CN115585091B - 一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，包括设置在地面基础或海上基础的塔筒单元，塔筒单元上设有主机舱座，塔筒单元上设有调节主机舱座对准主导风向的偏航单元，主机舱座轴向的两端分别设有上风向风轮单元和下风向风轮单元，上风向风轮单元位于迎风面，上风向风轮单元和下风向风轮单元之间设有主传动轴，主传动轴穿过主机舱座并与其通过轴承组件连接，主机舱座上设有发电机单元，上风向风轮单元和下风向风轮单元旋转方向一致并共同驱动发电机单元发电，发电机单元采用内转子风力发电机组或外转子风力发电机组。该风力发电机组通过两组风轮单元增大了捕风面积，在相同的风况下能够吸收更多的风动能量，转换输出更高的发电功率。

Description

一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组。
背景技术
风力发电是把风的动能转化为电能的发电方式，是一种清洁无公害的可再生能源，利用风力发电非常环保，并且风能储量巨大，因此风力发电日益受到世界各国的重视。
但是，风力发电也存缺点。现有的风力发电机体积较大，需要占用大片土地，并且风能资源的分布存在不均匀、不稳定的情况。目前常见的采用一个风轮的风力发电机，其年发电小时数基本只能维持在2200小时，这种情况下风力发电机还不能并网发电。需要提高到年发电小时4000小时以上才能够做到稳定并网、有利于电网友好，保障电力能源安全。
因此，如何实现高效率捕获利用风能，以达到节约风能资源和土地资源，并减少对生态环境的影响，是目前风力发电技术急需解决的一大难题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，增大了捕风面积，在相同的风况下能够吸收更多的风动能量，转换输出更高的发电功率。
为实现上述目的，本发明的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，包括设置在地面基础或海面基础上的塔筒单元，塔筒单元上设有主机舱座，塔筒单元上设有调节主机舱座朝向的偏航单元，主机舱座轴向的两端分别设有上风向风轮单元和下风向风轮单元，上风向风轮单元位于主机舱座的迎风面一端，上风向风轮单元和下风向风轮单元之间设有主传动轴，主传动轴穿过主机舱座并与其通过轴承组件连接，主机舱座上设有发电机单元，上风向风轮单元和下风向风轮单元旋转方向一致并共同驱动发电机单元发电，发电机单元(3)采用内转子风力发电机组或外转子风力发电机组。
进一步地，上风向风轮单元包括连接在主传动轴迎风面一端的上风向轮毂，上风向轮毂上设有2片或3片上风向风叶，上风向风叶在上风向轮毂外周等距均布，下风向风轮单元包括连接在主传动轴远离上风向风轮单元一端的下风向轮毂，下风向轮毂上设有与上风向风叶数量相同的下风向风叶，下风向风叶在下风向轮毂外周等距均布。
进一步地，当上风向风叶和下风向风叶的数量为2片时，下风向风叶在主机舱座背风面径向上的投影和上风向风叶在主机舱座背风面径向上的投影之间夹角为90°，当上风向风叶和下风向风叶的数量为3片时，下风向风叶在主机舱座背风面径向上的投影相对于上风向风叶在主机舱座背风面径向上的投影在该投影面上沿逆时针方向偏转30°。
进一步地，上风向风叶和下风向风叶的基部分别设有变桨轴承，变桨轴承上设有用于驱动变桨轴承转动以改变上风向风叶或下风向风叶迎风角度的变桨驱动单元，主机舱座内设有用于向变桨驱动单元供电变桨电源发电机，变桨电源发电机包括设置在主传动轴外周上的变桨发电机定子和设置在主机舱座内的变桨发电机转子，主机舱座内还设有变桨控制柜，变桨控制柜通过无线通信控制变桨驱动单元。
进一步地，上风向风叶的叶尖向偏离主机舱座中心的方向延伸，下风向风叶的叶尖向偏离主机舱座中心的方向延伸。
进一步地，下风向风轮单元中心与上风向风轮单元中心之间的水平距离为上风向风轮单元的直径的4％-15％，下风向风轮单元的直径为上风向风轮单元的直径的0.5倍-1.2倍。
进一步地，发电机单元包括设置在主机舱座接近上风向风轮单元一端的定子壳体，定子壳体内侧设有发电机定子，定子壳体内还设有用于支撑发电机定子的定子支架，定子壳体接近上风向风轮单元的一侧设有端盖，主传动轴接近上风向风轮单元的一端连接有发电机传动轴，主机舱座接近上风向风轮单元的一端设有发电机主轴承座，发电机主轴承座与发电机传动轴之间通过轴承组件连接，发电机传动轴上连接有转子主轴，转子主轴的外周设有与发电机定子配合发电的发电机转子，转子主轴外设有转子支架，转子支架上设有发电机刹车盘。
进一步地，发电机定子采用集中绕组结构，当发电机定子直径大于6米时采用分瓣式定子，发电机定子的分瓣数量为2、3、6、9或12瓣中的一种，发电机转子采用永磁体励磁转子，发电机转子的永磁体设置在转子的表面。
进一步地，主机舱座轴向的剖面呈哑铃形，主机舱座两端的直径大于中段的直径，主机舱座上形成异形主机座，异形主机座上设有主机控制柜、变流器柜和散热器柜。
进一步地，偏航单元包括设置在塔筒单元和主机舱座之间的偏航轴承，偏航单元还包括偏航驱动装置、偏航刹车装置和偏航控制器。
本发明的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组通过双风轮单元增大了捕风面积，在相同的风况下能够吸收更多的风动能量，转换输出更高的发电功率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。
图1是本发明首选实施方式的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组的结构示意图。
图2是实施例2的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组的示意图。
图3是一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组上风向的侧视图。
图4是一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组下风向的侧视图。
附图标记：1、上风向风轮单元；11、上风向风叶；12、上风向轮毂；13、变桨轴承；2、下风向风轮单元；21、下风向风叶；22、下风向轮毂；3、发电机单元；31、定子壳体；32、定子支架；33、发电机定子；34、发电机主轴承座；35、发电机传动轴；36、转子主轴；37、发电机转子；38、发电机刹车盘；39、端盖；4、主机舱座；41、主传动轴；42、变桨发电机定子；43、变桨发电机转子；44、主机控制柜；45、变流柜；46、散热器柜；5、偏航单元；6、塔筒单元。
具体实施方式
下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明首选实施方式的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，包括设置在地面基础或海面基础上的塔筒单元6。塔筒单元6上设有主机舱座4，塔筒单元6上设有调节主机舱座4对准主导风向的偏航单元5。主机舱座4轴向的两端分别设有上风向风轮单元1和下风向风轮单元2，上风向风轮单元1位于主机舱座4的迎风面一端。上风向风轮单元1和下风向风轮单元2之间设有主传动轴41，主传动轴41穿过主机舱座4并与其通过轴承组件连接。主机舱座4上设有发电机单元3，上风向风轮单元1和下风向风轮单元2旋转方向一致并共同驱动发电机单元3发电。发电机单元3采用内转子风力发电机组。
如图1所示，上风向风轮单元1包括连接在主传动轴41迎风面一端的上风向轮毂12，上风向轮毂12上设有2片或3片上风向风叶11，上风向风叶11在上风向轮毂12外周等距均布。下风向风轮单元2包括连接在主传动轴41远离上风向风轮单元1一端的下风向轮毂22，下风向轮毂22上设有与上风向风叶11数量相同的下风向风叶21，下风向风叶21在下风向轮毂22外周等距均布。上风向风叶11的叶尖向偏离主机舱座4中心的方向延伸，下风向风叶21的叶尖向偏离主机舱座4中心的方向延伸。以避免风叶的叶尖与主机舱座4或其他结构发生碰撞。
如图3所示，当上风向风叶11和下风向风叶21的数量为2片时，下风向风叶21在主机舱座4背风面径向上的投影和上风向风叶11在主机舱座4背风面径向上的投影之间夹角为90°。如图4所示，当上风向风叶11和下风向风叶21的数量为3片时，下风向风叶21在主机舱座4背风面径向上的投影相对于上风向风叶11在主机舱座4背风面径向上的投影在该投影面上沿逆时针方向偏转30°，即下风向风叶21的转动滞后于上风向风叶11的位差是30°。
如图1所示，上风向风叶11和下风向风叶21的基部分别设有变桨轴承13，变桨轴承13上设有用于驱动变桨轴承13转动以改变上风向风叶11或下风向风叶21迎风角度的变桨驱动单元。主机舱座4内设有用于向变桨驱动单元供电变桨电源发电机，变桨电源发电机包括设置在主传动轴41外周上的变桨发电机定子42和设置在主机舱座4内的变桨发电机转子43。主机舱座4内还设有变桨控制柜，变桨控制柜通过无线通信方式控制变桨驱动单元。每个风叶的变桨均为独立控制的，根据风能大小、风机转速、转矩的不同及时调节，控制风叶变换不同的迎风角度，切换启动、运行、停机或刹车等运行工况。
下风向风轮单元2中心与上风向风轮单元1中心之间的水平距离为上风向风轮单元1的直径的4％-15％，下风向风轮单元2的直径为上风向风轮单元1的直径的1倍-1.2倍。
如图1所示，发电机单元3包括设置在主机舱座4接近上风向风轮单元1一端的定子壳体31，定子壳体31内侧设有发电机定子33，定子壳体31内还设有用于支撑发电机定子33的定子支架32，定子壳体31接近上风向风轮单元1的一侧设有端盖39。主传动轴41接近上风向风轮单元1的一端连接有发电机传动轴35，主机舱座4接近上风向风轮单元1的一端设有发电机主轴承座34，发电机主轴承座34与发电机传动轴35之间通过轴承组件连接。发电机传动轴35为锥体结构，其直径较大一端连接上风向轮毂12，直径较小一端连接主传动轴41。发电机传动轴35上连接有转子主轴36，转子主轴36的外周设有与发电机定子33配合发电的发电机转子37，转子主轴36外设有转子支架，转子支架上设有发电机刹车盘38。
如图1所示，发电机定子33采用集中绕组结构，当发电机定子33直径大于6米时采用分瓣式定子，发电机定子33的分瓣数量为2、3、6、9或12瓣中的一种，发电机转子37采用永磁体励磁转子，发电机转子37的永磁体设置在转子的表面。
如图1所示，主机舱座4轴向的剖面呈哑铃形，主机舱座4两端的直径大于中段的直径，主机舱座4上设有异形主机座，异形主机座上设有主机控制柜44、变流器柜和散热器柜46。
如图1所示，偏航单元5包括设置在塔筒单元6和主机舱座4之间的偏航轴承，偏航单元5还包括偏航驱动装置、偏航刹车装置和偏航控制器。偏航单元5用于驱动主机舱座4相对于塔筒单元6转动，以使上风向风轮单元1一面始终对准来风方向。
实施例2：一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，如图2所示，与实施例1的区别在于，发电机单元3采用外转子风力发电机组，即发电机定子33设置在内侧，发电机转子37设置在外侧。
经过验证，本发明的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组在风速为10m/s的情况下，相对于传统单风轮风力发电机组的输出功率能够提升84.5％。
本发明的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，下风向风轮单元2可以捕捉上风向风轮单元1漏掉的风资源，增大了捕风面积，在相同的风况下能够吸收更多的风动能量，转换输出更高的发电功率。相对于传统的单风轮风力发电机组的风能转换效率大大提升，能够节约风能资源和土地资源，有利于保护环境，并且在效率提升后对电网友好，能够提高能源安全保障。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (5)

1.一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，其特征在于，包括设置在地面基础或海上基础上的塔筒单元(6)，所述塔筒单元(6)上设有主机舱座(4)，所述塔筒单元(6)上设有调节主机舱座(4)对准主导风向的偏航单元(5)，所述主机舱座(4)轴向的两端分别设有上风向风轮单元(1)和下风向风轮单元(2)，所述上风向风轮单元(1)位于主机舱座(4)的迎风面一端，所述上风向风轮单元(1)和下风向风轮单元(2)之间设有主传动轴(41)，所述主传动轴(41)穿过主机舱座(4)并与其通过轴承组件连接，所述主机舱座(4)上设有发电机单元(3)，所述上风向风轮单元(1)和下风向风轮单元(2)旋转方向一致并共同驱动发电机单元(3)发电，所述发电机单元(3)采用内转子风力发电机组或外转子风力发电机组；
所述上风向风轮单元(1)包括连接在主传动轴(41)迎风面一端的上风向轮毂(12)，所述上风向轮毂(12)上设有2片或3片上风向风叶(11)，所述上风向风叶(11)在上风向轮毂(12)外周等距均布，所述下风向风轮单元(2)包括连接在主传动轴(41)远离上风向风轮单元(1)一端的下风向轮毂(22)，所述下风向轮毂(22)上设有与上风向风叶(11)数量相同的下风向风叶(21)，所述下风向风叶(21)在下风向轮毂(22)外周等距均布；
当所述上风向风叶(11)和下风向风叶(21)的数量为2片时，所述下风向风叶(21)在主机舱座(4)背风面径向上的投影和上风向风叶(11)在主机舱座(4)背风面径向上的投影之间夹角为90°，当所述上风向风叶(11)和下风向风叶(21)的数量为3片时，所述下风向风叶(21)在主机舱座(4)背风面径向上的投影相对于上风向风叶(11)在主机舱座(4)背风面径向上的投影在投影面上沿逆时针方向偏转30°；
所述上风向风叶(11)的叶尖向偏离主机舱座(4)中心的方向延伸，所述下风向风叶(21)的叶尖向偏离主机舱座(4)中心的方向延伸；
所述下风向风轮单元(2)中心与上风向风轮单元(1)中心之间的水平距离为上风向风轮单元(1)的直径的4％-15％，所述下风向风轮单元(2)的直径为上风向风轮单元(1)的直径的0.5倍-1.2倍；
所述上风向风叶(11)和下风向风叶(21)的基部分别设有变桨轴承(13)，所述变桨轴承(13)上设有用于驱动变桨轴承(13)转动以改变上风向风叶(11)或下风向风叶(21)迎风角度的变桨驱动单元，所述主机舱座(4)内设有用于向变桨驱动单元供电的变桨电源发电机，所述变桨电源发电机包括设置在主传动轴(41)外周上的变桨发电机定子(42)和设置在主机舱座(4)内的变桨发电机转子(43)，所述主机舱座(4)内还设有变桨控制柜，所述变桨控制柜通过无线通信控制变桨驱动单元；
所述发电机单元(3)包括设置在主机舱座(4)接近上风向风轮单元(1)一端的定子壳体(31)，所述定子壳体(31)内侧设有发电机定子(33)，所述定子壳体(31)内还设有用于支撑发电机定子(33)的定子支架(32)，所述定子壳体(31)接近上风向风轮单元(1)的一侧设有端盖(39)，所述主传动轴(41)接近上风向风轮单元(1)的一端连接有发电机传动轴(35)，所述主机舱座(4)接近上风向风轮单元(1)的一端设有发电机主轴承座(34)，所述发电机主轴承座(34)与发电机传动轴(35)之间通过轴承组件连接，所述发电机传动轴(35)上连接有转子主轴(36)，所述转子主轴(36)的外周设有与发电机定子(33)配合发电的发电机转子(37)，所述转子主轴(36)外设有转子支架。
2.根据权利要求1所述的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，其特征在于，所述转子支架上设有发电机刹车盘(38)。
3.根据权利要求2所述的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，其特征在于，所述发电机定子(33)采用集中绕组结构，当所述发电机定子(33)直径大于6米时采用分瓣式定子，所述发电机定子(33)的分瓣数量为2、3、6、9或12瓣中的一种，所述发电机转子(37)采用永磁体励磁转子，所述发电机转子(37)的永磁体设置在转子的表面。
4.根据权利要求1所述的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，其特征在于，所述主机舱座(4)轴向的剖面呈哑铃形，所述主机舱座(4)两端的直径大于中段的直径，所述主机舱座(4)上形成异形主机座，所述异形主机座上设有主机控制柜(44)、变流器柜和散热器柜(46)。
5.根据权利要求1所述的一种水平轴上下风向双风轮直驱风力发电机组，其特征在于，所述偏航单元(5)包括设置在塔筒单元(6)和主机舱座(4)之间的偏航轴承，所述偏航单元(5)还包括偏航驱动装置、偏航刹车装置和偏航控制器。
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