高溫超導風力發電機組的製作方法

2023-05-31 12:18:31

專利名稱：高溫超導風力發電機組的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電機組，尤其涉及一種應用了高溫超導發電機的直驅式的高溫超導風力發電機組。
背景技術：
進入21世紀，全球可再生能源不斷發展，風電作為一種高效清潔的能源正受到越來越多國家的高度重視。目前，風電正在以超出預期的、每年兩位數的速度飛速增長。在風力發電技術日趨成熟的今天，風力發電機組的裝機容量也正不斷向大型化發展。2002年前後，國際風力發電市場上的主流機型已經達到1.5MW以上。但從技術上看，MW級常規風力發電機組還存在以下矛盾
1、 葉輪超低轉速與發電機經濟轉速之間的矛盾
大型風力發電機組的葉輪轉速通常在30rpm以下。這種極低的轉速與發電機的經濟轉速相距甚遠，而直接連軸的驅動方式，將導致發電機的體積、重量和成本大幅增加。為實現轉速的匹配，增加機械變速裝置(齒輪增速箱)是必需的，但同時也引入了一些不利因素，如齒輪增速箱的重量僅次於塔架而大於葉輪，是重達50-100噸的部件，運輸和安裝起重的難度都4艮大。多級齒輪增速箱的插入還會引起損耗的增加和機組整體效率的降低(約5%)，造成配套資源的浪費。齒輪增速箱的成本約佔風力發電系統總成本的13%,同時，齒輪增速箱的故障佔大型風力發電機組整體故障的20-30°/。以上。
2、 效率問題
螺槳式風力發電4幾組的理論風能利用係數為0.59，現有的大型風力發電機組的整機效率約為40%左右，有的甚至還在30%以下。在常規風力發電系
4統中，多級行星齒輪增速箱的插入，不但使機組的效率和可靠性降低，而且增大了成本投入，同時機組變得異常的龐大笨重。並且，對常規發電系統來說，當發電機處於輕載或較低轉速時，其效率較低，實際的風力發電機組在絕大部分時間都運行在這種情況下。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術中存在的風力發電機組的體積、重量和簡化機組的結構問題，提供了一種高溫超導風力發電機組，以直接驅動方式進行風力發電，從而簡化了機組結構、減小了機組的體積和重量。
為了實現上述目的，本發明提供了一種高溫超導風力發電機組，包括風輪，該風輪的輪穀具有風輪軸；
高溫超導同步發電機，具有動力軸，該動力軸與所述風輪的輪轂的風輪軸直接連接；和
常規的偏航系統。
進一步地，該高溫超導同步發電機具有高溫超導勵磁繞組的轉子，以及常規的定子和電樞繞組。
進一步地，所述高溫超導同步發電機的轉子包括十字形的轉子鐵芯；隔熱套筒，被所述轉子鐵心所支撐；繞組支架，包覆在所述隔熱套筒的外表面；勵磁繞組，被所述繞組支架所支撐；和絕熱屏蔽層，包覆在所述勵磁繞組的外圍。進一步地，所述轉子鐵芯是由鐵磁性材料製成的轉子鐵芯。進一步地，所述繞組支架是由非鐵磁性材料製成的繞組支架。進一步地，所述勵磁繞組為Bi-2223高溫超導導線繞制而成的勵磁繞組。進一步地，所述繞組支架具有延圓周均勻分布的外齒，用以支撐所述勵磁繞組。
進一步地，所迷勵磁繞組的數量為所述繞組支架的外齒的數量的一半。
進一步地，所述隔熱套筒與所述絕熱屏蔽層之間的空間抽成真空狀態，用以降低熱損耗。
進一步地，所迷繞組支架的內部設置有陣列分布的貫通的冷卻介質的通道，用於冷卻介質以接觸傳導的方式冷卻所述繞組支架及勵磁繞組。
進一步地，所述高溫超導同步發電機附設有外置的製冷源，用於製造高溫超導材料正常工作所需的深冷環境。
因此，本發明提出的一種直驅式高溫超導風力發電機組，能夠大幅降低風力發電機組的重量，提高機組的發電效率，降低故障率。
附困說明


圖1為本發明直驅式的高溫超導風力發電機組的示意圖。
圖2為本發明高溫超導同步發電機的轉子的橫截面示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。如圖1所示，圖1顯示了本發明直驅式的高溫超導風力發電機組的示意圖。風力發電機組包括風輪l,高溫超導同步發電機2和常規的偏航系統(圖中未示出)。在風機搶5的內部，連接風輪l的輪轂的風輪軸3與高溫超導同步發電機2的動力軸直接連接。並且，高溫超導同步發電機2還附帶有外置的製冷源4，用於製造超導材料正常工作所需的深冷環境。在圖1中並沒有顯示風機搶內的現有冷卻系統。本發明提出的直驅式的高溫超導風力發電機組與常規的風力發電機組在以下方面存在差別使用高溫超導發電機替代機組中的常規發電機；採用直驅式設計，葉輪軸與發電機軸直接相連，省掉齒輪增速箱部分；本發明風力發電機組需要獨立的冷卻系統來實現超導體正常工作所需的深冷環境，因此發電機組配置專門的低溫冷卻系統即外置的製冷
源4，以便使高溫超導材料ii^超導態。該冷卻系統與發電機組現有的冷卻系統相互隔離，保證了高溫超導同步發電機2的轉子上的超導勵磁繞組的正常工作。
本發明高溫超導發電機同現有的發電機一樣，具有固定的定子和在定子內可旋轉的如圖2所示的轉子。本發明轉子的勵磁繞組採用高溫超導材料製成，其定子部分及電樞繞組與常規的同步發電機基本相同。同時，綜合比較超導勵磁繞組的各種布置方式，超導勵磁繞組在內旋轉，電樞繞組在外靜止的布置方式最適合製造大裝機容量的發電機，因此本發明採用此種結構的高溫超導發電機來取代機組中的常規發電機。基於高溫超導導線的高載流能力，超導勵磁繞組產生的磁場比常規發電機高出2-3倍，因此在相同裝機容量的情況下，高溫超導發電機的體積和重量只有不到常規發電機的1/3。此外，本發明涉及的高溫超導發電機採用多極結構，通過增加轉子勵磁繞組的極數來達到降低發電機額定轉速的目的，實現了機組的直驅式結構。
如圖2示出了本發明高溫超導同步發電機的轉子的橫截面示意圖。整個轉子橫截面呈同心分層結構，十字形的轉子鐵芯6位於正中心，轉子鐵芯6為整個轉子的支撐構件，十字的四個短臂支撐著絕熱材料製成的隔熱套筒7。繞組支架8，包覆在隔熱套筒7的外表面；繞組支架8採用非鐵磁性材料優選地採用鋁合金材料製成的，這是因為鋁合金在低溫下仍然能夠保持一定的韌性。接著參見圖2，在繞組支架8的外層是高溫超導的勵磁繞組10,繞組支架8被用來支撐勵磁繞組10;以及在轉子的最外層是絕熱屏蔽層11，包覆在勵磁繞組10的外圍，該絕熱屏蔽層ll起到隔熱和密封的作用。
由於現有技術製備的高溫超導材料，如Bi-2223高溫超導導線在直流條件下的電阻基本為零，幾乎沒有損耗，但在交流磁場下損耗嚴重，因此本發明使用高溫超導導線來製備超導交流同步發電機的轉子上的勵磁繞組部分，這保證了高溫超導導線的高栽流能力(其栽流能力比同等截面積的銅導線高100倍以上)。即，勵磁繞組IO優選地為Bi-2223高溫超導導線繞制而成，之後經環氧樹脂浸漬形成特定的形狀和尺寸，以配合繞組支架8進行裝配。並且，轉子鐵芯6優選地由鐵磁性材料製成。在低功率密度的超導發電機中，可用鐵磁性的轉子鐵芯來減少磁動勢，從而節省所用的高溫超導導線。
繼續參見圖2，在轉子上的繞組支架8上具有延圓周均勻分布的外齒12，用以支撐勵磁繞組10。勵磁繞組10的數量為繞組支架8的外齒12的數量的一半，取決於所設計的超導同步發電機的極數，同時也決定了該超導同步發電機的額定轉速。
繼續參見圖2，繞組支架8的內部設置有陣列分布的貫通的冷卻介質的通道9，與外置的製冷源4相通，用於冷卻^^質以接觸傳導的方式冷卻繞組支架8及勵磁繞組10。冷卻介質由外置的製冷源4泵入通道9，將繞組支架8中的
熱量不斷帶走，起到製冷的作用。本發明製冷源4採用分置式製冷才;ut超導
體部分進行循環冷卻。由於所4吏用的超導體為Bi-2223高溫超導材料，冷卻介質選定為液氮。繞組支架8依靠接觸傳導對勵磁繞組10進行冷卻，從而使勵磁繞組10的高溫超導導線進入超導態。在使用過程中，將隔熱套筒7與絕熱屏蔽層ll之間的部分抽成真空狀態，以減少輻射散熱，節省製冷功耗。在這種條件下，轉子鐵芯6為常溫，繞組支架8及勵磁繞組IO為低溫。
因此，通過以上設計完全能夠達到減輕風力發電機組的體積、重量和簡
化積ia的結構(釆用直驅式結構)的目的。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1、一種高溫超導風力發電機組，其特徵在於包括風輪，該風輪的輪轂具有風輪軸；高溫超導同步發電機，具有動力軸，該動力軸與所述風輪的輪轂的風輪軸直接連接；和常規的偏航系統。
2、 根據權利要求1所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述高 溫超導同步發電機具有高溫超導勵磁繞組的轉子，以及常規的定子和電樞繞 組。
3、 根據權利要求2所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述轉 子包括十字形的轉子鐵芯；隔熱套筒，所述轉子鐵芯支撐該隔熱套筒； 繞組支架，包覆在所述隔熱套筒的外表面； 勵磁繞組，由所述繞組支架支撐該勵磁繞組；和 絕熱屏蔽層，包覆在所述勵磁繞組的外圍。
4、 根據權利要求3所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述轉 子鐵芯的材質是鐵磁性材料。
5、 根據權利要求4所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述繞 組支架的材質是非鐵磁性材料。
6、 根據權利要求5所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述勵 磁繞組為Bi-2223高溫超導導線繞制而成的勵磁繞組。
7、 根據權利要求3所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述繞 組支架具有延圓周均勻分布的外齒，用於支撐所述勵磁繞組。
8、 根據權利要求7所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所述勵 磁繞組的數量為所述繞組支架的外齒的數量的一半。
9、 根據權利要求2-8任一所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於所 述隔熱套筒與所述絕熱屏蔽層之間的空間抽成真空狀態。
10、 根據權利要求2-8任一所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於 所述繞組支架的內部設置有陣列分布的貫通的冷卻介質的通道，用於冷卻 介質以接觸傳導的方式冷卻所述繞組支架及勵磁繞組。
11、 4艮據權利要求l-8任一所述的高溫超導風力發電機組，其特徵在於 所述高溫超導同步發電機還設有外置的製冷源，用於製造高溫超導材料正 常工作所需的深冷環境。
全文摘要
本發明涉及一種高溫超導風力發電機組，包括風輪、高溫超導同步發電機、偏航系統，所述高溫超導同步發電機的動力軸與所述風輪的輪轂的風輪軸不經過變速系統而直接連接。因此，本發明提出一種直驅式高溫超導風力發電機組，能夠大幅降低風力發電機組的重量，提高機組的發電效率，降低故障率。
文檔編號H02K55/00GK101539110SQ20091007682
公開日2009年9月23日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者凱 塗, 輝 牛, 王延軍, 旺 米 申請人:北京美爾斯通科技發展股份有限公司