CN205663569U - 超大型风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超大型风力发电机组，包括基础，设于基础上的塔架，塔架采用空间桁架结构，机舱罩壳安装于塔架顶端的环型槽轨上，并设有偏航装置和偏航刹车，机舱罩壳内设有偏航装置，监控系统，以及依次连接的永磁双向电机，恒速恒频发电机，变速箱，传动主轴；传动主轴上设有风轮刹车装置和轴承，双掠面多叶片拉索式风轮的风轮轮毂伸入机舱罩壳内与轴承外侧刚性联结；机舱罩壳与风轮轮毂形成柔性封闭接触并可相对转动；风轮轮毂前端安装有整流罩，整流罩前端内设有风速风向传感器与监控系统无线连接。该超大型风力发电机组，大幅增加了单机功率，减少了风电场占地面积，降低了风机安装、运维成本，广泛适用于环境状况各异的海陆风电场。

Description

超大型风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及发电装置技术领域，特别是指一种超大型风力发电机组。

背景技术

风力发电，就是将流动空气的动能通过风轮转换为机械能，再驱动电机发电。风力发电是举世公认的绿色新能源技术，世界各国正在积极推广以应对全球气候变暖。中国风电发展规模领先全球，屡计装机容量已超过1亿千瓦。传统风电技术臻于成熟，从叶片设计制造、风机监控到发电系统，都体现了当今世界的先进技术水平。但是传统的风力发电机组，受叶片材料、制造工艺、设计理论与技术路线的束缚，无法大幅提高单台风机功率，难以高效良性地开发利用风电，这与目前全球亟需扩大绿色能源的趋势不相匹配。

单台风机功率偏小，存在许多弊端。首先，就风电本身而言，由于风能间歇波动大、能量密度低，加上发电单元众多，电力电子器件大量使用，会导致诸如低电压穿越、无功功率补偿、谐波成份增加、电能品质不高等一系列问题，严重影响了风电发展。其次，不利于风电的市场化运作。多数风电场均由大量的小功率风机组成，这种机群模式拼凑的所谓大规模风电，使得陆上风电场占地面积庞大，海上风电场导致航行不便，且安装运营维护成本大增。多数风电企业要靠政策倾斜、政府输血才能维持生存，就是典型案例。

考察全球风电机型，水平轴三叶片风机作为最佳方案，占据了正在运营的风电机组的绝大多数。出于竞争的需要，设计师们都想突破风机功率偏小的局限。丹麦维斯塔斯公司研发的V164-8.0型风电机组已于2014年通过测试，其单台风机功率达8000kw，叶片长度80m，风轮直径164m，风轮扫掠面积21124m2，这是目前世界最大的风电机组。业内人士预测，2020年之前，单机功率有可能超过10000kw。即便如此，按照主流设计理论和传统技术，短时间内大幅度提高单台风机功率的可能性不大。究其原因，风机功率的大小除了与风速直接相关，还与风轮扫掠面积正相关。而风速是外在不可控因素，欲提高风机功率，人为可控的方法就是增加风轮扫掠面积，而这正是问题的关键所在。就目前的材料与制造技术而言，如果不突破传统的设计理念与技术路线，根本做不到大幅增加风轮扫掠面积。

因此，有必要设计一种超大型风力发电机组，以解决上述技术问题。

实用新型内容

针对背景技术中存在的问题，本实用新型目的是提供一种超大型风力发电机组，大幅度增加风机的单机功率，减少风电场使用面积，降低风机安装、运维成本，以满足风电大规模高效开发的要求。不仅陆上风电场占地面积极小，海上风电场则更可大幅降低安装及运维成本。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种超大型风力发电机组，包括基础，设于基础上的塔架，塔架采用空间桁架结构，机舱罩壳安装于塔架的顶端，并设有偏航装置和偏航刹车，机舱罩壳内设有偏航装置，监控系统，以及依次连接的永磁双向电机，恒速恒频发电机，变速箱，和传动主轴和轴承，所述传动主轴上设有风轮刹车装置和轴承，双掠面多叶片拉索式风轮的风轮轮毂伸入机舱罩壳内与传动主轴轴承外侧刚性联结，机舱罩壳与风轮轮毂形成柔性封闭接触并可作相对转动，风轮轮毂前端安装设有整流罩，整流罩前端内设有风速风向传感器与监控系统无线联络连接。

在上述技术方案中，所述塔架的顶部设有环形槽式轨道，机舱罩壳通过环形槽式轨道与塔架连接。

在上述技术方案中，所述永磁双向电机，恒速恒频发电机，变速箱以及传动主轴通过联动轴器依次连接。

在上述技术方案中，所述风轮轮毂上的风轮设有前扫掠面与后扫掠面及连接前扫掠面和后扫掠面的翼型梁。

在上述技术方案中，所述风轮最外缘的翼型梁上设有气动减速装置。

在上述技术方案中，所述风轮的叶尖位置设有航空警示灯。

本实用新型超大型风力发电机组，通过采用双掠面多叶片拉索式风轮，大幅度增加风轮扫掠面积，塔架采用空间桁架结构，高度可以随风轮直径的增加大幅度提升。在发电机功率调控上采用多种模式，从叶尖气动调速、偏航调速，永磁电机调速，到发电机本身励磁调节，可以确保发电机处于恒速恒频工作状态。这种超大型风力发电机组，大幅度增加单机功率，大大减少了风电场使用面积，降低了风机安装、运维成本，广泛适用于环境状况各异的海上与陆上风电场。不仅陆上风电场占地面积极小，海上风电场则更可大幅降低安装及运维成本。

附图说明

图1为本实用新型超大型风力发电机组结构示意图；

图2为图1中环形槽式轨道结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型所述的一种超大型风力发电机组,发电功率达100Mw，包括基础1，设于基础1上的塔架2，机舱罩壳8安装于塔架2的顶端，并设有偏航装置4和偏航刹车5，机舱罩壳8内设有监控系统6，以及通过联动轴器9,11,13依次连接的永磁双向电机7，恒速恒频发电机10，变速箱12和传动主轴15。

所述基础1，占地面积50m×50m，分为承台与基桩两部分。基桩由密布钢管桩群组成，每根钢管桩打入地基作业坑表面以下50m，桩端伸入承台内部3m，承台高10m，由钢筋混凝土浇筑，承台面积即为基础占地面积，塔架2与基础连接件预埋在承台中心部位。基础1、塔架2、机舱罩壳8、风轮20的自身重力，以及群桩与土壤摩擦阻力，诸力与力矩联合作用，确保在极端风速50－70m/s情况下，塔架2不会发生倾倒事故。

塔架2采用空间桁架结构，所述塔架2的顶部设有环形槽式轨道3，机舱罩壳8通过环形槽式轨道3与塔架2连接。根据确定的风轮20直径，设定塔架2高度325m，风轮20最高点625m,最低点25m。塔架2由13节高度25m的立体桁架组成，每节有直径1600mm的中心立柱1根、周侧立柱6根，直径600mm横梁12根、斜拉杆12根。立柱均匀分布在半径为15m的圆内接正六边形顶点和圆心处。塔架2的柱、梁、斜拉杆由Q345钢管制成，壁厚20mm，钢管内外均有增强及防腐结构。塔架每吊装完一节，以C50高强混凝土浇实钢管，形成具有高强抗拉抗压性能的钢管混凝土结构。

其中，监控系统6较为复杂，各类传感器、执行机构等分布在机舱、风轮、塔架、基础等部件的内外侧，形成全方位的监控网络，监控数据以有线或无线方式传输至地面监控站。永磁双向电机7作为发电机的外置调速调功机构，风轮输出力矩超过发电机所需时，则向蓄电池组充电，反之则由蓄电池组供电驱动双向电机向发电机输出力矩，以维持发电机输出功率恒定。如果风轮长时间出力不足，则启动励磁系统调节输出功率。恒速恒频发电机10为100MW，励磁方式为自激励磁，能够在±10％范围内调节输出电功，经升压变压器升压至电网电压后，直接向电网输电。变速箱12变速比1：120，采用行星大直径圆柱直齿轮变速方式，使结构紧凑高效，易于维护。传动主轴15主轴长25m，直径1.6m,壁厚100mm，材料为高性能结构钢，与之配合的轴承限制主轴的径向与轴向位移，游隙1mm。

所述传动主轴15上设有风轮刹车装置14和轴承16，风轮刹车装置14，风轮转矩高达30000吨·米，按所需制动力矩设置多台刹车装置，监控程序设置为在启动制动刹车前，先启动叶尖气动减速、偏航顺风程序，以最大限度减小制动力矩。双掠面多叶片拉索式风轮20的风轮轮毂17伸入机舱罩壳8内与轴承16外侧刚性联结。机舱罩壳8与风轮轮毂17形成柔性封闭接触并可作相对转动，风轮轮毂17安装设有整流罩18，整流罩18前端内设有风速风向传感器19与监控系统6无线连接，长度约3m，风速风向传感器19的控制部件与微电源安装在整流罩18内，以无线传输方式与监控系统6联络。此风速风向传感器19位于迎风方向的最前沿和风轮中心，受扰程度最小，其风向可视作整个流场的来流方向，风速可视为垂直方向风速的平均值，因此是监控系统6特别是偏航与调功的主要参考依据。

所述风轮轮毂17上的双掠面多叶片拉索式风轮20设有前扫掠面22与后扫掠面21及连接前扫掠面22和后扫掠面21的翼型梁23。每个前扫掠面22与后扫掠面21呈放射状均匀分布12支长度为300m叶片，前后叶片两两对称。每支叶片分为10节，每节30m，节与节之间径向刚性连接，横向拉索连接，轴向以翼型梁与斜拉索连接；每节叶片的翼型、弦长、扭转角可以各不相同，需根据风电场风速等参数确定。与风轮轮毂17轴线平行的翼型梁23截面为零升力薄翼型，既是受力构件，也是轴向整流叶片。

所述双掠面多叶片拉索式风轮20最外缘的翼型梁23上设有气动减速装置24。当来流速度超过设定风速时，翼型梁上的副翼向外侧旋转一定角度，增大翼型梁23的迎风面积，使双掠面多叶片拉索式风轮20受气动阻力减速。所述双掠面多叶片拉索式风轮20的叶尖位置设有航空警示灯25，分布在叶尖位置，前后扫掠面各12只，每当航空警示灯25处于最高点时启动一次，闪烁时间为1秒。气动减速装置24和航空警示灯25的控制部件及电源设置在翼型梁23内部，与监控系统6以无线传输方式联络。

本实用新型超大型风力发电机组，通过采用双掠面多叶片拉索式风轮20，大幅度增加风轮扫掠面积，塔架2采用空间桁架结构，高度可以随风轮直径的增加大幅度提升。在发电机功率调控上采用多种模式，从叶尖气动调速、偏航调速，永磁电机调速，到发电机本身励磁调节，可以确保发电机处于恒速恒频工作状态。这种功率级别的风力发电机组，是目前世界最大风电机组的12.5倍，不仅大大减少了风电场使用面积，而且降低了风机安装、运维成本，广泛适用于环境状况不同的各类海陆风电场。不仅陆上风电场占地面积极小，海上风电场则更可大幅降低安装及运维成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超大型风力发电机组，其特征在于：包括基础，设于基础上的塔架，塔架采用空间桁架结构，机舱罩壳安装于塔架的顶端，并设有偏航装置和偏航刹车，机舱罩壳内设有偏航装置，监控系统，以及依次连接的永磁双向电机，恒速恒频发电机，变速箱，和传动主轴和轴承，所述传动主轴上设有风轮刹车装置和轴承，双掠面多叶片拉索式风轮的风轮轮毂伸入机舱罩壳内与传动主轴轴承外侧刚性联结，机舱罩壳与风轮轮毂形成柔性封闭接触并可作相对转动，风轮轮毂前端安装设有整流罩，整流罩前端内设有风速风向传感器与监控系统无线联络连接。

2.根据权利要求1所述的超大型风力发电机组，其特征在于：所述塔架的顶部设有环形槽式轨道，机舱罩壳通过环形槽式轨道与塔架连接。

3.根据权利要求1所述的超大型风力发电机组，其特征在于：所述永磁双向电机，恒速恒频发电机，变速箱以及传动主轴通过联动轴器依次连接。

4.根据权利要求1所述的超大型风力发电机组，其特征在于：所述风轮轮毂上的风轮设有前扫掠面与后扫掠面及连接前扫掠面和后扫掠面的翼型梁。

5.根据权利要求4所述的超大型风力发电机组，其特征在于：所述风轮最外缘的翼型梁上设有气动减速装置。

6.根据权利要求5所述的超大型风力发电机组，其特征在于：所述风轮的叶尖位置设有航空警示灯。