CN205618299U - 随风变速双风轮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种随风变速双风轮风力发电机，包括塔架，塔架上架设有机舱，机舱前后两端分别安装有前风轮和后风轮，机舱前后两端的风轮与机舱内的功率合成机构连接，其特征在于：还包括随风变速系统，功率合成机构与随风变速系统连接；所述随风变速系统包括风速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心；所述风速仪与控制中心连接，控制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心。本实用新型的随风变速系统风轮到发电机的增速比随风可变，使来风的动能得到充分发挥，使机组发电量大幅提高。

Description

随风变速双风轮风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种随风变速双风轮风力发电机。

背景技术

风的动能是风速的三次方成正比，自然风速蕴藏着很大的能量，而现有技术的风力发电机只用了很少的一部分，大部分被放弃了，现有技术风力发电机组其安全风速设计50至60米/秒，而切出的风V_c是20至30米/秒，其安全系数为2，在安全系数范围以内，应该是许用风速，在其范围内应该充分发挥风速的最大功能。

现有技术风力发电机从风轮到发电机的传动比i是固定不变的，只有来风速度是额定风速V_b时，发电机才是额定转速n₀，来风在V_b以外都不能充分发挥风速的功能。

现有技术的风力发电机组从切入风速切入以后，因i是固定不变的原因，发电机的转速小于n₀时，发电机在低速运转时发出低电压大电流，发热量大，发热是电流平方成正比的，在低速状态风力发电，由于风的动能是风速的三次方，发电量是额定风速小数点后的三次方，发电功率很小而发热量却很大，还须冷却更耗电，而风力发电机组当来风速度V等于0.5V_b时动能只有0.125额定量，除掉机组的内耗实际输出功能就更少，费劲很大，得益甚少。

现有技术风力发电机组从风轮到发电机的传动i是固定不变的，只有来风速度达到额定风速是V_b时，发电机的转速才是额定转速n₀，而来风的风速度V达到V_b之后，还要上升到切出风速V_c，而发电机的额定转速是不能超过的，为了保障发电机额定转速不超，现有技术风力发电机组要通过桨叶变距或失速，使得风轮转速保持不变，以保证发电转速是额定转速n₀不变。结果本来以来风速度按最佳叶尖速比λ控制风轮转速n，以求得到最大风能利用系数C_p制程序脱轨了，同时也使得大于1至2的三次方的动能，最大是八倍额定值的动能也被放弃了，造成三分之二以上的动能被放弃。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种随风变速双风轮风力发电机。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种随风变速双风轮风力发电机，包括塔架，塔架上架设有机舱，机舱前后两端分别安装有前风轮和后风轮，机舱前后两端的风轮与机舱内的功率合成机构连接，其特殊之处在于：还包括随风变速系统，功率合成机构与随风变速系统连接；所述随风变速系统包括风速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心；所述风速仪与控制中心连接，控制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心。

本发明的随风变速双风轮风力发电机，应力传感器与控制中心连接，控制中心与变距机构连接，变距机构与风轮连接，风轮与随风变速器连接，风轮将转速信息反馈回控制中心。

本发明的随风变速双风轮风力发电机，所述随风变速系统的工作过程包括启动过程、工作过程和收退过程，来风速度参数输入控制中心，经控制中心处理后发出指令，控制可变速比的随风变速器按规定改变速比i，以保证发电机工作以额定转速n₀始终不变。本系统设定的起动过程是：当发电机从切入风速V_a切入，系统以最大力矩驱动发电机，发电转动后，当风速仪测得来风速度达到可使发电机向外供电的起动风速V_t也是最低工作风速时，控制中心指令随风变速器以最大增速比i使之增速，随着风速逐渐变大，发电机转速增至n₀并稳定了，发电机不在低风速、低电压、大电流、低效率发电，此时来风速度是起动风速V_t，也是最低工作风速，起动过程完成。进入工作过程，整个工作过程是来风速度从起动风速V_t开始到切出风速V_c结束。在工作过程中，风速仪测得来风速度，将来风速度改变的信号输入控制中心，控制中心指令变距机构变距，使得风轮转速达到最佳叶尖速比λ，以保证机组在最大风能利用系数C_p工作，同时控制中心指令随风变速器，改变风轮到发电机的增速比i以满足发电机的转速n₀不变，以保证发电机在最佳的状态，达到所有风速都全部被利用，无弃风浪费，以此控制程序一直工作到切出风速，工作过程完成。以后开始收退过程，收退过程是风速仪测得来风速度达到切出风速V_c后，风轮也达到切出转速n_c，由风轮上的应力传感器发出信号输入控制中心，控制中心指令变距机构使风轮减速，一直到顺桨停机，收退过程完成。

本发明中所述的随风变速器，可以采用风力发电装置无自锁变速齿箱中国专利公开号ZL201010124102.6中公开的风力发电装置无自锁变速齿箱，也可采用中国专利公开号ZL201410272028.0公开的大力矩高效率CVT无级随风变速器。

本发明的有益效果：本发明的随风变速双风轮风力发电机，随风变速系统在整个工作过程中最大限度发挥风速的功能，所有风速特别是高于额定风速都被充分利用，从而产生最大的输出功率。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明随风变速系统的控制过程示意图。

附图3是本发明功率合成机构的内部示意图。

附图4是本发明的做功示意图。

附图5是现有风力发电机的做功示意图。

附图6是风场风频曲线图。

图中，1塔架，2前风轮，3功率合成机构，4随风变速器，5机舱，6后风轮，7控制中心，8发电机，11前行星齿轮，12后行星齿轮，13后中心齿轮，14前风轮联轴器，15前中心齿轮，16行星架齿轮，17齿轮，20主动锥齿轮，21主动锥齿轮增速油缸，22主动锥齿轮减速油缸，23后风轮联轴器，24传动带，25从动锥齿轮增速油缸，26从动锥齿轮减速油缸，27发电机联轴器，28从动锥齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图是本发明的一种具体实施方式。附图1是本实施例的结构示意图，该实施例包括塔架1，塔架1上架设有机舱5，机舱5前后两端分别安装有前风轮2和后风轮6，前风轮2和后风轮6与机舱5内的功率合成机构3连接，该功率合成机构3与随风变速系统连接，来风吹来推动前风轮2和后风轮6，通过各自风轮轴进入功率合成机构3合成一个运动，通过随风变速系统实现发电机8工作。

本实施例的随风变速系统的工作控制过程如附图2所示，该随风变速系统包括风速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心；风速仪与控制中心连接，控制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心；控制中心与变距机构连接，变距机构与风轮连接，风轮与随风变速器连接，风轮将转速信息反馈回控制中心；应力传感器安装在风轮上，应力传感器与控制中心连接。

本实施例采用的功率合成机构的结构如附图3所示，由前行星齿轮11、后行星齿轮12、后中心齿轮13、前中心齿轮15、行星架齿轮16、齿轮17组成圆柱齿轮差动轮系，前风轮2运动从前风轮联轴器14进入前中心齿轮15驱动前行星齿轮11，后风轮6的运动从后风轮联轴器23进入后中心齿轮13驱动后行星齿轮12，由于前行星齿轮11和后行星齿轮12是同轴，则共同驱动行星架齿轮16，功率合成完成，锥轮无级随风变速器由构件主动锥齿轮20、主动锥齿轮增速油缸21、主动锥齿轮减速油缸22、传动带24、从动锥齿轮增速油缸25、从动锥齿轮减速油缸26、发电机联轴器27、从动锥齿轮28、增速电磁阀Z、减速电磁阀J组成。当控制中心指令增速比i增大，增速电磁阀Z工作，管路a冲油，管路b回油，主动锥齿轮增速油缸21和从动锥齿轮增速油缸25充油，主动锥齿轮20的工作直径增大，而从动锥齿轮28的工作直径减小，从而实现增速，当控制中心指令减小i时，则减速电磁阀J工作，管路b充油，管路a回油，则主动锥齿轮增速油缸21和从动锥齿轮减速油缸26都充油，则主动锥齿轮20的工作直径减小，而从动锥齿轮28的工作直径增大，从而实现了减速。

本实施例设定参数是：以额定风速V_b为基准，切入风速V_a=0.2V_b，切出风速Vc=2 V_b，起动风速V_t=0.4 V_b，风轮额定转速n_b=10转/分，风轮起动转速n_t=0.4n_b，切出转速n_c=2n_b，发电机额定转速n₀=1500转/分，计算得机组总增速比i=375，工作变速范围R_n=5。

本发明的技术方案，由起动过程、工作过程和收退过程组成，本实施例中三个过程如下：

起动过程：控制中心执行起动程序，指令发电机开路空载，桨叶变距顺桨，变速增速比最小，从风速V_a=0.2V_b切入，指令变距机构以最大升力推动风轮，随风变速器以最小的增速比求得最大的传动力矩驱动发电机，发电机转动之后，控制中心指令随风变速器逐渐增大增速比到最大i=375，随来风速度的增加，发电机的转速达到额定转速n₀，n₀反馈给控制中心，已完成起动过程。控制中心开始工作过程，执行工作程序，指令发电机向外供电，指令变距机构根据工作过程来风速度v，以最佳叶尖速比改变风轮转速n，根据来风速度v改变随风变速器的增速比i，保证发电机转速是额定转速n₀不变，其控制理论如下：

根据风轮与发电机传动增速比要求：

根据最大风能利用系数C_p要求得最佳时尖速比λ则有：

公式中n是风轮转速，d是风轮直径，λ是风轮设计最佳叶尖速比，公式右边除来风速度v之外，对已定的风力发电机组都是常数，用B代之。则有：

公式1是本发明随风变速控制理论公式，发电机实际转速与n₀之差，反馈回控制中心，控制中心再次指令改变速比直至n₀稳定为止。按此程序一直到风速达到Vc，已达到机组许用风速，风轮转速也达到n_c，工作过程完成，控制中心要实施收退过程，执行收退程序，风轮受力薄弱部位的应力传感器的应力信息输入控制中心，控制中心指令变距机构使风轮减速，直至顺桨停机，收退过程完成。

本发明的效果：一是凸显单机发电能力大幅提高，二是风场全年出力大幅增加。以下分别论证：

从切入到切出是风力发电机的一个运作周期，机组在一个完整的运作周期内所作的功多少，是显示该风力发电机单机组的发电能力。动能E乘上风能利用系数C_p是功率N，功率对时间的积分是做功A，并设在应用区间的来风速度V是时间的一次线性函数，即V=tan α，tan α=D，则本发明风力发电机在一个运作周期的功A是A_c：

公式2中ρ是空气密度，s是风力发电机迎风面积，图4是本发明的做功示意图，横座标是时间，纵座标是速度和功率，图中直线a、b、c是速度V的直线，曲线a、b、C₁是功率N的曲线，当V=V_b=1时N=1，V=1，当V=V_c时V_c=2，N_c=8，阴影面积是N对t的积分，是本发明风力发电机在一个运作周期做的功A_c。对于现有技术的风力发电机，因为从风轮到发电机的传动是固定速比，从切入风速到额定风速过程中风轮变速的，其功率N_ab是变的，从切入风速到额定风速，机组做的功用积分求得，到了额定风速，由于受发电机额定转速不变所限，风轮用变距或失速保持转速n不变，功率N_bc是固定的，所以现有技术运作周期所作的功A_x，由A_ab+A_bc组成：

图5是现有技术风力发电机的做功示意图，额定风速之前的功是由积分求得，额定风速之后因为功率是常数以做功是方形，将A_c用A_x相除得到本发明现有技术发电能力增大比例系数K₁=3.2：

因为本发明采用双风轮，双风轮机组是同一种来风速度提高发电量，因此本发明应是在以上提高基础上再提高，根据双风轮功率合成理论；

公式中N是合成功率，N₁是前风轮功率，也是现有技术单风轮风力发电机的功率，N₂是后风轮的功率，E是来风的动能，C_P是风能利用系数。功率增大比例系数应是N用N₁去除得K₂：

当风能利用系数C_P=0.4时，K₂=1.6，因是同一机组时间相同，所以上式也是做功的比例，因此 本发明的做功能力增大系数K₃应是K₁乘以K₂：

论单台机组发电能力，本发明一台机组相当于五台现有技术机组。以上论证是本发明的能力，而风力发电组的实际效果如何，要看该机组在风电场全年所做功的大小，因为在实际风场中，运作周期不一定是完整的，风场风速的出现多数是随机的，随机的速度V就是随机动能E，乘上风能利用系数C_P就是随机功率N。

该风速V在风场一年的总发电时间内出现多少次，占总次数比例是多少，这个比例数F的单位是时间，功率N乘上时间F就是机组作的功A；

比例系数F就是风电行业采用比恩法测得风频图的风频F=f（v），附图6是某风场的风频图，横座标V是风场一年内的随机出现的风速段，竖座标F是该风速出现的时间比例百分数，根据该图的参数可以算每个风速段作的功，各个风速段所作的功相加，就是某风力发电机组在该风场一年的功，也是一年的出力。对于本发明风力发电机的V是连续的，本发明风力发电机组在风场全年功A_tc，是按公式5逐段计算相加的和。而对于现有技术风力发电机，因为从风轮到发电机的传动是固定的，受发电机额定转速所限，高于额定风速的风能被放弃，其利用的风速动能是常数，因此额定风速前机组作的功是附图6额定风速前各风速段做功之和，而额定风速之后是固定的额定风速动能乘上附图6额定风速之后各段风频之和，所以其风场全年功A_tx由额定风速前功A_t1和额定风速后功A_t2组成，A_tx= A_t1+ A_t2，A_tc用A_tx相除，得到本发明风力发电机比现有技术风力发电机，在风场全年做功增大系数K₄：

根据风频图的数据可直接计算出风场全年功，设风频图中来风速度以平均风速V_m等于风力发电的额定风速V_b，并以额定风速V_b为基准，令其等于1，切出风速V_c=2，风力发电机组在风场各风速段所作的功为A_d：

公式中F_d是来风速后段的风频，V_d是该风速段的来风速度，C_P 是风能利用系数，ρ是来风的密度，S是风轮的迎风面积。C_P 、ρ和S都是常数，令：

风力发电机在风场全年做功是各风速段功的总和：

风场全年功计算表

V d	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0
											F d	0.8	6	17	22	18.6	12.9	8	6	4.4	1.8
V d 3	0.008	0.064	0.216	0.512	1	1.728	2.744	4.096	5.382	8
											F d V d 3	0.0064	0.384	3.672	1.264	18.6	22.29	21.952	24.576	25.66	14.4

本发明风场全年功是所有风速段功A_d之和：

现有技术风力发电机由额定风速前的工作风速是变的，所作的功也是变的，是0到1的风速段的，从风速0到1 是A_t1，从1到2是A_t2：

论风场全年出力，本发明比现有技术提高系数是A_c用A_x相除：

根据附图6参数计算结果K₄=2.1252，考虑到还有双风轮技术，是同一风速的做功增大参数，在风场中也起相同作用，并且当风能利用系数C_P =0.4时其做功增大系数K₂=1.6，所以本发明的风场全年功增大系数K₅=K₂K₄，

通过本实施例显示本发明随风变速双风轮风力发电机，与现有技术风力发电机相比，单机发电能力增大糸数是5.12，一台顶五台，凸显风力发电机成本大幅下降，机组在风场全年做功增大系数是3.4，一处风电场顶上三个，凸显风电资源大幅提高。

Claims (3)

1.一种随风变速双风轮风力发电机，包括塔架，塔架上架设有机舱，机舱前后两端分别安装有前风轮和后风轮，机舱前后两端的风轮与机舱内的功率合成机构连接，其特征在于：还包括随风变速系统，功率合成机构与随风变速系统连接；所述随风变速系统包括风速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心；所述风速仪与控制中心连接，控制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心。

2.根据权利要求1所述的随风变速双风轮风力发电机，其特征在于：所述控制中心与变距机构连接，变距机构与风轮连接，风轮与随风变速器连接，风轮将转速信息反馈回控制中心。

3.根据权利要求1所述的随风变速双风轮风力发电机，其特征在于：所述应力传感器安装在风轮上，应力传感器与控制中心连接。