CN102265028B - 用于发电的带有能量耗散的液压传动系 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于发电的带有能量耗散的液压传动系。本公开特别适合于风力驱动实施例，其中输入功率可以快速波动。液压泵设置在风车的机舱中并且由风力涡轮机轴提供动力。该液压泵将高压油提供给典型地位于地面高度的发电机。压力溢流阀保护发电机免于受到高压油高峰的影响。地面高度上的电泵将油提供给机舱中的液压泵或将油增压到机舱中的液压泵。

Description

用于发电的带有能量耗散的液压传动系

本申请要求2009年1月5日提交的美国临时申请序列号61/204,288的依据35U.S.C.§119(e)的优先权，特此通过引用将该美国临时申请的公开内容结合在本文中。

技术领域

本公开涉及一种用于驱动由风力、水力或类似能源驱动的涡轮机的液压传动系(drive train)和相关构件。液压传动系吸收赋予给它的过多能量，并将其耗散为热量。这进一步允许多个较小的发电机得到使用，而不是单个大发电机。

背景技术

在用风力或类似能源发电的现有技术中，其中一个重大的挑战是使由风力或水力驱动的输入轴的可变的且典型地为较低的速度与发电机所要求的高速度相匹配。在过去典型的方法是使用变速箱来机械地执行该功能。使用变速箱或类似机械装置的现有技术可以在以下文献中找到：2006年7月4日授予Mikhail等人的名称为“Distributed Power Train(DGD)with Multiple Power Paths”的美国专利第7,069,802号；2006年3月7日授予Sanderson的美国专利第7,007,589号；2004年5月4日授予Mikhail等人的名称为“Distributed Power Train that Increases Electric Power Generator Density”的美国专利第6,731,017号；1999年12月7日授予Khan等人的名称为“Hydrostatic Drive Train Controller”的美国专利第5,996,342号；1986年4月29日授予Lund的名称为“Wind Turbine with Multiple Generators”的美国专利第4,585,950号；以及2003年7月24日公开的Fox等人的名称为“Metering Pump with Proportional Output”的美国专利申请第2003/0138331号。

其它现有技术包括2007年8月9日公开的名称为“Turbine with Constant Voltage and Frequency Output”的共同发明和共同受让的美国 专利申请第2007/0182273号。

另外，诸如在风力或其它能源的速度大于发电机能够处理的速度时，对过多功率的处理必须得到解决。发电机可能被过驱动从而缩短发电机的寿命。来自处于过驱动的发电机的功率继而会在对电网的输出功率中引起高峰。另外，过多功率可能会使变速箱提早失效。此外，由于机器的尺寸已经增大，所以变速箱和发电机的尺寸和重量也已经大大地增大。

发明内容

因此本公开的一个目的是提供一种用于向涡轮机提供动力的传动系，其中液压系统中的过多能量能够被耗散为热量。

因此本公开的另一目的是提供一种用于向涡轮机提供动力的传动系，其中后端发电机典型地彼此机械地去耦(decoupled)并且与输入轴机械地去耦。

这些及其它目的是通过提供一种发电系统来实现的，在所述发电系统中，风力驱动构件或类似能源驱动的构件将能量通过液压传动系传送到涡轮机。液压流体或油以足够的量收容在储液器中以便为各构件提供动力源并耗散产生的热量。在开放式回路配置中，液压流体或油在经过整个回路之后返回到储液器。

当前的液压系统配置具有位于地面高度的主系统和位于风塔中的直接连接到风力涡轮机轴的液压泵。这意味着液压流体或油需要从地面高度向上泵送到塔上的液压泵。这种做法通常被称为对泵吸入口增压。

假定风有足够的速度并产生足够的扭矩使涡轮机轴转动，则电动机将转动并把油泵送到定向歧管块。所述块内的定向阀开始和停止流体去往与各发电机一一对应地直接耦合的液压电动机的流动，从而提供电功率。比例流量控制阀被用来调节液压电动机速度并使发电机保持以适当的每分钟转数运行以便在期望的参数内产生电功率。在该点，油然后通过返回过滤器被返回并被引导回到储液器。

比例流量控制阀使得能够精确地控制发电机并将过多能量作为热量释放。

附图说明

根据下面的说明以及附图，本公开的另外的目的和优点将变得明显，其中：

图1A-1D是本公开的装置的示意图。

图2A-2B是本公开的装置的控制结构的示意图。

具体实施方式

现在详细参考附图，在附图中，同样的附图标记在这几幅图中将始终表示同样的元件，从图1中可以看出，系统10包括油或液压流体的储液器或罐12，储液器或罐12包括整个图1中的各种排出端口14和进入端口15。储液器12在图1中被图解为与各种端口14、15相关，而未被图解为单体元件。系统10典型地被配置为开放式回路(open loop)系统。油以足够的量被收容在储液器12中以便为各种构件提供动力源并耗散产生的热量。在开放式回路配置中，油在经过整个回路之后返回到储液器。储液器12的尺寸典型地是系统10所要求的每分钟最大加仑的2.5-3.0倍。典型的储液器尺寸是500加仑，但是本领域技术人员在研究了本公开之后将会认识到的是，不同的实施例可能会要求不同的储液器容量。

风力涡轮机20和液压泵30位于风塔24顶部的机舱22中，而大部分剩下的构件被设置在地面上或远离风塔24。通过将构件设置在地面上而不是将所有构件都设置在塔24上，可以建造花费更低且更高的塔。风力涡轮机20包括推进器26和涡轮机轴28。涡轮机轴28驱动液压泵30。该配置要求液压流体或油从地面高度向上泵送到液压泵30的高度。将油向上送到液压泵30的高度的这种泵送典型地被称为“增压(supercharging)”。

 这种经由歧管31和管道32对液压泵30的增压是由典型地位于地面高度或远离塔24的三个独立的电动机/泵组34、36、38执行的。电动机泵组34、36、38包括电动机驱动的泵40、42、44；过滤器46、48、50和冷却器52、54、56。电动机/泵组24、26、28包括：从入口到储液器12的排出端口14的这一段，这一段位于储液器12的油面高度以下，从而导致电动机驱动的泵40、42、44的浸没入口(flooded inlet)配置。所述入口位于电动机驱动的泵40、42、44的吸入侧。过滤器46、48、50和冷却器52、54、56在经由歧管块31和管道32将油增压到液压泵30之前对油进行清洁和冷却。歧管块31包括低压、高灵敏度溢流阀58，其在可能会作为高峰出现的过压情形下调节系统低压侧的压力并将油经由进入端口15返回到储液器12。同时，如图1中所示，来自储液器12的油被泵45周期性地从排出端口14泵送，被过滤器51过滤，并经由进入端口15被返回到储液器12。

电动机泵组34、36、38典型地位于地面高度并且必须能够将所需要的量的油供应给机舱22中的液压泵30。液压泵30的一些实施例在正排量(positive displacement)配置下可以每转泵送近似708立方英寸的油。因此，电动机/泵组24、26、28包括可变频率驱动来控制电动机驱动的泵40、42、44的速度。电动机驱动的泵40、42、44的一些实施例在正排量配置下可以每转泵送近似5.31立方英寸的油。典型地，每平方英寸70磅的压力足以将油提供给机舱22中的液压泵30。该配置特别适合于系统10的冷启动。

涡轮机轴28上的编码器经由输入RPM和位置块202和轴耦合块将信号信息提供给可编程逻辑控制器(PLC)200(见图2)。PLC 200继而控制电动机驱动的泵42、44、46的可变频率驱动。液压泵30和电动机驱动的泵42、44、46的正排量特性允许精确地控制油的流量。

液压泵30将高压油经由回流管60提供给(同样典型地位于地面高度或远离塔24的)进一步包括高压溢流阀64的高压定向歧管块62，以便保护系统免于被过度加压并且以便将过多的油经由进入端口15返回到储液器12从而将过多的热量耗散掉。回流管60还包括电动机66、68以控制经过回流管60的油的流量，从而将正排量液压泵30并因此将风力涡轮机20限制到期望的转速，该转速由PLC 200典型地基于诸如风速等因素和与系统10上的各种负载相关的因素来确定。

高压定向歧管块62响应于PLC 200而将油提供给进一步包括相应的比例控制流量阀80、82、84、86、88的高压馈送线路70、72、74、76、78，以便根据需要(诸如在较低风速下)调节或切断去往某些高压馈送线路70、72、74、76、78的流。高压馈送线路70、72、74、76、 78包括相应的比例流量控制阀90、92、94、96、98，它们在诸如风速突然变大期间可能会发生的过压(典型的界限为3000psi)情况下，释放过压并将油转向到进入端口15。一些实施例可以将这种过多的压力转向到用于电动机驱动的泵40、42、44的驱动系统。类似地，蓄能器(accumulator)79(见图2)可以被结合到馈送线路70、72、74、76、78中，或者接近高压定向歧管块62或处于高压定向歧管块62的上游，以便吸收过多能量并储存它以供之后输入功率减小时使用。剩余的高压油被用来驱动各个定容量电动机100、102、104、106、108，它们各自的输出轴被连接到经由输出控制块900和变压器承包者(transformer contractor)902将电功率提供给电网1000(见图2)的发电机110、112、114、116、118。电网正弦波采样块904从电网1000接收采样并将控制信号发送到输出控制块900以便使系统10的输出符合电网1000上的电力状况。由于变化的风速，定容量电动机100、102、104、106、108需要关于速度被调节。这是通过从入口上游的比例流量控制阀80、82、84、86、88到定容量电动机102、104、106、108来完成的。泵30上的编码器将信号提供给PLC 200(图2)，PLC 200继而经由自动阀控制块33调节经过比例控制流量阀80、82、84、86、88(或类似地，经过比例流量控制阀90、92、94、96、98)到达电动机100、102、104、106、108的油的量并调节其速度(另外，这种对经过系统的油的流的调节会调节泵30的速度)。比例流量控制阀90、92、94、96、98典型地使至少95％的油通过从而到达定容量电动机100、102、104、106、108，以获得最优效率。

在驱动定容量电动机100、102、104、105、108之后，油在此后被各个过滤器110、112、114、116、118过滤，并经由进入端口15被返回到储液器12。

因此若干上述目的和优点被最有效地实现。尽管在此详细地公开并描述了本发明的优选实施例，但应理解的是，本发明决非由此被限制，并且其范围由所附权利要求的范围来确定。

Claims (14)

1.一种用于发电的系统，包括：

用于向风力涡轮机提供动力的传动系；

用于通过所述传动系接收输入能量的风力涡轮机；和

位于风塔顶部的机舱中的连接到所述风力涡轮机的液压泵，所述风塔位于至少一个正排量电动机驱动泵的上方，其中

所述至少一个正排量电动机驱动泵用于对来自至少一个储液器的液压流体增压并将所述液压流体从地面向上引导到所述风塔中的所述液压泵，以便通过对所述液压流体加压将经增压输入的能量转化为液压流体压力；

所述至少一个正排量电动机驱动泵由可编程逻辑控制器控制；

至少一个定向阀配置成将液压流体引导到至少一个液压电动机，所述至少一个液压电动机继而直接耦合到至少一个发电机；

至少一个比例控制流量阀配置成调节所述系统中的油量，并且由所述可编程逻辑控制器经由自动阀控制块调节经过所述至少一个比例控制流量阀的油量；

至少一个比例流量控制阀配置成调节液压电动机的速度，并且用于控制所述至少一个发电机的每分钟转数；

至少一个高压溢流阀配置成控制呈液压流体压力形式的输入能量的释放，使得液压流体压力被耗散为热量；并且

所述系统是开放式回路，使得所述液压流体在经过整个系统之后，通过多个过滤器返回，并通过多个进入端口被引导回到所述至少一个储液器。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述涡轮机接收来自风的能量。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述涡轮机和液压泵位于比收容液压流体的多个储液器高的位置。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述涡轮机配置成包括向所述可编程逻辑控制器传送信号的编码器装置。

5.如权利要求1所述的系统，还包括配置成控制所述液压流体的流量的至少一个电动机。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述至少一个电动机具有至少部分地响应于风速而被控制的速度。

7.如权利要求1所述的系统，还包括第一歧管，所述第一歧管用于接收液压流体并将所述液压流体分配给至少一个电动机驱动泵。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述可编程逻辑控制器配置成控制所述液压流体的比例流量。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述可编程逻辑控制器配置成确定所述涡轮机的转速。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述可编程逻辑控制器配置成调节多个比例阀。

11.如权利要求1所述的系统，还包括配置成由液压驱动的至少一个发电机。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个比例流量控制阀用于控制所述系统的过多能量的释放，使得所述过多能量被耗散为热量。

13.如权利要求1所述的系统，还包括电网正弦波采样块，所述电网正弦波采样块用于从电网接收采样并将控制信号发送到输出控制块。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个比例流量控制阀由所述可编程逻辑控制器控制。