CN101994652B - 圆通水平轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

圆通水平轴风力发电机组，主轴的前、后端分别与轮毂和齿轮箱固定连接，齿轮箱的输出轴经机械刹车装置和联轴器与空气压缩机连接，空气压缩机的压缩空气出口通过输气管与塔架底端的前储气罐的进气口连接，其出气口先后经过滤器、冷却器、油水分离器与后储气罐入口连接，后储气罐出口与气动马达的输入口连接，气动马达的输出轴与增速器连接，增速器的输出轴连接发电机，发电机的输出直接并入电网。本发明造价低，省去了价格较高的变频器，同时发电频率稳定，可直接入网，有很大的经济效益和市场前景，便于市场的推广。

Description

圆通水平轴风力发电机组

技术领域

本发明涉及的是风力发电机，具体的是与市场上的风力发电机有所不同，一是改变了现有风力发电设备的结构，降低了设备成本；二是该设备发电稳定，可直接并入国家电网。采用空气压缩机带动马达，马达连接发电机进行发电的圆通水平轴风力发电机组。

背景技术

能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果，资源日益枯竭，环境不断恶化。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源***。目前，世界各国都在重点开发风能，开发的重点是利用风力发电机将风能转换成电能。用风力发电，可减少常规能源的消耗，对保护环境和生态平衡，改善能源结构具有重要意义。同时，风能是最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一，使用清洁，成本较低，取用不尽。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等优势。所以风力发电机的市场有很大的经济效益。

虽然风力发电技术的发展相对比较成熟，但是其中也存在着很多的问题，如：价格较高，大中型风力发电机普遍价格较高，回收期长，一台100kw的风力发电机价格可达到130万左右，回收期一般在15年。发出的电流不稳定，电源频率需要变频，一般先整流再逆变成50HZ交流。在采用失速型风机时，对电网冲击太大。现在采用变桨风机，对电网的冲击减少，仍有一定的冲击。风电的波形不是标准的正弦函数波形，这对电网的承受能力是一个考验。

针对以上所提到的问题，目前风力发电行业还没有一种很好的实施方法。

发明内容

本发明的目的是针对目前国内外市场上风力发电机价格普遍较高，并网技术路线复杂，投资较大的问题而提供一种新型的电流稳定、投资较小的圆通水平轴风力发电机组。

为实现上述目的，采取的技术方案是：

圆通水平轴风力发电机组，包括机舱、风轮机构、转动机构和控制机构；所述机舱的下面设置有塔架，机舱与塔架通过回转轴承转动连接；所述风轮机构包括三个风轮叶片和轮毂，三个风轮叶片相互成120°，三个风轮叶片的一端经变桨距装置与轮毂转动连接，风轮机构装设在机舱的前部：其结构特点是：

所述转动机构包括主轴、齿轮箱、增速器、至少一个空压机、气动马达、发电机；轮毂与主轴的前端固定连接，主轴的后端与齿轮箱的输入轴固定连接，主轴通过轴承体固定在机舱上；齿轮箱的输出轴与机械刹车装置相连接，机械刹车装置的后面与联轴器的一端相连接，联轴器的另一端与至少一个空气压缩机的转动轴固定连接，空气压缩机的压缩空气出口通过输气管与地面设置的前储气罐的进气口固定连接，输气管置于塔架的内部，前储气罐的出气口通过管道与后储气罐的入口连接，后储气罐出口与气动马达的输入口通过无缝钢管固定连接，气动马达的输出轴与增速器的输入轴固定连接，增速器的输出轴固定连接发电机的输入轴，发电机的输出端通过导线直接并入电网。

所述调速机构由齿轮箱和变速器组成，齿轮箱和变速器均为市售成品部件，齿轮箱的增速比为1∶20。主轴直接与齿轮箱相连，齿轮箱用强力橡皮垫固定在机舱，增速器安装在气动马达与发电机之间。

所述控制机构，包括舱内控制部分与地面控制部分；舱内控制部分包括风速仪与风向仪、变桨距装置、偏航装置和机械刹车装置；机舱的顶部设有风速仪与风向仪，风速仪与风向仪的输出端通过导线与辅助计算机的输入端口相连接，辅助计算机的输出端口分别对应与偏航装置、变桨距装置和机械刹车装置的控制端口相连接，辅助计算机位于机舱内后部的上面；根据当时的风力和风向情况把信息传输给辅助计算机(如图2)，辅助计算机将信号汇集处理，对偏航装置、变桨距装置和机械刹车装置进行控制。辅助计算机的通信接口通过光纤与地面控制部分的主计算机的通信接口相连接；

上述地面控制部分包括主计算机、前储气罐和后储气罐；主计算机在地面控制室的开关柜内，监控整个机组所有的运行状态。

装设在前储气罐的前压力传感器的输出端和单向阀、前安全阀、安全开关及装设在后储气罐的安全阀和截止阀的控制端口通过导线与主计算机对应端口相连接，主计算机和辅助计算机间通过光纤达到可靠快速地交换信息。

上述偏航装置为市售成品部件，偏航装置装设在机舱内的后面的上部。机舱后部的上面设有风速仪与风向仪，用以检测风向和风速，通过导线风向标的输出端与辅助计算机的输入端相连接。

上述变桨距装置和机械刹车装置均为市售成品部件。

上述塔架底部设有下法兰盘，由下法兰盘与地基基础中预埋的螺栓固定连接，地基基础为浇注的钢筋混凝土独立基础。塔架顶部设有上法兰盘，上法兰盘与偏航轴承转动连接。

上述单向阀装设在输气管与前储气罐的连接处。

上述前、后两个储气罐之间的管道上分别设有过滤器、冷却器、油水分离器。

本发明的工作原理：

风力发电机一般用在指定的风场中工作，风场中的风能丰富，且风向稳定。连在轮毂上的风轮叶片具有空气动力外形，在风力的作用下产生旋转，同时带动轮毂旋转。轮毂通过法兰连接与主轴相连，主轴跟着转动，通过齿轮箱进行增速。把转速提高到设定的转速。为了减小齿轮箱的振动，齿轮箱安装在强力橡皮垫并固定在机舱底板上，高强度橡皮垫起到降噪和阻尼峰值负荷冲击的作用，在极端负荷情况下可使齿轮箱和轴承免遭损坏。整个齿轮箱的传动比为1∶20。在齿轮箱增速后，输出轴的转速可达到1500r/min。输出轴用轴承固定，连接在机舱底板上，连接机械刹车装置，机械刹车装置往往与变桨距装置配合使用，先调节浆距，降低风轮转速，再进行机械刹车，这样可以减少制动载荷，减少对齿轮箱的冲击。

随着风轮叶片的转动，空气压缩机将产生的压缩空气通过输气管传递到地面上的前储气罐中。随后进行冷凝，冷凝后的空气作为动力源带动气动马达转动。气动马达带动发电机转动，进行发电。输出的电流频率稳定，可直接并入国家电网。

本发明成本较低，发电效率稳定，便于推广应用。

本发明的特点：

1、经济效益巨大：整个发电机组造价较低，现今市场上的100kw风力发电机以永磁发电机组为多。永磁风力发电机采用永磁材料，成本很高，一台离网100kw的永磁风力发电机组售价可达到130万元左右。采用本发明的设计可不用永磁发电机，由齿轮箱、空气压缩机、气动马达、发电机等部分代替，这样就大大的节约了成本，有很大的经济效益和市场前景，便于市场的推广。对于中国的市场其作用尤为突出。

2、社会效益巨大：有利于地方经济建设，增加地方税收，增加当地人员就业。使用空气压缩机，气动马达等设施，这些设备可实现全部国产化，给国内的中小企业提供了市场。有利于拉动内需，促进国内经济发展。

3、入网电流稳定：由于本发明采用压缩空气带动气动马达连接发电机进行发电，使其发电频率稳定，可直接入网发电。后储气罐中的压缩空气量稳定，这就使得发电的稳定性和连续性有了一定的保障。同时前储气罐的可储存一定量的空气，可连续供给，这样就不会造成电的浪费。

4、提高整套设备的安全性，以往的风力发电机都是将发电机发出的电流通过导线传输下来，导线长时间在恶劣的环境中很容易造成材料的腐蚀，发生漏电的现象。而本发明通过输气管将空气压缩机产生的压缩空气传输下来，提高了整套设备的安全性。

5、本发明采用压缩空气带动气动马达进行发电，压缩空气供量稳定就使得发电机转数稳定，电流稳定，目前国内尚没有此项技术应用在风力发电机中。

本发明设计科学、合理、富有创意，利用空气压缩机和气动马达带动发电机，替换了市场上通用的风力发电机***，有效的解决了风力发电机成本高，电流不稳定的特点。装设有相关的安全调整装置，适宜各种风向，稳定可靠，实用性强，具有较好的发展前景。本发明适用于电力部门使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的机械刹车装置、偏航装置和变桨距装置控制框图。

图3是本发明的安全阀、安全开关和截止阀控制框图。

具体实施方式

圆通水平轴风力发电机组，包括机舱、风轮机构、转动机构和控制机构。

所述风轮机构包括三个风轮叶片1和轮毂31；风轮叶片1通过变浆距装置2与轮毂31相连，风轮叶片1在风力作用下经变桨距装置2的作用可绕着轮毂31做圆周转动，以找到最佳的攻角。同时在暴风状态下，变桨距装置2进行变浆，使风轮叶片1垂直对风，迎风面积达到最小。轮毂31的转动传递给下级转动机构。

转动机构包括主轴3、齿轮箱5、空气压缩机10、气动马达25、发电机28。主轴3通过轴承体4固定在机舱上，轮毂31与主轴3固定连接，从而将轮毂31转动的力矩传递给下级齿轮箱5，齿轮箱5用强力橡皮垫35固定在机舱32底板上。齿轮箱5为市售成品部件，传动比为1∶20。通过齿轮箱5增速后的具有高速的输出轴连接机械刹车装置6，在刚性机械刹车装置6的后面连接联轴器7。联轴器7后端的连接两组结构相同的皮带轮组。

所述皮带轮组包括皮带大轮36和皮带小轮37；皮带大轮36和皮带小轮37通过皮带相连接，皮带大轮36与皮带小轮37为增速机构，即皮带大轮36与联轴器7后端连接，皮带小轮37与空气压缩机10出轴连接。

本实施例的空气压缩机10是由两个活塞式空气压缩机并机组成，固定在机舱32底板上，两组结构相同的皮带轮组分别带动两台空气压缩机10。两个相同的输气管13将两个并机组成的空气压缩机10产生的压缩空气分别传输到地面上的前储气罐18中，为避免造成材料腐蚀，输气管13置于塔架的内部。在两个输气管13与前储气罐18的连接处分别设置有两个相同的单向阀14，调节压缩空气的单向传输。在前储气罐18上同时设有前安全阀15、前压力传感器16、安全开关17等，用于控制前储气罐18内压缩空气的储量。前储气罐18通过管道与后储气罐23相连接，在前、后两个储气罐18和23之间设有过滤器19、冷却器20和油水分离器21。冷却器20对储气压力罐18内的压缩空气进行冷却后，又直接进入油水分离器21中进行油水分离，以得到高质量的压缩空气。后储气罐23同样设有后安全阀22和截止阀24。

高质量的压缩空气由后储气罐23通过无缝钢管连接气动马达25的进气口，提供动力，气动马达25的输出轴连接增速器27增速。增速器27的输出轴连接发电机28的转子进行发电。由于前储气罐18中的气量稳定，所以发电机28输出的电流频率稳定，可以直接并入电网29。

所述控制机构包括舱内控制部分与地面控制部分；舱内控制部分包括风速仪与风向仪8、变桨距装置2、偏航装置11和机械刹车装置6；整个机舱32坐落在塔架30的顶部，机舱32与塔架30通过回转轴承12转动连接；机舱32的顶部设有风速仪与风向仪8，风速仪与风向仪8的输出端分别通过导线与辅助计算机9的输入端相连接，辅助计算机9的输出端通过导线分别与偏航装置11、变桨距装置2和机械刹车装置6的控制端连接。根据当时的风力和风向情况把信息传输给机舱32内后部上面的辅助计算机9(如图2)，辅助计算机9将信号汇集处理，对偏航装置11、变桨距装置2和机械刹车装置6进行控制。辅助计算机9的通讯接口通过光纤与地面控制部分的主计算机的通讯接口相连接；从主计算机可读取风轮叶片的所有运行数据。运行中一旦出现问题，主计算机会自动报告事件，主计算机中的数据也进行备份保存，以便查看发生了什么样的错误。

上述地面控制部分包括前储气罐18的单向阀14、前安全阀15、前压力传感器16、安全开关17、后储气罐23、安全阀22和截止阀24；装设在前储气罐18的单向阀14、前安全阀15、前压力传感器16、安全开关17及装设在后储气罐23的安全阀22和截止阀24的输入、输出端口通过导线与主计算机26输入接口相连接，信息由主计算机26汇集和处理，主计算机26监控整机所有的运行状态，主计算机26在地面控制室的开关柜内。主计算机26和辅助计算机9间通过光纤达到可靠快速地交换信息。风力发电机完全实现远程监控，从主计算机26可读取所有风轮数据。

空气压缩机10通过输气管13持续给前储气罐18供气，罐内的压力可在前压力传感器16上显示，当压力达到设定值时，需要释放一些气体，这时控制器就把信号传输给截止阀24，进行放气减压。后储气罐23的工作状况与前储气罐18基本相同。所不同的是，后储气罐23带动气动马达25转动，当后储气罐23罐内的压力高于设定值时会通过主计算机26将控制信号传输给截止阀24，截止阀24打开，泄掉一部分气体，保证后储气罐23内的空气压力。当达到一定的压力后，后储气罐23的压力传感器又会把信号传递给主计算机26，主计算机26发出信号给截止阀24，截止阀24关闭。

上述塔架30采用筒形塔架，材料为Q235。塔架30的底部连地基基础34，由下法兰盘与地基中的螺栓相连。塔架30的顶部由上法兰盘33连接到偏航轴承12，以承载机舱32与风轮叶片1和轮毂31的重量。塔架的主要功能是支撑风力发电的机械部件，承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力(弯矩、推力及对塔架的扭力)，塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。

基础34为浇注钢筋混凝土独立基础，根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础载荷、尺寸大小其结构形式采用公知块状“凹”形结构。

Claims (3)

1.圆通水平轴风力发电机组，包括机舱(32)、风轮机构、转动机构和控制机构；所述机舱(32)的下面设置有塔架(30)，机舱(32)与塔架(30)通过回转轴承转动连接；所述风轮机构包括三个风轮叶片(1)和轮毂(31)，三个风轮叶片(1)相互成120°，三个风轮叶片(1)的一端经变桨距装置(2)与轮毂(31)转动连接，风轮机构装设在机舱(32)的前部；其特征在于：

所述转动机构包括主轴(3)、齿轮箱(5)、至少一个空气压缩机(10)、气动马达(25)、发电机(28)；主轴(3)通过轴承体(4)固定在机舱(32)上，主轴的前、后两端分别与轮毂(31)和齿轮箱(5)的输入轴固定连接；齿轮箱(5)的输出轴与机械刹车装置(6)相连接，机械刹车装置(6)的后面与联轴器(7)的一端相连接；联轴器(7)的另一端与至少一个空气压缩机(10)转动轴固定连接；空气压缩机(10)的压缩空气出口通过输气管(13)与地面上设置的前储气罐(18)的进气口固定连接，输气管(13)置于塔架的内部；前储气罐(18)的出气口通过管道与后储气罐(23)相连接，后储气罐(23)的出气口通过无缝钢管与气动马达(25)的输入口相连接，气动马达(25)的输出轴与增速器(27)的输入轴固定连接，增速器(27)的输出轴连接发电机(28)的输入轴，发电机(28)的输出端通过导线直接并入电网(29)；

所述控制机构包括舱内控制部分与地面控制部分；舱内控制部分，包括风速仪与风向仪(8)、变桨距装置(2)、偏航装置(11)和机械刹车装置(6)；机舱(32)的顶部设有风速仪与风向仪(8)，通过导线风速仪与风向仪(8)与辅助计算机(9)相连接，偏航装置(11)、变桨距装置(2)和机械刹车装置(6)的控制端与辅助计算机(9)的输出接口对应连接；辅助计算机(9)的通讯接口通过光纤与地面控制部分的主计算机(26)的通讯接口相连接；

上述地面控制部分，包括前储气罐(18)、后储气罐(23)和主计算机(26)；装设在前储气罐(18)的前压力传感器(16)的输出端和单向阀(14)、前安全阀(15)、安全开关(17)及装设在后储气罐(23)的安全阀(22)和截止阀(24)的控制端口通过导线与主计算机(26)对应端口相连接。

2.根据权利要求1所述的圆通水平轴风力发电机组，其特征在于：上述单向阀(14)装设在输气管(13)与前储气罐(18)的连接处。

3.根据权利要求1所述的圆通水平轴风力发电机组，其特征在于：上述前储气罐(18)和后储气罐(23)之间的管道上分别设有过滤器(19)、后冷却器(20)和油水分离器(21)。

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