CN109340049A - 一种风力发电制氢制动装置及方法 - Google Patents

一种风力发电制氢制动装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种风力发电系统的制动装置及方法，所述风力发电系统包括叶片、低速转轴、齿轮箱、高速转轴和发电机，其中，低速转轴的两端分别连接叶片和齿轮箱，齿轮箱通过高速转轴与发电机连接，制动装置包括制氢子系统、气动制动系统和控制系统，气动制动系统分别与控制系统和制氢子系统连接，其中，控制系统用于控制制氧子系统产生氢体，同时，控制制氧子系统向气动制动系统提供气体，使得气动制动系统制动高速转轴旋转，气动制动系统置于高速转轴的旁侧；该结构简单，取代了传统风力发电机组自身液压制动设备，避免了液压系统自身长时间工作漏油现象出现，提高了系统的安全可靠性能。

Description

一种风力发电制氢制动装置及方法
技术领域
本发明涉及风电机组弃风利用技术领域，特别涉及一种风力发电制氢制动装置及方法。
背景技术
为了实现人类社会未来的可持续发展与解决化石能源带来的环境问题，在减排和电力需求旺盛的推动下，我国从21世纪初期开始重视风电产业发展，引进国外成熟的风电技术。我国从2003年起开始实行风电特许权招标，风电投资热情高涨，随着风电投资热情高涨，风电建设呈井喷式增长。2016年全国风电发电量2,410亿千瓦时，占全部发电量的4.1％，发电量逐年增加，市场份额不断提升，风电已成为继煤电、水电之后我国第三大电源。
不过需要引起注意的是，虽然国家高度重视发展新能源，但以风电为主的新能源存在大量浪费现象也是客观存在的，且愈演愈烈；弃风主要原因有以下几方面：一由于电网规划和建设滞后于风电项目建设，在时间上出现了错配；二由于我国在风电管理上缺乏经验，规模快速增长过程中出现了多起质量和安全事故，给电网安全带来了极大的安全隐患；三是项目审批核准未考虑接入和消纳状况。
现代大型并网风电机组一般会设有机械制动机构。机械制动机构一般安装在高速传动轴上，其目的是当遇到破坏性大风、风电机组运转出现异常或者需要对机组进行保养维修时，需要制动机构使风轮静止下来。而机械制动系统一般采用一套液压系统提供动力，但液压系统长时间运行下漏油问题是一项世界公认技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电系统的制动装置及方法，解决了现有的风力发电系统采用机械制动，而机械制动在长时间运行下存在漏油的问题，导致制动效果不好。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种风力发电系统的制动装置，所述风力发电系统包括叶片、低速转轴、齿轮箱、高速转轴和发电机，其中，低速转轴的两端分别连接叶片和齿轮箱，齿轮箱通过高速转轴与发电机连接，制动装置包括制氢子系统、气动制动系统和控制系统，气动制动系统分别与控制系统和制氢子系统连接，其中，控制系统用于控制制氢子系统产生氢体，同时，控制制氢子系统向气动制动系统提供气体，使得气动制动系统制动高速转轴旋转，气动制动系统置于高速转轴的旁侧。
优选地，气动制动系统包括气动环节和气动制动设备，其中，气动环节上的气体入口与制氢子系统连接，气动制动环节上的气体出口与气动制动设备连接，气动制动设备置于高速转轴的旁侧。
优选地，气动环节包括氢气储气囊、空气储气罐和活塞杆，其中，氢气储气囊的进气口与制氢子系统连接，氢气储气囊的出气口与空气储气罐的进气口连接；空气储气罐的出气口与气动制动设备连接，为气动制动设备提供气体来源。
优选地，空气储气罐内设置有活塞杆。
优选地，活塞杆和空气储气罐靠近气体出口一端之间设置有弹簧。
优选地，氢气储气囊和制氢子系统之间设置有第一控制开关阀；氢气储气囊和空气储气罐之间设置有第二控制开关阀，其中，第一控制开关阀和第二控制开关阀均与控制系统连接。
优选地，所述控制系统包括中央监控系统、以太网交换机、控制器和压力传感器，其中，中央监控系统和控制器之间通过以太网交换机连接，控制器还分别与压力传感器和第一控制开关阀和第二控制开关阀连接，其中，压力传感器用于采集气动制动系统的气体压力。
优选地，制氢子系统包括制氢设备，所述制氢设备内填充有纯水原料；制氢设备上设置有电能输入端和气体输出端，所述气体输出端与气动制动系统连接，电能输入端与风力发电子系统连接。
一种风力发电系统的制动方法，基于权利要求1-8中任一项所述的一种风力发电系统的制动装置，包括以下步骤：
当风力发电机发出的电无法并网时，产生“弃风”现象时，首先，控制系统给出信号，使发电机产生的电能提供给制氢子系统用来电解纯水制出氢气；
当风力发电机组需要制动停止转动时，控制系统发出指令，将制氢子系统制备出的氢气提供给气动制动系统，通过气动制动系统制动高速转轴。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种风力发电系统的制动装置，当风力发电机发出的电无法并网时，产生“弃风”现象时，通过制氢子系统电解纯水制出氢气，并向气动制动系统提供氢气，当需要制动时，通过气动制动系统制动高速转轴从而实现制动功能，该结构简单，取代了传统风力发电机组自身液压制动设备，避免了液压系统自身长时间工作漏油现象出现，提高了系统的安全可靠性能。
进一步的，风力发电机组“弃风”中多余无法并网电能用于电解制氢，制出的氢气成为气动制动设备初始动力来源，通过中间能量传递与转换，最终使气动制动设备工作。该发明为解决风力发电机组“弃风”问题提供了新的、充分、合理利用用途，扩展了无法并网的多余风能在工程上的应用。
进一步的，以氢气作为初始气动来源的新型气动制动装置，取代传统风力发电机组常规液压制动设备，降低了建造成本，提高了利润空间。
以氢气作为初始气动来源的新型气动制动装置，取代传统风力发电机组自身液压制动设备，避免了液压系统自身长时间工作漏油现象出现，提高了系统的安全可靠性能。
附图说明
图1是本发明风力发电子系统示意图；
图2是本发明制氢子系统示意图；
图3是本发明气动制动子系统示意图；
图4是本发明氢气制动装置的控制系统示意图；
其中，1、风力发电子系统 2、制氢子系统 3、气动制动系统 4、控制系统 1-1，叶片1-2、低速转轴 1-3、齿轮箱 1-4、高速转轴 1-5、发电机 1-6、并网电缆 1-7、继电器 2-1、制氢设备 2-2、电能输入端 2-3、气体输出端 3-1、氢气储气囊 3-2、空气储气罐 3-3、气动制动设备 3-4、第一控制开关阀 3-5、第二控制开关阀 3-6、活塞杆 3-7、弹簧 4-1、中央监控系统 4-2、以太网交换机 4-3、控制器 4-4、压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种风力发电系统的制动装置，包括制氢子系统、气动制动系统和控制系统，其中，制氢子系统向气动制动系统提供所需氢气，控制系统用于控制气动制动系统的启停，所述气动制动系统用于制动风力发电机组。
其中，制氢子系统2包括型号为DQ500/1.6的制氢设备2-1，所述制氢设备2-1内填充有纯水原料，同时，所述制氢设备2-1上设置有电能输入端2-2和气体输出端2-3，所述气体输出端2-3与气动制动系统3连接，电能输入端2-2与风力发电子系统1连接。
所述气动制动系统3包括氢气储气囊3-1、空气储气罐3-2和气动制动设备3-3，其中，氢气储气囊3-1的进气口与制氢子系统2连接，氢气储气囊3-1的出气口与空气储气罐3-2的进气口连接，空气储气罐3-2的出气口与气动制动设备3-3连接。
氢气储气囊3-1与制氢子系统之间设置有第一控制开关阀3-4；氢气储气囊3-1和空气储气罐3-2之间设置有第二控制开关阀3-5，且第一控制开关阀3-4和第二控制开关阀3-5均与控制系统4电连接。
空气储气罐3-2内设置有活塞杆3-6，所述活塞杆3-6置于靠近空气储气罐3-2进气口一侧，在活塞杆3-6和空气储气罐3-2出气口一侧连有弹簧3-7，弹簧3-7的一端与活塞杆3-6连接，另一端空气储气罐3-2的出气口侧连接。气动制动设备3-3为刹车片。
打开第一控制开关阀3-4，将风机电解制氢的氢气进入到氢气储气囊3-1，达到最大承受压力时，关闭第一控制开关阀3-4。需要时，打开第二控制开关阀3-5，使氢气储气囊3-1中的氢气将流入空气储气罐3-2，推动活塞杆3-6将空气推出流至气动制动设备3-3入口端，最终带动气动制动刹车片工作，停止风力发电机运行。
所述风力发电子系统1包括叶片1-1、低速转轴1-2、齿轮箱1-3、高速转轴1-4和发电机1-5，其中，低速转轴1-2的两端分别连接叶片1-1和齿轮箱1-3，齿轮箱1-3通过高速转轴1-4与发电机1-5连接。气动制动系统3安装在高速转轴1-4旁侧，用来制动高速转轴1-4的旋转。
工作时风能吹动叶片1-1转动，依次通过低速转轴1-2、齿轮箱1-3和高速转轴1-4将叶片1-1的旋转机械能传递至发电机1-5端，从而带动发电机1-5进行发电，所发电力通过与发电机1-5连接的并网电缆1-6向外输送。
发电机1-5输出端连接有继电器1-7，所述继电器1-7分别与并网电缆1-6和制氢子系统连接。
通过继电器1-7随时切换电力输送线路，可随时给制氢子系统2提供电能用来电解制氢。
所述控制系统4包括中央监控系统4-1、以太网交换机4-2、控制器4-3以及压力传感器4-4，其中，通过Labview软件和计算器搭建中央监控系统4-1，操作人员在中控室通过显示面板及操作按钮，即可实时查看各参数状态，并下达控制命令。控制器4-3采用常规控制器plc(型号s7-400),可实时采集压力传感器压力参数，并根据已编程控制策略，控制电动阀和继电器的开关状态。
中央监控系统4-1和控制器4-3之间通过以太网交换机4-2连接，用于交换传输数据，控制器4-3还分别与压力传感器4-4和第一控制开关阀和第二控制开关阀连接，其中，压力传感器4-4用于采集气动制动系统的气体压力。
工作过程：
风能吹向风力发电机叶片1-1，叶片1-1转动带动机舱内部传动部件转动，最终带动发电机1-5转动发电。当风力发电机发出的电无法并网时，产生“弃风”现象时，控制器4-3给出信号使继电器1-7切换电力路线改至制氢子系统2用来电解纯水制出氢气。此时控制器4-3打开第一电动控制开关阀3-4，关闭第二电动控制开关阀3-5使氢气储气囊3-1里充满氢气，并利用压力传感器4-4监测氢气储气囊3-1氢气状态。当氢气压力达到设计最大限额时，控制器4-3此时关闭第一控制开关阀3-4。
当风力发电机组需要制动停止转动时，中央监控系统4-1通过以太网交换机4-2给控制器4-3发出指令，控制器4-3将第二控制开关阀3-5打开，氢气进入空气储气罐3-2带动活塞杆3-6推动空气储气罐3-2内的空气流入气动制动设备3-3，使气动制动设备3-3制动高速转轴1-4从而实现制动功能。
此时氢气储气囊3-1压力减小，可恢复弹簧3-7将活塞杆3-6回复至原位，将第二控制开关阀3-5关闭，这样气动制动设备3-3就完成一次制动刹车过程。若需进行多次刹车制动过程，可多次重复上述步骤。

Claims (9)

1.一种风力发电系统的制动装置，所述风力发电系统包括叶片(1-1)、低速转轴(1-2)、齿轮箱(1-3)、高速转轴(1-4)和发电机(1-5)，其中，低速转轴(1-2)的两端分别连接叶片(1-1)和齿轮箱(1-3)，齿轮箱(1-3)通过高速转轴(1-4)与发电机(1-5)连接，其特征在于，制动装置包括制氢子系统、气动制动系统和控制系统，气动制动系统分别与控制系统和制氢子系统连接，其中，控制系统用于控制制氢子系统产生氢体，同时，控制制氢子系统向气动制动系统提供气体，使得气动制动系统制动高速转轴(1-4)旋转，气动制动系统置于高速转轴(1-4)的旁侧。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，气动制动系统包括气动环节和气动制动设备(3-3)，其中，气动环节上的气体入口与制氢子系统连接，气动制动环节上的气体出口与气动制动设备(3-3)连接，气动制动设备(3-3)置于高速转轴(1-4)的旁侧。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，气动环节包括氢气储气囊(3-1)、空气储气罐(3-2)和活塞杆(3-6)，其中，氢气储气囊(3-1)的进气口与制氢子系统连接，氢气储气囊(3-1)的出气口与空气储气罐(3-2)的进气口连接；空气储气罐(3-2)的出气口与气动制动设备(3-3)连接，为气动制动设备(3-3)提供气体来源。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，空气储气罐(3-2)内设置有活塞杆(3-6)。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，活塞杆(3-6)和空气储气罐靠近气体出口一端之间设置有弹簧。
6.根据权利要求3所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，氢气储气囊(3-1)和制氢子系统之间设置有第一控制开关阀(3-4)；氢气储气囊(3-1)和空气储气罐(3-2)之间设置有第二控制开关阀(3-5)，其中，第一控制开关阀(3-4)和第二控制开关阀(3-5)均与控制系统连接。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，所述控制系统包括中央监控系统(4-1)、以太网交换机(4-2)、控制器(4-3)和压力传感器(4-4)，其中，中央监控系统(4-1)和控制器(4-3)之间通过以太网交换机(4-2)连接，控制器(4-3)还分别与压力传感器(4-4)和第一控制开关阀(3-4)和第二控制开关阀(3-5)连接，其中，压力传感器(4-4)用于采集气动制动系统的气体压力。
8.根据权利要求1所述的一种风力发电系统的制动装置，其特征在于，制氢子系统包括制氢设备(2-1)，所述制氢设备(2-1)内填充有纯水原料；制氢设备(2-1)上设置有电能输入端(2-2)和气体输出端(2-3)，所述气体输出端(2-3)与气动制动系统连接，电能输入端(2-2)与风力发电子系统连接。
9.一种风力发电系统的制动方法，其特征在于，基于权利要求1-8中任一项所述的一种风力发电系统的制动装置，包括以下步骤：
当风力发电机发出的电无法并网时，产生“弃风”现象时，首先，控制系统给出信号，使发电机(1-5)产生的电能提供给制氢子系统用来电解纯水制出氢气；
当风力发电机组需要制动停止转动时，控制系统发出指令，将制氢子系统制备出的氢气提供给气动制动系统，通过气动制动系统制动高速转轴(1-4)。
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