CN1734086A - 环式风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效、灵敏、简单、可靠的环式风力发电机，属于可再生能源领域。本发明是由：有外环的多桨叶风轮、横向磁通的环形稀土永磁发电机、罩体、回转体及塔架构成。其环式发电机具有，对风性能平稳，实验证明大于等于0.4m/s即可平稳对风；起动性能灵敏；高效的发电效率高，由于环罩内风轮旋转尾流形成的负压抽吸作用，可使罩口风速增大一倍，风功率强度增至8倍，发电效果明显；疾风失速性能好，可确保机组的安全；没有齿轮箱，传动主轴，联轴器，刹车片，片航齿轮，伺服电机，液压机构和桨距调节机构等易磨损部件，故障点相应减少；噪音震动小，容量系数大等优点。

Description

环式风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电机的结构，特别涉及一种具有环形电机的环式风力发电机。
背景技术
自100年前，丹麦人发明了风力发电机以来，风力发电技术取得了长足的进步。近20年，由于应用了空气动力好的新翼型，复合材料桨叶的制造技术，新型电机制造技术，电子控制技术，多种机械加工技术，大型设备吊装技术和计算机远方监控技术，使风力发电产业的面目焕然一新，风电设备的可靠性和实用性有了很大提高。全球风电产业近15年出现勃勃生机，年平均增长率达到了26％，如今，风电已成为电力行业中的朝阳产业。
10年前，丹麦的四大名牌，(Vestas、Bonas、NTK、Micon)曾经包揽了全球风电机市场的2/3，他们的共同的技术特点是定转速、长叶片、上风式、三桨叶、异步电机、软切入并网；区别是在定桨和变桨以及定极和变极上有所不同。
然而，风电的发电成本，与现实需求，还有较大差距，风电成本比火电成本高1～2倍，主要根源是容量系数(年发电的等效小时/8760)比较低和机组单位造价比较高两个方面。
如图5所示，传统的风力发电机，其风轮通过传动主轴与发电机相连，常规发电机需要高速旋转，才能工作，因而要有一个增速齿轮箱。(如MW级风电机，风轮只有15～20r.p.m，发电机需1500r.p.m)而齿轮箱成本高，易磨损，故障多。
近几年，以德国Enercon为代表，开发变转速机型有了长足的发展，并成为世界第一风电大国-德国的最大风机销售商。其突出特点是采用大直径盘式发电机从而省掉了齿轮箱。
瑞典ABB公司最近研制了一种高压发电机，称作Powerfomer型，如图6，是盘式，采用高电压、AC/DC技术，多台风电机组可并入DC网，DC网经换流站并入AC网，这种风电机组不仅省掉了齿轮箱，还省掉了变压器。
但传统机型具有结构复杂，设备昂贵，由叶片微颤和抖动引起的机组的震动较大等缺点。
在授权公告号CN2459457Y，CN2448941Y介绍了一种高效便携式户用风力发电机和其自适应调速装置，其特点是外形为双曲线形的喇叭状风罩罩体内设有导风肋板，根据风罩内不同截面风力强度迅速递减的规律，使用自适应调速装置将电机及风轮移动到适当的位置，从而消除风力大时强风飞车的危险。
上述技术与失速效应来防止飞车的传统机型相比，虽能提高机组的效率，增加发电量，但在风轮的气流通道上设有自适应调速装置，影响空气流动，并具有结构较复杂的缺点。
发明内容
为了解决目前风电机所存在的问题，本发明人经过长期研究，开发出一种全新的，高效、结构简单、可靠的环式风力发电机。
本发明技术方案所提供的发电装置是由：多桨叶外环风轮、环形发电机、翼型断面的罩体、回转体及塔架构成。新结构减少了许多部件，是风力发电机的创新。
本发明中的环式风力发电机，包括：一塔架、一设置在塔架顶端的回转体、一通过罩托固定在回转体上的环罩、和由多叶桨叶通过一轮毂固定而成的一风轮，
其特征为，还包括一环形发电机，该环形发电机包括环形转子和环形定子；
上述风轮的周边固定有一风轮外环，上述环形转子固定套在该风轮外环的外围，该环形转子与风轮外环通过固定在其外缘的止推和导向组合轴承整体支撑；
上述环罩的喉部设有环形凹槽，上述止推和导向组合轴承、环形转子和风轮外环依次由外而内同轴设置于环罩的环形凹槽内，该环罩的头部内对应于环形转子设有环形定子。
上述环形定子由绝缘层包裹硅钢叠片和绕组线圈而成。
上述环形转子的硅钢叠片层内镶有稀土磁钢。
上述环形发电机采用横向磁通。
上述回转体与罩托之间采法兰连接固定，其中部设有回转轴承。
上述环罩的轴向截面为翼型。
上述环式风力发电机的主要特点为：
1，风能利用较充分：
●符合空气动力学的要求，在风轮的前后气流通道上没有影响空气流动的其他物体。
●环罩内风轮旋转尾流形成的负压抽吸作用，可使风轮功率增强，即产生旋风效应。
●多只叶片的根部固定在一个流线体轮箍上，顶部固定在叶轮外环上，此结构可防止叶片的微颤和抖动，有效地减少机组的振动，实现平稳发电。
●风轮转速随风速大小而变，全风速段的叶尖高速比均处于风轮效率曲线的高效区内(η-λ曲线)。
2、发电机效率高：
●环形电机可以最大限度地提高磁极旋转的线速度，从而可以选择较高的电压等级。
●环形电机直径较大，可以使定子和转子的散热效果较好。
●发电机定子线圈及出线采用新型绝缘材料，可以确保环形电机能够实现高电压安全运行，从而提高电机效率。
3、可靠性高：
●结构简单，没有齿轮箱、尾舵、传动主轴、伺服电机、偏航齿轮，液压机构和桨距调节机构。与传统机型相比减少了大部分部件和故障点，可降低故障率，提高可用率。
●环形电机的转子与风轮紧密联结，直接传动、结构紧凑。
●与传统机型相比，减少了许多传感器及与之配套的控制装置。
4、经济性能好：
本发明与同容量的传统代表机型PFLEIDERER，1500kW进行了经济性的比较，如表1所示。表中可看出，
●单机重量可由200吨减至160吨，减轻20％。
●风电机组的单位造价可由4800元/千瓦降至3600元/千瓦，降低25％。
●综合造价可由7000元/千瓦降至5600元/千瓦，降低20％。
●在V10＝7.2米/秒的风场中，容量系数可由0.3增至0.375，提高了25％。
                                          表1：两种机型的经济比较(1500kw)
                        PELEIDERER风力发电机组             具有环形电机的罩杏风力发电机组
名称 重量(T)   价格(万元)   占综合造价比例(％) 重量(T)   价格(万元)   占综合造价比例(％) 比较
  风轮   21(D＝65m)   130   12.38   7(D＝20m)   42   5
  齿轮箱   22   88   8.38   0   0   0
  发电机   9.0双馈690v   54   5.71   19环形10000v   66   7.86
  主轴及刹车盘   3   27   2.75   0   0   0
  轴承   2   9   0.86   2   9   1.07
  回转齿轮及伺服电机   5   25   2.38   0   0   0
  机座   16   16   1.52   16   16   1.9
  机舱   4   5   0.48   0   0   0
  罩体   0   0   0   36   97   11.55
  电子箱   2   5.5   5.42   3   78   9.29
  液压系统   1.0   5   0   0   0
  电缆及解缆装置   2   8   0.76   1.7   6   0.71
  传感器及电脑   0.1   22   2.1   0.1   20   2.38
  冷却、加热机电控器   0.1   6   0.57   0   0   0
  减震装置   0.6   4   0.38   0   0   0
  防雷装置   1.2   2   0.19   1.2   2   0.24
  总装、调试及售后服务   150   14.29   150   17.86
  风电机小计   89   607   57.8   86   484   57.6
  塔架   11170m有电梯   113   10.67   7450m有爬梯   54   6.43
  机组合计   200   720   68.57   160   540   64.29
  单位重量   133kg/kw   107kg/kw   降低20％
  机组单价   4800元/千瓦   3600元/千瓦   降低25％
  配套工程   2200元/千瓦   2000元/千瓦   降低9.1％
  综合造价(IC)   7000元/千瓦1050元/套 100   5600元/千瓦840元/套 100   降低20％
  容量系数(在   (CF＝0.3、   (CF＝0.375   提高
  V10＝7.2m/s风场)   he＝2628h)   、he=2628h)   25％
  发电成本   0.416元/千瓦时   0.2664元/千瓦时   降低36％
  V10＝7.2m/s风电场利税率   15.6～20％   26～29.9％   提高1/3
  在V10＝7.2m/s风场年运行率                   81％                 96％   提高20％
5、机型适用范围广：
●本机型的工作风速带宽，切入风速比传统机型低50％；切出风速高44％。可扩大适用地区范围。
●本机型可适用于大、中、小各种容量等级的风力发电机。
6、有利于发挥稀土资源的优势
全球稀土资源80％在中国，中国的稀土资源90％在包头，包头市号称“稀土城”，有稀土高科技工业园区。
附图说明
图1为本发明中环式风力发电机的外形示意图。
图2为本发明中环式风力发电机的垂直剖面图。
图3为图2之环罩头部结构的放大示意图。
图4为图3之A-A剖面图。
图5为传统风力发电机的结构示意图。
图6为ABB Powerformer机型的结构示意图。
图7为本发明之环式风力发电机的结构示意图。
图号说明：
1、止推和导向组合轴承        2、环形转子
3、环形定子                  4、风轮外环
5、风轮                      6、轮毂
7、环罩                      8、罩托
9、回转体                    10、环形发电机
11、稀土磁钢                 12、气隙
13、绕组线圈                 14、塔架
15、电子箱                   16、避雷设施
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的环式风力发电机进行详细的说明。
如图1、2和3所示，本发明之环式风力发电机主要包括，风轮5，轮毂6，环罩7，罩托8，回转体9，塔架14，避雷设施16(未图示)，环形转子2，环形定子3，止推和导向组合轴承1，风轮外环4，稀土磁钢11，绕组线圈13。其中有外环的风轮5位于环形发电机转子2内部，风轮5有多只桨叶，外有环4，与环形发电机转子组合成一体。
如图2和3所示，环形转子2位于环罩7的喉部凹槽内，呈环状，与风轮5的外环紧密固定，成为一体，并由其外缘的，均匀分布于环形转子2外侧凹槽内的止推和导向组合轴承1整体支撑。如图4，上述环形转子2的硅钢叠片内，均匀分布地镶有若干对钕铁硼磁钢11，钕铁硼磁钢11的数量可根据发电机功率大小，可从24个12对极到192个96对极之间适当决定。实践中发现，稀土永磁电机效率高，而且抗衰减、抗老化、抗腐蚀性能强。
环形定子3其硅钢叠片及绕组线圈13均位于环罩7头部之内，呈环状。环罩头部与罩体的中部、尾部固定连接，定子绕组有坚实的绝缘层。环形发电机10的环形定子3与环形转子2直径相同、位置相对，之间有气隙12，绕组线圈13的三相出线通过环罩7和罩托8内部，经回转体9中心引下。
因环形转子2位于风轮外环处，而环形定子3与环形转子2直径相同、位置相对，故环形发电机可以最大限度地提高磁极旋转的线速度，从而可以选择较高的电压等级。环形发电机直径较大，可以使环形定子3和环形转子2的散热效果较好。发电机定子线圈及出线采用新型绝缘材料，可以确保环形电机能够实现高电压安全运行，从而提高电机效率。
罩体包括环罩7和罩托8。环罩7断面为翼型。环罩7头部内有放置定子3的空间。环罩7中部及尾部按轴对称分瓣。环罩7的头部、中部、尾部均为可装卸式。环罩7与罩托紧密连接。环罩下部附有刚性很好的罩托8。罩托中空其下端有法兰。
回转体9上部有法兰，可与罩托8的法兰连接固定，中部有回转轴承，以便机头自由旋转对风。下部有接口，以便牢固地固定在塔架14顶端。(输出电流经滑环、C-C电刷、电缆、电子箱及塔底的电缆通道送出。)塔架14可以是桁架，也可以是筒管。
1989年德国Jens Peter Motly所著的“风能理论、应用与测试”一书中，关于“风道式风电机比自由流风电机吸收能量多的论断和计算推导”，以及陈通漠的《水平轴风电机型谱分析》一文中有关P.D.n与风速参数合理匹配的理论及其计算方法，同样适用于本发明的机型。而且，针对本发明的机型所做的计算表明，电机磁极的线速度与风轮叶尖的线速度在同一数量级内，可以匹配。
如图7所示，本发明的环式风力发电机没有齿轮箱、尾舵、传动主轴、联轴器、伺服电机、偏航齿轮、液压机构和桨距调节机构。与图5的传统机型，图6的ABB Powerformer机型相比减少了大部分部件和故障点，可降低故障率。环形电机的转子与风轮紧密联结，直接传动、结构紧凑。与传统机型相比，减少了许多传感器及与之配套的控制装置，表2为几种机型所需主要设备对比。
一般的发电机为径向磁通，而本发明中的环形发电机为横向磁通，这样可减小发电机尺寸，而且结构更为紧凑。
                                          表2：几种机型所需主要设备对比
  传统机型   ABB公司的Powerformer型   本发明的机型
所   长叶片   长叶片   短叶片
  大轮毂   大轮毂   小轮毂
  大主轴   大主轴   无
  大齿轮箱   无   无
  异步电机   同步(盘式)发电机   环形发电机
需主要设备   功率因素补偿设备   无   无
软切入设备 整流设备 整流设备
  与机组配套的升压变压器   无   无
  风场内AC电缆、AC电网   风场内DC电缆、DC电网   风场内DC电缆、DC电网
  输送距离＜40km   输送距离＜100km   输送距离＜100km
  电子箱   电子箱   电子箱
  微机监控   微机监控   微机监控
  高塔架   高塔架   塔架较低
本发明采用翼形的环罩结构，罩体内表面呈喇叭状向外扩展，形成导流罩，其尾流气旋的抽吸作用可以大幅度提高环罩进口的风速，使风功率强度提高数倍。根据计算和试验，可使风轮直径减至传统机型的1/3左右，而且当风速很大时，增速效应渐渐减小，以使桨叶的失速特性显现出来。这样就将工作风速段拓宽，容量系数提高。同时，由于采用环形结构的稀土永磁发电机，本发明的机组部件进一步减少，结构进一步简化，使整机的重量减少1/5左右，造价降低1/4左右。
本发明中环式风力发电机所具有的性能特点为：
1.平稳的对风性能：实验证明大于等于0.4m/s即可平稳对风；
2.灵敏的起动性能：本机型可迅速启动，捕捉阵风的能量，弥补了常规机型的不足；
3.高效的发电性能：由于环罩内旋转尾流的负压抽吸作用，可使罩口风速增大一倍，风功率强度增至8倍，发电效果明显；而且，本装置的环形风轮及环形电机转子具有一定的储能、平稳作用；
4.疾风失速的性能：实验证明，当自然风速达到7级(疾风)时，桨叶的失速效应便显现出来，无需调节桨距，就能起到功率限制作用。
由于具备了以上优异性能，本发明中的环式风力发电机可明显减少停机时间，大幅度提高风电机组的容量系数，降低发电成本。

Claims (6)

1、一种环式风力发电机，包括：一塔架(14)、一设置在塔架(14)顶端的回转体(9)、一通过罩托(8)固定在回转体(9)上的环罩(7)、和由多叶桨叶通过一轮毂(6)固定而成的一风轮(5)，其特征为，包括一环形发电机(10)，该环形发电机(10)包括环形转子(2)和环形定子(3)；
上述风轮(5)的周边固定有一风轮外环(4)，上述环形转子(2)固定套在该风轮外环(4)的外围，该环形转子(2)与风轮外环(4)通过固定在其外缘的止推和导向组合轴承(1)整体支撑；
上述环罩(7)的喉部设有环形凹槽，上述止推和导向组合轴承(1)、环形转子(2)和风轮外环(4)依次由外而内同轴设置于环罩(7)的环形凹槽内，该环罩(7)的头部内对应于环形转子(2)设有环形定子(3)。
2、如权利要求1所述的环式风力发电机，其特征为，上述环形定子(3)由绝缘层包裹硅钢叠片和绕组线圈而成。
3、如权利要求1所述的环式风力发电机，其特征为，上述环形转子(2)的硅钢叠片层内镶有稀土磁钢。
4、如权利要求1所述的环式风力发电机，其特征为，上述环形发电机(10)采用横向磁通。
5、如权利要求1所述的环式风力发电机，其特征为，上述回转体(9)与罩托(8)之间采用法兰连接固定，其中部设有回转轴承。
6、如权利要求1所述的环式风力发电机，其特征为，上述环罩(7)的轴向截面为翼型。
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