CN107084097A - 上风向抗台风低成本塔筒控制系统 - Google Patents

上风向抗台风低成本塔筒控制系统 Download PDF

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盛美萍
张翔鸢
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
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Abstract

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种上风向抗台风低成本塔筒控制系统。一种上风向抗台风低成本塔筒控制系统主要由塔筒、具备自动控制功能的斜拉索、斜拉索‑塔筒连接装置、斜拉索‑地面连接装置组成。其特征在于在塔筒周围均布6根具备自动控制功能的斜拉索，每根斜拉索与竖直方向成一定夹角，一端与塔筒上部连接，另一端与地面连接，并通过控制系统实现斜拉索张紧或松弛。根据风向和风载大小建立张紧合力，获得最佳抗风效果。本发明以较低成本提高了上风向风机结构可靠性，增强了其在台风中的生存能力。

Description

上风向抗台风低成本塔筒控制系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种上风向抗台风低成本塔筒控制系统。
背景技术
可再生能源是能源供应体系的重要组成部分。目前，全球可再生能源开发利用规模不断扩大，应用成本快速下降，发展可再生能源已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国推进能源生产和消费革命、推动能源转型的重要措施。风能是一种重要的可再生能源，储量丰富，清洁无污染，越来越受到世界各国重视。“十三五”期间，我国对风电领域展开了全面布局，陆海齐进，集散并举，到2020年底，全国风电并网装机确保达到2.1亿千瓦以上。
风力发电机是风力发电的核心装备。按风轮与塔架相对位置的不同，风力发电机有上风向和下风向之分。沿风向观察，风轮在塔筒的前面叫做上风向风力发电机；风轮在塔筒的后面叫做下风向风力发电机。上风向布置是最普遍的选择，其主要优点包括：1)塔影的影响远小于叶片与塔筒间距，减小了叶片上的动载荷以及间歇噪声影响；2)风直接吹向风轮，风能利用率较高。但上风向布置也存在缺点，主要包括：1)不存在自动对风功能，必须借助某种调向装置来保持风轮迎风，增加了系统复杂性；2)叶片在风载作用下偏向塔筒，在强风载荷下，存在叶片与塔筒相撞的风险。为了避免叶片与塔筒相撞导致风机损坏，在设计时一般使风轮回转中心线向上倾斜5°～6°。
塔筒是风力发电机的关键部件之一，造价昂贵，成本约占风力发电机总体成本的25％左右。塔筒支撑机舱和风轮，其结构可靠性是确保风力发电正常进行的关键因素之一。塔筒属于高耸型悬壁结构，除受自身重力作用外，还受到机舱和风轮的重力、塔身风载荷、通过风轮作用于塔筒顶端的气动力、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等载荷的作用。在台风条件下，塔筒折断是风力发电机一种严重的破坏形式，由此带来的损失是塔筒自身成本的3倍左右。因而，如何以较低成本提高塔筒结构可靠性、增强风机在台风等极端载荷条件下的生存能力，是风电行业面临的关键技术问题之一。
目前，提高塔筒结构可靠性主要采用增大塔筒自身强度、增大连接件强度、降低塔筒高度等方法。增大塔筒自身强度和连接件强度势必增加成本，降低塔筒高度势必影响风力发电机组日常运营效率，因而是不经济的。上述改进措施的技术共性就是没有改变现有塔筒的悬臂结构，而悬壁结构恰好是造成塔筒成本和结构可靠性矛盾的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有塔筒强化技术的缺点和不足，提出一种全新可行的上风向抗台风低成本塔筒控制系统，以较低成本有效降低塔筒应力水平，改善塔筒应力分布，提高塔筒结构可靠性，增强上风向风机在台风等极端载荷条件下的生存能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：上风向抗台风低成本塔筒控制系统主要由塔筒、具备自动控制功能的斜拉索、斜拉索-塔筒连接装置、斜拉索-地面连接装置组成。其特征在于在塔筒周围均布6根斜拉索，每根斜拉索与竖直方向成一定夹角，一端与距塔筒顶端1/3处连接，另一端与地面连接，并通过控制系统实现斜拉索的张紧或松弛，建立抵消风荷载的张紧合力。
以斜拉索在水平面的投影线以及相邻两投影线夹角的中分线为边界，将与塔筒同心的圆柱空间在水平面的投影平均分成12个区域，每个区域的中心角为30°。以与风向一致、且过塔筒在水平面投影圆心的射线为参照，选取最近的边界，以此边界为对称，向左右各扫描60°，得到120°的扫描区域。在控制系统的作用下，位于该扫描区域的斜拉索张紧，其余的斜拉索松弛，从而形成张紧合力。
当上述射线恰好落到两斜拉索投影夹角的1/4处时，以最近的斜拉索投影为对称，按上述方法进行扫描、张紧与松弛，形成张紧合力。
通过控制系统调节扫描区域斜拉索的张紧力，在满足力学性能的前提下，使张紧合力最大限度平衡风载荷，可以获得最佳抗风效果。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)改变了现有上风机塔筒的悬壁结构，以较低成本提高了塔筒的结构可靠性，减小台风条件下塔筒失效率，提高风机在极端载荷下的生存能力；
(2)借助自动控制功能，根据风向确定斜拉索张紧或松弛，根据风载大小调节斜拉索的张紧力，建立张紧合力，获得最佳抗风效果。
附图说明
图1是装备上风向抗台风低成本塔筒控制系统的上风向风力发电机主视图
图2是上风向抗台风低成本塔筒控制系统俯视图
图3是与塔筒同心的圆柱空间在水平面的分区示意图
图4是斜拉索张紧合力相对于风向的偏转夹角变化图
其中：1.风轮，2.机舱，3.塔筒，4.斜拉索-塔筒连接装置，5.松弛状态斜拉索，6.张紧状态斜拉索，7.斜拉索-地面连接装置。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施案例，对本发明进行详细阐述。
参照附图1，装备上风向抗台风低成本塔筒控制系统的上风向风力发电机由风轮1、机舱2、塔筒3、斜拉索-塔筒连接装置4、松弛状态斜拉索5、张紧状态斜拉索6、斜拉索-地面连接装置7组成。本实施例中的上风向抗台风低成本塔筒控制系统由塔筒3、斜拉索-塔筒连接装置4、松弛状态斜拉索5、张紧状态斜拉索6、斜拉索-地面连接装置7组成。张紧状态斜拉索6位于风流入区域，松弛状态斜拉索5位于风流出区域，张紧合力在水平方向的投影与风向相反。同时参照附图2，6根斜拉索均布于塔筒周围，每根斜拉索与竖直方向成一定夹角，一端与距塔筒顶端1/3处连接，另一端与地面连接。
参考附图3，斜拉索在水平面的投影线记为L1、L2、L3、L4、L5、L6，相邻投影线夹角的中分线记为M1、M2、M3、M4、M5、M6，以L1、M1、L2、M2、L3、M3、L4、M4、L5、M5、L6、M6为边界，将与塔筒同心的圆柱空间在水平面的投影平均分成12个区域，每个区域的中心角为30°。以与风向一致、且过塔筒轴心的射线W为参照，选取最近的边界(本例中为L1)，以此边界为对称，向左右各扫描60°，得到120°的扫描区域。在控制系统的作用下，位于该扫描区域的斜拉索张紧(本例中为L1、L2、L6)，其余的斜拉索松弛(本例中为L3、L4、L5)，从而形成张紧合力。
参考附图3，当射线W恰好落到两斜拉索投影夹角的1/4处时(例如圆弧L1M1的中点处)，以最近的斜拉索投影为对称(本例中为L1)，按上述方法进行扫描、张紧与松弛。
参考附图4，以风向W为参照，张紧合力在水平面的投影方向在F1和F2之间变化，F1和F2是两个极限情况，与风向W的夹角分别为165°和195°，将以96.59％的分力抵抗风载荷。F0是理想情况，与风向W的夹角为180°，将100％用来抵抗风载荷。通过控制系统调节斜拉索张紧力，可以获得最佳抗风效果。

Claims (4)

1.上风向抗台风低成本塔筒控制系统，其特征在于：上风向抗台风低成本塔筒控制系统主要由塔筒、具备自动控制功能的斜拉索、斜拉索-塔筒连接装置、斜拉索-地面连接装置组成，在塔筒周围均布6根具备自动控制功能的斜拉索，每根斜拉索与竖直方向成一定夹角，一端与距塔筒上部连接，另一端与地面连接，并通过控制系统实现斜拉索的张紧或松弛，建立抵消风荷载的张紧合力。
2.根据权利要求书1所述的上风向抗台风低成本塔筒控制系统，其特征在于：以斜拉索在水平面的投影线以及相邻两投影线夹角的中分线为边界，将与塔筒同心的圆柱空间在水平面的投影平均分成12个区域，每个区域的中心角为30°；以与风向一致、且过塔筒在水平面投影圆心的射线为参照，选取最近的边界，以此边界为对称，向左右各扫描60°，得到120°的扫描区域；在控制系统的作用下，位于该扫描区域的斜拉索张紧，其余的斜拉索松弛，从而形成张紧合力。
3.根据权利要求书1所述的上风向抗台风低成本塔筒控制系统，其特征在于：当权利要求书2所述的射线恰好落到两斜拉索投影夹角的1/4处时，以最近的斜拉索投影为对称，按权利要求书2所述的方法进行扫描、张紧与松弛，形成张紧合力。
4.根据权利要求书1所述的上风向抗台风低成本塔筒控制系统，其特征在于：通过控制系统调节斜拉索的张紧力，可以获得最佳抗风效果。
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