CN104121146A - 双风轮双风速功率曲线工作的垂直轴风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双风轮双风速功率曲线工作的垂直轴风力发电系统，设计二组达里厄式风轮，一组安装在发电机的转子上，另一组安装在发电机的定子上，但它们工作时的转动方向正好相反。发电机底部固定在一个回转体上，该回转体可磁悬浮无摩擦地绕发电机的中心轴自由旋转，低风速时双风轮工作，高风速时仅转子风轮工作，根据风速的变化，由PLC控制风力发电系统循环以上两种工作方式，使该系统实现低风速功率曲线和高风速功率曲线上的双功率曲线工作，起动风速低,工作风速范围宽。特别适用于广大年风速分布很不均匀的地区，可以几倍地增加年发电量。本发明性能可靠、稳定、结构简单、制造容易、成本低、不易损坏、经久耐用、易于维修。

Description

双风轮双风速功率曲线工作的垂直轴风力发电系统

技术领域

本发明属于一种垂直轴风力发电系统，本系统能实现低风速功率曲线和高风速功率曲线上的双功率曲线工作，克服了现有风力发电系统固有的一种弊病，风力发电机的工作风速范围较窄,就是低风速与高风速不能兼顾的矛盾。而本发电系统在低风速和高风速有一样的发电能力, 并且降低了起动风速,加宽了发电机的工作风速的范围。特别适用于广大年风速分布很不均匀的地区，可以几倍地增加年发电量。

背景技术

目前，市面上风力发电系统种类很多，有水平轴，垂直轴风力发电系统，已采用的风力发电机有3种, 即直流发电机、异步和同步交流发电机; 不论是何种电机, 均由定子和转子两大部件组成（有内转子和外转子之分）, 靠转子的转动在处于变化磁场中的绕组内产生感应电动势, 将风轮捕获的风能转化成电能                                                。实际上不可能将捕获的风能全部转变为电能, 在空气密度、风能利用系数、场地风速和机械效率相同的情况下, 发电机的输出功率与风轮面积成正比。

发明内容

根据贝茨理论, 风能利用系数 的极限值为0.593,这是一个上限，任何形式的风力发电系统都不能突破这个上限，要解决现有风力发电系统的工作风速范围较窄的问题，特别是低风速区，仅依靠增加（象变桨风机）,很难实现，因此在低风速时，必须成倍地增加风轮面积，才能增加发电机的发电量。如果是单转子电机，要增加风轮面积，风轮半径也将增加，因为风能利用系数是的函数，是风轮的尖速比（一般在2.0-7.5之间有一极大值），要保持极大值附近，首先要不能有太大的变化，要半径增加，则就要降低电机的转速，即增加电机的极对数，电机的重量和体积大大增加，成本将成倍增加，单位KW的投资额随之成倍增加。本发明是在已有电机极对数不变的情况下，在垂直轴发电机定子上增加一组风轮如图1所示，半径不变，从而保证不变的情况下使风轮面积增加一倍或更多，实行双转子运行，从而实现增加低风速时（风速小于5米/秒）发电机的发电量。当变成高风速时（风速5米/秒以上），电机定子制动，只有转子上的风轮工作，从而使电机处在最佳的发电状态。本系统实现了风机在两种风速功率曲线上工作，前一种额定工作风速小于5米/秒，后一种额定工作风速可大于10米/秒。因此加宽了发电机的工作风速范围，特别是增加了低风速范围的发电量, 对充分收集和利用风能具有十分重要的意义。而水平轴风力发电机不宜采用类似方法，因为风是水平运动的，会使前风轮挡掉后风轮的风能。根据电磁感应原理, 导体在磁场中运动切割磁力线产生的感应电动势大小为:

     ( 1)

式中,为线圈匝数, 为主磁通的幅值(Wb), 为旋转角速度( rad / s), t为时间( s)。双转子永磁同步电机( PMSM)与普通PMSM 的区别在于其电枢部分也可以旋转, 两个转子旋转的动力来源于永磁体与电枢所产生磁场间的相互作用, 因此, 两个转子必将沿着相反的方向旋转。由式( 1)可见, 若采用双转子结构, 即使绝对转速很低, 也可使磁场与绕组之间的相对转速变大。由式( 1)可得:

其中, 、分别为内、外转子的旋转角速度。双转子同步发电机在理想状态下, 内外转子的转速大小相等方向相反。设,, 于是有:

      ( 2)

比较式( 1 )和式( 2 )可知, 在相同的条件下,双转子发电机的风能利用率和发电能力都提高了1倍, 因为双风轮起动力矩增加一倍，即使风速很低也能运行, 降低了起动风速,加宽了发电机的工作风速的范围。为实现本发明的目的采取了如下技术方案：

设计二组达里厄式风轮，一组安装在发电机的转子上，另一组安装在发电机的定子上，如图1所示，但它们工作时的转动方向正好相反。发电机底部固定在一个回转体上，如图1所示，该回转体可绕发电机的中心轴旋转，回转体安放在塔杆上端的一个联接装置上，联接装置上平面与回转体下旋转面之间用推力球轴承和磁悬浮装置隔离，如图2所示推力球轴承和磁悬浮装置，回转体中心轴上上、下两端各有一圆柱轴承固定在联接装置内，保证回转体绕铅垂轴自由转动。另外在联接装置内还安装一个对回转体的电磁制动器和固定在回转体旋转轴上的防回转体倾倒脱离装置。本发明性能可靠、稳定、结构简单、制造容易、成本低、不易损坏、经久耐用、易于维修。

附图说明

下面结合附图进一步详细说明本发明的技术特征：

图1、在双风速功率曲线上工作的垂直轴风力发电系统的剖视结构示意图；

图2、推力球轴承和磁悬浮装置的俯视结构示意图。图中：

1、转子达里厄式风轮；2定子达里厄式风轮、3、发电机；4、回转体；5、推力球轴承；6、磁悬浮装置；7、圆柱轴承；8、电磁制动器；9、防回转体倾倒脱离装置；10、联接装置；11、集电环；12、接线端子；13、塔杆；14、风速传感器；15、PLC控制器；16、镇流器

具体实施方案

如附图所示，当风速传感器（14）测得风力发电系统所处的环境的风速大于风机预定的起动风速（例如风速2米/秒），PLC控制器（15）得到起动指令后，向磁悬浮装置（6）中的电磁线圈通电，磁悬浮装置（6）间隙中相对磁极极性相同，产生排斥力，使固定了发电机（3）的回转体（4）处在磁悬浮的状态，回转体（4）与联接装置（10）除了圆柱轴承（7）和集电环（11）有直接水平接触外，没有任何垂直接触，阻力矩非常小，在定子风轮（2）风力力矩作用定子绕发电机（3）的中心轴旋转，转子风轮（1）风力力矩作用转子绕发电机（3）的中心轴反向旋转。发电机（3）发出的电流通过集电环（11）传输到填流器（16）变成直流电DC输出，可输到畜电池充电或逆变器逆变，可通过两种逆变器（并网型和离网型）逆变成恒频恒压的交流电源。这种运行方式是在低风速功率曲线上工作的方式。还需说明，因为风力的不均衡，处在磁悬浮状态的发电机（3）系统部份，会有小幅摆动，为防止回转体（4）与联接装置（10）平面碰撞，在它们中间安置一个推力球轴承（5）。当风速传感器（14）测得风力发电系统所处的环境的风速大于风机预定的起动在高风速功率曲线上工作的风速（例如风速8米/秒），PLC控制器（15）得到起动指令后，向磁悬浮装置（6）中的电磁线圈断电，向电磁制动器（8）中的电磁线圈通电，定子风轮（2）作用的电机（3）定子就停止转动，只有转子风轮（1）风力力矩作用转子绕发电机（3）的中心轴旋转。这种运行方式是在高风速功率曲线上工作的方式。根据风速的变化，风力发电系统循环以上两种工作方式。两种风速功率曲线的设计，根据发电机（3）的额定参数和风轮（1）（2）参数制定。

Claims (3)

1.双风轮双风速功率曲线工作的垂直轴风力发电系统，主要有转子达里厄式风轮（1）、定子达里厄式风轮（2）、发电机（3）、回转体（4）、推力球轴承（5）、磁悬浮装置（6）、圆柱轴承（7）、电磁制动器（8）、防回转体倾倒脱离装置（9）、联接装置（10）、集电环（11）、接线端子（12）、塔杆（13）、风速传感器（14）、PLC控制器（15）和镇流器（16）通过安装和导线连接构成，其特征在于：安装在转子轴上的转子达里厄式风轮（1）和安装在定子轴上的定子达里厄式风轮（2）在风力的作用下绕发电机（3）的中心轴相反方向旋转，回转体（4）与联接装置（10）的水平端面之间由推力球轴承（5）和磁悬浮装置（6）隔离，工作方式是低风速功率曲线与高风速功率曲线互相切换的工作方式。

2.如权利要求1所述的双风轮双风速功率曲线工作的垂直轴风力发电系统，其特征在于回转体（4）与联接装置（10）除了圆柱轴承（7）和集电环（11）有直接水平接触外，没有任何垂直接触，联接装置（10）内还安装一个对回转体（4）的电磁制动器（8）和固定在回转体（4）旋转轴上的防回转体倾倒脱离装置（4）。

3.如权利要求1所述的双风轮双风速功率曲线工作的垂直轴风力发电系统，其特征在于PLC控制器（15）通过采集风速传感器（14）的风速信号对磁悬浮装置（6）和电磁制动器（8）的电磁线圈中的电流控制其通断，实现风力发电系统低风速功率曲线工作方式与高风速功率曲线工作方式的相互切换。