CN202007740U - 一种风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电系统，包括并列安装的若干风轮、设置于所述风轮前端的制动板、以及设置于所述风轮之间的发电机，发电机上安装有发电机双转子齿轮，每个风轮包括由顶部转子中心和底部转子中心构成的轴、若干绕所述轴呈放射状分布的扇叶，以及以每个所述风轮的扇叶外边缘为内径设置的风轮齿轮，风轮齿轮与发电机双转子齿轮分别啮合。本实用新型的风力发电系统由于采用双轮式设计，使之达到传动平衡，减少磨损。风轮上安装的齿轮是发电机转子齿轮的整倍数，故不需要齿轮箱的增速作用，但同时又做到了发电机转子的高转速。制动系统采用分风板的开合，安全，可靠，高效地保护了发电机。

Description

一种风力发电系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电设备领域，特别是涉及一种风力发电系统。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。但这些技术资料描述的是水平轴式风力发电系统，并不完善。

尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。商业化的水平轴风力发电机组一般采用齿轮箱以达到增速的目的，实现大功率发电。垂直轴风力发电机多采用外加的遮挡法、活动式变桨矩等被动的减少叶轮回转复位阻力的设计。国内国际对风能的需求具有持远性，而现行风力发电机的机型，源于古老、价格昂贵、对风力条件制约性强等因素，限制了内陆地区的风能利用和中型风力发电的企业化应用的普及。

风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动(定浆距风轮)或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。风力发电机设备对齿轮箱要求很高：体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、维修方便等。对齿轮箱中齿轮出现的故障，国内外的观察结果或报告都较为一致，即发生最多的仍为齿面的损坏，从应用初期的微点烛，到逐步扩展的大面积点烛，剥落或磨损。众多研究及观察表明，微点烛主要发生于低速级，其它级则很少发生。其原因一般认为是和风电齿轮箱的工作状态如速度及载荷变化频繁有关，此外齿面的粗糙度对微点烛的产生有直接影响。一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损；冬季会出现过功率现象，过高载荷影响齿轮箱的寿命。由于齿轮失效造成设备停机的损失，变得更代价昂贵。风电涡轮自安装以后，就开始处于预期的高载荷应力作用下。这时，在增速器齿轮和轴承表面产生的高接触性应力将形成细微裂纹、凹陷、划伤、和其他不可恢复的磨损。

发电机一般采用单轮式。由外力让发电机转子旋转时，扭力却做无用功，扭力越大，对轴承的影响越严重。由于扭力的作用，造成发电机线圈磨损，定子磨损的故障占绝大多数。

垂直轴风力发电机需要克服的风力阻力问题，一般采用被动式遮挡板设计，虽然解决了叶轮回转复位的阻力，却浪费了绝大部分能源。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何提高风力发电的效率和可靠性，降低风力发电成本。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，提供一种风力发电系统，包括并列安装的若干风轮、设置于所述风轮前端的制动板、以及设置于所述风轮之间的发电机，所述发电机上安装有发电机双转子齿轮，每个所述风轮包括由顶部转子中心和底部转子中心构成的轴、若干绕所述轴呈放射状分布的扇叶，以及以每个所述风轮的扇叶外边缘为内径设置的风轮齿轮，所述风轮齿轮与所述发电机双转子齿轮分别啮合。

优选地，所述制动板包括两个弧面板，所述两个弧面板采用可开合式。

优选地，发电机采用双转子式发电机，双转子齿轮大小相等。

优选地，所述风轮为若干个，相邻的所述风轮呈正反方向安装。

优选地，所述风轮由顶部转子中心和底部转子中心构成的轴为虚拟轴或实体主轴，所述实体主轴上设置有支架以支撑并固定扇叶。

优选地，每个所述风轮上的扇叶呈放射性绕风轮的轴分布，每个扇叶由凸面和平面构成，所述平面上垂直设置有辅助风板。

优选地，所述风轮齿轮为若干个，垂直设置于所述扇叶的外边缘，所述发电机双转子齿轮与所述风轮齿轮数量相同。

优选地，所述风轮齿轮周长是所述发电机双转子齿轮周长的10-50倍。

优选地，所述风力发电系统还包括设置于所述风轮尾部的尾翼，所述尾翼高于所述风轮。

优选地，所述风力发电系统还包括连接、支撑、固定各制动板、风轮、尾翼和发电机的底架，以及支撑所述底架的塔架，并且所述底架可绕所述塔架自由旋转。

(三)有益效果

本实用新型的风力发电系统采用复位弹簧型制动板、正反转双风轮、双转子式发电机设计。复位弹簧型制动板在遮挡风轮回旋复位阻力风的同时，把阻力风同时分流到双风轮扇叶上，积极主动地增大了垂直轴风力发电系统利用风的面积。风轮上安装的齿轮的周长是发电机双转子的10-50倍，故不需要齿轮箱的增速作用，双轮式风轮又能够为双转子式发电机提供双倍转速，使发电机能够低成本、低风速下真正做到高转速、高效率。同时又做到了风轮齿轮到发电机齿轮的相对传动平衡，减少了磨损。采用可开合式制动板，安全，可靠，低成本，高效地保护了发电机。对于空气质量不良的地区，可为风轮的传动系统提供全遮挡式齿轮罩。因采用制动板，故不用考虑回旋阻力风，所以扇叶可以设计成任意形状。因此该风力发电系统具有实用作用，促进了风力利用的研究和发展。该系统设计简捷，易于制造加工，安全性好，加工成本低，制造成本低，运行成本低，启动风力小，发电能力强，负载能力强，容易维护，无噪音污染等显著特点，可以广泛普及推广。

附图说明

图1是依据本实用新型实施方式的风力发电系统的结构示意图。

其中，1：制动板；2：扇叶；3：顶部转子中心；4：底部转子中心；5：风轮齿轮；6：底架；7：发电机；8：发电机双转子齿轮；8a：上齿轮；8b：下齿轮；9：尾翼；10：塔架；11：辅助风板；11a：内辅助风板；11b：外辅助风板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种风力发电系统，包括并排安装的两个风轮，两个风轮中部外侧设置有制动板1，两个风轮之间设置有发电机7。每个风轮包括由顶部转子中心3和底部转子中心4构成的虚拟轴，以及若干扇叶2，扇叶2呈放射状绕虚拟轴设置，每个扇叶2上垂直设置有两个和风轮轴线方向相同的辅助风板11，即靠近风轮轴的内辅助风板11a和远离风轮轴的外辅助风板11b，其中内辅助风板11a宽度大于外辅助风板11b。以每个风轮的扇叶2的外边缘为内径和支撑分别设置有风轮齿轮5，发电机7设置有双转子齿轮8，风轮齿轮5与发电机双转子齿轮8啮合。此处的虚拟轴可以由实体主轴替换，此时的风轮齿轮5可以直接安装在主轴上。与实体主轴相比，具有虚拟轴的系统具有重量轻等优点。

制动板1可以设计为一个整体，具有两个弧面；或者设计为由两个弧面板连接为可开合式，或者每一个弧面由一个平面连接一个子弧面构成，并为可开合式。制动板1起到遮挡扇叶2的回转复位阻力风的作用，由于具有弧面，使分流出的一部分风为扇叶2提供动力。当风力过大时，制动板1复位弹簧承受不了压力，两个板面合拢，提供阻挡风，达到降速的作用。当风力小的时候，制动板1复位弹簧失去压力后驱动两个板面打开，阻挡风的同时，提供动力风，使扇叶2能够很好地旋转。制动板1由底架6伸出的支架支撑。扇叶2呈90度绕主轴分布，同时与主轴具有一定的空隙，使扇叶2的回转复位阻力风很好的排出。每个扇叶2由凸面和平面构成，在扇叶2凸面对应的平面上，垂直设置两个和风轮轴线方向相同的辅助风板11。靠近风轮轴的内辅助风板高于远离风轮轴的外辅助风板。风轮齿轮5安装在风轮上，发动机双转子齿轮8呈上下分布，位于上方的为上齿轮8a，位于下方的为下齿轮8b，不同的风轮齿轮5分别啮合发动机的上齿轮8a和下齿轮8b。风轮齿轮5由扇叶2的叶尖作为支撑，同时由风轮主轴伸出的支架支撑。两个风轮优选采用正反安装。当迎面吹过来的风经过本风力发电系统时，首先经过制动板1分流，同时又能够起到阻挡扇叶2的回转复位阻力风。分流出来的风作用到风轮的扇叶2上，为扇叶2提供动力。无遮挡风直接作用到扇叶2上，使风轮能够很好的旋转。扇叶2同时装有辅助风板11，当扇叶驶出制动板遮挡区域时，无遮挡风作用于辅助风板11上，增大扇叶2受风面积，使风轮能够很好的旋转。在两个风轮中间竖立安装无定子发电机7，发电机7由底架6伸出的支架做支撑。发电机7的双转子齿轮8和风轮齿轮5连接，当两个风轮正反转时，经风轮齿轮5分别传动到两个双转子齿轮8。因风轮齿轮5的周长是发电机齿轮8的周长的10-50倍，所以起到齿轮箱的作用。发电机双转子朝相反方向转动，达到发电的目的，又起到双倍转速的作用。因采用双风轮传动，所以能够高效的运行。底架6的中心部分安装轴承，和塔架10相连，塔架10支撑本风力发电系统很好地转动。尾翼9安装在两风轮中间尾部，并且高于两风轮，达到自动迎风效果，尾翼9可以作为制动板1的有益补充。

该实施例中制动板1的开合可以通过多种方式实现，比如说，利用复位弹簧实现分风板的开合；或者通过伺服驱动装置实现分风板的开合。需要说明的是，所有能够实现分风板开合的装置或者设备都可以用作制动板开合的实现手段。

该风力发电系统中的风轮数可以是一个，也可以是两个或者多个，且风轮齿轮5的数量也可以是一个或者多个，发电机双转子齿轮8的数量和风轮齿轮5的数量相同，且设置位置一一对应。

该风力发电系统由制动板使阻力风达到动力风的目的并且遮挡叶轮回转复位阻力风；采用制动板的设计，风轮扇叶不用考虑回转复位阻力风，可以设计为各种形状，减少了对风轮扇叶的开发研究。风轮上直接安装两排齿轮，风轮采用一个正转，另一个反转，达到同时驱动双轮式发电机的目的。并且起到齿轮箱的效果；发电机双转子安装齿轮，在风轮齿轮的反向驱动下同时传动，使发电机不偏转，不震动。

该实施方式中的风力发电系统是一种双轮结构。相对于水平轴流式风机，它是径流式的。该系统取缔了齿轮箱，但同时达到齿轮箱的作用。相比有些单轮式结构风机中采用外加的遮挡法、活动式变桨矩等被动式减少叶轮回转复位阻力的设计，它又积极利用阻力风力，使它成为推动滚轮旋转的动力，同时又具备了双动力，使之能够达到微风发电。由于采用双轮式设计，使发电机双转子达到相对传动平衡，减少磨损，但同时又做到了高负载力。制动系统采用制动板的开合，安全，可靠，高效的保护了发电机。因此这一实用新型的不仅具有实用作用，而且真正做到低成本，高效率，微风发电，强风负载。对于空气质量不良的地区，可为风轮的传动系统提供全遮挡式齿轮罩。该系统设计简捷，易于制造加工，安全性好，加工成本低，制造成本低，运行成本低，启动风力小，负载能力强，容易维护，无噪音污染等显著特点，可以广泛普及推广，适应中国节能减排需求，市场前景广阔。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电系统，其特征在于，包括并列安装的若干风轮、设置于所述风轮前端的制动板(1)、以及设置于所述风轮之间的发电机(7)，所述发电机(7)上安装有发电机双转子齿轮(8)，每个所述风轮包括由顶部转子中心(3)和底部转子中心(4)构成的轴、若干绕所述轴呈放射状分布的扇叶(2)，以及以每个所述风轮的扇叶(2)外边缘为内径设置的风轮齿轮(5)，所述风轮齿轮(5)与所述发电机双转子齿轮(8)分别啮合。

2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述制动板(1)包括两个弧面板，所述两个弧面板采用可开合式。

3.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，发电机(7)采用双转子式发电机，发电机双转子齿轮(8)大小相等。

4.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述风轮为若干个，相邻的所述风轮呈正反方向安装。

5.如权利要求4所述的风力发电系统，其特征在于，所述风轮由顶部转子中心(3)和底部转子中心(4)构成的轴为虚拟轴或实体主轴，所述实体主轴上设置有支架以支撑并固定扇叶(2)。

6.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，每个所述风轮上的扇叶(2)呈放射性绕风轮的轴分布，每个扇叶(2)由凸面和平面构成，所述平面上垂直设置有辅助风板(11)。

7.如权利要求4所述的风力发电系统，其特征在于，所述风轮齿轮(5)为若干个，垂直设置于所述扇叶(2)的外边缘，所述发电机双转子齿轮(8)与所述风轮齿轮(5)数量相同。

8.如权利要求4所述的风力发电系统，其特征在于，所述风轮齿轮(5)周长是所述发电机双转子齿轮(8)周长的10-50倍。

9.如权利要求1-4任一项所述的风力发电系统，其特征在于，所述风力发电系统还包括设置于所述风轮尾部的尾翼(9)，所述尾翼(9)高于所述风轮。

10.如权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，所述风力发电系统还包括连接、支撑、固定各制动板(1)、风轮、尾翼(9)和发电机(7)的底架(6)，以及支撑所述底架(6)的塔架(10)，并且所述底架(6)可绕所述塔架(10)自由旋转。

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