多維度風能混合軸發電系統的製作方法

2023-10-18 02:00:04 1

本發明涉及一種多維度風能混合軸發電系統，尤其是一種應用於大中型的風力發電系統，採用機艙俯仰和偏航多維度捕獲風能，提高風能利用率。

背景技術：

風力發電作為一種清潔、發展前景廣闊的可再生能源，一直是世界各國的能源發展戰略。提升風能捕獲效率是風電領域科研工作者的研究熱點，風力發電機組的偏航系統是基於風向變化實現機艙偏航對風的重要環節，是水平軸風力發電機組必不可少的組成部分，可有效提升風電機組可靠性、使用壽命和發電效率。但傳統大中型風力發電機組發電機機組內置機艙內部，存在機艙重量大，偏航功耗大等問題，同時較大的迴轉力矩迫使偏航旋轉機構複雜，齒輪傳動多級完成，存在偏航齒輪齒間隙大問題，導致偏航對風精度不高；同時機艙重量等問題，也使得大中型風電機組對風僅考慮偏航對風，而無機艙俯仰，因此嚴重製約了風能捕獲效率的提升；小型風力發電則普遍採用被動偏航以及機艙俯仰完成風能捕獲，但機艙俯仰僅依靠風機自身傾覆力矩被動完成，俯仰調整速度慢，且存在對風精度差以及機艙穩定性問題。

技術實現要素：

本發明的技術任務是針對上述技術中存在的不足，提供一種多維度風能混合軸發電系統。

本發明解決上述技術問題採用的技術方案為：多維度風能混合軸發電系統包括風力槳葉、垂直軸轉矩轉換、弧線俯仰電機、偏航機械結構、對風保持裝置、發電機以及變流器。機艙在弧線俯仰電機、偏航機械結構以及對風保持裝置共同作用下完成多維度風能捕獲；風能捕獲多維度轉矩經垂直軸轉矩轉換和偏航機械結構協同作用下，將風能傳遞給發電機發電，並經變流器為負載供電；當機艙俯仰對風時，弧線俯仰電機的俯仰定子上電，與永磁體轉子產生俯仰力矩與垂直力，實現機艙俯仰對風，同時平抑風機槳葉產生的推力；偏航對風時，偏航機械結構和對風保持裝置協同將垂直軸轉矩分解，分別經齒圈驅動機艙偏航以及行星架驅動發電機發電。機艙對風完成後偏航保持裝置維持機艙迎風狀態，實現機艙無功耗持續對風。

所述垂直軸轉矩轉換將多維風機轉矩高效轉化為垂直軸轉矩，包括風能捕獲軸、俯仰轉換軸、俯仰支撐軸、垂直轉換軸以及垂直軸，風能捕獲軸和風力槳葉同軸聯接，並將捕獲風能經俯仰轉換軸以及斜齒輪組，轉換為俯仰支撐軸的垂直性轉矩，再經垂直轉換軸和斜齒輪組轉化為垂直軸轉矩；俯仰支撐軸、俯仰轉換軸以及垂直轉換軸共同構建機艙俯仰運動空間，消除機艙偏航和俯仰對轉矩轉換的影響，實現多維風機轉矩至垂直軸轉矩的嚴格轉換。

所述弧線俯仰電機包括俯仰轉子、俯仰定子以及定子支撐三部分，定轉子呈弧線型，確保機艙俯仰運動時定轉子氣隙恆定，俯仰轉子固定在機艙後側，為弧線永磁體；俯仰定子為7個串聯直流繞組，固定在定子支撐上，定子支撐與機艙U型支撐剛性連接，其供電線路經機艙U型支撐、垂直軸中心和太陽輪中心，與變流器直流側相連，根據風速、風向以及機艙俯仰角度，控制定子繞組通電電流，產生俯仰力矩與垂直力，實現機艙俯仰和風機推力的平抑。

所述偏航機械結構包括太陽輪、行星架和齒圈，其中行星架和垂直軸剛性連接，將垂直軸轉矩輸入至偏航機械結構，齒圈與機艙U型支撐剛性連接，太陽輪與發電機相連；齒圈與偏航保持裝置相連，在偏航過程中，偏航保持裝置通電，偏航機械結構將垂直軸轉矩分解部分轉矩，驅動機艙偏航；偏航結束後，齒圈由偏航保持裝置失電固定，偏航機械結構工作在力矩傳遞狀態，太陽輪轉矩經固定變比傳遞至發電機，實現風力發電。

所述對風保持裝置中俯仰保持裝置包括俯仰保持端蓋、俯仰保持線圈、俯仰制動簧、俯仰制動弧套以及俯仰軸；偏航保持裝置包括偏航保持端蓋、偏航保持線圈、偏航制動簧、俯仰制動卡套以及齒圈制動盤。俯仰保持裝置的俯仰保持端蓋與機艙剛性連接，俯仰軸與機艙U型支撐剛性連接，且俯仰軸中通俯仰轉換軸；偏航保持裝置的偏航保持端蓋與塔架剛性連接，齒圈制動盤與齒圈剛性連接，並在俯仰和偏航後失電，實現機艙無功耗穩定持續對風。

本發明所帶來的有益效果是：

1)本發明採用機艙偏航和俯仰多維度捕獲風能，藉助弧線俯仰電機以及偏航機械結構完成了機艙多維度對風，提升了風能利用係數；

2)本發明藉助垂直軸轉矩轉換，將風力機轉矩嚴格轉換為垂直軸轉矩，使得發電機下置於塔架成為可能，極大降低機艙重量，減小了偏航功耗和俯仰損耗，提升了偏航對風精度；

3)本發明採用弧線俯仰電機完成機艙俯仰，使得俯仰過程氣隙穩定，確保俯仰力矩穩定性，同時產生的法向垂直力，快速平抑風機槳葉波動推力，提升了風力整體發電系統穩定性。

4)本發明藉助偏航機械結構合理分解風力機垂直性轉矩實現機艙偏航，消除了傳統風電機組偏航電機的使用，極大降低了成本。

附圖說明

圖1設備基本結構示意圖。

圖2設備橫截面示意圖。

圖3設備俯視示意圖。

圖4控制流程圖。

圖5俯仰保持裝置基本結構示意圖。

圖6偏航保持裝置基本結構示意圖。

圖中1.風力槳葉，2.機艙，3.機艙U型支撐，4.定子支撐，5.俯仰轉子，6.俯仰定子，7.偏航滑動滾珠，8.塔架，9.風能捕獲軸，10.俯仰轉換軸，11.俯仰支撐軸，12.齒圈，13.垂直軸，14.發電機，15.俯仰保持裝置，16.垂直轉換軸，17.偏航保持裝置，18.行星架，19.太陽輪，20.變流器，21.斜齒輪組，22.俯仰保持端蓋，23.俯仰制動簧，24.俯仰保持線圈，25.俯仰制動弧套，26.俯仰軸，27.偏航保持端蓋，28.偏航制動簧，29.偏航保持線圈，30.俯仰制動卡套，31.齒圈制動盤。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

本發明所公布的多維度風能混合軸發電系統，包括風力槳葉1、垂直軸轉矩轉換(9、10、11、13、16)、弧線俯仰電機(4、5、6)、偏航機械結構(12、18、19)、對風保持裝置(15、17)、發電機14以及變流器20；垂直軸轉矩轉換由風能捕獲軸9、俯仰轉換軸10、俯仰支撐軸11、垂直轉換軸16和垂直軸13組成；弧線俯仰電機由俯仰轉子5、俯仰定子6以及定子支撐4三部分組成；偏航機械結構由太陽輪19、行星架18和齒圈12組成；對風保持裝置包括俯仰保持裝置15和偏航保持裝置17，俯仰保持裝置15由俯仰保持端蓋22、俯仰保持線圈24、俯仰制動簧23、俯仰制動弧套25以及俯仰軸26組成，偏航保持裝置17由偏航保持端蓋27、偏航保持線圈29、偏航制動簧28、俯仰制動卡套30以及齒圈制動盤31組成。

本發明公布的多維度風能混合軸發電系統工作流程如圖4所示。系統實時根據監測的風速風向以及歷史數據，判定風力發電系統運行狀態，系統可工作在俯仰發電狀態、偏航發電狀態以及對風保持發電狀態，完成機艙偏航、俯仰和對風保持以及發電機14發電。

當風速低於起動風速Vcut，系統運行停機狀態，發電機14停機，對風保持裝置失電，保持停機前對風狀態；當風速超過起動風速，且風速風向測試儀檢測的俯仰角度A和偏航角度B均為0時，系統運行在對風保持發電狀態；當俯仰角度和偏航角度都不為0時，系統首先機艙俯仰，此時系統運行在俯仰發電狀態；當俯仰角度調整為0後，同時偏航角度不為零時，此時系統進入偏航發電狀態。

對風保持發電狀態，機艙在對風保持裝置失電下正面迎風捕獲風能，風機多維度轉矩經垂直軸轉矩轉換和偏航機械結構驅動發電機14發電。對風保持裝置斷電，此時俯仰保持線圈24和偏航保持線圈29斷電，俯仰制動弧套25和俯仰軸26被俯仰制動簧23的推力緊鎖，偏航制動卡套30和齒圈制動盤31被偏航制動簧28緊壓，俯仰軸26和齒圈制動盤31在巨大壓力和阻力作用下嚴格制動，齒圈12和機艙2無法運動，使得機艙2無功耗穩定精確對風。風機多維度轉矩經垂直軸轉矩轉換和偏航機械結構轉換，驅動發電機14發電，並由變流器20逆變輸出實現併網。

機艙俯仰發電狀態，機艙2在弧線俯仰電機驅動下俯仰對風，多維度轉矩經垂直軸轉矩轉換和偏航機械結構驅動發電機14發電。機艙2在俯仰保持裝置15上電情況下，經弧線俯仰電機的俯仰轉子5和俯仰定子6互相作用俯仰對風。俯仰保持裝置15中的俯仰保持線圈24通電，俯仰制動弧套25在磁力作用下與俯仰軸分離，向兩側壓縮俯仰制動簧23，減小俯仰軸26摩擦阻尼，確保機艙2無阻俯仰。弧線俯仰電機的定子6通電，與俯仰轉子5一起產生俯仰力矩，驅動機艙2在俯仰支撐軸11、俯仰轉換軸10以及垂直轉換軸16共同構建的支撐空間中作俯仰運動，直至俯仰角A為零。風機多維度轉矩經垂直轉矩轉換為垂直性轉矩，在偏航保持裝置17失電情況下齒圈12制動，經行星架18和太陽輪19固定變比傳遞至發電機14發電，並通過變流器20完成併網。

機艙偏航發電狀態，偏航機械結構將垂直軸轉矩分解為偏航轉矩和發電機驅動轉矩，完成機艙2偏航對風和併網發電。偏航保持裝置17上電，機艙俯仰保持裝置15在機艙弧線俯仰電機失電的情況下，失電保持機艙俯仰狀態，同時偏航保持線圈29通電，偏航制動卡套30在磁力作用下與齒圈制動盤分離，向兩側壓縮偏航制動簧28，降低偏航阻力，確保機艙2正常偏航。垂直轉矩轉換將風機多維度轉矩轉換為垂直軸轉矩，經行星架18輸入以及齒圈12和太陽輪19分解輸出，將垂直軸轉矩分解為偏航轉矩和發電機驅動轉矩，由發電機轉矩調節，完成機艙2主被動偏航和發電機14發電，且可通過變流器20完成併網發電。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。