CN1844660A - 具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方案。包括：采用螺旋机构和差速机构利用风力机的原动力自动改变直径(可增加副叶片的一倍)并同时改变实度的风轮；利用发电机阻转矩自动变桨控制转速稳定输出功率的机构；多功能(强风、过转速、过振、蓄电池充满)自动顺桨停机保护装置；采用220伏直流电源供电的方案。本发明是由微处理机执行各部分的控制电路来完成自动变直径和实度、自动调速和自动顺桨停机的。本发明第一次提出在低于额定风速时，增加风轮直径来更多的获取风能，其新颖独特，在富有创造性的基础上更加突出了其实用性，具有风能捕获能力强、工作风速范围宽、安全性好、转速平稳、输出稳定、使用寿命长和终端供电直接费用低输电损耗小等诸多优点。本发明无疑是为利用洁净的风电而起到推动作用。

Description

具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方案

所属技术领域

本发明涉及可再生能源的风电转换设备，特别涉及具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方案的技术领域。

背景技术

风能是太阳能的一种表现形式，是人类所利用的最古老的可再生能源之一。由于矿物能源消耗的急剧增长以及由此而带来的环境污染等副作用，加之矿物能源的日益枯竭和人类对环保意识的提高，使得开发和利用洁净的可再生能源受到世界各国的普遍关注。我国也相当重视开发和利用洁净的可再生能源并于2006年1月1日实施了《可再生能源法》这就更加促进了清洁的风力资源的开发和利用。在《新能源发电》一书中的数据显示，在太阳能向地球投射的太阳辐射中大约有20％(约2×10¹⁶W)被地球大气层吸收，按照Willett的估算风能约为2×10¹³W。但要想更多获取这大自然白送来的清洁能量和更加便利的使用风电，以满足对清洁能源的需求，就要有更先进更实用的风电转换设备及供电方案。

对于现有技术的风力发电机和供电方案来说，存在着下面的一些不足和问题：

1、风能捕获能力弱并实用性差：

众所周知，自然风在一年四季中每个季节的风速差距都非常大，并每一天的变化也都很大其随机性特别强，而在一年四季中只有春季的风最大，总体看大风的时间并不多。而现有技术的风力发电机一般额定风速设定的都比较高，也就是小直径风轮的风力发电机，虽然在高风速的季节里有较好风能获得也就是有较好的功率输出，而在低风速季节里的风速几乎都低于其额定风速，出力非常小，也就没有了用武之地，甚至不能运转。因而其在弱风中获取不到可供利用的风能，所以不实用。如果额定风速定得较低，也就是大直径风轮的风力发电机，虽然把低风速中不能发电的问题解决了，但要能承受高风速季节里的强风洗礼，势必要有较昂贵的制造成本其实用性也就失去了意义。

2、调节桨距的机构复杂而且耗能大通用性差：

现有技术的风力发电机变桨距一般是采用电动伺服和液压机构，不但结构复杂故障率高而且执行其机构还要消耗风力机的自身功率。其复杂的机构费用也高不适用于中小功率的风力发电机，而中小功率的风力发电机所采用的离心变桨机构，又不能适用于大功率的风力发电机，所以其机构不能通用。

3、对风力机的安全保护措施不够完善：

现有技术的风力发电机一般都没有设自动停机保护装置，轻者烧毁发电机重者甚至损坏风力机系统，有的只是采取人工挂杆或拉绳来完成停机的，如果突遇强风或其它不利因素时也不能及时有效地保护系统。而且蓄电池充满后只是采取了卸载的方式其风轮依旧运转，造成了风力机不必要的机械磨损降低了其使用寿命。

4、终端供电不便利且费用高并输电损耗大：

现有技术的大功率风力发电机是采用并网供电的，而中小型风力发电机终端供电方案一般都采取低电压向蓄电池充电，再经过逆变器转变成220伏交流电向家用电器供电，但大功率的逆变器造价极其昂贵难于推广，而且输电距离受限，如1500瓦的机组，输电压为32伏，则电流为46.9安。如果采用7/0.64(断面积为0.145cm²)的输电线，则每米(双程)的压降为0.112伏，假设输50米的距离将有5.6伏的压降，亦即线路损失约占发出功率的17％。这都相对地制约了风电的利用和发展。

发明内容

考虑到现有技术的风力发电机及供电方案存在的诸多缺点和问题：

本发明公开了一种前所未有的具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方案其包括：采用螺旋机构和差速机构利用风力机的原动力自动改变直径(可增加副叶片的一倍)并同时改变实度的风轮(包括水平轴风力机和垂直轴风力机，垂直轴风力机的技术方案在本发明人的另外一项发明中说明)；利用发电机阻转矩自动变桨控制转速的机构；多功能(强风、过转速、过振、蓄电池充满)自动顺桨停机保护装置；采用220伏直流电源供电的方案。本发明是由微处理机执行各部分的控制电路来完成自动变直径和实度、自动调速和自动顺桨停机的。

实现本发明中自动改变直径并同时改变实度的水平轴风轮的方案是：

有两组桨叶(每组两个或三个桨叶)，一组主桨叶和一组副桨叶，呈辐射状交错安装在轮毂上，轮毂通过轴承安装在主轴上，其主轴是厚壁钢筒通过法兰盘固定在回转体上。其副桨叶是风轮的初始直径，主桨叶的叶片内有一扁形筒一端固定在叶片的尖端，另一端设有螺母组件，为了不使主桨叶的叶片过厚，主桨叶的叶柄也采用扁形的筒，其尖端有限位装置，内有一根螺杆，叶片内的扁形筒上的螺母组件旋在螺杆上并叶片内的扁形筒在叶柄内，叶柄在叶片内。螺杆在轮毂内的一端设有一锥齿轮与设在轮毂内的两个带有锥齿轮的变径同步盘啮合，变径同步盘与主轴之间相对应位置设有两只变径制动器，是由变径控制电路完成改变风轮直径和实度的。

变径控制电路由风速传感器、位置传感器、电磁元件组成，由风速传感器得到的高或低风速信号，经微处理机识别后执行电磁元件使两变径制动器分别制动两变径同步盘，使其与轮毂差速因而利用风轮的动力驱动了叶柄内的螺杆使叶片移动，当移动到最大或初始直径时由叶片位置传感器发出信号使变径制动器释放完成变径。又因为叶片移出时每组两个叶片的相当于二叶片大直径风轮，每组三个叶片的相当于三叶片大直径风轮，叶片移回时每组两个叶片的相当于四叶片小直径风轮，每组三个叶片的相当于六叶片小直径风轮，所以在改变风轮直径的同时实度也发生了改变。

执行变径变实度的高或低的风速信号，也可以在本系统上设接收器，由当地气象台(站)通过无线电通讯网络发送来的风速预报信号，通过微处理机识别后执行其工作工况。

本发明中的水平轴风轮也可以是另外一种形式的只改变直径，将副桨叶去掉，只有一组主桨叶(两个或三个桨叶)，呈辐射状安装在轮毂上，叶片内有一内藏叶片，在叶片和内藏叶片之间设有张紧和限位装置，内藏叶片的根端设有螺母组件，旋在螺杆上，其余的部分与改变直径并同时改变实度的水平轴风轮相同。

实现本发明中利用发电机阻转矩自动变桨调速的方案是：

在轮毂内每一个叶柄轴上都设有一扇形锥齿轮，扇形锥齿轮与变桨同步盘上的锥齿轮啮合，变桨同步盘与轮毂之间设有回位弹簧和限位装置，由设在变桨同步盘上另一侧的内齿轮驱动发电机发电。由转矩控制电路完成自动变桨调速，转矩控制电路由转速传感器、发电机、可变负载组成，由转速传感器传来的超过额定转速信号经微处理机识别后，给发电机加以可变负载，因而增加发电机的阻转矩，以克服变桨同步盘与轮毂之间回位弹簧的压力，使变桨同步盘与轮毂形成差速运转，由变桨同步盘驱动叶柄轴使桨叶的角度改变，来改变转数控制输出功率，达到了自动调速的目的。

实现本发明中多功能自动顺桨停机保护的方案是：

在主轴上与变桨同步盘相对应的位置设有顺桨制动器，在主轴与轮毂之间设有棘轮机构，由制动控制电路来完成其停机和恢复运转的。制动控制电路由风速传感器、转速传感器、振动传感器、充电状态传感器、伺服电动机组成，由风速传感器、转速传感器、振动传感器、充电状态传感器，传来的的强风信号、过转速信号、过振信号、蓄电池充满信号、经微处理机识别后执行伺服电动机同时驱动顺桨制动器和棘轮机构，制动变桨同步盘由风轮的惯性使变桨同步盘与轮毂差速完成顺桨，并同时由棘轮机构锁住轮毂保持顺桨状态达到了自动停机保护的目的。在微处理机执行强风信号和蓄电池充满信号停机后，当到安全风速时和蓄电池需要充电时，都能由微处理机执行伺服电动机释放顺桨制动器使风力机恢复运转。而在执行过转速信号和过振信号停机后，同时发出报警信号，不执行其恢复运转，因为过转速和过振就证明风力机系统存在着安全隐患，而需要专业人员确认安全后恢复其运转。

本发明中的变径制动器和顺桨制动器也可以采用电流变液技术，将会使结构更加简单。

实现用220伏直流电源供电的方案：

风力发电机发出的电能由充电机向多组串联蓄电池充电得到220伏直流电源，可以建立独立的直流供电网络，也可以通过切换控制器与220伏交流市电切换进户，利用室内原有的线路直接向用电器供以220伏直流电。分析当前家用电器的特点，大部分都是阻性负载如：电热类的、照明类的(采用电子镇流器的灯具和白炽灯)，还有一部分是带有开关型电源的用电器如：电脑、彩电、视盘机等，根据直流电与交流电的热效应相等的原理，220伏交流电等效于220伏直流电。所以这部分用电器都可以直接供以220伏直流电。只有一小部分感性用电器如：冰箱、洗衣机等，在独立的直流供电网络中只要用一只小功率逆变器就可以了。与220伏交流市电切换进户，利用室内原有的线路直接向用电器供以220伏直流电的，这一小部分感性用电器可以单独接在市电上。又由于当前大力推广直流无刷电动机，如：冰箱、洗衣机等都采用直流无刷电动机时，这一小部分感性用电器就可以直接通以直流电了。

与现有技术相比本发明的具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方安的优点是：

1、风能捕获能力强并实用性好：

根据风能具有的动能表达式：

                         P_W＝1/2ρAV³

式中A为风轮扫掠面积。

得：风力机得到的能量与风力机的风轮扫掠面积成正比，也就是与风轮直径的平方成正比。本发明的风轮可增加直径，所以在弱风中可以更多的获取风能，从而解决了弱风季节不能发电的问题，大大的提高了其实用性。而且在强风时又能收回到初始直径并实度也有所增加有效地降低了转速，因而就可以在强风中安全运行了。

2、变桨距的机构简单通用性强且故障率低：

本发明的调速机构是利用发电机阻转矩调节桨距来控制转速的。没有较复杂的液压机构和电动伺服机构，无耗能，因而适用于小功率到大功率的风力发电机。

3、安全性好并使用寿命长：

本发明设有多功能(强风、过转速、过振、蓄电池充满)自动顺桨停机保护装置，当发生强风(25米/秒)、发电机故障产生飞车和由于叶片结冰或其它原因造成动平衡失称，而产生的过振动等对风力机系统不利的因素时，都能由微处理机执行停机，能够及时有效地保护风力机系统，又由于蓄电池充满后风力机停止运转，没有了不必要的运转磨损因此延长了其使用寿命。

4、终端供电直接便利费用低输电损耗小：

本发明的供电方案是采用220伏直流电源供电的方案，可以通过切换控制器与220伏交流市电切换进户，利用室内原有的线路直接向用电器供以220伏直流电。无需启用较昂贵的大功率逆变器，且输电压较高输电损小提高了输电距离，本供电方案降低了风电的利用成本，使得推广使用清洁的风电有着积极的作用，另外也是为将来市电网普及直流供电而起到推动的作用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1为本发明的风力发电机整体示意图。

附图2为本发明的风力发电机的轮毂正剖视图和主叶片的剖视图。

附图3为本发明的风力发电机的轮毂侧剖视图。

附图4为本发明的总控制电路方框图。

附图5为本发明的供电方框图。

附图6为本发明的另一种形式水平轴只变直径的风轮的轮毂正剖视图和叶片的剖视图。

具体实施方式

附图1和附图2所示将带有两组桨叶(每组也可以是两个桨叶)一组主桨叶[1](风轮的最大直径)Φ₁和一组副桨叶[2](风轮的初始直径)Φ₂的风轮(回转方向为顺时针旋转)水平安装在塔架上。主桨叶[1]通过轴承[3][4]和副桨叶[2]通过轴承[5][6]安装在轮毂[7]上，主桨叶[1]的叶片[1.1]内是叶柄[12]，叶柄[12]尖端是限位装置[13]，叶柄内的扁圆筒[14]一端与叶片[1.1]尖端固定，另一端的螺母组件[15]旋在螺杆[16](为右旋螺纹)上。螺杆[16]通过轴承[17]安装在叶柄轴[18]内。

附图3所示轮毂[7]通过轴承[8][9]安装在主轴[10]上，其主轴[10]是厚壁钢筒通过法兰盘[11]安装在回转体上。固定在螺杆[16]上的锥齿轮[19]与其两边通过轴[20][21]安装在轮毂[7]内的两个变径同步盘A和B啮合，变径同步盘A和B与主轴之间装有两个变径制动器A1和B1。装在主叶柄轴[18]和副叶柄轴[22]上的扇形锥齿轮[23]都与通过轴承[24]固定在轮毂[7]上的变桨同步盘[25](风向控制采用下风向的安装在迎风侧，采用上风向的安装在顺风侧需要在扇形锥齿轮[23]与变桨同步盘[25]之间加一组导向轮)啮合，变桨同步盘[25]与轮毂[7]之间装有回位弹簧和限位装置[26]，变桨同步盘[25]与主轴[10]之间装有顺桨制动器[27]，在轮毂[7]与主轴[10]之间装有棘轮机构[28]，顺桨制动器[27]与棘轮机构[28]连动，在主轴[10]上设有连动机构孔[31]和传输信号线孔[32]由装在变桨同步盘[25]上的内齿轮[29]驱动发电机[30]发电。

附图4所示自动变径变实度、自动变桨调速、自动顺桨停机及恢复运转都由微处理机执行各部分控制电路完成。

变到最大直径Φ₁：

当微处理机检测到风速传感器传来的低于初始直径Φ₂的额定风速信号时，执行电磁元件使A1制动器制动A变径同步盘，使其与轮毂[7]差速因而驱动了叶柄[12]内的螺杆[16]使叶片[1.1]向外移动，当移动到最大直径Φ₁时由位置传感器发出信号使A1制动器释放，变成相当于三叶片大直径的风力机，以在弱风中获取更多的风能。

回到初始直径Φ₂：

当微处理机检测到风速传感器传来的高于初始直径Φ₂的额定风速信号时，执行电磁元件使B1制动器制动B变径同步盘，使其与轮毂[7]差速因而驱动了叶柄[12]内的螺杆[16]使叶片[1.1]向内移动，当移动到初始直径Φ₂时由叶片位置传感器发出信号使B1制动器释放，变成相当于六叶片小直径的风力机，能有效的降低转速以安全的在大风中运行。

自动变桨调速：

当微处理机检测到发电机过转速信号后，给发电机[30]加以变阻负载，因而增加发电机[30]的阻转矩以克服变桨同步盘[25]与轮毂[7]之间回位弹簧[26]的压力，使桨叶[1][2]的角度改变，来改变转数控制输出功率。

自动顺桨停机保护：

当微处理机检测到强风信号、过转速信号、过振信号、蓄电池充满信号后，执行伺服电机同步驱动顺桨制动器[27]和棘轮机构[28]，制动变桨同步盘[25]由风轮的惯性使变桨同步盘[25]与轮毂[7]差速完成顺桨，并同时由棘轮机构[28]锁住轮毂[7]保持顺桨状态完成停机保护。

自动恢复运转：

当微处理机检测到安全风速信号和蓄电池续充信号后，执行伺服电机同步驱动顺桨制动器[27]和棘轮机构[28]回位释放恢复运转。为了保证系统的安全，在微处理机检测到过转速信号和过振信号停机的同时发出报警信号，不执行其恢复运转。

图5所示由发电机发出的电能经充电机给蓄电池充电得到220伏直流电，由切换控制器与市电切换进入市内线路。

图6所示是本发明的另一种形式的水平轴风轮只变直径的，只有一组桨叶(两个或三个桨叶)，安装在轮毂[7]上，叶片[33]内有一内藏叶片[34]，内藏叶片[34]的根端设有螺母组件[35]，旋在螺杆[16]上，其余的部分同所述的改变直径同时改变实度的水平轴风轮。

Claims (10)

1、一种具有变径变实度功能的风力发电机以及供电方案其包括：风轮、调速机构、停机保护装置及供电方案，其特征是：所述的风轮(包括水平轴风力机和垂直轴风力机，垂直轴风力机的风轮其特征在本发明人的另外一项发明中说明)采用螺旋机构和差速机构利用风力机的原动力自动改变直径(可增加副叶片的一倍)并同时改变实度的风轮；所述的调速机构是利用发电机阻转矩自动变桨控制转速的机构；所述的停机保护装置是多功能(强风、过转速、过振、蓄电池充满)自动顺桨停机保护的装置；所述的供电方案是采用220伏直流电源供电的方案。

2、根据权利要求1所述的可变直径(可增加副叶片的一倍)并同时改变实度的水平轴风轮其特征在于：有两组桨叶(每组两个叶片或三个叶片)，一组主桨叶和一组副桨叶，呈辐射状交错安装在轮毂上，轮毂通过轴承安装在主轴上，其主轴是厚壁钢筒通过法兰盘固定在回转体上。其副桨叶是风轮的初始直径，主桨叶的叶片是空心的内有一扁形筒一端固定在叶片的尖部另一端设有螺母组件，主桨叶的叶柄是扁筒，叶柄内有一根螺杆，其螺母组件旋在螺杆上，叶片内的扁形筒在叶柄内，叶柄在叶片内。螺杆在轮毂内的一端设有一锥齿轮与设在轮毂内的两个带有锥齿轮的变径同步盘啮合，变径同步盘与主轴之间相对应位置设有两只变径制动器，是由变径控制电路自动完成改变风轮直径和实度的。

3、根据权利要求2所述的变径控制电路，其特征在于：包括微处理机、风速传感器、叶片位置传感器、电磁元件，由风速传感器得到的高或低风速信号，经微处理机识别后执行电磁元件使变径制动器分别制动变径同步盘，使其与轮毂差速因而驱动了叶柄内的螺杆使叶片移动，当移动到最大或初始直径时由位置传感器发出信号使制动器释放完成变径和实度。

4、根据权利要求3所述的控制变径的风速信号也可以在本系统上设接收器由当地气象台(站)通过无线电通讯网络，发送来的风速预报信号，通过微处理机识别后执行其工作工况。

5、根据权利要求1所述的水平轴风轮也可以是另外一种形式的只改变直径的其特征在于：只有一组桨叶(两个或三个桨叶)，呈辐射状安装在轮毂上，叶片内有一内藏叶片，在叶片和内藏叶片之间设有张紧和限位装置，内藏叶片的根端设有螺母组件，旋在叶柄内的螺杆上，其余的部分同所述的可变直径并同时改变实度的水平轴风轮。

6、根据权利要求1所述的利用发电机阻转矩自动变桨控制转速的机构，其特征在于：在轮毂内每一个叶柄轴上都设有一扇形锥齿轮与变桨同步盘上的锥齿轮啮合，变桨同步盘和轮毂之间设有回位弹簧由设在变桨同步盘上另一侧的内齿轮驱动发电机发电，由转矩控制电路完成自动变桨调速。

7、根据权利要求6所述的转矩控制电路，其特征在于：包括微处理机、转速传感器、发电机、变阻负载，由微处理机检测到转速传感器传来的超过额定转速的信号后，给发电机加以变阻负载，因而增加发电机的阻转矩以克服变桨同步盘与轮毂之间回位弹簧的压力，使桨叶的角度改变，来改变转数控制输出功率。

8、根据权利要求1所述的多功能(强风、过转速、过振动、蓄电池充满)自动顺桨停机保护装置，其特征在于：在主轴上与变桨同步盘相对应的位置设有顺桨制动器，在主轴与轮毂之间设有棘轮机构，由制动控制电路来完成其停机和恢复运转的。

9、根据权利要求8所述的制动控制电路，其特征在于：包括微处理机、风速传感器、转速传感器、振动传感器、充电状态传感器、伺服电动机，由风速传感器、振动传感器、充电状态传感器，传来的强风信号、过转速信号、过振信号、蓄电池充满信号，经微处理机识别后执行伺服电动机同步驱动顺桨制动器和棘轮机构，制动变桨同步盘由风轮的惯性使变桨同步盘与轮毂差速完成顺桨，并同时由棘轮机构锁住轮毂保持顺桨状达到了自动停机保护的目的。在到安全风速时和蓄电池续充时微处理机执行恢复运转，在微处理机执行过转速信号和过振信号停机后报警不再执行恢复运转。

10、根据权利要求1所述的采用220伏直流电源供电的方案，其特征在于：由风力发电机发出的电能，由充电机向多组串联蓄电池充电得到220伏直流电源，通过切换器与220伏交流市电切换进户，利用室内原有的线路直接向用电器供以220伏直流电。

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