CN221002997U - 一种重力蓄能式风力发电塔架 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利公开了一种重力蓄能式风力发电塔架，包括风力发电机组、塔筒、塔架、地基承台、地坑、配重块、缆绳辊筒、钢丝绳、起重电机，塔架安放在地基承台上，塔筒安放在塔架上端，风力发电机组安装在塔筒上，本起重电机为发电电动机，发电电动机在带动配重块上升时消耗电能，发电电动机将消耗的电能转化为配重块的重力势能；配重块在重力的作用下下降时驱动发电电动机产生电能，从而实现电能的储存和释放。配重块被起升时，向塔架上端施加向下的拉力，使塔架重心下移，重心下移的塔架的结构频率会升高，塔顶侧向位移幅度会降低，有利于提高塔架的抗风能力，使风电机组在较高的风速下继续运行。

Description

一种重力蓄能式风力发电塔架

技术领域

本实用新型涉及风机塔架基础领域，具体的说是涉及一种重力蓄能式风力发电塔架。

背景技术

不同风切变条件下，风速变化随高度的变化情况，可以看出，在高切变条件下，随着高度的增加，风速的提升非常明显，也就是说，在风切变较大的地区，可以通过增加塔架高度，捕获更多的风能，从而更加有效地提高机组的发电量，提升机组的经济指标。然而根据刘贻雄等人的论文《大型风力机塔筒结构动力学与稳定性分析》的结论，塔筒高耸化时，屈曲是结构的主要破坏形式，屈曲强度会随壳直径与厚度的比的增加急剧下降，随壳高度与直径的比的增加稍许下降，塔筒最可能发生屈曲失稳的部位为底段，轴压载荷下屈曲失效主要有可能发生在最底端塔筒的顶部法兰连接处。

目前，我国风力发电机组塔架结构，当高度达到100米以上时，高度的增加导致了塔架整体刚度减小，因纯钢筒结构太柔，使塔顶侧向位移偏大，会存在叶轮碰撞塔筒的风险，会影响风机结构发电，例如塔筒底段半径为2.5m时，塔顶风机重500吨，塔筒顶部直径4.4米，塔筒高162.5米，塔筒采用的钢材的弹性模量为2.1x10¹¹pa，泊松比为0.3，钢材密度为7800kg/m³，塔顶受到三个方向的荷载分别为Fx=1000吨，Fy=1000吨，Fz=-1000吨时。使用有限元分析软件ABAQUS模拟计算可知塔筒整体结构顶部的侧向位移会达到5.01米，塔顶侧向位移过大，塔筒自有频率0.108Hz。这种超柔性塔架对风场的风频分布以及风力机控制要求较高，当风力机运行至共振区域附近时，需要控制系统快速穿越共振区域，而风速的随机性给风力机控制带来了很大挑战。

此外风力发电机组除受风、地震和波浪荷载外，风轮自身也处于运动状态中，在风力机运行过程中，湍流及阵风扰动、尾流、风切变、偏航回转，塔影效应等均会引发塔筒振动。当风力机塔架的自振频率与环境荷载或叶轮旋转的谐波频率相重合时，会产生共振，较大的振动将降低风力发电机组性能，导致停机而降低发电效率，为避免出现共振，在设计过程中，塔筒基频往往会远离叶轮旋转频率(1ƒ)、过桨频率(3ƒ)以及主要的环境荷载频率。传统刚性塔架的设计原则是，为避免出现共振，应按照国家标准GB/T19072-2011，保证塔在运行条件下的固有频率介于转子转频的10%和小于叶片通过频率10%的范围内。第三方面，增加塔筒高度(导致塔架刚度减小)，导致塔架的一阶固有频率下降后与机组风轮旋转一阶频率交叉，致使塔架出现共振现象。

因此，在风机塔架设计上，本领域的用户期望，塔筒增高来提高机组的发电量，但同时避免增加截面尺寸，降低减少成本，还要具有足够刚度，避免塔顶侧向偏移过大影响安全，且满足风机对塔筒整体结构的一阶固有频率介于风轮转速1阶频率和3阶频率之间的要求。设计宗旨上相互矛盾，给本领域技术人员提出巨大挑战。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能根据风力变化调整风机塔架结构频率，降低塔顶侧向位移幅度的塔架。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种重力蓄能式风力发电塔架，包括风力发电机组、塔筒、塔架、地基承台、地坑、配重块、缆绳辊筒、钢丝绳、起重电机，塔架安放在地基承台上，塔筒安放在塔架上端，风力发电机组安装在塔筒上，所述塔架下方居中设置有地坑，所述塔架上端居中设置多根被缆绳辊筒收放的钢丝绳，所述地坑内自上向下放置有n个配重块，所述配重块被构造的具有贯通上下端的中空通道，所述缆绳滚筒能被起重电机驱动旋转，所述钢丝绳的一端缠绕在缆绳滚筒表面，另一端与连接配重块的悬挂件连接，所述缆绳滚筒被可转动的固定在滚筒座上，且缆绳滚筒和起重电机的数量为n，所述钢丝绳的数量不小于n，所述起重电机设置为发电电动机；

所述风力发电机组通过变压及整流电路、电缆线、继电器开关组电连接发电电动机，所述风力发电机组和发电电动机通过集电线路与升压站相连；

所述控制装置信号连接继电器开关组和传感器，所述传感器包括测量风力发电机组振荡值的加速度计、应变仪，及测量风速的风速仪，所述控制装置比较传感器的输出电压与基准电压的大小，在输出电压大于基准电压时，使发电电动机得电自上到下逐一将地坑内的n个配重块提升到设定高度，而在输出电压小于基准电压时，使被提升到设定高度的配重块自下到上逐一下降到地坑内，使配重块的重力势能转换为电能。

有利地，本装置的作用之一：本装置的配重块具有中空通道，因此钢丝绳可从上向下逐个穿过钢丝绳起升下方的配重块，配重块被起升时，向塔架上端施加向下的拉力，使塔架重心下移，重心下移的塔架的结构频率会升高，塔顶侧向位移幅度会降低，有利于提高塔架的抗风能力，使风电机组在较高的风速下继续运行。

本装置的作用之二：本起重电机为发电电动机，发电电动机在带动配重块上升时消耗电能，发电电动机将消耗的电能转化为配重块的重力势能；配重块在重力的作用下下降时发电电动机产生电能，配重块的重力势能通过发电电动机转化为电能，从而实现电能的储存和释放。

本装置的作用之三：本装置具有多个配重块、传感器，传感器可根据不同风速对风力发电机组、塔架的影响，起升对应数量的配重块，获得足够的结构频率，和降低足够多的塔顶侧向位移。

本装置的作用之四：本装置塔架下方设置地坑，可以增加重力势能的转化距离，从而增加储能能力，风力发电机组常设置在西北地区，这些地方缺水，冬季温度低，通过配重块在必要时储存重力势能的方式，更易实现。

优选地，所述塔架上端居中设置多组定滑轮，所述钢丝绳的一端缠绕在缆绳滚筒表面，另一端绕过定滑轮后与连接配重块的悬挂件连接，所述钢丝绳和定滑轮的数量相同。

优选地，所述塔架上端的外周设有与钢丝绳数量相等的可转动的定滑轮，与塔架上端居中设置的定滑轮组成定滑轮组，所述钢丝绳的一端缠绕在缆绳滚筒表面，另一端绕过定滑轮组后与连接配重块的悬挂件连接，所述缆绳滚筒和起重电机被布置在地面。

有利地，以上构造有利于将故障高的起重电机设置在地面，便于维修。

优选地，所述配重块的外周均匀设置拉环，每个拉环通过缆绳与地坑内的收线滚筒缠绕连接。

优选地，所述地坑和塔架上端设置有成对的上滑轮和下滑轮组成滑轮组，所述缆绳环绕成对的上下滑轮一周且穿过所述拉环。

优选地，所述拉环被替换为导向轮，所述缆绳被替换为设置在塔架内的竖直的导轨，导向轮与导轨滚动连接。

有利地，以上构造有利于使配重块在升降时更加平稳，减小偏摆幅度。

优选地，所述配重块相向的一面设有弹性吸能结构。

有利地，以上构造有利于减小配重块靠近后的振动。

优选地，所述配重块具有空腔，空腔内填充沙、石、土、水中的任一种组合。

有利地，以上构造有利于解决沙漠中缺水，无法蓄水储存重力势能的问题。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果和优点有：本实用新型在现有的风机塔架的基础上，在塔架底部增加设置了配重块，该配重块通过钢丝绳绕过风机塔架顶端后连接缆绳滚筒，起升配重块时，一方面可以使塔架整体结构的重心降低，提高塔架频率即刚度，提高塔架结构抗倾覆能力和整体稳定性，二是将富余的风力能量进行蓄积储能，减少能量的损耗，三是本蓄能装置可以用于其他塔架类型，对塔架类型、使用条件限制少，应用范围广。

附图说明

图1为本实用新型中实施例1的结构示意图；

图2为未起升配重块时塔架的频率计算图；

图3为起升配重块时塔架的频率计算图；

图4为不同高度在不同风切变下的风速变化；

图5为坎贝尔图-柔塔频率示意图，风轮额定转速下的1阶频率称为1P，3阶频率为3P；

图6为实施例2的控制原理框图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本实用新型是如何实施的。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例的塔架包括顶部的风力发电机组100、风机塔筒1、塔架40、地基承台13，地坑50、配重块7、缆绳辊筒6、钢丝绳3、起重电机，塔架40为常规桁架，桁架40下端固定在地基承台13上。地基承台13下设若干桩基14，桩基14嵌入地下土壤层。为了提高塔筒1下方的桁架的稳定性，塔架40下方居中设置有地坑50，塔架40上端居中设置多根被缆绳辊筒6收放的钢丝绳3，地坑50内自上向下层层叠放有n个配重块7，钢丝绳的数量大于n。配重块7被构造的具有贯通上下端面的中空通道，缆绳滚筒6能被起重电机驱动旋转，每根钢丝绳3的一端缠绕在缆绳滚筒6表面，每根钢丝绳3的另一端与连接配重块7的悬挂件连接，悬挂件由吊环9、连杆8组成，吊环9与每根钢丝绳3的另一端连接，连杆8与设置在配重块7内周的多个均匀受力点连接，缆绳滚筒6被可转动的固定在滚筒座上，滚筒座可布置在塔架40上部，也可以布置在地面，布置在地面时，在塔架40上端设置多组定滑轮组，定滑轮组包括居中设置在塔架40上端的定滑轮2a和设置在塔架40上端的外周定滑轮2b，连接配重块7的钢丝绳3绕过定滑轮组后缠绕在缆绳滚筒6表面，配重块7的外周均匀设置导向轮，塔架40内环绕地坑50外周均匀设置多根竖直的导轨，每个导向轮与导轨滚动连接，这样在配重块7升降时导轨限定了配重块7的水平偏移幅度。上述配重块7相向的一面设有弹性吸能结构，如弹簧，可减少配重块7相互靠近后的振动，配重块7还具有空腔，空腔内填充沙、石、土、水中的任一组合，具体根据安装塔架40的区域的自然环境条件。

风力发电机组100通过变压及整流电路、电缆线、继电器开关组电连接发电电动机，风力发电机组100和发电电动机通过集电线路与升压站相连，塔架中还设有控制装置70，控制装置70信号连接继电器开关组90和传感器60，传感器60包括测量风力发电机组振荡值的加速度计、应变仪，及测量风速的风速仪，控制装置60比较传感器60的输出电压与基准电压的大小，在输出电压大于基准电压时，控制继电器开关组90使发电电动机得电，且使锁闭发电电动机的输出轴的鼓式刹车30打开，自上到下逐一将地坑内的n个配重块7提升到设定高度，然后使锁闭发电电动机输出轴的鼓式刹车30锁住发电电动机的输出轴，而在输出电压小于基准电压时，控制继电器开关组90使发电电动机停止驱动缆绳滚筒6，同时使锁闭发电电动机输出轴的鼓式刹车30打开，使被提升到设定高度的配重块7自下到上逐一下降到地坑50内，使配重块7的重力势能转换为电能。

见图2~图3，风机塔架的设计方案形式，塔架的具体设计参数为，下段基础15×15m，塔架高100米。塔架所用的柱状状钢管直径800mm，厚25mm，水平和斜支撑钢管直径100mm~250mm，厚15mm~20mm。荷载：Fx=1000吨，Fy=1000吨，Fz= -1000吨，风机重500吨。地坑深度20米，面积50平方，容积1000立方。多个配重从下至上叠放在地坑内，多个配重块未被提升时，塔架的频率为0.203，若将地坑中的配置块提升到塔架的某高度处，例如将50吨的配重块提升至80米，然后将100吨的配重块提升至60，然后将150吨的配重块提升至40米，最后将200吨的配重块提升至20米，则塔架的频率转变为0.215。塔架的频率提高后，相应可以承受更大的风机转速，在更大的风速下发电。上述各配重块提升的高度并不影响塔架的频率，只要配重块被提升就能改变塔架的频率，提升高度的多少只影响储存的重力势能的多少，但原则上多个配重块被提升一定高度后，配重块的总体重心应靠近塔架下部，因此地坑内的多个配重块，自下向上，其重量逐级减少，过重的配重块不宜提升的过高。为此在实践中为解决重心问题和蓄能问题，可将地坑挖深一些，这样配重块可被提升足够高度，又可使多个配重块的重心靠近塔架底部。这样就不用考虑本示例中需要将配重块提升到相对地面的高度了。

其中配重块内填装沙石，每立方米1.5吨，200吨的配重块相当于长6米，宽6米，高4米的实心矩形块，可以容纳在本实施例的地坑中，实际中要把该实心矩形块构造成具有贯通上下端面的中空通道。

运行时，当风力增大至大于风机塔筒抵抗风力能承受的值时，通过起重电机驱动缆绳滚筒逐级起升配重块，增加配重块对风机塔筒向下的拉力，使得塔架结构重心下移，使得风机塔筒结构的刚度增加至抵抗风力，同时通过配重块的升高降电能储存为重力势能；当风力减小至小于风机塔筒抵抗风力需要的刚度值时，通过逐级放下配重块，缆绳滚筒驱动发电电动机发电，将配重块的重力势能转化为电能。

本装置的配重块具有中空通道，因此钢丝绳可从上向下逐个穿过中空通道来起升下方的配重块，互不干扰。

本装置具有多个配重块、传感器，传感器可根据不同风速对风力发电机组、塔架的影响，起升对应数量的配重块，获得足够的结构频率，和降低足够多的塔顶侧向位移。

本装置塔架下方设置地坑，可以增加重力势能的转化距离，从而增加储能能力，风力发电机组常设置在西北地区，这些地方缺水，冬季温度低，通过配重块在必要时储存重力势能的方式，更易实现。

上述方案中，导向轮可替换为配重块的外周均匀设置拉环，导轨可替换为缆绳12，并在地坑50底部和塔架40上部设置成对的上滑轮10和下滑轮11组成滑轮组，缆绳12环绕成对的上下滑轮一周且穿过所述拉环，也可限定配重块7升降时的水平偏移幅度。

可选的，还可继续简化，在地坑50底部设置收线滚筒，用缠绕于收线滚筒表面的缆绳连接各配重块7外周的拉环。

上述方案中，定滑轮2a和定滑轮2b和钢丝绳3的数量相等且不小于n，缆绳滚筒和起重电机的数量为n，如地坑内最顶部配重块7被一根居中的第一钢丝绳悬吊，则位于其下方的配重块7被两根相对第一钢丝绳对称的第二钢丝绳悬吊，再下方的配重块7也可被相对第一钢丝绳对称的第三钢丝绳悬吊，…，最上方配重块的钢丝绳被起升其下各方配重块的多根钢丝绳环绕，每根钢丝绳对应一组定滑轮。图1中定滑轮2a居中设置在塔架中部，对应不同配重块的定滑轮2a上下隔开布置，定滑轮2b与定滑轮2a对应，可自上到下环绕塔架外周布置，且上下隔开。与定滑轮2a和定滑轮2b对应的缆绳滚筒6也可环绕塔架底部布置。

上述描述并非钢丝绳、定滑轮、缆绳滚筒的唯一布置方案。容易想到的，如地坑内最顶部配重块7被一根居中的第一钢丝绳悬吊，则位于其下方的配重块7被两根相对第一钢丝绳对称的左右两根第二钢丝绳悬吊，再下方的配重块7被左右两根第三钢丝绳悬吊，第二钢丝绳位于左右两根第三钢丝绳之间，…，最上方配重块的钢丝绳位于起升其下各方配重块的多根钢丝绳的相对侧之间，每根钢丝绳对应一组定滑轮。图1中定滑轮2a居中设置在塔架中部，对应不同配重块的定滑轮2a上下隔开布置，定滑轮2b与定滑轮2a对应，可自上到下布置在塔架外周的一侧，且上下隔开。与定滑轮2a和定滑轮2b对应的缆绳滚筒6也布置在塔架底部的一侧。

Claims (8)

1.一种重力蓄能式风力发电塔架，包括风力发电机组、塔筒、塔架、地基承台、地坑、配重块、缆绳辊筒、钢丝绳、起重电机、控制装置，塔架安放在地基承台上，塔筒安放在塔架上端，风力发电机组安装在塔筒上，其特征在于，所述塔架下方居中设置有地坑，所述塔架上端居中设置多根被缆绳辊筒收放的钢丝绳，所述地坑内自上向下放置有n个配重块，所述配重块被构造的具有贯通上下端的中空通道，所述缆绳辊筒能被起重电机驱动旋转，所述钢丝绳的一端缠绕在缆绳辊筒表面，另一端与连接配重块的悬挂件连接，所述缆绳辊筒被可转动的固定在滚筒座上，且缆绳辊筒和起重电机的数量为n，所述钢丝绳的数量不小于n，所述起重电机设置为发电电动机；

所述风力发电机组通过变压及整流电路、电缆线、继电器开关组电连接发电电动机，所述风力发电机组和发电电动机通过集电线路与升压站相连；

所述控制装置信号连接继电器开关组和传感器，所述传感器包括测量风力发电机组振荡值的加速度计、应变仪，及测量风速的风速仪，所述控制装置比较传感器的输出电压与基准电压的大小，在输出电压大于基准电压时，使发电电动机得电自上到下逐一将地坑内的n个配重块提升到设定高度，而在输出电压小于基准电压时，使被提升到设定高度的配重块自下到上逐一下降到地坑内，使配重块的重力势能转换为电能。

2.根据权利要求1所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述塔架上端居中设置多组定滑轮，所述钢丝绳的一端缠绕在缆绳辊筒表面，另一端绕过定滑轮后与连接配重块的悬挂件连接，所述钢丝绳和定滑轮的数量相同。

3.根据权利要求2所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述塔架上端的外周设有与钢丝绳数量相等的可转动的定滑轮，与塔架上端居中设置的定滑轮组成定滑轮组，所述钢丝绳的一端缠绕在缆绳辊筒表面，另一端绕过定滑轮组后与连接配重块的悬挂件连接，所述缆绳辊筒和起重电机被布置在地面。

4.根据权利要求1~3任一项所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述配重块的外周均匀设置拉环，每个拉环通过缆绳与地坑内的收线滚筒缠绕连接。

5.根据权利要求4所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述地坑和塔架上端设置有成对的上滑轮和下滑轮组成滑轮组，所述缆绳环绕成对的上下滑轮一周且穿过所述拉环。

6.根据权利要求4所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述拉环被替换为导向轮，所述缆绳被替换为设置在塔架内的竖直的导轨，导向轮与导轨滚动连接。

7.根据权利要求4~6任一项所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述配重块相向的一面设有弹性吸能结构。

8.根据权利要求7所述的重力蓄能式风力发电塔架，其特征在于，所述配重块具有空腔，空腔内填充沙、石、土、水中的任一种。