圓通水平軸風力發電機組的製作方法

2023-04-25 04:52:26

專利名稱：圓通水平軸風力發電機組的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是風力發電機，具體的是與市場上的風力發電機有所不同，一 是改變了現有風力發電設備的結構，降低了設備成本；二是該設備發電穩定，可直接併入國 家電網。採用空氣壓縮機帶動馬達，馬達連接發電機進行發電的圓通水平軸風力發電機組。
背景技術：
能源是人類社會存在與發展的物質基礎。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然 氣等化石燃料基礎上的能源體系極大地推動了人類社會的發展。然而，人們在物質生活和 精神生活不斷提高的同時，也越來越感悟到大規模使用化石燃料所帶來的嚴重後果，資源 日益枯竭，環境不斷惡化。因此，人類必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續能源系 統。目前，世界各國都在重點開發風能，開發的重點是利用風力發電機將風能轉換成電能。 用風力發電，可減少常規能源的消耗，對保護環境和生態平衡，改善能源結構具有重要意 義。同時，風能是最具商業潛力、最具活力的可再生能源之一，使用清潔，成本較低，取用不 盡。風力發電具有裝機容量增長空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優勢。所以風 力發電機的市場有很大的經濟效益。 雖然風力發電技術的發展相對比較成熟，但是其中也存在著很多的問題，如價 格較高，大中型風力發電機普遍價格較高，回收期長，一臺100kw的風力發電機價格可達到 130萬左右，回收期一般在15年。發出的電流不穩定，電源頻率需要變頻，一般先整流再逆 變成50HZ交流。在採用失速型風機時，對電網衝擊太大。現在採用變槳風機，對電網的衝 擊減少，仍有一定的衝擊。風電的波形不是標準的正弦函數波形，這對電網的承受能力是一 個考驗。 針對以上所提到的問題，目前風力發電行業還沒有一種很好的實施方法。
發明內容本實用新型的目的是針對目前國內外市場上風力發電機價格普遍較高，併網技術 路線複雜，投資較大的問題而提供一種新型的電流穩定、投資較小的圓通水平軸風力發電 機組。 為實現上述目的，採取的技術方案是 圓通水平軸風力發電機組，包括機艙、風輪機構、轉動機構和控制機構；所述機艙 的下面設置有塔架，機艙與塔架通過迴轉軸承轉動連接；所述風輪機構包括三個風輪葉片 和輪轂，三個風輪葉片相互成120° ，三個風輪葉片的一端經變槳距裝置與輪轂轉動連接， 風輪機構裝設在機艙的前部其結構特點是 所述轉動機構包括主軸、齒輪箱、增速器、至少一個空壓機、氣動馬達、發電機；輪 轂與主軸的前端固定連接，主軸的後端與齒輪箱的輸入軸固定連接，主軸通過軸承體固定 在機艙上；齒輪箱的輸出軸與機械剎車裝置相連接，機械剎車裝置的後面與聯軸器的一端 相連接，聯軸器的另一端與至少一個空氣壓縮機的轉動軸固定連接，空氣壓縮機的壓 空氣出口通過輸氣管與地面設置的前儲氣罐的進氣口固定連接，輸氣管置於塔架的內部，前 儲氣罐的出氣口通過管道與後儲氣罐的入口連接，後儲氣罐出口與氣動馬達的輸入口通過 無縫鋼管固定連接，氣動馬達的輸出軸與增速器的輸入軸固定連接，增速器的輸出軸固定 連接發電機的輸入軸，發電機的輸出端通過導線直接併入電網。 所述調速機構由齒輪箱和變速器組成，齒輪箱和變速器均為市售成品部件，齒輪
箱的增速比為i : 20。主軸直接與齒輪箱相連，齒輪箱用強力橡皮墊固定在機艙，增速器安
裝在氣動馬達與發電機之間。 所述控制機構，包括艙內控制部分與地面控制部分；艙內控制部分包括風速儀與 風向儀、變槳距裝置、偏航裝置和機械剎車裝置；機艙的頂部設有風速儀與風向儀，風速儀 與風向儀的輸出端通過導線與輔助計算機的輸入埠相連接，輔助計算機的輸出埠分別 對應與偏航裝置、變槳距裝置和機械剎車裝置的控制埠相連接，輔助計算機位於機艙內 後部的上面；根據當時的風力和風向情況把信息傳輸給輔助計算機(如圖2)，輔助計算機 將信號匯集處理，對偏航裝置、變槳距裝置和機械剎車裝置進行控制。輔助計算機的通信接 口通過光纖與地面控制部分的主計算機的通信接口相連接； 上述地面控制部分包括主計算機、前儲氣罐和後儲氣罐；主計算機在地面控制室 的開關櫃內，監控整個機組所有的運行狀態。 裝設在前儲氣罐的前壓力傳感器的輸出端和單向閥、前安全閥、安全開關及裝設 在後儲氣罐的安全閥和截止閥的控制埠通過導線與主計算機對應埠相連接，主計算機 和輔助計算機間通過光纖達到可靠快速地交換信息。 上述偏航裝置為市售成品部件，偏航裝置裝設在機艙內的後面的上部。機艙後部 的上面設有風速儀與風向儀，用以檢測風向和風速，通過導線風向標的輸出端與輔助計算 機的輸入端相連接。 上述變槳距裝置和機械剎車裝置均為市售成品部件。 上述塔架底部設有下法蘭盤，由下法蘭盤與地基基礎中預埋的螺栓固定連接，地 基基礎為澆注的鋼筋混凝土獨立基礎。塔架頂部設有上法蘭盤，上法蘭盤與偏航軸承轉動 連接。 上述單向閥裝設在輸氣管與前儲氣罐的連接處。 上述前、後兩個儲氣罐之間的管道上分別設有過濾器、冷卻器、油水分離器。 本實用新型的工作原理 風力發電機一般用在指定的風場中工作，風場中的風能豐富，且風向穩定。連在輪 轂上的風輪葉片具有空氣動力外形，在風力的作用下產生旋轉，同時帶動輪轂旋轉。輪轂通 過法蘭連接與主軸相連，主軸跟著轉動，通過齒輪箱進行增速。把轉速提高到設定的轉速。 為了減小齒輪箱的振動，齒輪箱安裝在強力橡皮墊並固定在機艙底板上，高強度橡皮墊起 到降噪和阻尼峰值負荷衝擊的作用，在極端負荷情況下可使齒輪箱和軸承免遭損壞。整個 齒輪箱的傳動比為l : 20。在齒輪箱增速後，輸出軸的轉速可達到1500r/min。輸出軸用 軸承固定，連接在機艙底板上，連接機械剎車裝置，機械剎車裝置往往與變槳距裝置配合使 用，先調節漿距，降低風輪轉速，再進行機械剎車，這樣可以減少制動載荷，減少對齒輪箱的 衝擊。 隨著風輪葉片的轉動，空氣壓縮機將產生的壓縮空氣通過輸氣管傳遞到地面上的前儲氣罐中。隨後進行冷凝，冷凝後的空氣作為動力源帶動氣動馬達轉動。氣動馬達帶動 發電機轉動，進行發電。輸出的電流頻率穩定，可直接併入國家電網。 本實用新型成本較低，發電效率穩定，便於推廣應用。 本實用新型的特點 1、經濟效益巨大整個發電機組造價較低，現今市場上的100kw風力發電機以永 磁發電機組為多。永磁風力發電機採用永磁材料，成本很高，一臺離網100kw的永磁風力發 電機組售價可達到130萬元左右。採用本實用新型的設計可不用永磁發電機，由齒輪箱、空 氣壓縮機、氣動馬達、發電機等部分代替，這樣就大大的節約了成本，有很大的經濟效益和 市場前景，便於市場的推廣。對於中國的市場其作用尤為突出。 2、社會效益巨大有利於地方經濟建設，增加地方稅收，增加當地人員就業。使 用空氣壓縮機，氣動馬達等設施，這些設備可實現全部國產化，給國內的中小企業提供了市 場。有利於拉動內需，促進國內經濟發展。 3、入網電流穩定由於本實用新型採用壓縮空氣帶動氣動馬達連接發電機進行發 電，使其發電頻率穩定，可直接入網發電。後儲氣罐中的壓縮空氣量穩定，這就使得發電的 穩定性和連續性有了一定的保障。同時前儲氣罐的可儲存一定量的空氣，可連續供給，這樣 就不會造成電的浪費。 4、提高整套設備的安全性，以往的風力發電機都是將發電機發出的電流通過導線 傳輸下來，導線長時間在惡劣的環境中很容易造成材料的腐蝕，發生漏電的現象。而本實用 新型通過輸氣管將空氣壓縮機產生的壓縮空氣傳輸下來，提高了整套設備的安全性。 5、本實用新型採用壓縮空氣帶動氣動馬達進行發電，壓縮空氣供量穩定就使得發 電機轉數穩定，電流穩定，目前國內尚沒有此項技術應用在風力發電機中。 本實用新型設計科學、合理、富有創意，利用空氣壓縮機和氣動馬達帶動發電機， 替換了市場上通用的風力發電機系統，有效的解決了風力發電機成本高，電流不穩定的特 點。裝設有相關的安全調整裝置，適宜各種風向，穩定可靠，實用性強，具有較好的發展前 景。本實用新型適用於電力部門使用。

圖1是本實用新型的結構示意圖。
圖2是本實用新型的機械剎車裝置、偏航裝置和變槳距裝置控制框圖。 圖3是本實用新型的安全閥、安全開關和截止閥控制框圖。
具體實施方式
圓通水平軸風力發電機組，包括機艙、風輪機構、轉動機構和控制機構。
所述風輪機構包括三個風輪葉片1和輪轂31 ;風輪葉片1通過変漿距裝置2與輪 轂31相連，風輪葉片1在風力作用下經變槳距裝置2的作用可繞著輪轂31做圓周轉動，以 找到最佳的攻角。同時在暴風狀態下，變槳距裝置2進行變漿，使風輪葉片l垂直對風，迎 風面積達到最小。輪轂31的轉動傳遞給下級轉動機構。 轉動機構包括主軸3、齒輪箱5、空壓機10、氣動馬達25、發電機28。主軸3通過軸 承體4固定在機艙上，輪轂31與主軸3固定連接，從而將輪轂31轉動的力矩傳遞給下級齒輪箱5，齒輪箱5用強力橡皮墊35固定在機艙32底板上。齒輪箱5為市售成品部件，傳動 比為l : 20。通過齒輪箱5增速後的具有高速的輸出軸連接機械剎車裝置6，在剛性機械 剎車裝置6的後面連接聯軸器7。聯軸器7後端的連接兩組結構相同的皮帶輪組。 所述皮帶輪組包括皮帶大輪36和皮帶小輪37 ;皮帶大輪36和皮帶小輪37通過 皮帶相連接，皮帶大輪36與皮帶小輪37為增速機構，即皮帶大輪36與聯軸器7後端連接， 皮帶小輪37與空氣壓縮機10出軸連接。 本實施例的空氣壓縮機10是由兩個活塞式空氣壓縮機並機組成，固定在機艙32 底板上，兩組結構相同的皮帶輪組分別帶動兩臺空氣壓縮機10。兩個相同的輸氣管13將兩 個並機組成的空氣壓縮機10產生的壓縮空氣分別傳輸到地面上的前儲氣罐18中，為避免 造成材料腐蝕，輸氣管13置於塔架的內部。在兩個輸氣管13與前儲氣罐18的連接處分別 設置有兩個相同的單向閥14，調節壓縮空氣的單向傳輸。在前儲氣罐18上同時設有前安全 閥15、前壓力傳感器16、安全開關17等，用於控制前儲氣罐18內壓縮空氣的儲量。前儲氣 罐18通過管道與後儲氣罐23相連接，在前、後兩個儲氣罐18和23之間設有過濾器19、冷 卻器20和油水分離器21。冷卻器20對儲氣壓力罐18內的壓縮空氣進行冷卻後，又直接進 入油水分離器21中進行油水分離，以得到高質量的壓縮空氣。後儲氣罐23同樣設有後安 全閥22和截止閥24。 高質量的壓縮空氣由後儲氣罐23通過無縫鋼管連接氣動馬達25的進氣口，提供 動力，氣動馬達25的輸出軸連接增速器27增速。增速器27的輸出軸連接發電機28的轉 子進行發電。由於前儲氣罐18中的氣量穩定，所以發電機28輸出的電流頻率穩定，可以直 接併入電網29。 所述控制機構包括艙內控制部分與地面控制部分；艙內控制部分包括風速儀與風 向儀8、變槳距裝置2、偏航裝置11和機械剎車裝置6 ;整個機艙32坐落在塔架30的頂部， 機艙32與塔架30通過迴轉軸承12轉動連接；機艙32的頂部設有風速儀與風向儀8，風速 儀與風向儀8的輸出端分別通過導線與輔助計算機9的輸入端相連接，輔助計算機9的輸 出端通過導線分別與偏航裝置11、變槳距裝置2和機械剎車裝置6的控制端連接。根據當 時的風力和風向情況把信息傳輸給機艙32內後部上面的輔助計算機9(如圖2)，輔助計算 機9將信號匯集處理，對偏航裝置11、變槳距裝置2和機械剎車裝置6進行控制。輔助計算 機9的通訊接口通過光纖與地面控制部分的主計算機的通訊接口相連接；從主計算機可讀 取風輪葉片的所有運行數據。運行中一旦出現問題，主計算機會自動報告事件，主計算機中 的數據也進行備份保存，以便查看發生了什麼樣的錯誤。 上述地面控制部分包括前儲氣罐18的單向閥14、前安全閥15、前壓力傳感器16、 安全開關17、後儲氣罐23、安全閥22和截止閥24 ;裝設在前儲氣罐18的單向閥14、前安全 閥15、前壓力傳感器16、安全開關17及裝設在後儲氣罐23的安全閥22和截止閥24的輸 入、輸出埠通過導線與主計算機26輸入接口相連接，信息由主計算機26匯集和處理，主 計算機26監控整機所有的運行狀態，主計算機26在地面控制室的開關櫃內。主計算機26 和輔助計算機9間通過光纖達到可靠快速地交換信息。風力發電機完全實現遠程監控，從 主計算機26可讀取所有風輪數據。 空氣壓縮機IO通過輸氣管13持續給前儲氣罐18供氣，罐內的壓力可在前壓力傳 感器16上顯示，當壓力達到設定值時，需要釋放一些氣體，這時控制器就把信號傳輸給截止閥24，進行放氣減壓。後儲氣罐23的工作狀況與前儲氣罐18基本相同。所不同的是，後 儲氣罐23帶動氣動馬達25轉動，當後儲氣罐23罐內的壓力高於設定值時會通過主計算機 26將控制信號傳輸給截止閥24，截止閥24打開，洩掉一部分氣體，保證後儲氣罐23內的空 氣壓力。當達到一定的壓力後，後儲氣罐23的壓力傳感器又會把信號傳遞給主計算機26， 主計算機26發出信號給截止閥24，截止閥24關閉。 上述塔架30採用筒形塔架，材料為Q235。塔架30的底部連地基基礎34，由下法蘭 盤與地基中的螺栓相連。塔架30的頂部由上法蘭盤33連接到偏航軸承12，以承載機艙32 與風輪葉片l和輪轂31的重量。塔架的主要功能是支撐風力發電的機械部件，承受風輪的 作用力和風作用在塔架上的力(彎矩、推力及對塔架的扭力)，塔架還必須具有足夠的疲勞 強度，能承受風輪引起的振動載荷，包括起動和停機的周期性影響、突風變化、塔影效應等。 基礎34為澆注鋼筋混凝土獨立基礎，根據風電場場址工程地質條件和地基承載 力以及基礎載荷、尺寸大小其結構形式採用公知塊狀"凹"形結構。
權利要求圓通水平軸風力發電機組，包括機艙(32)、風輪機構、轉動機構和控制機構；所述機艙(32)的下面設置有塔架(30)，機艙(32)與塔架(30)通過迴轉軸承轉動連接；所述風輪機構包括三個風輪葉片(1)和輪轂(31)，三個風輪葉片(1)相互成120°，三個風輪葉片(1)的一端經變槳距裝置(2)與輪轂(31)轉動連接，風輪機構裝設在機艙(32)的前部；其特徵在於所述轉動機構包括主軸(3)、齒輪箱(5)、至少一個空壓機(10)、氣動馬達(25)、發電機(28)；主軸(3)通過軸承體(4)固定在機艙(32)上，主軸的前、後兩端分別與輪轂(31)和齒輪箱(5)的輸入軸固定連接；齒輪箱(5)的輸出軸與機械剎車裝置(6)相連接，機械剎車裝置(6)的後面與聯軸器(7)的一端相連接；聯軸器(7)的另一端與至少一個空氣壓縮機(10)轉動軸固定連接；空氣壓縮機(10)的壓縮空氣出口通過輸氣管(13)與地面上設置的前儲氣罐(18)的進氣口固定連接，輸氣管(13)置於塔架的內部；前儲氣罐(18)的進氣口通過管道與後儲氣罐(23)相連接，後儲氣罐(23)的出氣口通過無縫鋼管與氣動馬達(25)的輸入口相連接，氣動馬達(25)的輸出軸與增速器(27)的輸入軸固定連接，增速器(27)的輸出軸連接發電機(28)的輸入軸，發電機(28)的輸出端通過導線直接併入電網(29)；所述控制機構包括艙內控制部分與地面控制部分；艙內控制部分，包括風速儀與風向儀(8)、變槳距裝置(2)、偏航裝置(11)和機械剎車裝置(6)；機艙(32)的頂部設有風速儀與風向儀(8)，通過導線風速儀與風向儀(8)與輔助計算機(9)相連接，偏航裝置(11)、變槳距裝置(2)和機械剎車裝置(6)的控制端與輔助計算機(9)的輸出接口對應連接；輔助計算機(9)的通訊接口通過光纖與地面控制部分的主計算機(26)的通訊接口相連接；上述地面控制部分，包括前儲氣罐(18)、後儲氣罐(23)和主計算機(26)；裝設在前儲氣罐(18)的前壓力傳感器(16)的輸出端和單向閥(14)、前安全閥(15)、安全開關(17)及裝設在後儲氣罐(23)的安全閥(22)和截止閥(24)的控制埠通過導線與主計算機(26)對應埠相連接，主計算機(26)和輔助計算機(9)的通訊接口通過光纖相連接。
2. 根據權利要求l所述的圓通水平軸風力發電機組，其特徵在於上述單向閥(14)裝 設在輸氣管(13)與前儲氣罐(18)的連接處。
3. 根據權利要求l所述的圓通水平軸風力發電機組，其特徵在於上述前、後兩個儲氣 罐(18)和(23)之間的管道上分別設有過濾器(19)、後冷卻器(20)和油水分離器(21)。
專利摘要圓通水平軸風力發電機組，主軸的前、後端分別與輪轂和齒輪箱固定連接，齒輪箱的輸出軸經機械剎車裝置和聯軸器與空氣壓縮機連接，空氣壓縮機的壓縮空氣出口通過輸氣管與塔架底端的前儲氣罐的進氣口連接，其出氣口先後經過濾器、冷卻器、油水分離器與後儲氣罐入口連接，後儲氣罐出口與氣動馬達的輸入口連接，氣動馬達的輸出軸與增速器連接，增速器的輸出軸連接發電機，發電機的輸出直接併入電網。本實用新型造價低，省去了價格較高的變頻器，同時發電頻率穩定，可直接入網，有很大的經濟效益和市場前景，便於市場的推廣。
文檔編號F03D1/00GK201443471SQ20092001639
公開日2010年4月28日 申請日期2009年8月18日 優先權日2009年8月18日
發明者劉立權, 王金偉, 路奔, 韓樹君, 韓洋 申請人:韓樹