳速器（6）、液压马达（5）和微处理计算机（3），叶片风轮（1）与低速超大功率液力增压器（2）连接，低速超大功率液力增压器（2）与气压储能罐（4）并联旁通连接，气压储能罐（4）与液压马达（5）并联连接，液压马达（5）与飞轮储能稳速器（6）轴连接，飞轮储能稳速器（6）与发电机（7）轴连接，叶片风轮（1）与低速超大功率液力增压器（2）之间、低速超大功率液力增压器（2）与气压储能罐（4）之间、气压储能罐（4）上以及液压马达（5）上分别设置有探测头（3.1），所述探测头（3.1）分别与微处理计算机（3）的输入端连接，气压储能罐（4）上、低速超大功率液力增压器（2）与气压储能罐（4）之间、气压储能罐（4）与液压马达（5）之间分别设置有执行电磁阀（3.2），所述执行电磁阀（3.2）分别与微处理计算机（3）的输出端连接，所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述低速超大功率液力增压器（2）工作的转速范围是5-20转/每分钟，其输出功率范围是20-2000千瓦，所述飞轮储能稳速器（6）是一个外圆直径为800-1200毫米、宽度为30-40毫米的幅板型飞轮，由重量为800-2000公斤的铸铁材料制成，储存能量范围是50-200千瓦/每分钟功率，飞轮储能稳速器（6）对动力输出轴上的波动功率自动即时进行精密调整，达到总功率波动率≤1%。
2.如权利要求1所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述气压储能罐（4）是一个钢制圆柱形罐体，其容积是0.2-5立方米，气压储能罐（4）中的上部为纯度为99%的氮气，氮气所占的容积为整个罐体容积的1/2-1/3，气压储能罐（4）中的下部是液体，气压储能罐（4）的工作压力范围是5-15兆帕，储存能量范围是50-2000千瓦/每分钟功率。
3.如权利要求1所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述微处理计算机（3）根据风力发电机功率输出情况的大小，对产生的液体压力、流量进行及时的探测采样、运算放大、并且给出动作信号、输出控制信号，控制伺服单元的执行系统即时执行电磁阀动作，对整个液压系统进行随时、快速、精密、大功率调节，达到高标准输出总功率的性能，使功率的波动范围在1%以内。
4. 如权利要求2所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述气压储能罐（4）中的下部是液体，为液压油、酒精、防冻液、纯水、乳化液中的一种。
5. 如权利要求2或4所述的一种智能型超大功率液力传递动力的低风速风力发电机组，其特征在于所述气压储能罐（4）中的下部是液压油。
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2012
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