CN112523961A - 一种风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了风电领域内的一种风力发电装置,括叶轮,所述叶轮与增速器相连,所述增速器与发电机相连,所述增速器和发电机设置在机舱内,所述叶轮的轮毂内设置有控制叶轮上的叶片转向的变桨控制机构,所述机舱与设置在塔架顶部的偏航机构相连,所述塔架的底部与地面固定,所述塔架的下部设置有控制系统‘’通过变桨距控制机构,可以控制吸收机械能还能随时调节叶片的桨距角,不仅减少了风力对叶轮的冲击还保证了能够获取最大的能量,在并网的过程中还能实现快速无冲击的并网,本发明用于风力发电。

Description

一种风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置。
背景技术
由于近年来石油价格的高涨,造成能源成本的大幅提升,加上对于石油供给量是否已达到峰值的考虑,各国纷纷发展替代性能源,以期可降低对于石油能源的依赖性,并同时达到全球国家间对于温室气体排放的要求。目前主要的替代性能源方案,主要有风力、太阳能、水力、地热等,皆属于天然且可再生、无污染的能源,因各国家间客观环境的差异,水力及地热所受到的限制较大,因此风力及太阳能的发展,即成为目前再生能源发展的主流。风力发电行业属于电力工业链的发电环节,其工作原理和流程是将空气动能首先通过叶轮转化为机械能,再通过发电机将机械能转化为电能,发电机组输出的电能通过升压站升压后输送到电网中,电网再将电能送至各用电单位。但是,由于风速风向的多变,发电机组的发电效率和发电量不断地出现起伏,使得发电机组只有很小的机会处于最佳的运行状态,整体效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电装置,通过变桨控制机构和偏航机构对发电机组进行调节,使得发电机组能够与风向风速相匹配,获得最佳的运行状态,极大的提升发电效率。
为实现上述目的,本发明提供了一种风力发电装置,包括叶轮,所述叶轮与增速器相连,所述增速器与发电机相连,所述增速器和发电机设置在机舱内,所述叶轮的轮毂内设置有控制叶轮上的叶片转向的变桨控制机构,所述机舱与设置在塔架顶部的偏航机构相连,所述塔架的底部与地面固定,所述塔架的下部设置有控制系统。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于,风吹动叶轮转动,将风能转化为机械能,进而通过增速器将叶轮的转速提高到发电机的额定速度,再通过使得叶轮能够可靠地迎风转动并解揽,使得机舱反向偏转,恢复扭转的电缆,放置电缆扭断,而在较高的风速下,发电机组物理性能使得能量的收获收到限制,当风速超过额定风速时,由于随着风速的提高,功率上升趋于平缓,一旦过了额定点后,叶轮上的叶片开始失速,风速的升高导致功率不升反降,进而使得风力的利用系数大幅下降,而通过变桨距控制机构,可以控制吸收机械能还能随时调节叶片的桨距角,不仅减少了风力对叶轮的冲击还保证了能够获取最大的能量,在并网的过程中还能实现快速无冲击的并网,本发明用于风力发电。
作为本发明的进一步改进,偏航机构包括风向标传感器,所述风向标传感器设置在固定支架上,所述固定支架设置在机舱上,所述风向标传感器与偏航控制器相连,所述偏航控制器与放大器相连,所述放大器与偏航电机信号连接,所述偏航电机与齿轮环相连,所述齿轮换设置在机舱下部位于塔架内,偏航控制器对应设置有偏航计数器,这样风向标传感器采集风向变化数据,然后传到至偏航控制器中,经过偏航控制器的处理后,判断是否出给偏航以及偏航的方向的指令,通过放大器将指令信号放大后传给偏航电机,使得偏航电机带动机舱整体转向,最终达到机舱正对风向的目的。
作为本发明的进一步改进,所述偏航机构还包括解揽传感器,所述解揽传感器设置在机舱底部,经尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合,所述尼龙齿轮经涡轮蜗杆和偏航大齿圈驱动一组凸轮,所述凸轮对应设置有微动开关,所述微动开关与微处理器信号连接,这样由于风向的不确定性,使得机舱经常偏航,而偏航的方向也不确定,引起电缆随着机舱的转动而扭转,当多次向同一方向转动时,就会造成电缆缠绕绞死,甚至绞断,当悬垂部分的电缆扭绞到一定程度,凸轮触碰微动开关,进而使得微动开关将信号传递给微处理器,微处理器计数,当电缆扭转超过两圈半时,则优先解揽,之后再直行偏航的指令。
作为本发明的进一步改进,所述变桨控制机构包括变桨电机,所述变桨电机的输出轴上设置有光电编码器,所述变桨电机通过主动齿轮与叶轮的叶片上的轮毂内齿圈相连,所述轮毂内齿圈的边缘安装有非接触式位移传感器,所述非接触式位移传感器和光电编码器的输出信号传递给变桨控制器,所述变桨电机安装在支撑板上,所述设置在轮毂中,所述支撑板上还设置有UPS电源,所述UPS电源配合设置有及短期和电磁铁,这样光电编码器采集变桨电机的转动角度,变桨电机通过主动齿轮与轮毂内齿圈连接,带动叶片转动,实现对叶片的桨距角的直接调节,而非接触式位移传感器用于测量内齿圈转动的角度,即叶片桨距角的变化,当内齿圈转过一个角度,传感器输出一个脉冲信号,当光电编码器和传感器测出的数值不同时,控制器判断出现故障,一旦外部电路出现故障,则UPS电源切换给变桨控制机构供电,并将叶片的桨距角调整到顺浆位置;在电源电量耗尽时,继电器短路,原来有电磁力吸合的制动齿轮弹出,制动叶片,保持叶片处于顺浆纹只,一旦正常工作后,继电器得电,电磁铁吸合制动齿轮,使得制动齿轮不起作用。
作为本发明的进一步改进,所述变桨控制机构设置有三个,分别对应一个叶片,所述机舱内设置有控制三个变桨控制机构的主控制器,这样可以每个叶片均可以单独控制,实现更精准的控制。
作为本发明的进一步改进,所所述叶片为高升阻比翼结构,为胶衣树脂和增强玻璃纤维材质,能够提高叶片性能和结构强度,使得叶片能够在高速下安全运行。
作为本发明的进一步改进,所述发电机与整流器相连,所述整流器与逆变器相连,所述发电机与整流器之间设置有手动停机开关,所述整流器的输出端并联有卸荷控制器,所述卸荷控制器包括外部刹车信号发生器,所述外部刹车信号发生器与卸荷负载相连,这样当发电机的输出功率过大时,由逆变器产生控制信号,接入连续可调的卸荷负载,消耗多余能量,在不停机的情况下保护系统,在紧急情况下或许要维修时,可以通过手动停机开关使得发电机三相输出短路进而让发电机停机,保护整个系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明系统控制图。
图3为本发明变桨控制结构示意图。
图4为本发明卸荷电路示意图。
其中,1叶片,2轮毂,3变速器,4偏航机构,5发电机,5机舱,7塔架,8控制系统,9地面基础,10支撑板,11UPS电源,12主动齿轮,13位移传感器,14制动齿轮,15传感器放大器,16变桨电机,17光电编码器,18继电器,19电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:
如图1-4所示的一种风力发电装置,包括叶轮,叶轮与增速器3相连,增速器3与发电机5相连,增速器3和发电机5设置在机舱6内,其特征在于:叶轮的轮毂2内设置有控制叶轮上的叶片1转向的变桨控制机构,机舱6与设置在塔架7顶部的偏航机构4相连,塔架7的底部与地面基础9固定,塔架7的下部设置有控制系统8。
偏航机构4包括风向标传感器,风向标传感器设置在固定支架上,固定支架设置在机舱6上,风向标传感器与偏航控制器相连,偏航控制器与放大器相连,放大器与偏航电机信号连接,偏航电机与齿轮环相连,齿轮换设置在机舱6下部位于塔架7内,偏航控制器对应设置有偏航计数器。
偏航机构4还包括解揽传感器,解揽传感器设置在机舱6底部,经尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合,尼龙齿轮经涡轮蜗杆和偏航大齿圈驱动一组凸轮,凸轮对应设置有微动开关,微动开关与微处理器信号连接。
变桨控制机构包括变桨电机16,变桨电机16的输出轴上设置有光电编码器17,变桨电机16通过主动齿轮12与叶轮的叶片1上的轮毂2内齿圈相连,轮毂2内齿圈的边缘安装有非接触式位移传感器13,非接触式位移传感器13和光电编码器17的输出信号传递给变桨控制器,变桨电机16安装在支撑板10上,设置在轮毂2中,支撑板10上还设置有UPS电源11,UPS电源11配合设置有及短期和电磁铁19。
变桨控制机构设置有三个,分别对应一个叶片1,机舱6内设置有控制三个变桨控制机构的主控制器;叶片1为高升阻比翼结构,为胶衣树脂和增强玻璃纤维材质;发电机5与整流器相连,整流器与逆变器相连,发电机5与整流器之间设置有手动停机开关,整流器的输出端并联有卸荷控制器,卸荷控制器包括外部刹车信号发生器,外部刹车信号发生器与卸荷负载相连。
本发明中,风吹动叶轮转动,将风能转化为机械能,进而通过增速器3将叶轮的转速提高到发电机5的额定速度,进而使得发电机5高速转动将接卸能转化为电能通过逆变器并网,其中风向标传感器采集风向变化数据,然后传到至偏航控制器中,经过偏航控制器的处理后,判断是否出给偏航以及偏航的方向的指令,通过放大器将指令信号放大后传给偏航电机,使得偏航电机带动机舱6整体转向,最终达到机舱6正对风向的目的;而由于风向的不确定性,使得机舱6经常偏航,而偏航的方向也不确定,引起电缆随着机舱6的转动而扭转,当多次向同一方向转动时,就会造成电缆缠绕绞死,甚至绞断,当悬垂部分的电缆扭绞到一定程度,凸轮触碰微动开关,进而使得微动开关将信号传递给微处理器,微处理器计数,当电缆扭转超过两圈半时,则优先解揽,之后再直行偏航的指令,恢复扭转的电缆,避免电缆扭断。
而在较高的风速下,发电机5组物理性能使得能量的收获收到限制,当风速超过额定风速时,由于随着风速的提高,功率上升趋于平缓,一旦过了额定点后,叶轮上的叶片1开始失速,风速的升高导致功率不升反降,进而使得风力的利用系数大幅下降,故通过光电编码器17采集变桨电机16的转动角度,变桨电机16通过主动齿轮12与轮毂2内齿圈连接,带动叶片1转动,实现对叶片1的桨距角的直接调节,而非接触式位移传感器13用于测量内齿圈转动的角度,即叶片1桨距角的变化,当内齿圈转过一个角度,传感器输出一个脉冲信号,位移传感器的输出信号经传感器放大器15放大后输出,当光电编码器17和传感器测出的数值不同时,控制器判断出现故障,一旦外部电路出现故障,则UPS电源11切换给变桨控制机构供电,并将叶片1的桨距角调整到顺浆位置;在电源电量耗尽时,继电器18短路,原来有电磁力吸合的制动齿轮14弹出,制动叶片1,保持叶片1处于顺浆纹只,一旦正常工作后,继电器18得电,电磁铁19吸合制动齿轮14,使得制动齿轮14不起作用;通过变桨距控制机构,可以控制吸收机械能还能随时调节叶片1的桨距角,不仅减少了风力对叶轮的冲击还保证了能够获取最大的能量,在并网的过程中还能实现快速无冲击的并网,
当发电机5的输出功率过大时,由逆变器产生控制信号,接入连续可调的卸荷负载,消耗多余能量,在不停机的情况下保护系统,在紧急情况下或许要维修时,可以通过手动停机开关使得发电机5三相输出短路进而让发电机5停机,保护整个系统。
本发明不局限于上述实施例,在本公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电装置,包括叶轮,所述叶轮与增速器相连,所述增速器与发电机相连,所述增速器和发电机设置在机舱内,其特征在于:所述叶轮的轮毂内设置有控制叶轮上的叶片转向的变桨控制机构,所述机舱与设置在塔架顶部的偏航机构相连,所述塔架的底部与地面固定,所述塔架的下部设置有控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电装置,其特征在于:偏航机构包括风向标传感器,所述风向标传感器设置在固定支架上,所述固定支架设置在机舱上,所述风向标传感器与偏航控制器相连,所述偏航控制器与放大器相连,所述放大器与偏航电机信号连接,所述偏航电机与齿轮环相连,所述齿轮换设置在机舱下部位于塔架内,偏航控制器对应设置有偏航计数器。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电装置,其特征在于:所述偏航机构还包括解揽传感器,所述解揽传感器设置在机舱底部,经尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合,所述尼龙齿轮经涡轮蜗杆和偏航大齿圈驱动一组凸轮,所述凸轮对应设置有微动开关,所述微动开关与微处理器信号连接。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电装置,其特征在于:所述变桨控制机构包括变桨电机,所述变桨电机的输出轴上设置有光电编码器,所述变桨电机通过主动齿轮与叶轮的叶片上的轮毂内齿圈相连,所述轮毂内齿圈的边缘安装有非接触式位移传感器,所述非接触式位移传感器和光电编码器的输出信号传递给变桨控制器,所述变桨电机安装在支撑板上,所述设置在轮毂中,所述支撑板上还设置有UPS电源,所述UPS电源配合设置有及短期和电磁铁。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电装置,其特征在于:所述变桨控制机构设置有三个,分别对应一个叶片,所述机舱内设置有控制三个变桨控制机构的主控制器。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电装置,其特征在于:所述叶片为高升阻比翼结构,为胶衣树脂和增强玻璃纤维材质。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电装置,其特征在于:所述发电机与整流器相连,所述整流器与逆变器相连,所述发电机与整流器之间设置有手动停机开关,所述整流器的输出端并联有卸荷控制器,所述卸荷控制器包括外部刹车信号发生器,所述外部刹车信号发生器与卸荷负载相连。
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