CN100458145C - 具有变径变实度功能的风力发电机 - 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。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，并同时改变实度的水平轴风轮；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；在强风、过转速、过振、蓄电池充满时，都能自动顺桨停机保护的装置；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

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。但要想更多的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。

对于现有技术的风力发电机来说，存在着下面的一些不足和问题：

1、风能捕获能力弱并且实用性差：

众所周知，自然风在一年四季中，每个季节的风速相差都非常大，而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，因而其在弱风中获得不到可供利用的风能，所以不实用。如果额定风速定的较低，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或液压机构，不但结构复杂故障率高，而且执行其机构还要消耗风力发电机的自身功率。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、对风力发电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，重者甚至损坏风力发电机***，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不能及时有效地保护***。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，造成了风力发电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伏交流电向负载供电，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，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，并同时改变实度的水平轴风轮；利用发电机阻转矩自动变桨控制转速的机构；在强风、过转速、过振、蓄电池充满时，都能自动顺桨停机保护的装置；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，每组由两个或三个桨叶组成，其中有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，并且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、叶片位置传感器、电磁元件组成，由风速传感器得到的过高或过低的风速信号，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。

执行变径变实度的过高或过低的风速信号，也可以在本***上设接受器，由当地气象台或气象站通过无线电通讯网络，发送来的风速预报信号，经微处理机识别后，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，由两个或三个桨叶组成，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。由转速控制电路完成自动变桨调速，转速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，来改变转速控制输出功率，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，利用风轮的惯性，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，释放顺桨制动器和棘轮装置使风力发电机恢复运转，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，就证明风力发电机***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是：

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，以及供电方案的优点是：

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或电动伺服机构，降低了其故障率，因而适用于小功率到大功率的风力发电机。

3、安全性好并且使用寿命长：

本发明设有在强风、过转速、过振、蓄电池充满时，都能自动顺桨停机保护的装置，当发生强风(25米/秒以上风速)，发电机故障产生飞车和由于叶片结冰，或其它原因造成平衡失称，而产生的过振动等，对风力发电机***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发电机***，又由于蓄电池充满后，风力发电机停止了运转，没有了不必要的机械磨损，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，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，且输电电压高线损小，增加了输电距离，本供电方案降低了风电的使用成本，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)，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，与其两边通过轴承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安装在轮毂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，如果是采用上风向的就要安装在顺风侧，但需要在扇形锥齿轮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，由叶片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，来改变转速控制输出功率。

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释放恢复运转。为了保证***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室内线路。

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，其余的部分与改变直径同时改变实度的水平轴风轮相同。

Claims (7)

1、一种具有变径变实度功能的风力发电机，包括：水平轴风轮、调速机构、停机保护装置，其特征是：所述的水平轴风轮，是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，并且同时改变实度的水平轴风轮；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，是在强风、过转速、过振、蓄电池充满时，都能自动顺桨停机保护的装置。

2、根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：水平轴风轮是可变直径的，并且可同时改变实度的，有两组桨叶，每组由两个桨叶或三个桨叶组成，其中有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，其副桨叶是水平轴风轮的初始直径，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，主桨叶的叶柄是扁形的筒，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水平轴风轮直径和实度的。

3、根据权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：水平轴风轮的变径控制电路，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过高或过低的风速信号，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和度改变实。

4、根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：调速机构是利用发电机阻转矩自动变桨控制转速的机构，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，变浆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，由转速控制电路完成自动变桨调速。

5、根据权利要求4所述的风力发电，其特征在于：调速机构的转速控制电路，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米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，来改变转速控制输出功率。

6、根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：停机保护装置，是在强风、过转速、过振、蓄电池充满时，都能自动顺桨停机保护的装置，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。

7、根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于：停机保护装置的制动控制电路，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、转速传感器、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，执行伺服电动机同时驱动顺桨制动器和棘轮机构，制动变桨同步盘，利用风轮的惯性，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，在到安全风速时和蓄电池续充时，微处理机执行其恢复运转，在微处理机执行过转速信号和过振信号停机后报警，不再执行其恢复运转。

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