CN112628071A - 杆秤式倾斜轴风力发电设备 - Google Patents

Abstract

如何降低风电成本？如何让风电施工安装和后期维护变得简单易行？如何让40米固定塔筒高安装并运行桨叶超过40米长的发电机组，并且不降低桨叶效率呢？可变倾斜轴技术来帮你解决这个棘手问题。可变倾斜轴技术又称杆秤原理，可旋转塔筒技术、可变倾斜角技术。这套可变倾斜轴技术具有四大核心优势；海上浮筒版倾斜轴发电系统八大优点详见说明书。可变倾斜轴技术优势，加上海上浮筒版风力发电机组的诸多利好，能有效降低风电成本，甚至比陆上风电价格都低，助力沿海发达地区更好发展。

Description

杆秤式倾斜轴风力发电设备

技术领域

如何降低风电成本？如何让风电施工安装和后期维护变得简单易行？如何让40米固定塔筒高安装并运行桨叶超过40米长的发电机组，并且不降低桨叶效率呢？可变倾斜轴技术来帮你解决这个棘手问题。可变倾斜轴技术又称杆秤原理，秤杆可旋转塔筒技术，可变倾斜角技术。

可变倾斜轴技术，发电机主轴能在水平态、倾斜态、垂直态随风力变化智能调整；这项技术有四大核心优势，能精准调整捕获风力功率和发电机功率匹配，还能随风力变化改变桨叶空高，在相同塔筒高度下能加装更长桨叶，可根据力学平衡原理自动调整轴倾角和桨叶功率。

可变倾斜轴技术又称杆秤原理，可旋转塔筒技术、可变倾斜角技术。此技术在海上的智能应用，相比于现有技术有八项巨大优势，以便宜的长浮筒代替昂贵地基技术，单锚链加舵来代替偏航技术，顺浪自寻风技术，单方向塔筒加固技术，船坞安装代替现场安装技术，可调超低重心抗台风技术，可以在安装、拖运、发电、抗风、检修状态间轻松切换，标准化降成本技术，极大提升了设备安全性和持续发电能力，能够极大降低海上风电成本，支持沿海发达地区用电。

背景技术

目前的塔筒都是固定在陆地或者海底的或者海上浮筒版的，塔筒一经建好就成为竖直的固定高度，塔筒不能再改变。塔筒越建越高，施工安装成本和后期维护成本也翻倍上升。迫切需要找到一款塔筒高度可调整的智能塔筒。既能在额定风速以下全力发电，又能在高风速下保持稳定。

功率调节是风力机的关键技术之一，目前，投入运行的风力机主要有两类功率调节方式：一类是定桨距失速控制；另一类是变桨距控制。

(1)定桨距失速控制

定桨距风力机的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的节距角不能随之变化。它具有结构简单、性能可靠的优点。风力机的功率调节完全依靠叶片气动特性。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，通常难以保证在额定风速之前CP较大，特别是在低风速段。这种机组通常设计为有两台不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速发电机工作在高风速区，小功率低转速发电机工作在低风速区，由此来调整CP，当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低CP，从而维持功率恒定

(2)变桨距控制

为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机需要进行桨距调整。在定桨距基础上安装桨距调节环节，构成变桨距风力机组。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠叶片节距角(气流方向与叶片横截面的弦的夹角)的改变来进行调节。在额定风速以下时节距角处于零度附近，此时，叶片节距角受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风机。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片节距角，保证发电机的输出功率在允许范围以内。变桨距风力机的启动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时，主要采用功率控制，对于功率调节速度的反应取决于风机桨距调节系统的灵敏度。在实际应用中，风速的较小变化将造成风能较大的变化，风机输出功率处于不断变化中，桨距调节机构频繁动作。风机桨距调节机构对风速的反应有一定的时延，在阵风出现时，桨距调节机构如果来不及动作就会造成风机瞬时过载，不利于风机的运行。

比较来看，定桨距失速控制风力机结构简单，造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变桨距型风力机能使叶片的节距角随风速而变化，从而使风力机在各种工况下(启动、正常运转、停机)按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以下的工作区段有较大的功率输出，而在额定风速以上的高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机等。当然，它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节结构。现在这两种功率调节方案在技术上都比过去的有很大改进，都在大、中型风力发电机组中得到了广泛应用。

发明内容

1.可变倾斜轴技术：塔筒不再永远处于竖直状态、桨叶与发电机组之间连接的主轴不再永远水平放置，倾斜的旋转塔筒中心轴与固定塔筒中心轴之间的夹角我们称之为轴倾角，水平轴风力发电机的轴倾角为0度，垂直轴风力发电机的轴倾角为90度。可变倾斜轴技术的轴倾角在0-90度之间变化。由于风是平行于地面方向吹的，调节轴倾角度数，桨叶迎风面也会发生变化，用这种方法也能控制风力输入功率，适合大型和巨型风力发电机组。桨叶倾斜状态下扫过风截面和桨叶垂直风向时扫过的最大风截面的比值我们称为扫风效率。可变倾斜轴技术，秤杆可旋转塔筒支架能以固定塔筒顶端提钮可旋转横梁为中心转动，使轴倾角发生变化，桨叶的轴倾角发生变化，桨叶扫风截面就发生变化，控制风力功率和发电机功率相匹配。可变倾斜轴功率调节技术跟定桨距失速控制原理类似。但是由于倾斜塔筒末端旋转半径远高于偏航轴承半径，所以倾斜轴对功率调节精度远高于偏航调节的定桨失速功率调节技术，所需要的力也小很多，更重要的是可变倾斜轴技术能随着风力变强时使桨叶净空高(从10米到40米)抬高远离海面和地面。

2.基于杆秤原理的秤杆可旋转塔筒技术，杆秤式倾斜轴风力发电设备是基于中国一项古老的发明杆秤原理作为支撑架的海上风力发电机设备；杆秤主要有秤杆、提钮、秤盘、秤砣四部分组成；主要特征是秤杆可绕提钮旋转，秤砣和秤盘上重物达到重力平衡。我们生活中用的杆秤，提钮到秤盘距离是固定值，提钮到秤砣距离是变动值，秤砣重量一定的情况下，秤砣重力矩和秤盘重物重力矩相等。秤杆相当于风力发电机组的可旋转塔筒部分，提钮相当于长浮筒固定基础支架上的提钮可旋转横梁，秤盘相当于配重物和倾斜轴调节系统，秤砣相当于风力发电机和桨叶。提钮相当于长浮筒固定基础支架上的提钮可旋转横梁，基础主体是一根长浮筒，前端配锚和单根锚链，后端配舵，能够实现顺浪自寻风，实现浮筒前端永远对着上风口，依靠锚定力来平衡风浪推动力量；长浮筒左右置两根辅助浮筒，用来克服整套设备左右摇摆；三根浮筒中部搭起40米高固定支架，固定支架顶端置提钮可旋转横梁，相当于提钮穿过秤杆的横梁。秤杆可旋转塔筒部分，秤杆可旋转塔筒中部被提钮可旋转横梁穿过并固定，从而使秤杆可旋转塔筒能够以提钮可旋转横梁为中心旋转；由于尺寸和重量巨大，塔筒从传统圆柱形改为支架形，增加承重能力和坚固程度。秤砣相当于风力发电机和桨叶，采用传统的成熟电机桨叶技术，低端版本秤砣部分固定在秤杆末端，高端版本秤砣增加在秤杆上左右滑动的功能也可是提钮到固定在秤杆末端的秤砣部分的秤杆可以加长，以适应不断推出的更长桨叶长度；桨叶平行于秤杆固定在称杆末端风机主轴上的风力发电机和桨叶能随秤杆可旋转塔筒的旋转自带倾斜轴主属性，和能调节桨叶空高的的附属属性。秤盘相当于配重物和倾斜轴调节系统，秤盘上配重物重力矩等于发电机桨叶重力矩，额定风力矩的和倾斜轴调节电机在倾斜轴导轨的摩擦阻力矩相等；使秤杆可旋转塔筒能随风力大小旋转自动调整倾斜角和桨叶迎风面积来配合发电机额定功率发电；秤盘配重有三种模式，固定在秤杆上适合10米以下水深，两根固定绳长左右绕过主浮筒垂吊在水中适合50米以上水深，两根变动绳长左右绕过主浮筒垂吊在固定深的水中适合10-50米水深；倾斜轴调节电机集成在秤杆末端，既能顺着倾斜轴调节导轨运动改变倾斜角角度，又能作为改变变动绳长配重物的绳长度的动力源，调节整套设备重心。

随着风电单机功率越来越高，桨叶越来越长，传统塔筒也做的越来越高。传统塔筒越高，塔筒自重越高，造价翻倍上涨，基础施工、设备安装、后期维护难度翻倍增长。秤杆可旋转塔筒能够完美解决这个问题，使所有的基础施工、设备安装、后期维护难度保持在40米高基础塔筒的难度范围。理论上我们可以把基础塔筒建成任意高度；为什么选择40米基础塔筒高度，这是由于海洋环境严酷，中国附近海域刮台风时浪高最高达25米加几米飞溅的泡沫，这就是为什么我们要至留出40米基础塔筒高度，以保证最严酷海况下桨叶净空高40米，不会被浪打到。为了预防台风，我们需要把塔筒造的非常坚固，因为台风可能从任意角度刮过来，就需要所有方向都非常坚固，极大地抬高了造价。可是台风只在很少的时间刮，我们又不得不建非常坚固的塔筒。秤杆可旋转塔筒技术能使台风来时，秤杆可旋转塔筒转到水平状态，筒高变成到40米的安全筒高；自寻风的浮筒技术能保证风只从船头方向刮过来，只用增加一个方向的抗击台风能力就好，不必全方位加强塔筒强度。风速在额定风速以下时秤杆可旋转塔筒转到竖直状态，保证所有桨叶能完全伸展开来，100％利用桨叶扫风效率。

可变倾斜轴技术，能让80米的塔筒配装70米长的桨叶。把海面十米以上的空间充分利用起来。额定风速10米每秒以下时，浪高不超过三米，额定风速以下时桨叶离海面地面距离最少十米，就能顺利避开海浪发电。按照传统模式不能调整塔筒情况下，配装40米长桨叶，留四十米净空高就需要80米高塔筒。我发明的80米的秤杆可旋转塔筒能装70米长桨叶。风速在额定风速以下时，塔筒处于竖直状，发电机轴处于水平状态，桨叶面垂直于地面和风向，称之为水平轴风力发电技术，这也是我们常见的常规模式。随着风速增大，超过额定风速，浪高也增加，风力输入功率产生了冗余。我们把轴倾角从零开始加大，转动秤杆可旋转塔筒，一则桨叶升高离海面远了，二则拦风截面变小，风力输入功率变弱，找个合适的轴倾角，使风力输入功率和风力发电输出功率相匹配。整套设备具备根据力学平衡原理可以自动调整功率和自动调整倾斜轴，自动调整误差较大时，倾斜轴电机才参与介入调整。倾斜轴电机具备兼职调整配重入水深度的功能，也就是调节整体的设备重心的功能。当台风刮来时，风速非常大，则轴倾角变成90度，此时变成垂直轴风力发电机了，秤杆可旋转塔筒也完横躺在三个固定塔筒支架上(前面是倾斜轴调整导轨支架，中间是固定基础塔筒顶端的提钮提钮可旋转横梁，后面是防台风辅助支架托手用来固定平躺塔筒上的风机和桨叶)，非常稳固安全。整体倾斜轴发电设备可以平躺下组装、抗风、检修或运输，站起来干活发电，各状态互相切换轻松自然。

附图说明

图1运输、维修和防台风时风机设备状态

101秤盘五角星为蓄电池等配重和倾斜轴调整电机、102秤杆可旋转塔筒、103圆圈代表固定基础塔筒顶端的提钮提钮可旋转横梁、104桨叶、105发电机设备箱、106倾斜轴调整导轨、107固定基础塔筒、108防台风辅助支架托手用来固定平躺塔筒上的风机和桨叶、109浮筒。

图2额定风速以下时风机设备状态

201船头锚、202锚链、203船尾舵。

图3超额定风速时风机设备状态

301秤杆可旋转塔筒加强三角支架、302固定塔筒支架的加强三角支架。

图4陆上可变倾斜轴风机401桨叶、402可变倾斜轴电机、403缩小版的秤杆可旋转塔筒、404秤杆可旋转塔筒旋转中心、405海上版基础框支撑体的缩小版、406倾斜轴调整电机相对于海洋版逆势针旋转了90度、407倾斜轴调整导轨相对于海洋版逆势针旋转了90度、408偏航轴承和偏航装置、409陆地上的固定塔筒。

具体实施方式

海上浮筒版旋转塔筒式倾斜轴风力发电机实施方式：

第一步，图1，在沿海工厂制作一套钢制长浮筒设备(一主二辅三浮筒结构)，主浮筒长度100米，直径3米，壁厚8mm，空间约700立方米；辅助浮筒长60米直径2米，空间约200立方米；主筒在中间辅筒在两边间距约30米平行排列。浮筒上中间部位集成一个40米高固定塔筒架，固定塔筒架顶端安装一个水平的提钮可旋转横梁，横梁穿过秤杆可旋转塔筒中部，使秤杆可旋转塔筒能绕横梁旋转。秤杆可旋转塔筒底端装蓄电池等配重和倾斜角调整电机，秤杆可旋转塔筒顶端装发电机组和桨叶，此时发电机组主轴为垂直轴状态，桨叶平行于海平面。

达到以下技术指标：塔筒高度80米秤杆可旋转塔筒处于竖直状态时能在安装70米长桨叶状态下能抵抗10米每秒的额定风速风力；秤杆可旋转塔筒高度在倾斜态60米高时能抵抗15米每秒的风力；秤杆可旋转塔筒高度在40米高平躺时能抵抗中国境内的台风。在台风来临时，秤杆可旋转塔筒就水平躺在三个固定支架上，确保了整套设备稳定性和提高抗台风能力。

第二步，选个风浪稍缓的日子，用拖船把整套设备拖到指定海域的风电场，锚定。整套设备被风浪吹到锚定点的风向下方，锚链拉紧。

第三步，图2，倾斜轴调整电机开启，沿倾斜轴调整导轨运动，旋转竖起秤杆可旋转塔筒，塔筒处于垂直状态，发电机主轴处于水平轴状态，桨叶完全伸展开，开始拦风发电。

第四步，图3，风速超过额定风速时，轴倾角增大，桨叶扫风区减小，使风力输入功率和发电机功率相匹配。台风来临时，图1，秤杆可旋转塔筒旋转到水平位置，平躺在三个固定支架上，(配重吊仓可下沉到水中降低重心)从容应对强台风。

海上浮筒版倾斜轴发电系统八大优点：

1.海上浮筒版大量简化了基础施工，降低了成本，用作一个传统海上塔筒的钱就能做几套浮筒设备。

2.水上浮筒版使用前置单锚链锚定，自动顺浪寻风，配合船尾舵，可减少安装偏航系统和偏航轴承，降低了成本。图2的201船头锚、202锚链、203船尾舵。

3.由于取消偏航系统和偏航轴承，固定维修高度固定为40米，塔筒可以由圆筒形改为支架形，降低了成本。

4.不同于固定塔筒需要对抗各个角度来风，需要各个角度加强筒柱强度，此设备只需加强一个方向即船头来风方向，极大节约了成本。图3的301秤杆可旋转塔筒加强三角支架、302固定塔筒支架的加强三角支架。

5.水上浮筒版安装都是在码头船厂里集成安装了，比陆上带上工具车辆实地施工也降低了不少成本。

6.本套设备重心可调，重心最低为40米减水深的差的一半，水深越深重心可以越低，具备无与伦比的优良对抗台风能力。

7.海上倾斜轴发电设备可以平躺下组装、抗风、检修或运输，站起来干活发电，各状态互相切换轻松自然。

8.海上浮筒版应用区域广泛在水深5米至500米范围的浅海均能推广应用，广泛的应用范围和潜在的巨大数量，进一步摊低了研发成本。标准化制作也降低了配件生产成本。

在倾斜轴技术解决对抗台风问题后，海上浮筒版风力发电机组的诸多利好，能有效降低风电成本，甚至比陆上风电价格都低。

陆地版旋转塔筒式倾斜轴风力发电机，我们既可以把海洋版的加上偏航装置搬到陆地上；也可以在海洋版基础上做出调整直接安装在陆地固定塔筒上，如图4，把海洋版挡在桨叶前的可变倾斜轴导轨和对应倾斜轴调整电机逆势针旋转90度，移到桨叶后面；整套系统下面安装偏航轴承和偏航装置，安放在陆地固定塔筒上即可。海洋版相比现有技术有很大优势，陆地版优势较小。

本文中所用数据仅为较佳实例，并非对本发明的任何限制；利用本文所述的技术方案，或本领域的技术人员在本技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本专利要求的保护范围。本文未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.杆秤式倾斜轴风力发电设备是基于中国一项古老的发明杆秤原理作为支撑架的海上风力发电机设备；杆秤主要有秤杆、提钮、秤盘、秤砣四部分组成；主要特征是秤杆可绕提钮旋转，秤砣和秤盘上重物达到重力平衡。

2.权利要求1中的秤杆相当于风力发电机组的可旋转塔筒部分，提钮相当于长浮筒固定基础支架上的提钮可旋转横梁，秤盘相当于配重物和倾斜轴调节系统，秤砣相当于风力发电机和桨叶。

3.权利要求2中提钮长浮筒固定基础支架上的提钮可旋转横梁，基础主体是一根长浮筒，前端配锚和单根锚链，后端配舵，能够实现顺浪自寻风，实现浮筒前端永远对着上风口，依靠锚定力来平衡风浪推动力量；长浮筒左右置两根辅助浮筒，用来克服整套设备左右摇摆；三根浮筒中部搭起40米高固定支架，固定支架顶端置提钮可旋转横梁，相当于提钮穿过秤杆的横梁。

4.权利要求2中秤杆可旋转塔筒部分，秤杆可旋转塔筒中部被权力要求3中的提钮可旋转横梁穿过并固定，从而使秤杆可旋转塔筒能够以提钮可旋转横梁为中心旋转；由于尺寸和重量巨大，塔筒从传统圆柱形改为支架形，增加承重能力和坚固程度。

5.权利要求2中秤砣相当于风力发电机和桨叶，采用传统的成熟电机桨叶技术，低端版本秤砣部分固定在秤杆末端，高端版本秤砣增加在秤杆上左右滑动的功能；固定在称杆上的风力发电机和桨叶能随秤杆可旋转塔筒的旋转自带倾斜轴主属性，和能调节桨叶空高的的附属属性。

6.权利要求2中秤盘相当于配重物和倾斜轴调节电机，秤盘上配重物重力矩等于发电机桨叶重力矩，额定风力矩的和倾斜轴调节电机在倾斜轴导轨的摩擦阻力矩相等；使秤杆可旋转塔筒能随风力大小旋转自动调整倾斜角和桨叶迎风面积，来配合发电机额定功率发电；秤盘配重有三种模式，固定在秤杆上适合10米以下水深，固定绳长垂吊在水中适合50米以上水深，可变动绳长垂吊在固定深的水中适合10-50米水深；倾斜轴调节电机集成在秤杆可旋转塔筒末端，能顺着倾斜轴调节导轨运动改变塔筒和桨叶倾斜角角度。

Images