CN101915216A - 高效的矩阵式风力发电机 - Google Patents

Abstract

现有大功率风力发电机采用三叶片单涡轮，叶片巨大，强风状态产生很大风载，变的难以控制，变的不稳定，特别是海上风电机容易造成脱网和故障，并会受到台风破坏。而本发明采用小叶片涡轮，可以完全避免强风载，为了提高风电机的风能获取量，本风力发电机采用无数个小叶片涡轮形成立体矩阵式安装。风电机骨架上水平排列有无数个涡轮轴，每个涡轮轴上又串联有无数个小叶片涡轮，风电机所获取的风能是每个小叶片涡轮获取风能之和，获取风能是立体的，效率比现有风电机提高数倍。特别适合制作海上大功率抗台风型风力发电机使用，可以避免台风的破坏，大幅提高发电效率，降低制作和安装成本，维护费用少，将为我国开发海上风电作出巨大贡献。

Description

高效的矩阵式风力发电机

所属技术领域：

本发明涉及一种新型风力发电装置。现有大功率风力发电机采用三叶片单涡轮，叶片很巨大，强风状态产生很大风载，很容易造成风电机不稳定和损坏，特别是作为海上风电机，很容易遭到台风的损坏，并且现有风电机叶片窄长，三叶片受风面积很小，所以风电机的风能获取效率很低，造价昂贵，维护费用很高，不利于风电机的推广普及，也严重阻碍了风电产业的发展。而本风电机采用无数个小风叶涡轮形成立体矩阵式安装，一个风电机上安装有无数个涡轮轴，一个涡轮轴上又串联有无数个小涡轮，风电机获取的风能是无数个小涡轮获取风能之和，它所获取的风能是立体的；而现有风电机只能获取叶片平面的风能，并且叶片受风面积很小，大部分风能都会被浪费掉；因此，本发明风电机获取风能的效率将比现有风电机提高数倍，可大幅提高风电机的发电能力。由于小叶片涡轮可以完全避免高风载，无数个小涡轮受到的风载是分散均匀的，不会对风电机造成冲击破坏，可以大幅提高风电机的抗风能力。这种新型风电机不但适合在陆地使用，大幅提高风电场的发电量，更适合开发抗台风的海上大功率风力发电机，彻底解决台风对风电机造成的破坏威胁，为我国开发海上风能提供技术保证。这种新型风电机制作和安装成本也较低，维护费用也很少。是一种新型高效的低成本风力发电机，具有很好的使用推广价值，将为我国和世界风能资源的开发作出巨大的贡献。

背景技术：

风能是最具有开发价值的新能源，风能是分布最广，离我们最近，取用最方便的无污染的清洁能源，用好风电对减少碳排放，改善环境意义重大。风能也是储量巨大的新能源，风能取之不尽，用之不竭，并具有相对最低的开发成本，所以风电的发展应该作为新能源发展的重点。

我国有丰富的风能资源，我国在“三北”(西北、东北、华北)地区在建的有6个千万千瓦级风电基地，经过近几年的高速发展已初具规模，但存在的问题也突出的表现出来，装机容量大，而发电量低；并网稳定性没有保证，造成并网难题；投资成本大，维护费用高，造成经营困难。我国风电产业需要扶持，需要补贴，否则将难以生存，急需技术突破和技术保证。

我国有很长的海岸线，海上风电开发已悄然兴起。海上风电技术一直都是国外研发的重点，由于欧洲没有台风的威胁，所以，现有风电机并不具有抗台风性能，但海上气流的变化很强，对风电机的破坏也是不能低估的，欧洲在开发海上风能的过程中也遭受了巨大的损失。这些经验教训必须引起我们的重视，我国沿海每年都有数次台风的袭扰，风电机所面对的气候环境要比欧洲更加恶劣。但是在抗台风技术上始终没有重大突破，叶片技术和控制技术也没有重大改进，只是采用陆地风电机的加强版，其抗台风性能令人担忧。2003年13号台风“杜鹃”，2006年1号台风“珍珠”和8号台风“桑美”分别造成了广东汕尾红海湾风电场，南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。虽然台风对风能的开发造成了很大的威胁，但仍不能阻挡人们开发海上风电的热情，海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，从而使海上风力发电技术成为最近的研究和应用热点。中国海上风能资源储量远大于陆地风能，储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW，而且距离电力负荷中心很近。如果能够得到有效开发，将对我国经济发展提供有力保障，也为节能减排的目标作出贡献。目前海上风电开发有两大难点，一是风电机的稳定性和安全性没有保障。二是海上建风电场投资很大，成本很高。

下面就目前最先进的风力发电技术作简单介绍，目前主流风电机组都采用横轴式逆风型三叶片结构。偏航技术、变浆距技术和大叶片的制造技术是目前大功率发电机组的核心技术。偏航技术就是利用风向测试装置、电子控制装置和机械传动装置，控制风力发电机沿水平方向转动，使风轮始终面向着来风的方向，以获取最大的风能。变浆距技术就是利用风力测速装置、电子控制装置和机械传动装置控制浆叶沿纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的能量输出，变浆距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全。现有叶片是参照直升飞机螺旋桨结构进行设计，目的是为了实现调速和稳速的功能，大功率风力发电机的叶片都很巨大，现有的2MW发电机组叶片达60米，重量达十几吨。叶片采用高强度玻璃钎维或高强碳纤维制作，具有升阻高、动态特性好、韧性强，使用可靠，不变形，重量轻，性能优良。巨大的叶片要保证在50～60m/s的强风速下，不能折断，不能有太大变形，所以设计难度和制造难度都很大，成本很高。但巨大的叶片在强风的作用下，就会产生巨大的风载，对风电机的稳定性和安全性造成很大威胁。

我们通过简单的量化计算来说明这个问题。在高风速状态下，随着风速增大，叶片的空气动力性能会越来越强，不但不能起到稳定转速的作用，反而给风电机的稳定和安全带来威胁，我们以1.5MW风电机为例进行说明，设计风速为13m/s，产生的能量为1.5MW，可转换为152958kgf·m/s，核算在叶片上的风载可达百吨。若12级台风的平均风速为34m/s，而风的能量与风速的关系是三次方的关系，那么在台风状态下叶片产生的风载将达千吨以上，这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能，但任何控制系统都存在滞后性，不可能及时完全卸载。强风载对风电机造成的破坏是很严重的，特别是机械系统，往往造成变速装置、轴承、主轴的损坏，造成很高的维护费用。强风载也是造成沿海风电机不稳定、安全性无法保障的最根本原因。为了改善风电机的稳定性和安全性，现在风电机向变转速直驱方式发展，省掉了变速装置，避免了变速装置的损坏，但叶片的高风载和控制系统的滞后性仍然存在，这种治标不治本的方式只是解决了故障发生的部位，并不能解决根本问题，叶片强风载造成的冲击电流仍然会影响并网的稳定性，强大的风载也是风电机无法承受的，仍然会造成破坏。

下面对风电机的控制系统进行分析，叶片的高风载是造成风电机不稳定和破坏的外因，则控制系统的滞后性是形成问题的内因。现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置构成，我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的，我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90°变化是经常发生的，偏航装置和变浆矩装置的响应速度若是1°/秒，90°就需要90秒的调整时间，在这么长的调整过程中，风轮叶片所受的风力角是完全不同的，也就是叶片所受的风力是变化的，必然造成风轮转速的不稳定，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风电机解网，造成电网的不稳定。这种调节的滞后性在强风暴的气候条件下，往往会造成严重的后果，在高风速情况下叶片处于顺浆位置，若风向发生90°变化，就会使叶片完全处于大面积受风的状态，使叶片受力突然增大，叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击，巨大的风载也会对偏航装置造成冲击，造成偏航装置的损坏，叶片也有可能被折损坏。

从理论上讲进口风电机组的运行风速达50～60m/s，12级飓风的风速平均是34m/s，也就是说风电机组可以在任何狂风暴雨中运行，强度还有富余。但事实却是残酷的，2003年13号台风“杜鹃”，2006年1号台风“珍珠”和8号台风“桑美”分别造成了广东汕尾红海湾风电场，南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。从风电机组电子控制上来讲，当风机处于狂风状态时，可以自动调节风轮叶片自动卸载，使叶片与风向平行，这样叶片受到风的作用力最小，也就抵抗了风的破坏作用。但风电机在台风中损毁，说明风电机叶片的强风载和控制系统滞后性所造成的严重后果。

所以，我们要解决抗台风问题，就必须解决高风载问题和控制系统的滞后性问题。而现有叶片的高风载是无法改变的，巨大的叶片决定了高风载的特性，仅靠改进无法改变高风载特性。我们现在应该做的就是彻底改变叶片结构，彻底改变风电机的结构，只有改变叶片高风载的破坏力，才能保证风电机的稳定和安全，才能解决风电机的抗台风问题。还有控制系统的滞后性问题，将控制系统改的更灵敏是不是就可以改变滞后的问题？答案是否定的。搞风电研究的人对风向标都非常熟悉，自然界中风向的变化是很快的，风电机很庞大，不可能在短时间完成调整过程。反而言之，就是我们做到了很灵敏，偏航装置和变浆矩装置在台风中不停进行调整工作，长时间的超负荷运转，会造成控制装置的发热，发热就会导致控制装置自动停机，变桨距装置担负着叶片的卸载功能，如果停止工作，叶片就会受到强大风载的作用，并对风电机造成强烈冲击，造成风电机的损坏。如果不停机，控制装置就会发热烧毁，导致叶片控制失灵，失去卸载功能，最终仍然使风电机遭到冲击破坏。所以，在风速和风向变化很大的情况下，任何的控制系统都是对风电装置的束缚和限制，最好的办法是顺其自然，靠风力自动调整风向，这样的调整才最准确、最平稳，受到的风力也会最小。

还有风电机发电效率低也是需要改进的地方，现有叶片参照直升飞机螺旋桨结构进行设计，具有很好的空气动力性能，并非风推动风轮叶片，而是风吹过叶片正反面形成的气压差产生升力，在低风速情况下，叶片产生的升力很小，就像飞机速度低没有升力一样，所以现有风电机微风发电性能较差。我们利用数据进一步说明叶片性能和风能利用率的关系，我们对运行数据进行分析，当风速小于6m/s时，风能利用系数小，空气动力性能弱，当风速在8m/s左右时，风能利用系数变大，说明叶片的空气动力性能已发挥作用，当风速大于10m/s以上时，风能利用系数不断减小，也就是叶片的变桨距装置开始动作，随着风速的增高，变桨距在不断减小叶片的空气动力性能。根据以上分析就可以得出这样的结论：在低风速时，叶片的空气动力性能作用不大，在高风速时，我们又限制空气动力性能的作用，也就是说我们精心设计的具有优良空气动力性能的叶片，实际上并没有发挥太大的作用。

发明内容：

从以上对现有风力发电机存在问题的分析，我们可以清楚的认识到叶片的强风载和控制系统的滞后性是造成风电机不稳定和严重损毁的主要原因，风电机发电性能低也是需要改进的。本发明就是通过改变叶片结构，改变风电机结构，提高风电机的稳定性、提高抗台风能力、提高发电效率、降低风电机成本。

本发明属于一种横轴式顺风型风力发电机，涡轮位于发电机的后方，最大的特点就是风电机头部采用框形骨架，骨架的前方安装发电机，骨架的后方水平安装有无数个涡轮轴，这些涡轮轴平行排列，涡轮轴较长，每个涡轮轴上串联有多个涡轮，无论从风电机的正面看，还是从侧面看，都排列有多个风叶涡轮，涡轮在风电机上就好像形成了一个涡轮矩阵，所以称为矩阵式风力发电机。这种风力发电机每个涡轮轴上可以连接一个发电机，也可以几个涡轮轴通过齿轮或皮带并联，然后连接一个发电机，这样可以降低风电机成本。涡轮轴固定在框形骨架上，框形骨架又安装在圆柱形支架上。框形骨架可以在支架上转动，支架起到转轴的作用，当矩阵涡轮体受到风力时，在支架的拉力作用下，矩阵涡轮体始终位于支架的后方，这样就起到调整风向的作用，可以保证叶片涡轮体的正面始终向着来风方向，以保证风电机获取最大风能。这种矩阵式风力发电机具有很好的抗台风性能，并克服了现有单涡轮风电机风能获取效率低的缺点，没有昂贵的大型叶片，也没有昂贵复杂的偏航系统和变浆矩系统，可以大幅降低风电机制造成本，降低故障率，降低维护费用，对风电机的推广普及意义重大，这种风电机不仅适合陆地，更适合作为海上抗台风型风电机使用，将为我国开发海上风电作出巨大贡献。

第一、采用小型叶片涡轮串联，提高抗风强度，降低叶片成本

随着大型风电机组由千瓦级向兆瓦级发展，叶片的长度也越来越长，这些超长超大的叶片强刚性能要求很高，所以造价和成本高昂，仅叶片的成本就占整台机组成本的20％以上，叶片的生产制造工艺非常复杂，要求也很高，大型设备和大型模具投资都很大，高额的成本非常不利于风电机的推广。从前面分析可知，大型叶片带来的巨大风载是造成风电机不稳定和强破坏性的罪魁祸首，严重影响了风电机的正常使用，带来高额维护费用也是风电产业无法承受的，特别是沿海风电机会受到台风的严重损毁，造成的损失是巨大的。为了保证风电机的稳定和安全，必须从结构进行改进。采用小型叶片涡轮是提高抗台风性能的最有效方法，小型叶片涡轮又有获取风能效率低的缺点，为了克服这个缺点，我们可以采用增加叶片涡轮数量的方法提高风能获取效率。采用数个小叶片涡轮进行串联，每个小叶片涡轮都可以获取风能，这个涡轮组获得风能就是各涡轮风能之和，这样可以大幅提高叶片涡轮组的风能获取效率。为了能更多的获取风能，可以采用无数个小涡轮组横向和竖向排列，小涡轮组的排列可以是矩形，也可以是三角形或多边形，风电机的受风面积是每个小涡轮组扫风面积之和，这样可以大幅提高风电机的受风面积，可以大幅提高风能获取量。小型叶片制造容易，重量轻，成本低，质量容易保证，可以大幅降低叶片制造成本，对风电机的推广普及意义重大。当遇到台风时，由于小叶片涡轮受风面积很小，所受风载也很小，可以保证叶片不会在台风中损坏，风电机有无数个小叶片涡轮，它们所受风力是分散均匀的，不会对风电机造成冲击破坏，可以大幅提高风电机的抗台风能力，大幅降低维护费用。

第二、提高叶片涡轮转速，增加叶片涡轮数量，提高风能利用率

发电机的转速一般都较高，为避免齿轮箱过大，就希望风叶涡轮有尽可能高的转速，叶片宽度、叶片数与转速成反比。为了提高叶片涡轮的转速，每个叶片涡轮采用二叶片结构，小叶片型面，保证涡轮受力平衡，保证涡轮有较高的转速。但叶片宽度减小、叶片数减少会减小风能获取量，所以仍采用无数个小叶片涡轮串联的方法提高涡轮组的风能效率。涡轮轴较长，每个涡轮轴安装涡轮的数量在两个以上，应根据轴的强度安装尽可能多的涡轮，为了减小前面涡轮气流扰动对后面涡轮的影响，各涡轮之间分开一定距离，并且相邻涡轮的叶片位置沿径向错开，这样可以提高每个涡轮获取风能的效率，涡轮的数量和密度也不能太大，一般在5-10个左右，数量太多会造成后面涡轮获得风能太少，反而增加成本。多个涡轮的串联，可以大幅提高涡轮扫风面积的风能获取量，使风能获取量低的矛盾迎刃而解。这样即提高了涡轮转速，又提高了风能的获取量。可以采用小型齿轮箱或省掉齿轮箱，这对提高传动效率有积极作用，并可以降低成本。无数个涡轮的串联，较高的涡轮叶尖速比，对提高风能获取效率非常有利，并简化了传动装置，可以大幅提高风能的获取效率。

第三、利用结构特点，实现风电机在风力作用下自行调整迎风面

现有风电机控制系统的滞后性也是造成沿海风电机在台风中损毁的根本原因。在风速和风向变化很大的情况下，任何的控制系统都是对装置的束缚和限制，最好的办法是顺其自然，靠风力自动调整风向，这样的调整才最准确、最恰当，受到的风力也会最小。

本发明完全省掉了偏航装置和变浆矩装置，风电机的调整风向是靠风力作用完成，不会存在滞后性，也不会存在故障，并使结构得到简化，成本得到降低。风电机采用圆柱形支架，即起到支承作用，也起到转轴作用，支架上安装有用于固定发电机和涡轮轴的框形骨架，框形骨架的中心线与圆柱形支架的中心线相重合，并可以自由转动，框形骨架的前方安装发电机，框形骨架的后方安装涡轮轴和涡轮，涡轮轴的数量较多，安装涡轮轴时，根据数量按框形骨架中心线对称安装，涡轮轴的安装排列可以是矩形，也可以是三角形或多边形。涡轮轴较长，每个涡轮轴安装涡轮的数量较多，涡轮在圆柱形支架的后方形成一个长条形矩阵，涡轮所受风载的中心也就是矩阵的中心。当风从正面吹来时，支架的中心线与矩阵式涡轮风载中心在风向上是重合的，支架的拉力抵消了风载力，矩阵式涡轮的受力保持平衡。当风向改变时，风从矩阵式涡轮的侧面吹来，矩阵式涡轮所受风载力的方向与支架拉力方向不重合，风载力产生偏转力矩，推动矩阵式涡轮体绕支架轴转动，直到风载力的方向与支架拉力的方向相同，重新达到受力平衡，这样就保证了矩阵式涡轮体始终与风向一致，也就保证了涡轮体每一个涡轮始终向着风吹的方向，从而获取最大风能，这样就实现了风机自动调节迎风面的要求。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的四轴矩阵式风力发电机主视图。

图2是本发明的四轴矩阵式风力发电机A向视图。

图3是风电机矩阵式涡轮体所受风力示意图。

图中1、发电机，2、框形骨架，3、叶片涡轮轴，4、叶片涡轮，5、连接杆，6、支架。

图1和图2可以直观地显示本发明的主要结构，图中(2)为框形骨架主要起连接固定发电机(1)和涡轮轴(3)的作用，框形骨架(2)连接在支架(6)上，框形骨架中心线与支架中心线重合，并可在支架上自由转动。涡轮轴(3)位于发电机的后方，通过轴承固定在框架上，并与电机轴相连，本图中有5个小叶片涡轮(4)固定在涡轮轴上，叶片涡轮(4)为2叶片结构，每个涡轮之间叶片的位置沿径向错开45°，图2为正面视图，这样可以减小涡轮之间的影响，提高每个涡轮的风能获取效率，涡轮在风的吹动下转动，带动涡轮轴和发电机转动，每个涡轮组获得风能是各涡轮获得风能之和。图1中(5)是方框形连接杆，保证涡轮轴之间的距离不变，保证涡轮之间不会相碰。图3是风电机矩阵式涡轮体所受风力示意图，来说明风电机调整风向的原理，图中N点为矩阵式涡轮体的风载中心，当风向改变，风从侧面吹来，矩阵式涡轮体所受风力为F，支架的轴向拉力为L，其合力为M，合力M产生扭矩，带动矩阵式涡轮体绕支架轴心0转动，当支架中心0和风载中心N重合时，风载力F和轴向拉力L相互抵消，矩阵式涡轮体保持稳定，这样就实现了调整风向的作用。

Claims (1)

1.本风力发电装置由发电机、支架、风叶涡轮等主要部件构成，属于顺风式风力发电装置，风叶涡轮位于发电机后方，与现有技术不同的是，现有风力发电机采用三叶片单涡轮，而本风力发电装置采用无数个小风叶涡轮形成立体矩阵式安装。其结构特点是风电机头部采用骨架结构，骨架与支架相连，并可绕支架轴转动，骨架上安装有发电机和风叶涡轮，最大的特点是骨架上水平安装有两个以上的风叶涡轮轴，涡轮轴平行排列，无数个涡轮轴的排列可以是矩形，也可以是三角形或多边形，按支架的轴心线对称安装，每个风叶涡轮轴上串联安装有两个以上的风叶涡轮，无数个风叶涡轮在风电机的后方排列，无论从风电机的正面看，还是从侧面看，都排列有两个以上的风叶涡轮，矩阵式形容风叶涡轮很多，所以称为矩阵式风力发电机。

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