CN1470764A - 具有高能量输出的风力发电机组 - Google Patents
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Abstract
一种具有高能量输出的风力发电机组，它包括一台空气马达或空气发电机，能将风的动能转换成电能，其特征在于，空气马达的发电机(22)直接和间距很近地连接至空气马达的转子(18)，从而获得高于常规机组的总输出；此外，空气马达特别适用于山区装备和风特多的区域，由于还装备了防结冰和防闪电系统，能在确定的时间间隔内利用更大量的风能。
Description
技术领域
本发明涉及具有高能量输出的风力发电机组。
更具体的讲，本发明涉及的机组包括风力或空气马达发电机，它的给出功率与其结构重量间的比特别高，还适于安装在露天多风地区。
背景技术
在“清洁的”替代性能源中，换言之，在对环境冲击低或没有环境冲击的替代性能源中，风力具有特别重要的意义，特别在全年很可能有稳定风力的地区尤为如此。在这些地区中，山区的兴趣更大，例如意大利和伊比利亚半岛的广大地区。
对此，在相对将风的动能转换成电能的机械方面存在不同的技术解决方案。这样的机械通常称为风力发电机(空气发电机)或空气马达，其自身重量与生产的电能间之比通常很高。此外，相对它们的给定结构，以及实际机械本身它们本质上难于组装，在结构中包括支承塔，在其上安装着机械本身以充分实现其功能。
这些条件大大限制了这类能安装于山区及在极端条件下的机械的功率，但由于它们的风力特征仍备受注意。
为了更好地显示现有技术的技术缺陷，最好对根据该技术的现有状态建造的空气马达的结构进行综合分析，其初步示意图示于图1中。
图中空气马达以示意分解图加以展示，没有表示出风力传感器、叶片指向驱动器、吊舱相对支承塔的方位角转动构件，以及电子控制和功率装置，诸如变换器，特别是控制发电机所生产能量的参数的变换器，用于使这些参数适合接受此能量的主电网的参数。
图1的空气马达包括容器11用的支承塔10，容器11限定吊舱12，而吊舱12又包含内框架13，用于容纳发电机14，并以相应的转子15而结束，它通过适当的联结接头16连接至增速传动装置17。
容器11通过中心体20直接连接至转子部件18，它包括螺旋桨19和一系列叶片21。
由图1可清楚地看到，通常的空气马达在转子18与发电机14之间具有总的有形间隔。此外增速传动装置17插入于它们之间，它增加转子18的基本与风力强度相关的转速，以使其适应发电机14传统运行所必须的转速。
现有风力发电机构中还存在的另一工艺缺陷与空气马达在山区/丘陵位置的使用所导出的负面结果有关，但在充分考虑生态要求时，这些山区/丘陵位置构成获取电能所需的具有高度良好大气条件的区域。
用于此类装置中传统的空气发电机所遇到的最明显问题主要由于：
-难于进入山区/丘陵位置，采用相当精密的机构以运输和安装沉重、复杂的机械；
-风的特征，吹风的强度经常改变，而阵风和旋涡将转换成空气马达结构上的应力；
-不利的大气条件，它们表现在随着高的大气湿度和降温形成大量的冰，以及在暴风雨气候中的闪电轰击。
正是因为这些原因，安装在山区位置的现代空气发电机组的功率限制在600瓦之内，以便使前述困难位于可接受的限度内。
此外，由于风以阵风、旋涡吹动以及风向的迅速改变，出现两类问题，一类由结构的动力学应力的易变性引起，作用在结构上的力脉冲地改变其强度、方向和作用点；另一类问题的出现与结构对于强的拉伸/吸收性和扭曲应力的要求有关，它们必须分配在不同构件上，并排出在其它构件上，而没有损坏，没有持续振动的打火危险特征。最后，就所考虑的不利大气条件而言，应记住，所有风力发电机组都是越有效，则对于相同量的功率，越能在预定时间期间(例如在一年内)，提供更多的能量。这也依赖于机组的可利用率，或是否能将由于各种障碍，诸如冰沉积在叶片上或由于闪电打击发生损坏，引起的机械停工时间减少至最小。
发明内容
因此，按前述要求，本发明的目的是，实现这样一种具有高能量输出的风力发电机组，它特别适合于利用山区/丘陵位置的风能，从而在给定的时间间隔内和在相同的功率下，能相对普通装置提供更多的能量。
本发明的另一目的是实现这样一种具有高能量输出的风力发电机组，它所包含的空气马达相对它所能发出的功率而言特别的轻。
本发明的又一目的是实现这样一种具有高能量输出的风力发电机组，它能吸收强的拉伸/压缩和扭曲应力以及/或者持续振动的危险特征，它还能使机械由于操作失误和各种障碍，特别是由于不利气候条件造成的障碍，而引起的停机时间减少至最小，或甚至消除。
本发明最后但非最不重要的目的是实现这样一种具有高能量输出的风力发电机组，不管何种使用要求，它都能特别有效地运行和可靠，相对普通机组还易于安装。
本发明这些和其它一些目的将通过实现一种具有高能量输出的风力发电机组而完成，为简单起见，我们称这样一种具有高能量输出的风力发电机组是按照权利要求1建造的。
其优越性是，本发明提出的风力发电机组得以使用能安装在山区位置(根据生态要求，它们具有为获得电能所需的特别良好的大气条件)的空气发电机或空气马达组，相对所发展的功率，其结构特别轻(发出功率已达到1200瓦，换言之是已知空气发电机组现在能输出功率的两倍)。
为了得到这样一种结构，提出一种相对常规解决方案部件数量减少的机械(例如去除转速倍增构件)，从机械观点来看，这些部件大部分相互成一体。
机械构件的急剧缩减被功率(对电能进行更多的处理)和控制(使调节过程与较低的机械惯性导出的时间常数相谐调)两方面的电子零件的相应复杂化所抵消。
空气发电机的不同机械结构也要求特别的空气动力学研究，以便限制结构振动频率的强度，从而避免引发持续振动危险特征。
果然，通过计算机模拟对结构进行仔细的空气-弹性研究解决了这些问题，计算机模拟中使用的程序建立在再现所研究结构的特征的模型基础上。这样的软件程序专门为具体应用而建立，适用于确定应力在结构不同部件上的最佳分布，将应力按比例地加以分摊，以便安全地承受它们。
这些软件程序还得以干预调节系统，从而以适当的途径控制瞬态现象，例如当突然出现阵风时，快速干预转子叶片的定向，从而大大限制转子和所有放置在下游的部件上的应力。
更一般地讲，如果有一个能量尖峰从风传送至空气发电机，过度的有效调节能迅速联接系统的所有参数，从而这样的尖峰能沿着机组的构件链流动直至主配电网，而不会在某些构件中产生能量的瞬间堆积，使它们遭受非正常的应力。
附图说明
本发明提出的具有高能量输出的风力发电机组的特征和优点将由以下涉及非限定性示范实施例的说明，并参考附图，变得更为清晰，其中：
-图1是一张示意图，它表示按现有技术实现的风力发电机或空气马达；
-图2是空气马达的局部示意侧视图，该空气马达应用于本发明提出的具有高能量输出的风力发电机组中；
-图3展示了图2的局部放大，它表示本发明提出的防结冰系统通道，该防结冰系统通过热空气在空气马达叶片内侧循环而实现。
具体实施方式
具体参看图2，图中空气马达(或空气发电机)的部件如其功能与图1所示的那些部件的功能相似，则用相同标号表示，应指出的是，本发明提出的空气马达与按现技术建造的大大不同，首先在于，图中用22表示的发电机与通常结构的发电机14不同，是直接和间隔很近地连接至转子18上，且在新的结构中，去除了具有相应接头16的增速传动装置17。
为了获得能使发电机22直接连接至叶片21的转子18的这一基本结果，所述发电机22以完全固有形式而建造，且有些不同于通常的发电机14。
首先，发电机22具有完全特殊的尺寸，它是扁平的(沿长度方向十分薄)，但沿直径方向十分宽。更特别的是，按本发明的较优非限定性示范实施例，具有永久磁铁的同步、多极和多相发电机22用于直接连接(作为双轴向磁间隙)，没有任何激励线路，没有任何滑移触头，它以十分低的转速进行运行。
发电机22还在机械上具有整体的支架结构，构成发电机转子的极轮(polar wheel)用法兰连接至中心体20，而定子用法兰连接至框架13，从而吊舱12只由三件部件构成，具体讲，由中心体20、发电机22和框架13构成。
从而新解决方案最大地缩减了重量、部件和驱动系统，因为增速传动装置17和其余的液压组件、传送轴和接头从结构中去除。空气发电机的这一结构也得以使支承架10的结构能大大减轻，而它通常尺寸很大，在整个机组中相当重。
此外，本发明提出的空气发电机比起通常结构具有更高的总输出，因为它决然地去除了增速传动装置17和发电机22的激励线路。
这样，按照此实施例，可能使其运输和安装变得容易，即使在极端条件下也如此。
最后，所述空气发电机具有高的利用率，用于在一定时间间隔(例如一年)内收集到最大数量的风能，而这是机组应用经济结果的十分重要的特征。因此，其最终结果是实现了一种空气发电机，它具有一定时间间隔内所生产能量与机械重量之间的高比例。所有这些都归功于通过叶片21的可变节距对功率进行调节、对电的等级和每一叶片21的自激进行调节，以及通过电操作的方位角控制按风向进行定向。转速在其一定范围内也是可变的。
如先前已提到的，所述空气发电机特别适合用于山区装置，因为它装备了防结冰与防闪电系统。在这一方面，本发明提出的风力发电机组中应用的空气发电机中设计的防结冰系统的目的是要缩短发电机在冬季月份中由于在叶片上结冰引起的暂停使用间隔，增加机械的利用率。的确，冰的形成会引起作用在转子18上的气动力(冰引起尾翼剖面几何形状的改变)和离心力(冰的非均匀形成)的不平衡，而随后整个结构的振动水平的增加决定了发电机的停顿。
因此，机械通常必须保持停工，特别在恶劣的环境中，直至解冻气候，以小时/年计算的利用率的减少是特别不利的。
本发明提出的防结冰系统是以在叶片21的内侧吹送热空气为基础的，其中，用于空气加热的热能来自变换器释放的热能、发电机22释放的部分热能和放置在容器11内侧的两组电阻释放的能量。
强迫循环的获得还通过应用安装在塔10的底座的空调系统中的同一些风扇，或是适当安装的附加风扇，以及通过利用外骨骼的排风效应。
为了更充分的说明本发明提出的防结冰系统的运行，具体可参考图3。
空气通过装备有过滤器、安装在塔10的底座的适当狭缝从外侧吸入，并由适当风扇推动向上，围绕变换器(图中未表示)壳体流过以回收热损失。
进入容器11，在按风向进行定向的机构24之前，来自塔10的底座的冷空气流F遇到构成主要加热的电阻交换器23以及发电机22内侧的另一些交换器，从而此系统也能用于在夏季当发电机22在全功率下运行时冷却发电机22。
如此产生的热空气流C被引向叶片21，存在于中心体20中的薄膜25将空气传送至叶片21的内侧，在此处，气流C被强迫通过通道薄膜系统26和开口，以差动的方式，根据最可能在外壁形成的冰的分布，冲洗整个叶片21的内表面。
也可能应用适当布置在叶片内表面的一系列旋涡发生器，以增加叶片21内侧的热交换系数。
然后，空气按路径G流向中心体20，并通过制作在中心体20的前面部分的孔27排出。
一种附加的选择是在中心体20与每一叶片21之间按适当间隔制作外流孔。
使用的加热系统以这一方式预期将空气送入叶片21的通常为中空的结构中，即使在回路封闭的情况下，也能在其内侧实现循环。在实际中，空气通过热交换过程而加热，在过程中空气本身吸收电机械和电气装置耗散的热功率以及存在于结构中电阻产生的热功率。
当回路开口时，空气流从外侧吸入，用于冲洗热零件，而在回路封闭时，这样的气流沿其叶片内侧的路径周期性地接触热源以便对其进行热再生。
最后应指出的是，当空气发电机停工时，加热用于使冰层脱离叶片21的表面，然后利用重力以便使它从机械上去除，而当空气发电机运动时，结冰已被激活的系统事先避免。
如上所述，加热部分由热损失耗散产生，部分由适当布置在容器11中或直接布置在中心体20中、叶片21锚定处附近的电阻产生，而强迫循环则通过预设在塔中的风扇获得，并由于中空结构给出的排风效应而加强。
所有这一切都是通过对输出、对能量形态的研究，以及对应用常规叶片和开发由特殊材料或为了促进叶片连接边缘区域的空气循环和热交换由特殊几何形状制成的叶片进行最大热交换的计算获得的。
还预见地提出了长期暂停使用间隔后对发电机加热和强化应用后使其得以逐渐冷却的最适当技术，以及叶片节距(所属部件在图3中以28表示)在最佳气候条件下运行和所有安装的传感器设备的维护。
该系统将空调和防结冰作用结合在一起，并再一次利用了整个空气发电机的中空排风结构。
由于考虑了将闪电冲击引起的损坏降低至最小的可能性，从而增加了本发明提出的风力发电机组的利用率，而所述空气马达的外骨骼结构则使作业、使用，特别是法拉第效应变得容易。最后，为了保护发电机的运行零件和转动零件不受放电的损坏，可以应用接收结构(对经典尖峰理论)，和将轴承放置于远离闪电路径的位置。
由已进行的说明，具有高能量输出的风力发电机组的特征，即本发明的目的就清楚了，正像其优越性也清楚了。
最后，所讨论的风力发电机组显然可以有无数修改方案，只要不为此偏离发明思想所固有的创新特征，正像在实际的本发明实施例中，材料、所示细节的形状和尺寸可根据要求而定，且它们能用技术等效物加以替换。
Claims (12)
1.一种具有高能量输出的风力发电机组，这种风力发电机组特别适用于山区/丘陵装备和/或风特多的区域，所述发电机组包括至少一台空气马达或空气发电机，能将风的动能转换成电能，所述空气马达包含至少一台用于至少容纳一台发电机(14)的吊舱(12)以及装备有一系列叶片(21)的转子部件(18)，其特征在于，所述发电机(22)直接地和间距很近地连接至空气马达的所述转子部件(18)，从而获得高于常规机组的总输出。
2.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述发电机(22)布置成直接连接至所述叶片(21)的转子(18)，所述发电机(22)按照扁平和沿直径很宽的表面而构造。
3.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述发电机(22)具有永久磁铁、为同步、多极和多相类型，且没有任何激励线路和/或滑移触头。
4.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，发电机(22)在机械上与空气马达的支承结构成一体，并具有连接至所述转子部件(18)的中心体(20)的转子和固定至框架(13)的定子，所述框架(13)用于容纳所述吊舱(12)，所述吊舱(12)由所述中心体(20)、发电机(22)和框架(13)构成。
5.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述机组包含一个系统，该系统适于防止在空气马达的所述叶片(21)上形成冰，所述系统包括适于将空气输入叶片(21)中的装置。
6.如权利要求5所述的风力发电机组，其特征在于，进入叶片(21)的空气已利用存在于所述空气马达内侧的电机械和/或电气装置耗散的热能被事先加热。
7.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，用于加热空气的热能由发电机(22)和/或设置在空气马达内侧的电阻组(23)提供。
8.如权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，空气通过强迫循环装置和利用所述空气马达的支承塔(10)的排风效应被输入所述叶片(21)中，所述的空气量通过适当狭缝由外侧吸入，并由风扇装置推动向上。
9.如权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于，由冷空气(F)在所述电气装置和/或机械和/或电阻上通过而产生的热气流(C)通过通道装置(25、26)输向叶片(21)，通道装置(25、26)以差动方式，根据冰在所述叶片(21)的外壁上最可能形成的分布，输送所述热气流(C)，以冲洗每一叶片(21)的内表面。
10.如权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于，所述通道装置(25、26)包括一系列旋涡发生器，用以增加每一叶片(21)内侧的热交换系数。
11.如权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于，在叶片(21)内侧通道内的所述热气流(C)按确定的路径流向转子结构(18)的所述中心体(20)，并通过制作于中心体(20)上的至少一个开口(27)排出至外侧，从而实现了热气流(C)在每一叶片(21)结构内侧的循环，所述热气流(C)归功于热交换过程而得到加热，在热交换过程中，空气吸收所述电机械和电气装置耗散的热功率以及存在于空气马达中的所述电阻(23)产生的热功率。
12.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，它包含了免受闪电和/或其它有害天气条件冲击的防护装置。
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