CN103644076A - 巨能风电机组及海上浮动巨能风电机组 - Google Patents

Abstract

一种巨能风力发电机组，其采用定向盘调控系统结构，其传动结构是将风轮轴的下部延伸到地面与多发电机调控系统配合，风机塔筒的顶部位于立式风轮的中部，通过塔筒顶部的塔筒顶部平台形成托举定向盘调控系统结构中固定圆盘的作用。由巨能风电机组与浮动基础一体化配合构成海上浮动巨能风力发电机组，通过非刚性连接结构使许多个浮动巨能风电机组以不同排列组合形成一体化整体浮动基础结构是其规模化应用的结构形态。

Description

巨能风电机组及海上浮动巨能风电机组

技术领域

本发明涉及一种立轴巨能风电机组及其海上浮动型巨能风电机组，通过优化风轮调控结构和传动结构可使其整机结构与性能更加简捷、高效、节省、美观。

背景技术

风电产业优质化、规模化发展的基础是风电机组的大型化能力扩展，这是全球性的技术难题，当前的大型风机是在小型风机整机形态下通过逐步放大风轮直径规格形成的，因而引发了‘以扫风面积设计计算风轮乘风出力能力理论’的渐行渐远，也导致许多整机结构性矛盾问题的同步放大，如：采用超长延伸叶片加大乘风出力的大型化拓展方式会导致风轮超重、启动困难、转速降低，使叶尖线速度超越乘风推速反而形成阻力，使叶尖乘风出力面积不足其扫掠运行面积的1％；还将迫使塔筒加高形成‘杠杆撬动基础效应’，这在海上风电更加凸显，还致使调控能力更显不足，风能利用程度进一步降低，制造安装成本与故障危险率快速放大，从而形成了大型化能力拓展的‘天花板’，解决问题的根本出路是创新形成适合特大型风机需求特点的特大化整机机型。

此外，用现有形态的风机建设沿岸海上风电成本巨大、困难重重，用其发展深海海上风电则永远无法实现，而采用浮动风电机组将是最为理想的选择，浮动方式是海上风电产业技术的发展方向。

与浮动基础实现最佳配合的是立轴风机，其可使机组整体重心下移形成浮动所必须的力学条件；但是当前所有立轴风机均难于形成大型化设计，更不具备大幅度的调控性能，解决上述问题的根本出路同样是创新形成适合浮动力学需求条件的特大化海上风机整机机型。

对于特大型风机来讲，采用风帆式乘风出力方式比较涡轮式乘风出力方式的形成优势更多更大，风帆式乘风是风力直接推动叶片形成出力，乘风出力效率大，微风利用能力强，拓展乘风面积即是拓展乘风出力，因此调控乘风出力能力十分方便准确。

对于特大化风机采用立轴机型是最佳选择，其可形成许多天生便利及成本减低因素，立轴风机的形成出力方式=迎风侧乘风出力一逆风侧回转阻力，中国发明专利200810119889.X提出的立轴巨能风力发电机组和201210108866.5提出的海上浮动式巨能风电机组技术方案中采用的立轴巨能风机的乘风出力方式实现了立轴风机出力能力的最大化，其整体结构全方位地适合特大型风机的应用要求，形成了全面优化的整机性能表现。

但在上述机组创新技术方案中，对于驱动调控风轮排列叶片的结构是采用‘在旋转风力板上的适当位置同时设置由微型电机驱动控制的推拉调控结构实现旋转风力板上迎风逆变板在迎风位置时的开闭形态操作’的调控结构与调控方式，而该结构与调控方式分离分散，调控点多重，导致调控系统整体结构复杂。

(在本发明中将上述风轮调控结构的整体结构称为：定向盘调控系统；将系统中的对风导轨盘称为：定向盘；将迎风逆变板称为：排列叶片)

此外，对于原有立轴巨能风电机组创新技术方案中采用的在塔筒外设置上下传动轴的结构也有进一步完善与形成更优结构设计的必要性。

发明内容

本发明的目的是提出一种可使风轮调控结构简捷、调控方便快速准确的定向盘调控系统实现原有结构的替代；同时提出将风轮轴与上下传动轴实现一体化设计并将其置于风机塔筒内部的全新传动系统结构实现原有结构替代；还同时提出一种适合与全新传动结构配合安装的多发电机调控系统的分布设置结构，其共同构成本发明全新整机结构与性能表现的巨能风力发电机组及海上浮动巨能风电机组，同比可大幅实现简捷、高效、节省、美观、耐用。

对本发明巨能风电机组中立式风轮结构的描述是：在风机的上部设置环绕风机塔筒旋转的立式风轮，立式风轮通常均布4-6个旋转风力板，更大直径的风轮可设置8-10个旋转风力板，旋转风力板由风轮架与在旋转风力板的外侧设置的排列叶片组合构成，排列叶片可实现共同驱动其中每个叶片移动调控变化的操作；其通常采用纵向排列设置形成类似百叶窗的形态，对各旋转风力板的强化支撑方式是采用在风轮轴的顶部集中设置斜拉钢丝绳分别连接各个旋转风力板形成‘伞式斜拉桥’的结构，使各超长的旋转风力板无悬空吃力结构形成，同时将上中下风轮架串联形成一体化框架结构，使排列叶片不承担风轮的结构性受力。

对本发明巨能风电机组风轮调控结构的描述是：其采用只通过一处驱动控制的定向盘调控系统结构实现，该系统结构中的定向盘结构是由一侧大于标准圆形的移动凸盘(或采用一侧小于标准圆形的移动扁盘)与标准圆形的固定圆盘叠加配合构成，通过在各旋转风力板风轮架内设置的推拉杆内侧端部的滚动轮与可实现调控变化周边形状轨迹的定向盘形成紧密配合运行，各推拉杆的外侧通过微型轴承连接排列叶片中的各个叶片实现共同推拉移动调控，通过定向盘内部驱动调控装置(如：电机或液压装置)控制驱动移动凸盘或移动扁盘水平移动使定向盘周边形状发生变化，使环绕定向盘周边运行的各个推拉杆滚动轮的运行轨迹发生变化，带动排列叶片实现环绕塔筒一周的周期性推拉距离的变化，移动凸盘移出固定圆盘的最大距离与排列叶片实现从完全收缩到完全伸展所需推拉变化动作幅度的距离相同，对于移动凸盘移动运行中间位置的调控确定则达成对于排列叶片不同封闭程度与风轮不同乘风出力能力的调控，在推拉杆上设置回复弹簧或更推荐采用重力方式实现推拉杆被定向盘推移后自动回复原来状态驱动力量的持续稳定形成。

立式风轮的对风调控方式与结构是以风向标为风向变化传感信号自动控制驱动定向盘调控系统中的定向盘旋转实现的，其通过在塔筒顶部设置的驱动定向盘旋转齿轮盘及驱动定向盘旋转电机达成定向盘的对风旋转，使其凸或扁形结构的中心线始终与风向垂直。

对本发明巨能风电机组传动结构的描述是：将风轮轴与上下传动轴形成一体化设计统称风轮轴，风轮轴的下部延伸到地面与发电机或多发电机调控系统配合，立式风轮的乘风出力调控与多发电机调控系统配合形成双重价值化调控，即：风轮调控是在多发电机调控系统增减发电机工作数量调控形成的风轮运行速度梯级变化的间隔之间进行微调，使风机达成无速度阶梯差距变化的过渡。

风机塔筒的顶部位于立式风轮的中部，通过塔筒顶部平台形成安装托举定向盘调控系统结构中固定圆盘的作用，同时实现托举加强型定向盘外壳结构形成支撑固定立式风轮中部风轮架的作用。

对本发明巨能风电机组中多发电机调控系统的描述是：其通常由2-4个‘发电机+齿轮箱组合结构体’与风轮轴下部的动力输出齿轮合并运行与实现分离的配合调控方式形成；

在本发明结构中由于风轮轴延伸到达位于风机塔筒内部的中心位置，通常采用在塔筒内部设置多级传动齿轮箱，通过多级传动加速后在接近塔筒壁处形成垂直方向的传动结构变化，由垂直于塔筒壁的传动轴穿过塔筒底部很小开口面积将乘风动力输出于塔筒之外；或是采用齿轮箱仍然延续直线传动的结构，在接近于塔筒壁处通过小直径水平传动的齿轮穿过塔筒底部较小开口面积将风轮乘风动力输出于塔筒之外，加之在塔筒外部周边分布设置的‘发电机+齿轮箱组合结构体’形成完整的多发电机调控系统结构，可通过控制上述传动结构中某一传动齿轮或是传动轴结构的连接咬合与控制分离达成调控投入发电机工作数量的功能目标。

对本发明巨能风电机组用于海上浮动的结构描述是：其由本发明巨能风力发电机组与浮动基础一体化配合形成海上浮动巨能风力发电机整机结构，浮动基础是封闭的大型钢结构箱体结构，在浮动基础的内部设置巨能风电机组的多发电机调控系统和除风轮微小调控电机之外的全部电器控制系统设备，通过浮动基础上部与下部箱体结构的配合形成对于风机塔筒的固定，在浮动基础的上部设置通风管路+人员进出浮动基础内设备机舱的一体化设计通道，在通风管上设有形成遮蔽消除海水、盐雾、雨水进入设备机舱的装置，因浮动基础与设备机舱实现一体化设计，庞大的浮动基础面积侵泡在水下可自然降温，因此多数时间设备机舱可处于封闭状态。

通过非刚性连接结构使许多个浮动巨能风电机组以多种不同排列组合形态连接形成一体化的整体浮动结构体形态可使单个浮动巨能风电机组之间形成固定位置的分布设置及形成倾覆动力的相互制约，也方便海底锚链整体固定，是规模化海上浮动巨能风电机组的应用形态，其可有效抗拒远海、深海巨大风浪的冲击，从而可形成更加高大安全稳定的风机设计。

本发明巨能风电机组采用的立式风轮可根本消除塔筒影响效应的形成条件，立式风轮乘风出力稳定，旋转运行不会形成振动，其乘风出力能力可按照排列叶片有效乘风面积、乘风力矩、乘风能效同比现有风机叶片增加倍数估算同比，可通过排列叶片的高度、宽度、乘风力矩以及风力板设置数量四种拓展乘风出力能力手段的相互配合轻易达到7.5-20兆瓦以上单机出力能力设计，而其单机成本也只有1.5台-2台1.5兆瓦水平轴风机合计的水平。

此外，机组通过发电机地面设置可极大方便建设安装、日常维护、部件更换的操作，这也是配置拥有很大占地面积的多发电机调控系统的必须条件，同时可消除暴晒、极冷导致的机械故障、维护费用增加与使用寿命降低的影响程度。其通过结构简单的‘定向盘控制系统’可一同替代复杂、昂贵、沉重的偏航系统和变桨距调控系统的功能设置，使风机制造成本与风轮重量大幅度降低；立式风轮对风旋转不携带主机电缆旋转。

立式风机顶部结构天然避雷，通过叶片完全收缩调控可消除台风、疾风破坏性冲击形成的损坏与危险。风帆式乘风方式消除了当前风机叶尖噪音问题和风沙打磨叶片的乘风出力方式。风轮出力能力拓展与风轮乘风面积拓展和风能利用程度拓展呈现1：1：1等比例增加关系，拓展风机出力能力设计不会引发整机结构性矛盾的形成扩大，不会导致制造、安装、维护难度与成本的较多、较快增加。

附图说明

图1是本发明巨能风力发电机组的整体结构示意图

图2是采用移动凸盘的定向盘调控系统的底部横剖面结构示意图

图3是采用移动凸盘的定向盘调控系统中部剖面结构示意图

其中：(a)是移动凸盘达到最大移动延伸距离实现排列叶片封闭乘风时刻的调控状态；(b)是移动凸盘达到最大收缩距离调控实现迎风侧排列叶片完全敞开泻风时刻调控状态。

图4是图1整机中部纵向剖面示意图

图5是通过定向盘调控系统驱动达成不同伸缩形态变化状态的排列叶片的横剖面示意图

其中：(a)是在迎风侧排列叶片实现完全展开封闭乘风形态的示意图；(b)是在逆风回转侧排列叶片实现折叠收缩敞开泻风形态示意图，或是在迎风侧排列叶片实现完全收缩泻风达成回避台风状态与机组停机时刻形态的示意图；(c)是在迎风侧排列叶片实现部分展开实现调控风轮乘风能力与出力能力变化的形态示意图。

图6是显示立式风轮乘风出力原理的风轮横剖面示意图

图7是多发电机调控系统结构分布设置方式的示意图

图8是图7的俯视示意图

图9是本发明海上浮动巨能风电机组的示意图

图10是规模化风电场以非刚性连接形成一体化庞大浮动结构体的局部宏观俯视示意图

图11是一种非刚性连接结构示意图

附图标记：1.风轮轴；  2.排列叶片；  3.定向盘调控系统；  4.塔筒顶部平台+定向盘驱动旋转装置+轴承轮结构组合；  5.风轮底部定位支撑轴承轮；  6.塔筒；  7.多发电机调控系统；  8.设备机舱罩；  9.地面塔筒基础；  10.推拉杆；  11.固定圆盘；12.移动凸盘；  13.滚动轮；  14.风轮架；  15.定向盘内部驱动调控装置；  16.避雷针；  17.斜拉钢丝绳；  18.风轮架支撑盘；  19.定向盘；  20.加强型定向盘外壳；21.塔筒顶部平台；  22.驱动定向盘旋转的齿轮盘；  23.风轮下部支撑定位轴承轮；  24.塔筒内部定位轴承轮架；  25.风轮轴动力输出齿轮；  26.发电机+齿轮箱组合体；  27.塔筒内部传动齿轮组(结构示意)；  28.巨能风力发电机组；  29.通风管+人员进出机舱通道；  30.浮动基础；  31.连接结构；  32.浮动巨能风力发电机组；  33.变电站；  34.可方便安装拆解的柔性连接结构(结构示意)。

具体实施方式

对照图示说明本发明巨能风力发电机组及海上浮动巨能风电机组的全新调控结构与传动结构的运行方式：

风机运行起步：通过风向标自动控制驱动定向盘旋转的齿轮盘22实现定向盘19的旋转对风，使移动凸盘12的凸出结构中心线始终与风向形成垂直完成适应风向变化的对风调控；

通过电机或液压驱动移动凸盘12移出固定圆盘11并到达最大移动距离，达成立式风轮排列叶片2在迎风侧实现最大程度展开的封闭，形成风轮最大乘风出力状态，原理见(图3a)。

当风力变大时，通过调控驱动移动凸盘收缩实现排列叶片开闭程度变小的控制，使风轮一直维持在要求的正常运行速度与乘风出力能力范围，达成立式风轮适应不同风力强弱变化与机组出力能力不同需求变化的调控。

见图3(b)；当移动凸盘12收缩到达最大位置时移动凸盘与固定圆盘11实现完全重叠，使整个定向盘变为固定圆盘的形态，这时实现迎风侧所有排列叶片也全部敞开泻风，使风轮两侧状态实现完全一致，达成回避台风与停机维修状态的调控。

可见：本发明风轮调控结构只需通过调控驱动移动凸盘水平移动的一处位置，即可快速实现对于风轮各种不同乘风出力状态方便、快速、准确的调控。

在平时运行时候的综合调控方式：当风力加大到采用收缩排列叶片减小乘风面积接近无能为力时，应该采用增加多发电机调控系统7中发电机投入工作数量的调控方式扩大风电机组的发电能力，并同时调控排列叶片加大乘风面积满足增加发电机工作数量后机组乘风出力能力加大的需求，使风轮旋转速度维持不变；

当风力继续加大重复上述操作继续增加发电机的工作数量，当增加发电机数量穷尽后风力仍然加大，应该采用收缩排列叶片减小乘风面积的方式进行回避，其极致状态即是使风轮两侧完全敞开达成疾风时刻的调控状态；

当风力变小时反上述描述的调控方式，即：通过加大风轮排列叶片的封闭乘风程度调控接近于极致后，仍然不足以推动风轮以正常速度运行时，应该采取减少发电机工作数量的调控，从而形成双重价值化调控的方式，通过双重价值化调控可使各种强度的风能获得最充分的利用及达成风电机组最多工作时间目标的共同实现。

立式风轮的出力通过风轮轴1延伸直接到达地面，或是直接延伸到达在浮动基础30内设置的多发电机调控系统7实现风力发电与实现价值化调控。

本发明巨能风电机组采用在塔筒6内部设置风轮传动轴的直接传动结构可消除原有外置式传动结构需在风机中段设置巨大传动齿轮与外设齿轮箱及外设传动轴的需求及间接传动形成的能量消耗，使传动过程与结构更加直接、节省、耐用，也使风机外观更加简化美观。

浮动巨能风电机组绝大多数重量均设置在水面之下，从而导致其在水中形成“漂流瓶”天然不倒的力学效果(见示意图9、10)；各个机组采用柔性连接结构31后可使分布的各个机组随浪起伏，这可避免特大面积的刚性连接结构体局部遭遇巨大风浪淹没性的冲击及导致连接结构体变形折断，还可使海上浮动风电场中的所有浮动机组排列有序。

浮动巨能风电机组的海上运输、建设、安装、维护均十分方便，由于是非刚性连接还可将某个形成故障的浮动巨能风电机组在风平浪静的时候拆解分离出串联的一体化的浮动基础结构之外，拖到沿岸车间进行主要设备的维修更换，其将使当前海上风电建设面临的众多根本无法解决的难题与巨大成本形成因素轻易化解，将使海上风电在优质化技术基础上获得规模化快速发展。

Claims (2)

1.一种巨能风力发电机组，其特征在于：

①其风轮结构是在风机的上部设置环绕塔筒旋转的立式风轮(1)，立式风轮均布4-6个旋转风力板，更大直径的风轮设置8-10个旋转风力板，风轮的旋转风力板由风轮架(14)与排列叶片(2)组合形成，在风轮轴的顶部集中设置斜拉钢丝绳(17)分别连接各个旋转风力板，同时通过将上中下风轮架串联形成一体化框架结构；

②其风轮调控结构方式是采用通过一处驱动控制的定向盘调控系统实现，该系统结构中的定向盘结构是由一侧大于标准圆形的移动凸盘(12)或一侧小于标准圆形的移动扁盘与标准圆形的固定圆盘(11)叠加配合构成，通过在各旋转风力板风轮架内设置的推拉杆(10)端部的滚动轮(13)与可实现调控变化形状轨迹的定向盘(19)周边形成紧密配合运行，各推拉杆外侧通过微型轴承连接排列叶片中的各个叶片实现共同推拉，通过定向盘内部驱动调控装置(15)控制驱动移动凸盘或移动扁盘平移使定向盘周边形状轨迹发生变化带动推拉杆携带的排列叶片实现环绕塔筒一周的周期性推拉距离变化，移动凸盘移出固定圆盘的最大距离与排列叶片实现从完全收缩到完全伸展动作变化幅度所需推拉移动的距离相同，对于移动凸盘移动运行中间位置的调控确定达成对于排列叶片不同封闭程度与风轮不同乘风出力能力的调控，在推拉杆适当位置设置回复驱动装置实现推拉杆被定向盘推动后的状态自动回复；

③其风轮对风调控结构方式是通过在塔筒顶部设置的驱动定向盘旋转的齿轮盘(22)及驱动电机实现定向盘的对风旋转，使凸或扁盘形结构的中心线始终与风向垂直；

④其动力传动结构方式是将风轮轴延伸到地面与发电机或多发电机调控系统配合；风机塔筒的顶部位于立式风轮中部，通过塔筒顶部的塔筒顶部平台(21)形成托举安装定向盘调控系统(3)结构中固定圆盘(11)的作用，同时实现托举加强型定向盘外壳(20)形成支撑中部风轮架的作用；

⑤其多发电机调控系统是由若干个发电机+齿轮箱组合结构体(26)配合形成，通过控制传动结构中某一传动齿轮或是传动轴结构的连接咬合与控制分离达成调控投入发电机工作数量的功能目标。

2.一种海上浮动巨能风力发电机组，其特征在于：

①其整体结构是由巨能风力发电机组与浮动基础配合形成，浮动基础是封闭的大型钢结构箱体，在浮动基础的内部设置巨能风电机组的多发电机调控系统和除风轮微小调控电机之外的全部电器控制系统设备，通过浮动基础上部与下部箱体结构的配合形成对于风机塔筒的固定;

②其风轮结构是在风机的上部设置环绕塔筒旋转的立式风轮(1)，立式风轮均布4-6个旋转风力板，更大直径的风轮设置8-10个旋转风力板，风轮的旋转风力板由风轮架(14)与排列叶片(2)组合形成，在风轮轴的顶部集中设置斜拉钢丝绳(17)分别连接各个旋转风力板，同时通过将上中下风轮架串联形成一体化框架结构；

③其风轮调控结构采用通过一处驱动控制的定向盘调控系统结构实现，该系统结构中的定向盘结构是由一侧大于标准圆形的移动凸盘(12)或采用一侧小于标准圆形的移动扁盘与标准圆形的固定圆盘(11)叠加配合构成，通过在各旋转风力板风轮架内设置的推拉杆(10)端部的滚动轮(13)与可实现调控变化形状轨迹的定向盘(19)周边形成紧密配合运行，各推拉杆外侧通过微型轴承连接排列叶片中的各个叶片实现共同推拉调控，通过定向盘内部驱动调控装置(15)控制驱动移动凸盘或移动扁盘平移使定向盘周边形状轨迹发生变化带动推拉杆携带的排列叶片实现环绕塔筒一周的周期性推拉距离变化，移动凸盘移出固定圆盘的最大距离与排列叶片从实现完全收缩到完全伸展动作变化幅度所需推拉移动的距离相同，对于移动凸盘移动运行中间位置的调控确定达成对于排列叶片不同封闭程度与风轮乘风出力能力的调控，对于移动凸盘移动运行中间位置的调控确定达成对于排列叶片不同封闭程度与风轮乘风出力能力的调控，在推拉杆适当位置设置回复驱动装置实现推拉杆被定向盘推动后的状态自动回复驱动；

④其风轮对风调控结构是通过在塔筒顶部设置的驱动定向盘旋转的齿轮盘(22)及驱动电机实现定向盘的对风旋转，使凸盘或扁盘的结构中心线始终与风向垂直；

⑤其动力传动结构是将风轮轴直接延伸到浮动基础的内部与发电机或多发电机调控系统配合；风机塔筒的顶部位于立式风轮中部，通过塔筒顶部的塔筒顶部平台(21)形成托举安装定向盘调控系统(3)结构中固定圆盘(11)的作用，同时实现托举加强型定向盘外壳(20)形成支撑中部风轮架的作用；

⑥其多发电机调控系统结构是由若干个发电机+齿轮箱组合结构体(26)配合构成，通过控制传动结构中某一传动齿轮或是传动轴结构的连接咬合与控制分离达成调控投入发电机工作数量的功能目标；

⑦其规模化应用方式是通过非刚性连接结构(31)使许多个浮动巨能风电机组连接形成一体化整体浮动结构体的结构形态。

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