一種風力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)電方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)電方法，包括環(huán)繞一圈的回旋體、支撐回旋體的支撐件、回旋體上設(shè)有軌道，若干個相互連接的臺車、臺車連接有可受控調(diào)整轉(zhuǎn)動角度的葉片、若干個固定在回旋體上的發(fā)電機、回旋體上和臺車上分別安裝有發(fā)送和接受信號的若干定位裝置、臺車上安裝有可接收動力電的受電裝置；在所述臺車內(nèi)部設(shè)有帆船自動駕駛儀；葉片頂部安裝有風向標；所述帆船自動駕駛儀的輸入端連接風向標，輸出端接液壓伺服機構(gòu)。本發(fā)明提供了一種可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、且具有模塊化設(shè)計的風力發(fā)電系統(tǒng)，可根據(jù)安裝地的地形設(shè)計風力發(fā)電系統(tǒng)的形狀，尤其適用于大型化的風力發(fā)電系統(tǒng)。
【專利說明】—種風力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風力發(fā)電領(lǐng)域，尤其是一種可工業(yè)化應(yīng)用的大型風力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了更好的利用風能，人們設(shè)計了多種形式的風力發(fā)電系統(tǒng)，從風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)軸在空間的結(jié)構(gòu)形式上分類，主要有旋轉(zhuǎn)軸呈水平方向布置的的水平軸風力發(fā)電機以及旋轉(zhuǎn)軸為垂直方向布置的垂直軸風力發(fā)電機。
[0003]現(xiàn)有的垂直軸風力發(fā)電機的風輪采用具有一定翼形的葉片，如圖1所示，這些葉片一般被固定在繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)的懸臂上，并由這些葉片通過懸臂連接到垂直軸上而組成垂直軸風力發(fā)電機的風輪。該風輪安裝在一個塔架上，風輪可繞設(shè)于垂直軸風力發(fā)電機的中心，即垂直軸，進行旋轉(zhuǎn)。隨著風輪直徑的增大，垂直軸的長度也越來越長，相應(yīng)的垂直軸的直徑也越來越大，不僅難以加工，而且成本也難以承受，同時伴隨著風輪直徑的增大，對塔架的高度和強度要求也越來越高，在中國專利CN200810108995.8中，雖然采用了空心垂直軸或垂直軸內(nèi)部采用桁架結(jié)構(gòu)，但當風輪直徑增加到一定值后，垂直軸的直徑仍會非常巨大，依然難以加工，這非常不利于垂直軸風力發(fā)電機向更大型化的規(guī)模發(fā)展，將很難突破300KW或500KW，甚至更大的規(guī)模。
[0004]此外，對于現(xiàn)有固定葉片角度的垂直軸風力發(fā)電機的風輪，當其在轉(zhuǎn)動時，葉片所處的不同位置，其扭矩大小、方向都不同，葉片在風輪旋轉(zhuǎn)一周的軌跡中，在有些位置扭矩大、在有些位置扭矩小、在有些位置扭矩為正、在有些位置扭矩為負。而且，隨著風輪直徑的增大和風輪轉(zhuǎn)速的下降，這些扭矩變化的絕對值尤其明顯。而風輪最終的輸出扭矩是這些扭矩的合力矩，這樣垂直軸風力發(fā)電機的風輪氣動效率就較低，因此必須對葉片的角度進行調(diào)整，進一步根據(jù)葉片所處位置進行實時調(diào)節(jié)從而提高垂直風輪的效率。調(diào)整葉片角度變化的機構(gòu)一般采用在葉片中心位置設(shè)置葉片轉(zhuǎn)軸，以使得葉片可環(huán)繞該葉片轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)調(diào)整葉片角度的目的。但旋轉(zhuǎn)扭矩會隨著葉片不同尺寸、葉片轉(zhuǎn)軸設(shè)置的不同位置、葉片所受風的風向、風速，以及葉片的角度等多種因素密切相關(guān)，因此在工業(yè)化應(yīng)用實施中，需根據(jù)具體情況，例如在一定的風速和風向情況下，采用固定葉片角度的方法以使得垂直軸風力發(fā)電機的輸出功率保持恒定，參見中國專利CN2014100561114，名稱為一種大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)和鎖定裝置。
[0005]在中國專利CN200610028267.7中，較適合的風輪半徑是葉片寬度(弦長)的1.8到4倍，按此計算，一個12米直徑的風輪，較佳的葉片寬度近2米，一個30米直徑的風輪，較佳的葉片寬度達到5米，40米直徑的風輪，較佳的葉片寬度近7米，50米直徑的垂直風輪葉片寬度達到8米以上，而50米直徑的垂直軸風力發(fā)電機的風輪如果以風輪高度和風輪直徑1:1的比例設(shè)計，在13米/秒風速下的功率也僅在I兆瓦左右，而如此寬的物件(50米長*5米寬)不僅難以加工、更難以運輸，因此也難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用和商業(yè)化實施。
[0006]此外，現(xiàn)有的風力發(fā)電機一般都是按照設(shè)計要求，以確定的額定功率為要求，設(shè)計生產(chǎn)而成，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場進行安裝調(diào)試。但限于場地以及風力發(fā)電機的額定功率，往往不能充分有效的加以利用現(xiàn)場的有限土地和風力資源。例如，一般的風力發(fā)電機以10KW，30KW，50KW, IOOKff這樣單獨生產(chǎn)，但因不同功率的風力發(fā)電機其零件的生產(chǎn)、加工、裝配，甚至結(jié)構(gòu)都是不一樣的，有繁有簡，所需的生產(chǎn)設(shè)備和工藝要求也都有很大的區(qū)別。因此對工業(yè)化流水線生產(chǎn)作業(yè)而言，存在相當大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、且具有模塊化設(shè)計的風力發(fā)電系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的具體技術(shù)方案是:一種風力發(fā)電系統(tǒng)，包括有環(huán)繞一圈的回旋體22、支撐回旋體的支撐件11、回旋體上設(shè)有軌道32，若干個相互連接的臺車31、臺車連接有可受控調(diào)整轉(zhuǎn)動角度的葉片55、若干個固定在回旋體上的發(fā)電機61，回旋體上和臺車上分別安裝有發(fā)送和接受信號的若干定位裝置71、臺車上安裝有可接收動力電的受電裝置81、測風儀91 ;在所述臺車內(nèi)部設(shè)有帆船自動駕駛儀(sailboat autopilot)的裝置73 ;葉片55a頂部安裝有風向標74 ；
該帆船自動駕駛儀裝置73的輸入端連接風向標74，輸出端接液壓伺服機構(gòu)，通過風向標74向帆船自動駕駛儀裝置73提供風向角Θ，以及葉片運動的葉片攻角β和葉片轉(zhuǎn)角α，自動調(diào)節(jié)葉片到最佳轉(zhuǎn)角α，達到葉片從風中最大限度的捕獲風能，驅(qū)動葉片向前移動，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。
[0009]上述回旋體可以是單元模塊結(jié)構(gòu)，兩個回旋體之間可通過插接方式互相連接，根據(jù)設(shè)計需要，由若干回旋體組成所設(shè)計的形狀。
[0010]上述葉片可以是對稱翼型，或一面凸、一面凹的葉片翼型；或一面凸、一面平的葉片翼型。
[0011]上述臺車被固定在回旋體的軌道上并可通過滑輪33進行滑動，臺車之間用鋼纜64或鏈條63連接；臺車上的鏈條和固定在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的齒輪62嚙合，鏈條和鋼纜(或鏈條)是并行排列，連接臺車的是鋼纜或鏈條，連接發(fā)電機的是鏈條，固定在回旋體上的是發(fā)電機而不是風力發(fā)電機。
[0012]上述葉片被固定在臺車上，臺車之間的間距為葉片寬度的2?8倍。
[0013]上述葉片被固定在臺車上，一個臺車上安裝一個葉片，葉片轉(zhuǎn)角是可受控變化。
[0014]上述葉片分為上葉片和下葉片，上葉片和下葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸53連接，葉片通過轉(zhuǎn)軸可受控轉(zhuǎn)動。
[0015]上述葉片分為上葉片和下葉片，上葉片和下葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)軸上固定安裝有葉片剎車盤。
[0016]臺車上葉片的角度可根據(jù)臺車在軌道上的位置進行調(diào)節(jié)，當葉片角度調(diào)節(jié)完成后也可用葉片剎車裝置固定葉片角度，葉片剎車裝置包括葉片剎車鉗58，葉片剎車盤59，液壓驅(qū)動和油箱57組成。
[0017]葉片被固定在可滑動的臺車上，臺車和臺車之間用鋼纜64連接，臺車之間的距離以葉片寬度的2、倍為宜，臺車上安裝有受電弓或滑環(huán)81，接受來自電網(wǎng)的電源，臺車被固定在回旋體的軌道32上，軌道通過固定桿34固定在回旋體22上，軌道可以是多種形式的，可采用磁懸浮軌道；臺車上有多個滑輪，回旋體的圓弧段每隔若干弧度，比如10-20度，安裝一個定位發(fā)射裝置或接受裝置71，每個臺車上安裝一個定位接受裝置或發(fā)射裝置，當臺車通過該定位裝置時，可以測定不同臺車在回旋體軌道上圓弧段的位置，并根據(jù)臺車在回旋體軌道上的位置設(shè)定葉片最佳轉(zhuǎn)角。上述回旋體也可設(shè)計成上、下二層結(jié)構(gòu)，上、下回旋體通過臺車上的葉片柄和葉片連接。
[0018]本發(fā)明還提供了一種回旋體風力發(fā)電方法，采用本發(fā)明的回旋體風力發(fā)電系統(tǒng)，回旋體可以有多個回轉(zhuǎn)中心，并可根據(jù)安裝地的地形設(shè)計回旋體的形狀，回旋體的截面形狀也可根據(jù)需要具體設(shè)計?；匦w、支撐、軌道、臺車、葉片、中央主控系統(tǒng)、匯流箱、逆變器等所有部件在工廠預(yù)制完成并在現(xiàn)場拼接組成風力發(fā)電系統(tǒng)。在回旋體某個中央位置安裝有測風儀，測定風速和風向，葉片角度根據(jù)葉片所處回旋體軌道上的位置、風向、風速、功率通過中央控制中心對葉片轉(zhuǎn)角進行主動調(diào)節(jié)并可在需要時鎖定葉片轉(zhuǎn)角。
[0019]上述若干臺發(fā)電機輸入到匯流箱，將多路輸入的變頻、變壓、變流的交流電經(jīng)過整流后轉(zhuǎn)變成單路輸出的直流電，匯流箱輸出給逆變器后實現(xiàn)并網(wǎng)。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明提供了一種可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、且具有模塊化設(shè)計的風力發(fā)電系統(tǒng)，可根據(jù)安裝地的地形設(shè)計風力發(fā)電裝置的形狀，尤其適用于大型化的風力發(fā)電裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是現(xiàn)有的垂直軸風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明實施例1的風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明的葉片和臺車的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明的葉片和臺車的另一連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5是本發(fā)明的葉片和臺車的又一連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖6是本發(fā)明的葉片和臺車的連接結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0027]圖7是本發(fā)明的臺車上采用受電弓或滑環(huán)，可接受來自電網(wǎng)的電源作為液壓(或伺服電機)的動力電源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖8是本發(fā)明發(fā)電機固定在回旋體上并和臺車鎖鏈的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖9是本發(fā)明風力發(fā)電機回旋體上的定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖10是發(fā)電機到電網(wǎng)的系統(tǒng)接線示意圖。
[0031]圖11是實施例2的垂直風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖12另一種軌道結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖13又一種軌道結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖14是風向Θ角、葉片轉(zhuǎn)角α和攻角β之間的關(guān)系示意圖。
[0035]圖15是葉片頂部安裝風向標74的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖16是臺車內(nèi)部安裝帆船自動駕駛儀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0037]—種風力發(fā)電系統(tǒng)，包括有環(huán)繞一圈的回旋體22、支撐回旋體的支撐件11、回旋體上設(shè)有軌道32，若干個相互連接的臺車31、臺車連接有可受控調(diào)整轉(zhuǎn)動角度的葉片55、若干個固定在回旋體上的發(fā)電機61，回旋體上和臺車上分別安裝有發(fā)送和接受信號的若干定位裝置71、臺車上安裝有可接收動力電的受電裝置81、;如圖16所示，在所述臺車內(nèi)部設(shè)有帆船自動駕駛儀(sailboat autopilot)的裝置73 ;如圖15所示，葉片55a頂部安裝有風向標74 ；
該帆船自動駕駛儀裝置73的輸入端連接風向標74，輸出端接液壓伺服機構(gòu)，通過風向標74向帆船自動駕駛儀裝置73提供風向角Θ，以及葉片運動和風速的相對風向角(葉片攻角β +葉片轉(zhuǎn)角α )，自動調(diào)節(jié)葉片到最佳轉(zhuǎn)角α，達到葉片從風中最大限度的捕獲風能，驅(qū)動葉片向前移動，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。如圖14是風向Θ角、葉片轉(zhuǎn)角α和攻角β之間的關(guān)系不意圖。
[0038]測風儀91可設(shè)在回旋體中間位置。
[0039]實施例1
如圖2是本發(fā)明實施例1的風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。一個長度為2000米的回旋體，回旋半徑100米，其它位置為直線段，回旋體的長度方向為迎風方向，回旋體的高度被設(shè)計為20米，葉片長度合計23米，寬度2米，臺車數(shù)量為250-350個左右，只要在風向不平行于直線方向并達到13米/秒時的功率達到近40兆瓦。
[0040]圖3是本發(fā)明的葉片和臺車的連接結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的葉片是一個整體，葉片通過上、下二個葉片柄51連接到葉片上、下二個轉(zhuǎn)軸53上，再通過葉片轉(zhuǎn)角伺服系統(tǒng)56控制葉片55按需要的角度轉(zhuǎn)動。
[0041]圖4是本發(fā)明的葉片和臺車的另一連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖中下軌道和上軌道不在同一個垂線上，以提高臺車的穩(wěn)定性。
[0042]圖5是本發(fā)明的葉片和臺車的又一連接結(jié)構(gòu)示意圖，圖中葉片分為上葉片55a和下葉片55b，上葉片和下葉片分別連接在葉片轉(zhuǎn)軸53上，轉(zhuǎn)軸的一端固定伺服機構(gòu)的推桿54，用于控制葉片轉(zhuǎn)動，另一端固定葉片剎車盤59，用于鎖定葉片轉(zhuǎn)角。
[0043]圖6是本發(fā)明的葉片和臺車的連接結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0044]圖7是本發(fā)明的臺車上采用受電弓或滑環(huán)，可接受來自電網(wǎng)的電源作為液壓(或伺服電機)的動力電源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖8是本發(fā)明發(fā)電機固定在回旋體上并和臺車鎖鏈的連接結(jié)構(gòu)示意圖?；匦w上安裝有一定數(shù)量的發(fā)電機61，發(fā)電機轉(zhuǎn)子上安裝有齒輪62，齒輪和連接臺車之間的鎖鏈63嚙合。當因風吹在處于最佳轉(zhuǎn)角的葉片上而驅(qū)動臺車運動時，帶動多臺發(fā)電機發(fā)電。
[0046]圖9是本發(fā)明風力發(fā)電機回旋體上的定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]如圖10是發(fā)電機到電網(wǎng)的系統(tǒng)接線示意圖。上述若干臺發(fā)電機輸入到匯流箱，將多路輸入的變頻、變壓、變流的交流電經(jīng)過整流后轉(zhuǎn)變成單路輸出的直流電，匯流箱輸出給逆變器后實現(xiàn)并網(wǎng)。
[0048]如圖11和12是本發(fā)明軌道的其它幾種結(jié)構(gòu)形式。
[0049]實施例2
如圖11是實施例2的垂直風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中一個長邊為2000米的多邊形回旋體，回旋體的長度方向迎風，回旋體的高度被設(shè)計為20米，葉片長度合計23米，寬度2米，臺車數(shù)量為250-350個左右，只要在風向不平行于直線方向并達到13米/秒時功率達到近40兆瓦。實施例2中的裝置與實施例1中的裝置相同。[0050]實施例3
一個直徑為2000米的圓形回旋體，回旋體的高度被設(shè)計為20米，葉片長度合計23米，寬度2米的系統(tǒng)，臺車數(shù)量為400-450個左右，在風速達到13米/秒時并在任何風向下，功率達到近35兆瓦。實施例3中的裝置與實施例1中的裝置相同。
[0051]實施例4
一個直徑500米的圓形回旋體，回旋體的高度被設(shè)計為20米，葉片長度合計23米，寬度2米的系統(tǒng)，臺車數(shù)量為100-120個左右，在風速達到13米/秒時并在任何風向下，功率達到近8兆瓦。實施例4中的裝置與實施例1中的裝置相同。
【權(quán)利要求】
1.一種風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括有環(huán)繞一圈的回旋體、支撐回旋體的支撐件、回旋體上設(shè)有軌道，若干個相互連接的臺車、臺車連接有可受控調(diào)整轉(zhuǎn)動角度的葉片、若干個固定在回旋體上的發(fā)電機、回旋體上和臺車上分別安裝有發(fā)送和接受信號的若干定位裝置、臺車上安裝有可接收動力電的受電裝置；在所述臺車內(nèi)部設(shè)有帆船自動駕駛儀；葉片頂部安裝有風向標；所述帆船自動駕駛儀的輸入端連接風向標，輸出端接液壓伺服機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述回旋體是單元模塊結(jié)構(gòu)，兩個回旋體之間可通過插接方式互相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片可以是對稱翼型，或一面凸、一面凹的葉片翼型；或一面凸、一面平的葉片翼型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回旋體風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述臺車被固定在回旋體的軌道上并可通過滑輪進行滑動，臺車之間用鋼纜或鏈條連接；臺車上的鏈條和固定在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的齒輪嚙合，鏈條和鋼纜是并行排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片被固定在臺車上，臺車之間的間距為葉片寬度的2~8倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片分為上葉片和下葉片，上葉片和下葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸連接，葉片通過轉(zhuǎn)軸可受控轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)軸上固定安裝有葉片剎車盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述臺車上葉片的角度可根據(jù)臺車在軌道上的位 置進行調(diào)節(jié)，當葉片角度調(diào)節(jié)完成后也可用葉片剎車裝置固定葉片角度，葉片剎車裝置包括葉片剎車鉗，葉片剎車盤，液壓驅(qū)動和油箱組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在回旋體某個中央位置安裝有測風儀，測定風速和風向，通過風向標向帆船自動駕駛儀裝置提供風向角Θ，以及葉片運動的葉片攻角β和葉片轉(zhuǎn)角α，葉片角度根據(jù)葉片所處回旋體軌道上的位置、風向、風速、功率通過中央控制中心對葉片轉(zhuǎn)角進行主動調(diào)節(jié)并可在需要時鎖定葉片轉(zhuǎn)角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述若干臺發(fā)電機輸入到匯流箱，將多路輸入的變頻、變壓、變流的交流電經(jīng)過整流后轉(zhuǎn)變成單路輸出的直流電，匯流箱輸出給逆變器后實現(xiàn)并網(wǎng)。
10.一種風力發(fā)電方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1~9所述的回旋體風力發(fā)電系統(tǒng)進行風力發(fā)電。
【文檔編號】F03D5/04GK104005914SQ201410222027
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】嚴強 申請人:嚴強