立軸巨能風電機組及海上浮動巨能風電機組的製作方法

2023-08-03 02:59:31 3

立軸巨能風電機組及海上浮動巨能風電機組的製作方法
【專利摘要】一種立軸巨能風力發電機組，其採用定向盤調控系統結構，其傳動結構是將風輪軸的下部延伸到地面與多發電機調控系統配合，風機塔筒的頂部位於立式風輪的中部，通過塔筒頂部的塔筒頂部平臺形成託舉定向盤調控系統結構中固定圓盤的作用。由立軸巨能風電機組與浮動基礎一體化配合構成海上浮動巨能風力發電機組，通過非剛性連接結構使許多個浮動巨能風電機組以不同排列組合形成一體化整體浮動基礎結構是其規模化應用的結構形態。
【專利說明】立軸巨能風電機組及海上浮動巨能風電機組
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種立軸巨能風電機組及海上浮動巨能風電機組，通過優化風輪調控結構和傳動結構可使其整機結構與性能更加簡捷、高效、節省、美觀。
【背景技術】
[0002]風電產業優質化、規模化發展的基礎是風電機組的大型化能力擴展，這是全球性的技術難題，當前的大型風機是在小型風機整機形態下通過逐步放大風輪的直徑規格形成的，因而引發了以『掃風面積』設計計算風輪出力能力理論的形成發展，致使現有大型風電機組的風輪葉片同時存在著『掃風面積』和『乘風面積』兩種不同的出力拓展設計理論，並且形成了相互矛盾、相互影響、相互制約，因此導致了許多整機結構性矛盾問題的同步拓展放大與現實問題的群發，如:採用超長延伸葉片加大『掃風面積』的大型化拓展方式會導致風輪超重、啟動困難、轉速降低，使葉尖速度超快形成空氣阻力，使葉尖乘風出力面積不足其運行面積的1%;還將迫使塔筒加高形成『槓桿撬動基礎效應』，這在海上風電更加凸顯，還致使調控能力更顯不足，風能利用程度進一步降低，製造安裝成本與故障危險率快速放大，而通過延長葉片產生的葉片乘風面積的增加量並不多、並不快、並不易，從而形成了大型化能力拓展的『天花板』；此外，大型化風電機組只有設置了 『多發電機調控系統』才能形成經濟適應性的功能表現解決問題的根本出路是創新形成適合大型風機需求特點的整機機型。
[0003]此外，用現有形態的風機建設沿岸海上風電成本巨大、困難重重，用其發展深海海上風電則永遠無法實現，而採用浮動風電機組將是最為理想的選擇，浮動方式是海上風電產業技術的發展方向。
[0004]與浮動基礎實現最佳配合的是立軸風機，其可使機組整體重心下移形成浮動所必須的力學條件；但是當前所有立軸風機均難於形成大型化設計，更不具備大幅度的調控性能，解決上述問題的根本出路同樣是創新形成適合浮動風電力學需求條件的特大化海上風電機組整機機型。
[0005]對於特大型風機大範圍廣泛乘風運行方式來講，採用風帆式乘風出力方式比較渦輪式乘風出力方式的形成優勢更多更大，風帆式乘風是風力直接推動葉片形成出力，乘風出力效率大，微風利用能力強，拓展乘風面積即是拓展乘風出力，因此拓展與調控乘風出力能力十分方便準確，拓展與調控出力採用的技術理論方法完全一致。
[0006]特大化風機採用立軸機型是最佳選擇，其可形成許多天生便利及成本減低因素，立軸風機的形成出力方式=迎風側乘風出力一逆風側迴轉阻力，中國發明專利200810119889.X提出的立軸巨能風力發電機組和201210108866.5提出的海上浮動式巨能風電機組技術方案中採用的立軸巨能風機的乘風出力方式實現了立軸風機出力能力的最大化，其整體結構全方位地適合特大型風機的應用要求，形成了全面優化的整機性能表現。
[0007]但在上述機組創新技術方案中，對於驅動調控風輪排列葉片的結構是採用『在旋轉風力板上的適當位置同時設置由微型電機驅動控制的推拉調控結構實現旋轉風力板上迎風逆變板在迎風位置時的開閉形態操作』的調控結構與調控方式，而該結構與調控方式分離分散，調控點多重，導致調控系統整體結構複雜。
[0008](在本發明中將上述風輪調控結構的整體結構稱為:定向盤調控系統；將系統中的對風導軌盤稱為:定向盤；將迎風逆變板稱為:排列葉片)
此外，對於原有立軸巨能風電機組創新技術方案中採用的在塔筒外設置上下傳動軸的結構也有進一步完善與形成更優結構設計的必要性。
[0009]
【發明內容】

本發明提出了一種可使風輪調控結構簡捷、調控方便快速準確的定向盤調控系統實現對原有結構的替代；同時提出將原有風輪軸與上下傳動軸實現一體化設計並將其置於風機塔筒內部的直接傳動系統結構實現對原有結構的替代；還同時提出一種適合與全新傳動結構配合安裝的多發電機調控系統的分布設置傳動結構，其共同構成了本發明全新整機結構與性能表現的立軸巨能風力發電機組及海上浮動巨能風電機組，同比可大幅實現簡捷、高效、節省、美觀、耐用。
對本發明立軸巨能風電機組中立式風輪結構的描述是:在風機的上部設置環繞風機塔筒旋轉的立式風輪，立式風輪通常均布4-6個旋轉風力板，更大直徑的風輪可設置8-10個旋轉風力板，旋轉風力板由風輪架與在旋轉風力板的外側設置的排列葉片組合構成，排列葉片可實現共同驅動其中每個葉片移動調控變化的操作；其通常採用縱向排列設置形成類似百葉窗的形態，對各旋轉風力板的強化支撐方式是採用在風輪軸的頂部集中設置斜拉鋼絲繩分別連接各個旋轉風力板形成『傘式斜拉橋』的結構，使各超長的旋轉風力板無懸空吃力結構形成，同時將上中下風輪架串聯形成一體化框架結構，使排列葉片不承擔風輪的結構性受力。
[0010]對本發明立軸巨能風電機組風輪調控結構的描述是:其採用只通過一處驅動控制的定向盤調控系統結構實現，該系統結構中的定向盤結構是由一側大於標準圓形的移動凸盤與標準圓形的固定圓盤疊加配合構成，通過在各旋轉風力板風輪架內設置的推拉杆內側端部的滾動輪與可實現調控變化周邊形狀軌跡的定向盤形成緊密配合運行，各推拉杆的外側通過微型軸承連接排列葉片中的各個葉片實現共同推拉移動調控，通過定向盤內部驅動調控裝置(如:電機或液壓裝置)控制驅動移動凸盤水平移動使定向盤周邊形狀發生變化，使環繞定向盤周邊運行的各個推拉杆滾動輪的運行軌跡發生變化，帶動排列葉片實現環繞塔筒一周的周期性推拉距離的變化，移動凸盤移出固定圓盤的最大距離與排列葉片實現從完全收縮到完全伸展所需推拉變化動作幅度的距離相同，對於移動凸盤移動運行中間位置的調控確定則達成對於排列葉片不同封閉程度與風輪不同乘風出力能力大小的調控，在推拉杆上設置回復彈簧或更推薦採用重力方式實現推拉杆被定向盤推移後自動回復原來狀態驅動力量的持續穩定形成。
[0011]立式風輪的對風調控方式與調控結構是以風向標為風向變化傳感信號自動控制驅動定向盤調控系統中的定向盤旋轉實現的，其通過在塔筒頂部設置的驅動定向盤旋轉齒輪盤及驅動定向盤旋轉電機配合達成定向盤的對風旋轉，使其凸形結構的中心線始終與風向垂直。
[0012]對本發明立軸巨能風電機組傳動結構的描述是:將風輪軸與上下傳動軸形成一體化設計統稱風輪軸，風輪軸的下部延伸到地面與發電機或多發電機調控系統配合，立式風輪的乘風出力調控與多發電機調控系統配合形成雙重價值化調控，即:風輪調控是在多發電機調控系統增減發電機工作數量調控形成的風輪運行速度梯級變化的間隔之間進行微調，使風機調控達成無速度階梯差距變化的過渡。
[0013]風機塔筒的頂部位於立式風輪的中部，通過塔筒頂部平臺形成安裝託舉定向盤調控系統結構中固定圓盤的作用，同時實現託舉加強型定向盤外殼結構形成支撐固定立式風輪中部風輪架的作用。
[0014]對本發明立軸巨能風電機組中多發電機調控系統的描述是:其通常由2-4個『發電機+齒輪箱組合結構體』與風輪軸下部的動力輸出齒輪合併運行與實現分離的配合調控方式形成；
在本發明結構中由於風輪軸延伸到達位於風機塔筒內部的中心位置，通常採用在塔筒內部設置一級傳動齒輪箱，通過一級傳動加速後形成垂直方向的傳動結構變化，由垂直於塔筒壁的傳動軸穿過塔筒底部很小開口面積將風輪乘風動力輸出於塔筒之外，配合在塔筒外部周邊分布設置的『發電機+齒輪箱組合結構體』形成完整的多發電機調控系統結構，可通過控制上述傳動結構中傳動齒輪或是傳動軸結構的連接咬合與控制分離達成調控風電機組投入發電機工作數量的功能目標。
[0015]對本發明立軸巨能風電機組用於海上浮動的結構描述是:其由本發明立軸巨能風力發電機組與浮動基礎一體化配合形成海上浮動巨能風力發電機的整機結構，浮動基礎是封閉的大型鋼結構箱體結構，在浮動基礎的內部設置立軸巨能風電機組的多發電機調控系統和除風輪微小調控電機之外的全部電器控制系統設備，通過浮動基礎上部與下部箱體結構的配合形成對於風機塔筒的固定，在浮動基礎的上部設置通風管路+人員進出浮動基礎內設備機艙的一體化設計通道，在通風管上設有形成遮蔽消除海水、鹽霧、雨水進入設備機艙的裝置，因浮動基礎與設備機艙實現一體化設計，龐大的浮動基礎面積侵泡在水下可自然降溫，因此多數時間設備機艙可處於封閉狀態。
[0016]通過非剛性連接結構使許多個浮動巨能風電機組以多種不同排列組合形態連接形成一體化的整體浮動結構體形態可使單個浮動巨能風電機組之間形成固定位置的分布設置及形成傾覆動力的相互制約，也方便海底錨鏈整體固定，是規模化海上浮動巨能風電機組的應用形態，其可有效抗拒遠海、深海巨大風浪的衝擊，從而可形成更加高大安全穩定的風機設計。
[0017]本發明立軸巨能風電機組採用的立式風輪可根本消除塔筒影響效應的形成條件，立式風輪乘風出力穩定，旋轉運行不會形成振動，其乘風出力能力可按照排列葉片有效乘風面積、乘風力矩、乘風能效同比現有風機葉片增加倍數估算同比，可通過排列葉片的高度、寬度、乘風力矩以及風力板設置數量四種拓展乘風出力能力手段的相互配合輕易達到
7.5-30兆瓦以上單機出力能力設計，而其單機成本也只有1.5臺-2臺1.5兆瓦水平軸風機合計的水平。
[0018]此外，該機組通過發電機地面設置可極大方便建設安裝、日常維護、部件更換的操作，這也是配置擁有很大佔地面積的多發電機調控系統的必須條件，同時可消除暴曬、極冷導致的機械故障、維護費用增加與使用壽命降低的影響程度。其通過結構簡單的『定向盤控制系統』可一同替代現有複雜、昂貴、沉重的偏航系統和變槳距調控系統的功能設置，使風機製造成本與風輪重量大幅度降低；立式風輪對風旋轉不攜帶主機電纜旋轉。
[0019]立式風機頂部結構天然避雷，通過葉片完全收縮調控可消除颱風、疾風破壞性衝擊形成的損壞與危險。風帆式乘風方式消除了當前風機葉尖噪音問題和風沙打磨葉片的乘風出力方式。風輪出力能力拓展與風輪乘風面積拓展和風能利用程度拓展呈現1:1:1等比例增加關係，拓展風機出力能力設計不會引發整機結構性矛盾的形成擴大，不會導致製造、安裝、維護難度與成本的較多、較快增加。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明立軸巨能風力發電機組的整體結構示意圖 圖2是定向盤調控系統的移動凸盤位置橫剖面結構俯視示意圖 圖3是採用移動凸盤的定向盤調控系統中部縱向剖面結構示意圖
其中:(a)是移動凸盤達到最大移動延伸距離的調控狀態；(b)是移動凸盤達到最大收縮距離調控實狀態，即:實現與固定圓盤重疊。
[0021]圖4是圖1整機中部縱向剖面示意圖
圖5是通過定向盤調控系統驅動達成不同伸縮形態變化狀態的排列葉片的橫剖面示
意圖
其中:(a)是在迎風側排列葉片實現完全展開封閉乘風形態的示意圖；(b)是在逆風迴轉側排列葉片實現完全摺疊收縮達成敞開瀉風形態示意圖，或是在迎風側排列葉片實現完全收縮瀉風達成迴避颱風狀態與機組停機時刻形態的示意圖；(c)是在迎風側排列葉片實現部分展開瀉風實現調控風輪乘風出力能力與適應風力強度變化調控形態的示意圖。
[0022]圖6是顯示立式風輪乘風出力原理的風輪橫剖面示意圖 圖7是多發電機調控系統結構分布設置方式的示意圖
圖8是圖7的俯視不意圖 圖9是一個本發明海上浮動巨能風電機組的示意圖
圖10是規模化風電場以非剛性連接形成一體化龐大浮動結構體的局部宏觀俯視示意
圖
圖11是一種非剛性連接結構示意圖
附圖標記:1.風輪軸；2.排列葉片；3.定向盤調控系統；4.塔筒頂部平臺+定向盤驅動旋轉裝置+軸承輪結構組合；5.風輪底部定位支撐軸承輪；6.塔筒；7.多發電機調控系統；8.設備機艙罩；9.地面塔筒基礎；10.推拉杆；11.固定圓盤；12.移動凸盤；13.滾動輪；14.風輪架；15.定向盤內部驅動調控裝置；16.避雷針；17.斜拉鋼絲繩；18.風輪架支撐盤；19.定向盤；20.加強型定向盤外殼；21.塔筒頂部平臺；22.驅動定向盤旋轉的齒輪盤；23.風輪下部支撐定位軸承輪；24.塔筒內部定位軸承輪架；25.風輪軸動力輸出齒輪；26.發電機+齒輪箱組合體；27.塔筒內部傳動齒輪組(結構示意圖)；28.離合器；29.立軸巨能風力發電機組；30.通風管+人員進出機艙通道；31.浮動基礎；32.連接結構；33.浮動巨能風力發電機組；34.可方便安裝拆解的柔性連接結構(結構示意圖)。
[0023]【具體實施方式】
對照圖示說明本發明立軸巨能風力發電機組及海上浮動巨能風電機組的全新調控結構與傳動結構的運行方式:
風機運行起步:通過風向標自動控制驅動定向盤旋轉的齒輪盤22實現定向盤19的旋轉對風，使移動凸盤12的凸出結構中心線始終與風向形成垂直完成適應風向變化的對風調控；
通過電機或液壓驅動移動凸盤12移出固定圓盤11併到達最大移動距離，達成立式風輪排列葉片2在迎風側實現最大程度展開的封閉，形成風輪最大乘風出力狀態，原理見(圖3 a)。
[0024]當風力變大時，通過調控驅動移動凸盤收縮實現排列葉片開閉程度變小的控制實現部分瀉風，使風輪一直維持在要求的正常運行速度與乘風出力能力範圍，達成立式風輪適應不同風力強弱變化與機組出力能力不同需求變化的調控。
見圖3 (b);當移動凸盤12收縮到達最大位置時移動凸盤與固定圓盤11實現完全重疊，使整個定向盤變為固定圓盤的形態，這時實現迎風側所有排列葉片也全部敞開瀉風，使風輪兩側狀態實現完全一致，達成迴避颱風與停機維修狀態的調控。
[0025]可見:本發明風輪調控結構只需通過調控驅動移動凸盤水平移動的一處位置，即可快速實現對於風輪各種不同乘風出力狀態方便、快速、準確的調控。
[0026]在平時運行時候的綜合調控方式:當風力加大到採用收縮排列葉片減小乘風面積接近無能為力時，應該採用增加多發電機調控系統7中發電機投入工作數量的調控方式擴大風電機組的發電能力，並同時調控排列葉片加大乘風面積滿足增加發電機工作數量後機組乘風出力能力加大的需求，使風輪旋轉速度維持不變；
當風力繼續加大重複上述操作繼續增加發電機的工作數量，當增加發電機數量窮盡後風力仍然加大，應該採用收縮排列葉片減小乘風面積的瀉風方式進行迴避，其極致狀態即是使風輪兩側完全敞開達成疾風時刻的調控狀態；
當風力變小時反上述描述的調控方式，即:通過加大風輪排列葉片的封閉程度調控增加乘風面積接近於極致後仍不足以推動風輪以正常速度運行時，應該採取減少發電機工作數量的調控，從而形成雙重價值化調控的方式，通過雙重價值化調控可使各種強度的風能獲得最充分的利用及達成風電機組最多工作時間目標的共同實現。
[0027]立式風輪的出力通過風輪軸I延伸直接到達地面，或是直接延伸到達在浮動基礎30內設置的多發電機調控系統7實現風力發電與實現價值化調控。
[0028]本發明立軸巨能風電機組採用在塔筒6內部設置風輪傳動軸的直接傳動結構可消除原有外置式傳動結構需在風機中段設置巨大傳動齒輪與外設齒輪箱及外設傳動軸的需求及間接傳動形成的能量消耗，使傳動過程與結構更加直接、節省、耐用，也使風機外觀更加簡化美觀。
[0029]浮動巨能風電機組絕大多數重量均設置在水面之下，從而導致其在水中形成「漂流瓶」天然不倒的力學效果(見示意圖9、10);各個機組採用柔性連接結構31後可使分布的各個機組隨浪起伏，這可避免特大面積的剛性連接結構體局部遭遇巨大風浪淹沒性的衝擊及導致連接結構體變形折斷，還可使海上浮動風電場中的所有浮動機組排列有序。
[0030]浮動巨能風電機組的海上運輸、建設、安裝、維護均十分方便，由於是非剛性連接還可將某個形成故障的浮動巨能風電機組在風平浪靜的時候拆解分離出串聯的一體化的浮動基礎結構之外，拖到沿岸車間進行主要設備的維修更換，其將使當前海上風電建設面臨的眾多根本無法解決的難題與巨大成本形成因素輕易化解，將使海上風電在優質化技術基礎上獲得規模化快速發展。
【權利要求】
1.一種立軸巨能風力發電機組，其特徵在於: ①其風輪結構是在風機的上部設置環繞塔筒旋轉的立式風輪(1)，立式風輪均布4-6個旋轉風力板，更大直徑的風輪設置8-10個旋轉風力板,風輪的旋轉風力板由風輪架(14)與排列葉片(2)組合形成，在風輪軸的頂部集中設置斜拉鋼絲繩(17)分別連接各個旋轉風力板，同時通過將上中下風輪架串聯形成一體化框架結構； ②其風輪調控結構方式是採用通過一處驅動控制的定向盤調控系統實現，該系統結構中的定向盤結構是由一側大於標準圓形的移動凸盤(12)或一側小於標準圓形的移動扁盤與標準圓形的固定圓盤(11)疊加配合構成，通過在各旋轉風力板風輪架內設置的推拉杆(10)端部的滾動輪(13)與可實現調控變化形狀軌跡的定向盤(19)周邊形成緊密配合運行，各推拉杆外側通過微型軸承連接排列葉片中的各個葉片實現共同推拉，通過定向盤內部驅動調控裝置(15)控制驅動移動凸盤或移動扁盤平移使定向盤周邊形狀軌跡發生變化帶動推拉杆攜帶的排列葉片實現環繞塔筒一周的周期性推拉距離變化，移動凸盤移出固定圓盤的最大距離與排列葉片實現從完全收縮到完全伸展動作變化幅度所需推拉移動的距離相同，對於移動凸盤移動運行中間位置的調控確定達成對於排列葉片不同封閉程度與風輪不同乘風出力能力的調控，在推拉杆適當位置設置回復驅動裝置實現推拉杆被定向盤推動後的狀態自動回復； ③其風輪對風調控結構方式是通 過在塔筒頂部設置的驅動定向盤旋轉的齒輪盤(22)及驅動電機實現定向盤的對風旋轉，使凸或扁盤形結構的中心線始終與風向垂直； ④其動力傳動結構方式是將風輪軸延伸到地面與發電機或多發電機調控系統配合；風機塔筒的頂部位於立式風輪中部，通過塔筒頂部的塔筒頂部平臺(21)形成託舉安裝定向盤調控系統(3)結構中固定圓盤(11)的作用，同時實現託舉加強型定向盤外殼(20)形成支撐中部風輪架的作用； ⑤其多發電機調控系統是由若干個發電機+齒輪箱組合結構體(26)配合形成，通過控制傳動結構中某一傳動齒輪或是傳動軸結構的連接咬合與控制分離達成調控投入發電機工作數量的功能目標。
2.一種海上浮動巨能風力發電機組，其特徵在於: ①其整體結構是由立軸巨能風力發電機組與浮動基礎配合形成，浮動基礎是封閉的大型鋼結構箱體，在浮動基礎的內部設置立軸巨能風電機組的多發電機調控系統和除風輪微小調控電機之外的全部電器控制系統設備，通過浮動基礎上部與下部箱體結構的配合形成對於風機塔筒的固定； ②其風輪結構是在風機的上部設置環繞塔筒旋轉的立式風輪(1)，立式風輪均布4-6個旋轉風力板，更大直徑的風輪設置8-10個旋轉風力板,風輪的旋轉風力板由風輪架(14)與排列葉片(2)組合形成，在風輪軸的頂部集中設置斜拉鋼絲繩(17)分別連接各個旋轉風力板，同時通過將上中下風輪架串聯形成一體化框架結構； ③其風輪調控結構採用通過一處驅動控制的定向盤調控系統結構實現，該系統結構中的定向盤結構是由一側大於標準圓形的移動凸盤(12)或採用一側小於標準圓形的移動扁盤與標準圓形的固定圓盤(11)疊加配合構成，通過在各旋轉風力板風輪架內設置的推拉杆(10)端部的滾動輪(13)與可實現調控變化形狀軌跡的定向盤(19)周邊形成緊密配合運行，各推拉杆外側通過微型軸承連接排列葉片中的各個葉片實現共同推拉調控，通過定向盤內部驅動調控裝置(15)控制驅動移動凸盤或移動扁盤平移使定向盤周邊形狀軌跡發生變化帶動推拉杆攜帶的排列葉片實現環繞塔筒一周的周期性推拉距離變化，移動凸盤移出固定圓盤的最大距離與排列葉片從實現完全收縮到完全伸展動作變化幅度所需推拉移動的距離相同，對於移動凸盤移動運行中間位置的調控確定達成對於排列葉片不同封閉程度與風輪乘風出力能力的調控，對於移動凸盤移動運行中間位置的調控確定達成對於排列葉片不同封閉程度與風輪乘風出力能力的調控，在推拉杆適當位置設置回復驅動裝置實現推拉杆被定向盤推動後的狀態自動回復驅動； ④其風輪對風調控結構是通過在塔筒頂部設置的驅動定向盤旋轉的齒輪盤(22)及驅動電機實現定向盤的對風旋轉，使凸盤或扁盤的結構中心線始終與風向垂直； ⑤其動力傳動結構是將風輪軸直接延伸到浮動基礎的內部與發電機或多發電機調控系統配合；風機塔筒的頂部位於立式風輪中部，通過塔筒頂部的塔筒頂部平臺(21)形成託舉安裝定向盤調控系統(3)結構中固定圓盤(11)的作用，同時實現託舉加強型定向盤外殼(20)形成支撐中部風輪架的作用； ⑥其多發電機調控系統結構是由若干個發電機+齒輪箱組合結構體(26)配合構成,通過控制傳動結構中某一傳動齒輪或是傳動軸結構的連接咬合與控制分離達成調控投入發電機工作數量的功 能目標； ⑦其規模化應用方式是通過非剛性連接結構(31)使許多個浮動巨能風電機組連接形成一體化整體浮動結構體的結構形態。
【文檔編號】F03D3/00GK103939280SQ201410103834
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】陳曉通 申請人:陳曉通