一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組的製作方法

2023-05-17 03:23:46

專利名稱：一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組的製作方法
技術領域：
本實用新型屬于于中、大型風電技術領域，具體是一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組。
背景技術：
現代的中型、大型風力發電機組都是採用械方式進行風能發電的，其從葉片風輪處收集風能到最後的輸出電能的流程是:風能一機械能一變速箱一發電機的模式，此模式最後輸出的電能質量差、波動幅度很大，因為沒有任何的儲能、平衡能量的手段，直接受到風速變化的影響，在併網時此種波動很大的電能很不利於電網調控，也不能夠獨立的運行。此種傳統的風力發電機組的動力傳遞模式已經發展了幾十年，其波動很大的動力輸出特性受到人們廣泛的詬病，在國家綠色能源政策的支持下，均是併網方式運行，電網方面一直都是以「垃圾電」來稱呼它。在中型和大型機組方面也因為在併網時沒有「低電壓穿越」性能，給電網電壓造成大的波動，即便是重新加裝能夠實行這個性能的設備，也是投資巨大。另外，由於葉片風輪的轉速與發動機轉速相差極大，一般大型風力發電機組的葉片轉速只有15-20轉/每分鐘，而末端的發電機轉速在1500轉/每分鐘，所以必須使低轉速動力軸功率通過變速箱變速為高轉速動力軸功率，才能夠與高速發電機匹配實現正常發電。但這是一種變速比極大的變速箱，變速比一般在1:70-1:90之間，這樣大的變速比造成了變速箱的很大問題，如此大變速比的變速箱因為低速齒輪受力太大，經常造成損壞，如果加大變速箱的傳遞功率，又會大幅度的增加變速箱的體積和重量，使整個機組上部的空中機艙總重量呈幾倍的大幅度增加，所以傳統的風力發電機組的空中部分的機艙重量都在幾十噸、上百噸，最大的甚至達到300噸(見中央電視臺2012年09月的專題報導《超級工程》中的「巨型5兆瓦風力發電機組」介紹，其頂部的機箱重量就是300噸重)，其中變速箱所佔的比重大約佔到整個空中機艙的1/3重量，如此大的重量懸頂在一個並不特別粗的鋼筒上，在大自然變化莫測的風力的情況下無疑是十分不安全的，不但成本大幅度的增加，也給製造、安裝帶來了極大的麻煩和難題。

實用新型內容為了解決上述技術問題，我們通過參考、研究大量的類似範圍的風力發電機液壓傳遞功率方式，並且通過大量的實際試驗、創新和實用新型，提出了智能型超大功率液力傳遞動力系統概念，這是一種集成化了的全新概念的液壓系統，與傳統液壓技術完全是兩個不同的技術範疇，這種超大功率可以精密、快速調節的新型的液壓技術，不但徹底摒棄了以機械設備方式「傳遞硬性功率」的風力發電機組的老做法，不但提高了整個機組的效率，而且大幅度的減輕了機箱的重量降低了成本，下面是本實用新型的詳細內容:一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，包括葉片風輪，其特徵在於所述葉片風輪與智能型超大功率液力傳遞系統連接，智能型超大功率液力傳遞系統與發電機連接。所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述智能型超大功率液力傳遞系統包括低速超大功率液力增壓器、氣壓儲能罐、飛輪儲能穩速器、液壓馬達和微處理計算機。所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於葉片風輪與低速超大功率液力增壓器連接，低速超大功率液力增壓器與氣壓儲能罐並聯旁通連接，氣壓儲能罐與液壓馬達並聯連接，液壓馬達與飛輪儲能穩速器軸連接，飛輪儲能穩速器與發電機軸連接，葉片風輪與低速超大功率液力增壓器之間、低速超大功率液力增壓器與氣壓儲能罐之間、氣壓儲能罐上以及液壓馬達上分別設置有探測頭，所述探測頭分別與微處理計算機的輸入端連接，氣壓儲能罐上、低速超大功率液力增壓器與氣壓儲能罐之間、氣壓儲能罐與液壓馬達之間分別設置有執行電磁閥，所述執行電磁閥分別與微處理計算機的輸出端連接。所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述低速超大功率液力增壓器工作的轉速範圍是5-20轉/每分鐘，其輸出功率範圍是20-2000 千瓦。所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述氣壓儲能罐是一個鋼製圓柱形罐體，其容積是0.2-5立方米，氣壓儲能罐中的上部為純度為99%的氮氣，氮氣所佔的容積為整個罐體容積的1/2-1/3，氣壓儲能罐中的下部是液體，如液壓油、酒精、防凍液、純水、乳化液等，優選液壓油，氣壓儲能罐的工作壓力範圍是5-15兆帕，儲存能量範圍是50-2000千瓦/每分鐘功率。所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述飛輪儲能穩速器是一個外圓直徑為800-1200毫米、寬度為30-40毫米的幅板型飛輪，由重量為800-2000公斤的鑄鐵材料製成，儲存能量範圍是50-200千瓦/每分鐘功率，飛輪儲能穩速器對動力輸出軸上的波動功率自動即時進行精密調整，達到總功率波動率 4立方分米/每秒鐘/I兆帕的體積/時間/兆帕速率的數量關係進行及時的調節，才能夠達到精密的大功率控制。而本實用新型這種氣壓儲能鋼罐能夠承受的最大壓力是45兆帕(450公斤/平方釐米)，工作時的壓力僅是最大承壓的1/3，即15兆帕(保證了安全性)，在5-15兆帕的功率調節中，可以在一分鐘內調節50-200千瓦的功率能量，所以在50-200千瓦的風力發電機組中是非常適用的。三、飛輪儲能穩速器:在液壓油到達「油馬達」時，液體中的壓力能量通過油馬達轉換為機械性的軸功率輸出能量與發電機連接，產生電能，在油馬達與發電機連接之間，我們加裝了一個大型飛輪，因為飛輪具有儲能、穩壓、穩速特點，此技術也是一個最成熟的實用技術，具有結構簡單、成本低廉、安全長壽、效果特別好的特性，我們在此處加裝的這個飛輪，其轉速也是通過微處理計算機控制和調節的，因此能夠將功率的波動幅度得到極大的減少，可以做到總功率的波動範圍在=1%。四、微處理計算機控制技術:我們在傳統的液壓傳遞技術的基礎上，加上了微處理計算機控制技術，使之成為一種全新的精密液壓調節傳遞技術，不但可以保留原先傳統液壓技術的優點，更加是使傳統液壓技術有了本質上的改變。本實用新型對傳統的風力發電機組本質結構上的巨大改變，首先是不再使用硬性的機械傳遞動力的模式，而是以具有柔性儲能並且有調節特點的液力傳遞技術，使動力的傳遞有了本質的改變，不但使結構更簡單，如:再不需要問題多多的變速箱了，同時可以通過精密的功率調節，使風力發電機組的風能利用效率得到大幅度的提高，輸出的電能是十分平穩而且是可以調整的。利用這種精密可控的液壓傳遞技術，更可以使發電機發出的電能呈現出「平穩、可調」的狀態，這種狀態是電網特別歡迎的和諧的電能，應該稱呼為「黃金電」，由於是通過微處理計算機控制的電能，又有氣壓儲能控制和飛輪儲能穩速作用，所以從根本上杜絕了併網中的低電壓穿越問題。另外、在一些對轉速要求不高的場合，如:抽水、碾米、魚塘增氧、粉碎機等諸多的場合，均可以以離網方式進行獨立的運轉，也為風能的廣泛利用提供了一種新的方式。本實用新型突破了傳統液壓技術傳遞功率小，不能隨時進行高精度調節較大的功率，如:傳遞幾十千瓦、幾百千瓦、幾千千瓦，在解決了大功率液力增壓器的基礎上，通過微處理計算機方式進行全程控制，設置在微處理器中的程序自動進行自動、超快速的動態控制，既簡化了結構、降低了成本，又達到最好的控制效果，相比傳統的液壓技術，這是一個本質的飛躍，更是一種全新概念的智能液力傳動技術。本實用新型因為結合了現代的計算機控制技術、氣壓儲能技術和飛輪穩速技術，更採用了低速超大功率液力增壓器，極大的改善了傳統的液壓技術的原先性能，也可以說是創新了一種新型的、高智能、超大功率特性的、應用廣泛的液力傳遞技術，在中、大型風力發電機組上使用此項技術，不但大幅度降低了成本、簡化了結構，提高了機組的風能利用效率，也大幅度的提高了風力發電機組的電能輸出特性，比原先的機械方式傳遞風電功率超越了很多，不但有良好的併網和諧性能，還有良好的低電壓穿越性能，同時也表現出良好的離網獨立運行特性。

圖1是本實用新型的結構原理圖；圖2是本實用新型的氣壓儲能罐的結構示意圖；圖3是本實用新型的氣壓儲能罐的穩壓狀態圖；圖4是本實用新型的氣壓儲能罐的輸出功率狀態圖；圖5是本實用新型的氣壓儲能罐的吸納功率狀態圖；圖中，I一葉片風輪；2—低速超大功率液力增壓器；3—微處理計算機；3.1—探測頭；3.2一執行電磁閥；4一氣壓儲能;4.1一氮氣；4.2一液壓油；5—液壓馬達；6—飛輪儲能穩速器；7—發電機。
具體實施方式
實施例150千瓦全程功率液壓式低風速風力發電機組:風輪直徑:18米；迎風面積:(掃掠面積):254.34平方米(取值:每平方米200±10%瓦風能密度)；輸出功率:50千瓦(風速=8m/s ;4_5級風時)；葉片形式:翼型NACA4418低風速型翼型；葉片數量:3片；設計額定風速:8m/s (4-5級風)；額定功率:50千瓦(最大85千瓦)；實際功率範圍:3-7m/s風速(2 級風)時輸出10_30千瓦功率；8m/s風速時輸出50千瓦功率；14m/s風速時輸出85千瓦功率；啟動風速(切入風速):≤ 3m/s ；工作風速:3-20m/s ； (14m/s風速以上時由液壓機構進行漿葉順漿和剎車動作，20m/s時風輪通過液壓系統進行偏航停機)風輪轉速:風輪轉速30-60轉/每分鐘；液壓低速增壓器轉速:25-80轉/每分鐘；輸出液壓功率:20_90千瓦；液壓油壓力:5-15兆帕；液壓馬達功率:含100千瓦；液壓馬達轉速:100-200轉；[0047]配套發電機轉速:100-200轉；實施例:2200千瓦全程功率液壓式低風速風力發電機組:風輪直徑:38米；迎風面積:(掃掠面積):1017.36平方米(每平方米200 ±10%瓦風能密度)；輸出功率:203.5千瓦(風速=8m/s ;4_5級風時)；葉片形式:翼型NACA4418低風速型翼型；葉片數量:3片；設計額定風速:8m/s (4-5級風)；額定功率:203.5千瓦(最大350千瓦)；實際功率範圍:3-7m/s風速(2 級風)時輸出50_90千瓦功率；8m/s風速時輸出203千瓦功率；14m/s風速時輸出350千瓦功率；啟動風速(切入風速):≤ 3m/s ；工作風速:3-20m/s ； (14m/s風速以上時由液壓機構進行漿葉順漿和剎車動作，20m/s時風輪通過液壓系統進行偏航停機)風輪轉速:風輪轉速20-40轉/每分鐘；液壓低速增壓器轉速:25-80轉/每分鐘；輸出液壓功率:200-390千瓦；液壓油壓力:5-15兆帕；液壓馬達功率:200千瓦-390千瓦；液壓馬達轉速:100-200轉；配套發電機轉速:100-200轉；以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的獨特性和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，包括葉片風輪(1)，其特徵在於所述葉片風輪(I)與智能型超大功率液力傳遞系統連接，智能型超大功率液力傳遞系統與發電機(7)連接。
2.如權利要求1所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述智能型超大功率液力傳遞系統包括低速超大功率液力增壓器(2)、氣壓儲能罐(4)、飛輪儲能穩速器(6)、液壓馬達(5)和微處理計算機(3)。
3.如權利要求2所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於葉片風輪(I)與低速超大功率液力增壓器(2)連接，低速超大功率液力增壓器(2)與氣壓儲能罐(4)並聯旁通連接，氣壓儲能罐(4)與液壓馬達(5)並聯連接，液壓馬達(5)與飛輪儲能穩速器(6 )軸連接，飛輪儲能穩速器(6 )與發電機(7 )軸連接，葉片風輪(I)與低速超大功率液力增壓器(2)之間、低速超大功率液力增壓器(2)與氣壓儲能罐(4)之間、氣壓儲能罐(4)上以及液壓馬達(5)上分別設置有探測頭(3.1)，所述探測頭(3.1)分別與微處理計算機(3)的輸入端連接，氣壓儲能罐(4)上、低速超大功率液力增壓器(2)與氣壓儲能罐(4)之間、氣壓儲能罐(4)與液壓馬達(5)之間分別設置有執行電磁閥(3.2)，所述執行電磁閥(3.2)分別與微處理計算機(3)的輸出端連接。
4.如權利要求2所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述低速超大功率液力增壓器(2)工作的轉速範圍是5-20轉/每分鐘，其輸出功率範圍是20_2000千瓦。
5.如權利要求2所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述氣壓儲能罐(4)是一個鋼製圓柱形罐體，其容積是0.2-5立方米，氣壓儲能罐(4)中的上部為純度為99%的氮氣，氮氣所佔的容積為整個罐體容積的1/2-1/3，氣壓儲能罐(4)中的下部是液體，如液壓油、酒精、防凍液、純水、乳化液等，優選液壓油，氣壓儲能罐(4)的工作壓力範圍是5-15兆帕，儲存能量範圍是50-2000千瓦/每分鐘功率。
6.如權利要求2所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述飛輪儲能穩速器(6)是一個外圓直徑為800-1200毫米、寬度為30-40毫米的幅板型飛輪，由重量為800-2000公斤的鑄鐵材料製成，儲存能量範圍是50-200千瓦/每分鐘功率，飛輪儲能穩速器(6)對動力輸出軸上的波動功率自動即時進行精密調整，達到總功率波動率< 1%。
7.如權利要求2所述的一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，其特徵在於所述微處理計算機(3)根據風力發電機功率輸出情況的大小，對產生的液體壓力、流量進行及時的探測採樣、運算放大、並且給出動作信號、輸出控制信號，控制伺服單元的執行系統即時執行電磁閥動作，對整個液壓系統進行隨時、快速、精密、大功率調節，達到高標準輸出總功率的性能，使功率的波動範圍在1%以內。
專利摘要本實用新型提供了一種智能型超大功率液力傳遞動力的低風速風力發電機組，包括葉片風輪，其特徵在於所述葉片風輪與智能型超大功率液力傳遞系統連接，智能型超大功率液力傳遞系統與發電機連接。本實用新型不但大幅度降低了成本、簡化了結構，提高了機組的風能利用效率，也大幅度的提高了風力發電機組的電能輸出特性，比原先的機械傳遞風電功率方式超越了很多，不但有良好的併網和諧性能，還有良好的低電壓穿越性能，同時也表現出良好的離網獨立運行特性。
文檔編號F03D9/02GK203009171SQ20122055416
公開日2013年6月19日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者俞海鍵, 毛華 申請人:浙江日月昇科技有限公司