CN103277243B - 磁悬浮双风轮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电新能源技术领域，特别公开了一种磁悬浮双风轮风力发电机。该磁悬浮双风轮风力发电机，包括架设在桁架塔上的机舱，其特征在于：所述机舱两端分别安装有参数相同、转向相反的前风轮和后风轮，前风轮和后风轮分别通过前风轮轴和后风轮轴与机舱内的机械合成机构连接，机械合成机构通过磁悬浮长轴与桁架塔底部的变速增速箱连接，变速增速箱连接发电机。本发明与同样迎风面积的现有技术水平轴风力发电机相比，其输出功的理论值提高比例系数为1.95，多发出95%的电量，大幅降低了每KW发电能力的造价，同时减少经营费用。

Description

磁悬浮双风轮风力发电机

（一）技术领域

本发明涉及风力发电新能源技术领域，特别涉及一种磁悬浮双风轮风力发电机。

（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以下，有一半以上的风能未被利用，公认是来风在风轮桨叶作功之后尾流能量形成螺旋涡流自行将能量耗尽。而目前风力发电机的单位功率投资比较高而产出却又较低，因而经济性较差，仍需依靠政府补贴经营。目前已有专利ZL201020639154.2采用前后风轮提高风力发电的出力，但其合成机构采用圆锥齿差动轮系，该差动轮系的两个输入端的转向与实际风轮的输出不一致，需要在合成机构输入前调向，使得结构庞大，实施较为困难，该专利将前后风轮的运动合成后采用柱齿轮为输出，发电机轴要与风轮轴并排，使得机舱迎风面积增加，该专利仍采用圆柱实形塔杆对后风轮塔杆效应也很大。

自然来风速度是变化的，风轮从切入风速经额定风速到切出风速是风力发电机的运作周期，在运作周期内，来风速度在变化，只有在额定速度之后才能达到最佳叶尖速比，才能达到最大的风能利用系数，然而来风速度达到额定风速之后还要增大，风的动能是以来风速度的三次方成正比的，风速增一倍动能增8倍，现有技术风力发电机组的发电机与风轮是固定速比传动，风轮的转速受到发电机额定转速的限制，不能跟着来风速度升高而转速增高求得最佳叶尖速比，只能通过失速或变距控制风轮，以额定转速在运行到切出风速，高出额定风速成三次方增长的能量被放弃了，可见现有技术风力发电机在运作周期内，有很大一部分能量未被利用。

已有专利ZL201010124102.6风力发电装置无自锁变速增速齿轮箱，具有变速功能，能充份利用来风高速的能量，可以使得风力发电机风轮在额定风速以上运转，能充分利用高风速多发电，但在塔杆上头高空的齿轮箱，因变速而增加变速离合器和齿轮数量，这些易损件会增加高空部件的维修量，增加维护费。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种单位功率成本低、经营费用少的磁悬浮双风轮风力发电机。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种磁悬浮双风轮风力发电机，包括架设在桁架塔上的机舱，其特征在于：所述机舱两端分别安装有参数相同、转向相反的前风轮和后风轮，前风轮和后风轮分别通过前风轮轴和后风轮轴与机舱内的机械合成机构连接，机械合成机构通过磁悬浮长轴与桁架塔底部的变速增速箱连接，变速增速箱连接发电机。

本发明在水平轴风力发电机的机舱后面再装一个与前风轮参数相同转向相反的后风轮，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，由前风轮对来风动能第一次作功之后，剩下的尾流动能由后风轮第二次作功，前后风轮的功率，通过机械合成机构合成后，共同驱动发电机，形成合成功率。后风轮是吸收前风轮作功后剩余尾流的动能再作功，明显比现有技术的单风轮发电机多了一项发电量，采用相同参数的风轮，相同的风能利用数C_P=0.4，使得本发明与相同迎风面积的现有技术单风轮风力发电机相比较，输出功率提高60%。

因为现有技术水平轴风力发电机，多是采用圆柱实形的塔杆，这种实形塔杆对于本发明的后风轮产生的塔杆效应太大，影响后风轮的发电量，因而本发明采用透风好的桁架结构钢塔，以减轻对后风轮的塔杆效应。

又因为本发明有了前后风轮，对于机舱中心线是对称的，机舱的前后受力已经平衡，不像现有技术单风轮风力发电机，风轮的重量放在前端，机舱需要齿轮箱和发电机控制箱等放在机舱后端去平衡前风轮的重力，本发明为了减轻机舱和塔架的受力，采用磁悬浮轴承的长轴，将合成后的功率传到地面，其结果是机舱受力减轻，同时增速箱、发电机和控制箱都在地面，便于维护，大幅减少维护费，从而降低经营成本。

本发明的更优方案为：

所述桁架塔顶端设置有衔接磁悬浮长轴的径向止推磁悬浮轴承，桁架塔内部设置有固定磁悬浮长轴的径向磁悬浮轴承，通过轴承对磁悬浮长轴进行位置限定，保证了其运行过程中的稳定性。

所述机械合成机构为由圆柱齿轮组成的差动齿轮系结构，机械合成机构与前风轮和后风轮同轴线转动，机械合成机构的输出元件采用锥齿轮，从而避免采用柱轮，如专利201020639154.2的齿轮与发电机与合成机构并排，势必增大了机舱的迎风面积，从而减少了风轮的迎风面积，为了最大限度减少机舱迎风面积，本发明采用锥齿轮为运动输出元件。

所述机械合成机构包括连接前风轮轴的前中心齿轮和连接后风轮轴的后中心齿轮，前中心齿轮和后中心齿轮外围分别环绕啮合有前行星齿轮和后行星齿轮，前后对应的前行星齿轮和后行星齿轮间连接有传动轴，并在其上方设置连接传动轴的行星架大锥齿轮，行星架大锥齿轮联动下方的小锥齿轮，小锥齿轮上安装有磁悬浮长轴。

本发明的机械合成机构与锥齿轮组成的差动轮系合成机构不同。

（1）锥齿轮合成机构两个输入端的转向相同才能运动相加，而双风轮风力发电机的前后风轮转向是相反的，所以合成机构输入前需调向，本发明采用圆柱齿轮差动轮系，两个输入端的转向相反才是运动相加，与双风轮风力发电机的前后风轮转向一致，不需调向，可以直接与风轮连接。

（2）锥齿轮合成机构的合成速比i=1/2，是降速比，与风力发电机整机要求增速不谐调。本发明采用的圆柱齿轮差动合成机构，合成速比i=7是增速比，与风力发电机整机要求增速相一致，而且增速比很大。

本发明采用差动轮系为合成机构，差动轮系两个输入端是独立自由变量，因此可以前风轮或后风轮独立采用桨叶变距来控制风轮转速，使系统能在最佳状态运转。

由于前后风轮功率合成之后传到地面，采用将不受空间条件和维修条件的限制，可以使结构尺寸条件放宽，所述变速增速箱为CVT无级变速器或无自锁变速增速齿轮箱，使得风力发电机组在切入到切出时间内，能多作功，与现有技术相比其作功提高比例系数是1.22，同时计入双风轮的效果，使得整机发电量提高比例系数为1.95。

所述CVT无级变速器包括安装主动轮油缸的主动轮，主动轮通过钢带与安装被动轮油缸的被动轮连接，主动轮和被动轮均由两个锥面轮组合而成。

本发明与同样迎风面积的现有技术水平轴风力发电机相比，其输出功的理论值提高比例系数为1.95，多发出95%的电量，大幅降低了每KW发电能力的造价，同时减少经营费用，提高风力发电设备产出和运行经济效益，有望不靠政府补贴能实现丰厚的盈利。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明机械合成机构的内部结构示意图；

图3为本发明CVT无级变速器的结构示意图；

图4为本发明无自锁变速增速齿轮箱的内部结构示意图；

图5为本发明的做功示意图。

图中，L₁前风轮，L₂后风轮，H机械合成机构，B变速增速箱，C机舱，F发电机，1前风轮轴，2后风轮轴，3行星架大锥齿轮，4前行星齿轮，5前中心齿轮，6小锥齿轮，7后行星齿轮，8后中心齿轮，9磁悬浮长轴，10径向止推磁悬浮轴承，11桁架塔，12、13径向磁悬浮轴承，16主动轮，17钢带，18主动轮油缸，19被动轮，20被动轮油缸。

（五）具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括架设在桁架塔11上的机舱C，所述机舱C两端分别安装有参数相同、转向相反的前风轮L₁和后风轮L₂，前风轮L₁和后风轮L₂分别通过前风轮轴1和后风轮轴2与机舱C内的机械合成机构H连接，机械合成机构H通过磁悬浮长轴9与桁架塔11底部的变速增速箱B连接，变速增速箱B连接发电机F；所述桁架塔11顶端设置有衔接磁悬浮长轴9的径向止推磁悬浮轴承10，桁架塔11内部设置有固定磁悬浮长轴9的径向磁悬浮轴承12；所述机械合成机构H为由圆柱齿轮组成的差动齿轮系结构，机械合成机构H与前风轮L₁和后风轮L₂同轴线转动；所述变速增速箱B为CVT无级变速器或无自锁变速增速齿轮箱；所述机械合成机构H包括连接前风轮轴1的前中心齿轮5和连接后风轮轴2的后中心齿轮8，前中心齿轮5和后中心齿轮8外围分别环绕啮合有前行星齿轮4和后行星齿轮7，前后对应的前行星齿轮4和后行星齿轮7间连接有传动轴，并在其上方设置连接传动轴的行星架大锥齿轮3，行星架大锥齿轮3联动下方的小锥齿轮6，小锥齿轮6上安装有磁悬浮长轴9；所述CVT无级变速器包括安装主动轮油缸18的主动轮16，主动轮16通过钢带17与安装被动轮油缸20的被动轮19连接，主动轮16和被动轮19均由两个锥面轮组合而成。

如图1所示，在水平轴风力发电机的前风轮L₁的后面再装一个与前风轮参数相同而转动方向相反的后风轮L₂，在前风轮L₁和后风轮L₂之间安装一个与二者相连接的机械合成机构H，由前风轮L₁对来风的动能E₁第一次作功之后，剩下的尾流速度的动能E₂由后风轮L₂再第二次作功。前风轮L₁和后风轮L₂的功率，通过机械合成机构H合成，形成合成功率去驱发电机，本发明的合成功率N是：

公式中N是合成功率，N₁是前风轮对来风动能E₁作的功率，也是现有技术风力发电机的功率，N₂是后风轮对尾流动能E₂作的功率，是本发明特征功率，C_P是本机设计采用的风能利用系数，则有：

代入公式1，则有：

这是一个风能利用系数增大的概念，双风轮的风力发电机组的风能利用系数C_Ps：

公式中N1是前风轮所作的功率，也是现有技术的水平轴风力发电机的功率，将N1与合成功率N相比可得本发明的功率增比系数G：

若采用C_P=0.4，则G=1.6，本发明的功率是现有技术风力发电机的功率输出的160%，多发出电力60%。

如图2所示，机械合成机构H是个差动齿轮系，是圆柱齿轮系，是由前中心齿轮5、后中心齿轮8、三个前行星齿轮4、三个后行星齿轮7和作为行星架的大锥齿轮3所组成，前风轮L₁的角速度和力矩，传入前中心齿轮5带动三个前行星齿轮4，而后风轮L₂的角速度和力矩传入后中心齿轮8带动三个后行星齿轮7，由于前后行星齿轮4和7是同轴的，所以产生合力带动行星架大锥齿轮3、大锥齿轮3带动小锥齿轮6经过长轴9到变速增速箱B驱动发电机F。

根据行星齿轮传动原理求得差动轮系的速比关系公式:

公式中n₃是行星架转速，n₅是前风轮L₁的转速，n₈是后风轮L₂的转速，i₅₈是从前中心齿轮5到后中心齿轮8的速比，也就是从前风轮L₁到后风轮L₂的转速比：

公式中Z₄、Z₅、Z₇和Z₈分别是齿轮4、5、7、8的齿轮数，各齿轮的齿轮数是由风力发电机组的风能利用系数C_P决定的。

风力发电机组对来风的动能第一次作的功N₁是来风动能mV₁ ²/2乘上风力发电机组的风能利用系数C_P，也等于来风动能减去作功之后尾流速度V₂的动能，即是：

则有：，

，

。

公式中V₁是前风轮L₁来风速度，而V₂是前风轮L₁的尾流速度也是后风轮L₂的来风速度，既然机组采用相同的C_P，应该公式4等于公式3：

本实施例取C_P=0.4，Z₅=35，Z₄=45、Z₇=Z₈=40代公式2，则有：i₅₈=1.29，前风轮来风是V₁以n₅输入，而后风轮来风是V₂以n₈输入，由风能利用系数决定n₈=n₅/i₃₈，而且方向相反，则有：

本实施例采用大锥齿轮齿数Z₃=80，小锥齿轮齿数Z₆=20，从前风轮L₁输入到小锥齿轮6输出，机舱总升速比i_c=7×80×20=28。

公式2是本发明机械合成机构的运动合成公式，前风轮L₁和后风轮L₂的功率合成后，由大锥齿轮3和小锥齿轮6从机舱输出经过长轴9传到地面变速箱B驱动发电机F，由于运动传到地面。地面不受空间限制，可以采用多种变速机构，本实施例首选CVT无级变速器，当风力发电机功率太大，而CVT无级变速器实施困难较多时，可选用第二方案，无自锁变速增速齿轮箱。

图3是本发明第一实施例所采用的CVT无级变速器实施例示意图，CVT无级变速器：是由主动轮16、被动轮19、主动轮油缸18、被动轮油缸20和钢带17组成，主动轮16和被动轮19都由两个锥面轮组合的，通过控制系统调节主动轮油缸18和被动轮油缸20的压力，使得组合锥面轮离开或靠近，改变锥面轮的工作半径达到变速目的，CVT近年在汽车工业应用比较成功，已实现其调速范围速比7.3，而本发明要求的调速范围速比是2、只是应用在风力发电传动，因风力发电机功率较大，其结构尺寸也大，同时制造难度高，相对费用较高。

图4是本发明第二实施例，是采用无自锁变速增速齿轮箱，该齿轮箱由4根轴、12个齿轮、三组双位离合器所组成，三组双位离合器形成的变速级数E=2³=8，是八级变速，其调速范围R_n=2，速度公比φ=1.104，其速度损失为9.4%，采用转差率为10%的感应发电机为匹配，实现了全额无级调速而速度损失为零。

本发明采用无级调速可充份利用来风高速动能作功，风力发电机从切入到切出，是风力发电机的一个运作周期，当具有相同风能利用系数C_P,而风力发电机在整个运作周期内是否能作出应有的功，这是风力发电机组作功的效率，直接影响机组的发电量，在一个运作周期内风速变化很大，假定风速变化理想状态时风速波动的平均线是线性函数，是以额定风速V_b为基准，切入风速V_a是0.2V_b，切出风速V_c=2V_b，从a点经b点到c点连线是来风速度平均线，如附图5：

来风的动能E是：

风轮的功率N是：

公式中ρ是来风的密度，S是风轮迎风面积，C_P是风能利用系数，风轮在t时间所作的功A是功率N对时间t的积分：

风轮从切入点a到切出点c作的全功Ac是功率对运作时间的积分：

根据以上设定V是线性函数，V_c=2V_b，V_a=0.2V_b，则时间也是：t_c=2t_b，t_a=0.2t_b，则，

因为（0.2）⁴=0.0016，数值很小，与1相比可以忽略为0，则有：

同理风轮从t_a到额定风速t_b作的功A_b:

对现有技术采用固定增速比的风力发电机组，风轮从切入风速V_a开始到达额定风速V_b，完成作功A_b，并到达风轮最佳叶尖速比的额定转速，但风速还要增加到切出风速，但由于受发电机额定转速的限制，系统的速比又是固定的，风轮只能通过失速或变距控制，风轮只能以额定转速保持不变，而不能随风速增高而增高转速，求得最佳叶尖速比，到达额定风速后风轮转速不变，即额定功率N_b不变，风轮从额定风速V_b的b点到切出风速V_b的c点所作的功，将是额定功率N_b乘b点到c点的时间t，又因t=t_c-t_b，t_c=2t_b，则有t=t_b。

公式1、2、3是一个理想运作周期条件下风轮作的功，但在可开发的风场一年之内各个运作周期每次也不一定都能达到额定风速V_b，达到额定风速V_b的也不一定每次都达到切出风速V_c，所以一年之内风力发电机作功大小与具体风场参数关系很大，假设风场在一年内来风速度达到额定风速V_b以上的为X次，其中能达到切出风速V_c以上的Y次。

现有技术风力发电机在一年内作的功A_x：

本发明风力发电机作的功A_f：

本发明在一年内发电量与现有技术相比其比例系数Q：

,

U是风场高风速出现比例系数，与具体的风场风力资源有关，在风资源可开发区至风资源丰富区U=0.1至0.4左右，整机的效果应计入双风轮的增大比例系数G的效果，本发明与现有技术水平轴单风轮固定增速比齿轮箱的风力发电相比，其发电量增比系数K应是双风轮的增比系数G与变速箱的增比系数Q相乘积，即：

设在风资源可开发区风场U=0.1，C_P=0.4，则有：

K=GQ=1.6×1.22=1.952

从以上结果是本发明比目前应用最广的现有技术水平轴单风轮固定速比增速齿轮箱的风力发电机的发电量，保守的计算，当U=0.1，C_P=0.4，其理论增大比例系数K=1.95，即是多发出近一倍的电量。

长轴重量大、轴承负荷大、机械效率低，轴太长会引起振动，但随着磁悬浮技术的发展，轴承的负荷和效率得到解决，轴长可以加中间磁悬浮轴，振动问题也解决，用了长轴9以后高速而易损部件和控制箱都设在地面，其维护费会大幅下降。

Claims (4)

1.一种磁悬浮双风轮风力发电机，包括架设在桁架塔（11）上的机舱（C），其特征在于：所述机舱（C）两端分别安装有参数相同、转向相反的前风轮（L1）和后风轮（L2），前风轮（L1）和后风轮（L2）分别通过前风轮轴（1）和后风轮轴（2）与机舱（C）内的机械合成机构（H）连接，机械合成机构（H）通过磁悬浮长轴（9）与桁架塔（11）底部的变速增速箱（B）连接，变速增速箱（B）连接发电机（F）；所述机械合成机构（H）为由圆柱齿轮组成的差动齿轮系结构，机械合成机构（H）与前风轮（L1）和后风轮（L2）同轴线转动；所述机械合成机构（H）包括连接前风轮轴（1）的前中心齿轮（5）和连接后风轮轴（2）的后中心齿轮（8），前中心齿轮（5）外围环绕啮合有前行星齿轮（4），后中心齿轮（8）外围环绕啮合有后行星齿轮（7），前后对应的前行星齿轮（4）和后行星齿轮（7）间连接有传动轴，并在前行星齿轮（4）和后行星齿轮（7）上方设置连接传动轴的行星架大锥齿轮（3），行星架大锥齿轮（3）联动下方的小锥齿轮（6），小锥齿轮（6）上安装有磁悬浮长轴（9）。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮双风轮风力发电机，其特征在于：所述桁架塔（11）顶端设置有衔接磁悬浮长轴（9）的径向止推磁悬浮轴承（10），桁架塔（11）内部设置有固定磁悬浮长轴（9）的径向磁悬浮轴承（12）。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮双风轮风力发电机，其特征在于：所述变速增速箱（B）为CVT无级变速器或无自锁变速增速齿轮箱。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮双风轮风力发电机，其特征在于：所述CVT无级变速器包括安装主动轮油缸（18）的主动轮（16），主动轮（16）通过钢带（17）与安装被动轮油缸（20）的被动轮（19）连接，主动轮（16）和被动轮（19）均由两个锥面轮组合而成。