CN103423096A - 带有储能飞轮的风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种带有储能飞轮的风力发电机组，包括：轮毂、主轴、主轴轴承支座、主轴齿轮、飞轮传动齿轮轴、第一离合器、第二离合器、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、液力变矩器、第一传动齿轮、第二传动齿轮、飞轮、齿轮箱、发电机以及机舱；其中，所述飞轮传动齿轮与所述主轴齿轮啮合连接，所述飞轮传动齿轮两侧的所述第一离合器和第二离合器分别与所述第一传动轴和第二传动轴连接，所述第二传动轴的另一端通过所述液力变矩器与所述第三传动轴相连接，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮分别套设固定于所述第一传动轴与第三传动轴上，并与所述飞轮上的内齿轮相啮合。本申请解决了风场风速过高时将发电机无法转化的风能进行储存的问题。

Description

带有储能飞轮的风力发电机组
技术领域
本申请涉及风力发电机领域，具体地说，是涉及一种带有储能飞轮的风力发电机组。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，全球的风能中可利用的约为2百万兆瓦，几乎是全球可开发利用的水发电量的10倍，全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，风力发电越来越受到世界各国的重视。
目前建造的风力发电站都是由大量的风力发电机组构成，每个风力发电组通过风轮将风的动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能输出至电网中。
但是，风场自然风的风力、风速非常不稳定，其风力、风速的大小都在时刻变化，尤其是当风场的风速过大时，其风速大于风力发电机组风轮的切出风速度，若不通过变桨距降低叶轮上捕捉的风能，会对风力发电机组造成损害，若进行变桨距调整，则会损失部分风能；有时风场的风速时快时慢，在风速较高时带动发电机组的风轮快速运转，但自然风的风速有可能随着风力和风向的变化突然减小，此时发电机组的风轮运转速度也会急剧下降，发电机组不能在高风速的情况下存储风能，导致风能利用率较低。
现有技术中，飞轮储能技术，风机传动系统将捕获的风能转化为机械能，由机械能通过发电机转化为电能，并将无法送出的电能驱动独立于风电机组之外的飞轮转动，再由电能转化为飞轮动能进行储存。虽然能起到储能的作用，但是因为上述过程有较多次的能量传递，即“机械能-电能-机械能”的过程，转化过程中不可避免的带来能量损失，同样会降低风能利用率。
因此，如何解决风场风速过高时将发电机无法转化的风能进行储存，提高风能利用率，便成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种带有储能飞轮的风力发电机组，以解决风场风速过高时将发电机无法转化的风能进行储存，提高风能利用率问题。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，包括：轮毂、主轴、主轴轴承支座、主轴齿轮、飞轮传动齿轮轴、第一离合器、第二离合器、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、液力变矩器、第一传动齿轮、第二传动齿轮、飞轮、齿轮箱、发电机以及机舱；其中，
所述轮毂用于安装风轮叶片，安装于所述主轴设置于所述机舱外部的一端，所述主轴通过所述主轴轴承支座安装于所述机舱中，该主轴设置于所述机舱中与所述齿轮箱的输入轴连接，该齿轮箱的输出轴与所述发电机的输入轴相连接，所述飞轮传动齿轮与设置于所述主轴的所述主轴齿轮啮合连接，所述飞轮传动齿轮通过固定于两侧的所述第一离合器和第二离合器分别与所述第一传动轴和第二传动轴连接，所述第二传动轴的另一端通过所述液力变矩器与所述第三传动轴相连接，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮分别套设固定于所述第一传动轴与第三传动轴上，并与所述飞轮上的内齿轮相啮合。
进一步地，其中，所述第一离合器和第二离合器独立运行，该第一离合器和第二离合器分别处于分离/连动状态时，所述第一传动轴和第二传动轴分别与所述飞轮传动齿轮的齿轮轴断开/连接。
进一步地，其中，所述主轴齿轮，进一步为低惯量齿轮，套设于所述主轴的中段位置上。
进一步地，其中，所述风力发电机组还包括：制动器和联轴器，其中，
所述制动器设置于所述齿轮箱的输出轴上，所述联轴器设置于所述齿轮箱的输出轴与所述发电机的输入轴的连接处。
进一步地，其中，所述风力发电机组进一步还包括：测速元件和控制元件，其中，
所述测速元件，与所述主轴、第一传动轴、第二传动轴以及第三传动轴相连接；所述控制元件，与所述第一离合器和第二离合器相连接。
进一步地，其中，所述发电机，进一步为异步风力发电机、双馈异步风力发电机和/或直驱式交流永磁同步发电机。
与现有技术相比，本申请所述的一种带有储能飞轮的风力发电机组，达到了如下效果：
1）本申请采用储能飞轮结构，能够在风场风速过高的情况下，吸收叶轮转动产生的机械动能，能够将发电机无法转化的风能进行储存，有效提高风能的利用率；
2）本申请的技术方案可以储存风能，有效降低叶轮转速，保护发电机组；
3）本申请的技术方案，可以根据风力的变化情况不断储能或释放，有效降低了风力发电机组输出功率的波动，为发电机组的平稳运行提供保证。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例一所述的带有储能飞轮的风力发电机组的结构图；
图2为本申请实施二所述的带有储能飞轮的风力发电机组具体应用结构框图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
实施例一
如图1所示，是本申请实施例一所述的一种带有储能飞轮的风力发电机组，包括：轮毂1、主轴2、主轴轴承支座3、主轴齿轮4、飞轮传动齿轮轴5、第一离合器6、第二离合器7、第一传动轴8、第二传动轴9、第三传动轴10、液力变矩器11、第一传动齿轮12、第二传动齿轮13、飞轮14、齿轮箱15、制动器16、联轴器17、发电机18以及机舱19；其中，
所述轮毂1，用于安装风轮叶片，安装于所述主轴2设置于所述机舱19外部的一端，该轮毂1上可以设置有至少两个用于安装叶片的安装部，所述主轴2通过所述主轴轴承支座3安装于所述机舱19中，该主轴2设置于所述机舱19中与所述齿轮箱15的输入轴连接，所述主轴2的中段部位设置有所述主轴齿轮4，优选地，所述主轴齿轮4为低惯量的齿轮，套设于所述主轴2上，与所述飞轮传动齿轮5啮合连接。低惯量的所述主轴齿轮4是为了在正常风速状态下，即所述主轴2不带动所述飞轮14储能的情况下，减少风能转化为电能过程中机械能的损失，同时，该主轴齿轮4还具有快速响应的特点，在叶轮受风运转后可以将机械动能快速传递至所述飞轮传动齿轮5，进一步带动所述飞轮14转动。
所述飞轮传动齿轮5固定于一齿轮轴上，当然所述飞轮传动齿轮5与齿轮轴也可以是一体结构，所述第一离合器6和第二离合器7分别安装于所述齿轮轴的两端；所述第一离合器6的另一端与所述第一传动轴8相连接，所述第二离合器7的另一端与所述第二传动轴9相连接；所述第一离合器6和第二离合器7独立运行，该第一离合器6和第二离合器7分别处于分离/连动状态时将分别使所述第一传动轴8和第二传动轴9与所述飞轮传动齿轮5的齿轮轴断开/连接。所述第二传动轴9的另一端通过所述液力变矩器11与所述第三传动轴10相连接，所述第一传动轴8与第三传动轴10上分别设置有所述第一传动齿轮12和第二传动齿轮13，所述第一传动齿轮12和第二传动齿轮13可以分别套设、卡合固定于所述第一传动轴8与第三传动轴10上，当然，所述第一传动齿轮12与第一传动轴8以及第二传动齿轮13与第三传动轴10也可以采用一体结构。所述第一传动齿轮12和第二传动齿轮13在安装固定后与所述飞轮14上的内齿轮相啮合。
从而，在所述第一离合器6连动时，所述飞轮传动齿轮5与所述第一传动轴8连接，所述飞轮14可以通过所述第一传动轮12经所述第一传动轴8与所述飞轮传动齿轮5传递动能；在所述第二离合器7连动时，所述飞轮传动齿轮5与所述第二传动轴9连接，进而经所述液力变矩器11将动能传递至所述第二传动轴9，再通过所述第二传动齿轮13传递至所述飞轮14。
所述齿轮箱15的输出轴上安装有所述制动器16，并通过所述联轴器17与发电机18输入轴相连，带动所述发电机内的转子转动发电。
在本实施例中，所述发电机15可以采用异步风力发电机、双馈异步风力发电机和/或直驱式交流永磁同步发电机。
在本实施例中，所述制动器16可以是磁粉制动器、磁涡流制动器、盘式制动器、外抱块式制动器、综合带式制动器、多蹄式制动器、固定钳式制动器以及浮动式制动器等。
实施例二
结合图2，以说明本申请所述的带有储能飞轮的风力发电机组的工作方式。
所述带有储能飞轮的风力发电机组处于风场中，所述风力发电机的叶片安装在所述轮毂1上构成风轮，所述叶片的数量可以是两片或多片。所述主轴2、主轴齿轮4、齿轮箱15、制动器16以及联轴器17可以构成主传动系统301。
在风力情况较为稳定的正常工作状态下
所述第一离合器6和第二离合器7均处于分离状态，所述第一传动轴8、第二传动轴9、第三传动轴10、第一传动齿轮12、第二传动齿轮13以及飞轮14不发生转动，此时所述风轮受风后将风能以旋转的方式转变为机械动能带动所述主轴2转动，所述主轴2通过所述齿轮箱15的输入轴将机械动能传递给所述齿轮箱15，所述齿轮箱15又通过输出轴将机械动能传递给所述发电机18，带动发电机转子转动发电。当然，由于所述齿轮箱15和发电机18之间需设置所述联轴器17，同时，为了避免所述齿轮箱15的输出轴转速过快，在所述齿轮箱15的输出轴上安装所述制动器16，用以减速或强制停止，从而保护所述发电机18。
在风速高于发电机组的切出风速（即发电机组可承受的最大风速）时
所述第二离合器7连动，使所述飞轮传动齿轮5与第二传动轴9相连接，从而带动所述第二传动轴9转动，并通过所述液力变矩器11进一步带动所述第三传动轴10、第二传动齿轮13以及飞轮14转动。在此过程中，由于所述液力变矩器11的存在，动力可以平稳地从所述第二传动轴9向所述第三传动轴10传递，逐步带动所述飞轮14从静止状态开始转动，从而避免对主传动链造成较大冲击载荷；当所述飞轮14转速稳定后，即所述第二传动轴9和第三传动轴10转速同步后，所述液力变矩器11不继续传递扭矩。
需要说明的是，由于所述飞轮14是拥有较大转动惯量的储能器件，故在储能阶段，所述飞轮14需要吸收大量的机械动能，其转速由慢到快，在储能完成后，所述飞轮14的转速将保持一稳定的速度，所以，在开始传递动能时，所述第二传动轴9和第三传动轴10的转速并不相同，所述第二传动轴9的转速大于所述第三传动轴10的转速。
在风速从高于切出风速突然降低至切出风速以下时
所述叶轮通过捕获风能减少，所述主轴2的转速呈下降趋势，所述飞轮14处于相对高速的运动状态。此时，所述第一离合器6连动，所述第二离合器7分离，所述飞轮14通过所述第一传动齿轮12和第一传动轴8向所述主轴2释放动能，从而，在风力不足的情况下，所述发电机18可以从所述飞轮14中获得动能维持电力输出的稳定性。该过程一直持续到所述叶轮捕获风能带动所述主轴2转动的转速重新高于依靠所述飞轮14带动所述主轴2所能达到的转速后，所述第一离合器6分离，整个所述发电机组重新回到正常工作状态。
如图2所示，在本实施例中，还可以包括监测系统和控制系统，所述监测系统302，用以监测所述主轴2、第一传动轴8、第二传动轴9以及第三传动轴10的转速；所述控制系统303，用以根据所述监测系统所监测的各轴转速，控制所述第一离合器6和第二离合器7的连动/分离。
经过上述过程，传动系统的机械能直接转递到飞轮上进行储存，而不用经过“机械能-电能-机械能”的反复能量转化，可减少能量传递、转化过程中的能量损失。
与现有技术相比，本申请所述的一种带有储能飞轮的风力发电机组，达到了如下效果：
1）本申请采用储能飞轮结构，能够在风场风速过高的情况下，吸收叶轮转动产生的机械动能，能够将发电机无法转化的风能进行储存，有效提高风能的利用率；
2）本申请的技术方案可以储存风能，有效降低叶轮转速，保护发电机组；
3）本申请的技术方案，可以根据风力的变化情况不断储能或释放，有效降低了风力发电机组输出功率的波动，为发电机组的平稳运行提供保证。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，包括：轮毂、主轴、主轴轴承支座、主轴齿轮、飞轮传动齿轮轴、第一离合器、第二离合器、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、液力变矩器、第一传动齿轮、第二传动齿轮、飞轮、齿轮箱、发电机以及机舱；其中，
所述轮毂用于安装风轮叶片，安装于所述主轴设置于所述机舱外部的一端，所述主轴通过所述主轴轴承支座安装于所述机舱中，该主轴设置于所述机舱中与所述齿轮箱的输入轴连接，该齿轮箱的输出轴与所述发电机的输入轴相连接，所述飞轮传动齿轮与设置于所述主轴的所述主轴齿轮啮合连接，所述飞轮传动齿轮通过固定于两侧的所述第一离合器和第二离合器分别与所述第一传动轴和第二传动轴连接，所述第二传动轴的另一端通过所述液力变矩器与所述第三传动轴相连接，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮分别套设固定于所述第一传动轴与第三传动轴上，并与所述飞轮上的内齿轮相啮合。
2.如权利要求1所述的带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，所述第一离合器和第二离合器独立运行，该第一离合器和第二离合器分别处于分离/连动状态时，所述第一传动轴和第二传动轴分别与所述飞轮传动齿轮的齿轮轴断开/连接。
3.如权利要求1所述的带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，所述主轴齿轮，进一步为低惯量齿轮，套设于所述主轴的中段位置上。
4.如权利要求1所述的带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括：制动器和联轴器，其中，
所述制动器设置于所述齿轮箱的输出轴上，所述联轴器设置于所述齿轮箱的输出轴与所述发电机的输入轴的连接处。
5.如权利要求1所述的带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组进一步还包括：测速元件和控制元件，其中，
所述测速元件，与所述主轴、第一传动轴、第二传动轴以及第三传动轴相连接；所述控制元件，与所述第一离合器和第二离合器相连接。
6.如权利要求1所述的带有储能飞轮的风力发电机组，其特征在于，所述发电机，进一步为异步风力发电机、双馈异步风力发电机和/或直驱式交流永磁同步发电机。
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