随风变速双风轮风力发电机的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种随风变速双风轮风力发电机，包括塔架，塔架上架设有机舱，机舱前后两端分别安装有前风轮和后风轮，机舱前后两端的风轮与机舱内的功率合成机构连接，其特征在于：还包括随风变速系统，功率合成机构与随风变速系统连接；所述随风变速系统包括风速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心；所述风速仪与控制中心连接，控制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心。本实用新型的随风变速系统风轮到发电机的增速比随风可变，使来风的动能得到充分发挥，使机组发电量大幅提高。
【专利说明】
随风变速双风轮风力发电机
技术领域
[0001]本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种随风变速双风轮风力发电机。
【背景技术】
[0002] 风的动能是风速的三次方成正比，自然风速蕴藏着很大的能量，而现有技术的风 力发电机只用了很少的一部分，大部分被放弃了，现有技术风力发电机组其安全风速设计 50至60米/秒，而切出的风Vc是20至30米/秒，其安全系数为2，在安全系数范围以内，应该是 许用风速，在其范围内应该充分发挥风速的最大功能。
[0003] 现有技术风力发电机从风轮到发电机的传动比i是固定不变的，只有来风速度是 额定风速Vb时，发电机才是额定转速n〇，来风在Vb以外都不能充分发挥风速的功能。
[0004] 现有技术的风力发电机组从切入风速切入以后，因 i是固定不变的原因，发电机的 转速小于no时，发电机在低速运转时发出低电压大电流，发热量大，发热是电流平方成正比 的，在低速状态风力发电，由于风的动能是风速的三次方，发电量是额定风速小数点后的三 次方，发电功率很小而发热量却很大，还须冷却更耗电，而风力发电机组当来风速度V等于 0.5Vb时动能只有0.125额定量，除掉机组的内耗实际输出功能就更少，费劲很大，得益甚 少。
[0005] 现有技术风力发电机组从风轮到发电机的传动i是固定不变的，只有来风速度达 到额定风速是Vb时，发电机的转速才是额定转速n〇,而来风的风速度V达到V b之后，还要上升 到切出风速V。，而发电机的额定转速是不能超过的，为了保障发电机额定转速不超，现有技 术风力发电机组要通过桨叶变距或失速，使得风轮转速保持不变，以保证发电转速是额定 转速n〇不变。结果本来以来风速度按最佳叶尖速比λ控制风轮转速η，以求得到最大风能利 用系数C p制程序脱轨了，同时也使得大于1至2的三次方的动能，最大是八倍额定值的动能 也被放弃了，造成三分之二以上的动能被放弃。
【发明内容】
[0006] 为弥补现有技术的不足，本发明提供一种随风变速双风轮风力发电机。
[0007] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0008] -种随风变速双风轮风力发电机，包括塔架，塔架上架设有机舱，机舱前后两端分 别安装有前风轮和后风轮，机舱前后两端的风轮与机舱内的功率合成机构连接，其特殊之 处在于:还包括随风变速系统，功率合成机构与随风变速系统连接;所述随风变速系统包括 风速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心;所述风速仪与控制中心连 接，控制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制 中心。
[0009] 本发明的随风变速双风轮风力发电机，应力传感器与控制中心连接，控制中心与 变距机构连接，变距机构与风轮连接，风轮与随风变速器连接，风轮将转速信息反馈回控制 中心。
[0010] 本发明的随风变速双风轮风力发电机，所述随风变速系统的工作过程包括启动过 程、工作过程和收退过程，来风速度参数输入控制中心，经控制中心处理后发出指令，控制 可变速比的随风变速器按规定改变速比i，以保证发电机工作以额定转速no始终不变。本系 统设定的起动过程是：当发电机从切入风速V a切入，系统以最大力矩驱动发电机，发电转动 后，当风速仪测得来风速度达到可使发电机向外供电的起动风速Vt也是最低工作风速时， 控制中心指令随风变速器以最大增速比i使之增速，随着风速逐渐变大，发电机转速增至no 并稳定了，发电机不在低风速、低电压、大电流、低效率发电，此时来风速度是起动风速Vt， 也是最低工作风速，起动过程完成。进入工作过程，整个工作过程是来风速度从起动风速V t 开始到切出风速V。结束。在工作过程中，风速仪测得来风速度，将来风速度改变的信号输入 控制中心，控制中心指令变距机构变距，使得风轮转速达到最佳叶尖速比λ，以保证机组在 最大风能利用系数C p工作，同时控制中心指令随风变速器，改变风轮到发电机的增速比i以 满足发电机的转速no不变，以保证发电机在最佳的状态，达到所有风速都全部被利用，无弃 风浪费，以此控制程序一直工作到切出风速，工作过程完成。以后开始收退过程，收退过程 是风速仪测得来风速度达到切出风速V c后，风轮也达到切出转速nc，由风轮上的应力传感器 发出信号输入控制中心，控制中心指令变距机构使风轮减速，一直到顺桨停机，收退过程完 成。
[0011] 本发明中所述的随风变速器，可以采用风力发电装置无自锁变速齿箱中国专利公 开号ZL201010124102.6中公开的风力发电装置无自锁变速齿箱，也可采用中国专利公开号 ZL201410272028.0公开的大力矩高效率CVT无级随风变速器。
[0012] 本发明的有益效果:本发明的随风变速双风轮风力发电机，随风变速系统在整个 工作过程中最大限度发挥风速的功能，所有风速特别是高于额定风速都被充分利用，从而 产生最大的输出功率。
【附图说明】
[0013] 附图1是本发明的结构示意图。
[0014] 附图2是本发明随风变速系统的控制过程示意图。
[0015] 附图3是本发明功率合成机构的内部示意图。
[0016] 附图4是本发明的做功示意图。
[0017] 附图5是现有风力发电机的做功示意图。
[0018]附图6是风场风频曲线图。
[0019] 图中，1塔架，2前风轮，3功率合成机构，4随风变速器，5机舱，6后风轮，7控制中心， 8发电机，11前行星齿轮，12后行星齿轮，13后中心齿轮，14前风轮联轴器，15前中心齿轮，16 行星架齿轮，17齿轮，20主动锥齿轮，21主动锥齿轮增速油缸，22主动锥齿轮减速油缸，23后 风轮联轴器，24传动带，25从动锥齿轮增速油缸，26从动锥齿轮减速油缸，27发电机联轴器， 28从动锥齿轮。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0021] 附图是本发明的一种【具体实施方式】。附图1是本实施例的结构示意图，该实施例包 括塔架I，塔架1上架设有机舱5,机舱5前后两端分别安装有前风轮2和后风轮6,前风轮2和 后风轮6与机舱5内的功率合成机构3连接，该功率合成机构3与随风变速系统连接，来风吹 来推动前风轮2和后风轮6，通过各自风轮轴进入功率合成机构3合成一个运动，通过随风变 速系统实现发电机8工作。
[0022] 本实施例的随风变速系统的工作控制过程如附图2所示，该随风变速系统包括风 速仪、应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心;风速仪与控制中心连接，控 制中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心； 控制中心与变距机构连接，变距机构与风轮连接，风轮与随风变速器连接，风轮将转速信息 反馈回控制中心;应力传感器安装在风轮上，应力传感器与控制中心连接。
[0023] 本实施例采用的功率合成机构的结构如附图3所示，由前行星齿轮11、后行星齿轮 12、后中心齿轮13、前中心齿轮15、行星架齿轮16、齿轮17组成圆柱齿轮差动轮系，前风轮2 运动从前风轮联轴器14进入前中心齿轮15驱动前行星齿轮11，后风轮6的运动从后风轮联 轴器23进入后中心齿轮13驱动后行星齿轮12,由于前行星齿轮11和后行星齿轮12是同轴， 则共同驱动行星架齿轮16，功率合成完成，锥轮无级随风变速器由构件主动锥齿轮20、主动 锥齿轮增速油缸21、主动锥齿轮减速油缸22、传动带24、从动锥齿轮增速油缸25、从动锥齿 轮减速油缸26、发电机联轴器27、从动锥齿轮28、增速电磁阀Z、减速电磁阀J组成。当控制中 心指令增速比i增大，增速电磁阀Z工作，管路a冲油，管路b回油，主动锥齿轮增速油缸21和 从动锥齿轮增速油缸25充油，主动锥齿轮20的工作直径增大，而从动锥齿轮28的工作直径 减小，从而实现增速，当控制中心指令减小i时，则减速电磁阀J工作，管路b充油，管路a回 油，则主动锥齿轮增速油缸21和从动锥齿轮减速油缸26都充油，则主动锥齿轮20的工作直 径减小，而从动锥齿轮28的工作直径增大，从而实现了减速。
[0024] 本实施例设定参数是：以额定风速Vb为基准，切入风速Va=O . 2Vb，切出风速Vc=2 Vb，起动风速Vt=O · 4 Vb，风轮额定转速nb=10转/分，风轮起动转速nt=0 · 4nb，切出转速nc=2nb， 发电机额定转速nQ=1500转/分，计算得机组总增速比i=375，工作变速范围R n=5。
[0025]本发明的技术方案，由起动过程、工作过程和收退过程组成，本实施例中三个过程 如下：
[0026]起动过程:控制中心执行起动程序，指令发电机开路空载，桨叶变距顺桨，变速增 速比最小，从风速￥3=0.2Vb切入，指令变距机构以最大升力推动风轮，随风变速器以最小的 增速比求得最大的传动力矩驱动发电机，发电机转动之后，控制中心指令随风变速器逐渐 增大增速比到最大i=375,随来风速度的增加，发电机的转速达到额定转速no, no反馈给控制 中心，已完成起动过程。控制中心开始工作过程，执行工作程序，指令发电机向外供电，指令 变距机构根据工作过程来风速度V，以最佳叶尖速比改变风轮转速η，根据来风速度V改变随 风变速器的增速比i，保证发电机转速是额定转速no不变，其控制理论如下：
[0027]根据风轮与发电机传动增速比要求：
[0029]根据最大风能利用系数心要求得最佳时尖速比λ则有：
[0031]公式中η是风轮转速，d是风轮直径，λ是风轮设计最佳叶尖速比，公式右边除来风 速度V之外，对已定的风力发电机组都是常数，用B代之。则有：
[0033]公式1是本发明随风变速控制理论公式，发电机实际转速与no之差，反馈回控制中 心，控制中心再次指令改变速比直至no稳定为止。按此程序一直到风速达到Vc，已达到机组 许用风速，风轮转速也达到η。，工作过程完成，控制中心要实施收退过程，执行收退程序，风 轮受力薄弱部位的应力传感器的应力信息输入控制中心，控制中心指令变距机构使风轮减 速，直至顺桨停机，收退过程完成。
[0034]本发明的效果:一是凸显单机发电能力大幅提高，二是风场全年出力大幅增加。以 下分别论证：
[0035]从切入到切出是风力发电机的一个运作周期，机组在一个完整的运作周期内所作 的功多少，是显示该风力发电机单机组的发电能力。动能E乘上风能利用系数Cp是功率Ν，功 率对时间的积分是做功A，并设在应用区间的来风速度V是时间的一次线性函数，即V=tan a，tan a=D，则本发明风力发电机在一个运作周期的功A是Ac:
[0037]公式2中P是空气密度，s是风力发电机迎风面积，图4是本发明的做功示意图，横座 标是时间，纵座标是速度和功率，图中直线a、b、c是速度V的直线，曲线aAXi是功率N的曲 线，当V=Vb=I时N=I，V=I，当V=V。时Vd其=8,阴影面积是N对t的积分，是本发明风力发电机 在一个运作周期做的功A。。对于现有技术的风力发电机，因为从风轮到发电机的传动是固 定速比，从切入风速到额定风速过程中风轮变速的，其功率N ab是变的，从切入风速到额定风 速，机组做的功用积分求得，到了额定风速，由于受发电机额定转速不变所限，风轮用变距 或失速保持转速η不变，功率N bc是固定的，所以现有技术运作周期所作的功Ax，SAab+Abc组 成：
[0039]图5是现有技术风力发电机的做功示意图，额定风速之前的功是由积分求得，额定 风速之后因为功率是常数以做功是方形，将1用六\相除得到本发明现有技术发电能力增大 比例系数1^=3.2:
[0041]因为本发明采用双风轮，双风轮机组是同一种来风速度提高发电量，因此本发明 应是在以上提高基础上再提高，根据双风轮功率合成理论；
[0043]公式中N是合成功率，N1是前风轮功率，也是现有技术单风轮风力发电机的功率，N2 是后风轮的功率，E是来风的动能，Cp是风能利用系数。功率增大比例系数应是~用他去除得 K2 =
[0045]当风能利用系数Cp=O. 4时，K2=I. 6,因是同一机组时间相同，所以上式也是做功的 比例，因此本发明的做功能力增大系数K3应是Ki乘以K2:
[0047]论单台机组发电能力，本发明一台机组相当于五台现有技术机组。以上论证是本 发明的能力，而风力发电组的实际效果如何，要看该机组在风电场全年所做功的大小，因为 在实际风场中，运作周期不一定是完整的，风场风速的出现多数是随机的，随机的速度V就 是随机动能E，乘上风能利用系数Cp就是随机功率N。
[0049]该风速V在风场一年的总发电时间内出现多少次，占总次数比例是多少，这个比例 数F的单位是时间，功率N乘上时间F就是机组作的功A;
[0051]比例系数F就是风电行业采用比恩法测得风频图的风频F=f(v)，附图6是某风场的 风频图，横座标V是风场一年内的随机出现的风速段，竖座标F是该风速出现的时间比例百 分数，根据该图的参数可以算每个风速段作的功，各个风速段所作的功相加，就是某风力发 电机组在该风场一年的功，也是一年的出力。对于本发明风力发电机的V是连续的，本发明 风力发电机组在风场全年功A t。，是按公式5逐段计算相加的和。而对于现有技术风力发电 机，因为从风轮到发电机的传动是固定的，受发电机额定转速所限，高于额定风速的风能被 放弃，其利用的风速动能是常数，因此额定风速前机组作的功是附图6额定风速前各风速段 做功之和，而额定风速之后是固定的额定风速动能乘上附图6额定风速之后各段风频之和， 所以其风场全年功A tx由额定风速前功Ati和额定风速后功At2组成，Atx= Ati+ At2, At。用Atx相 除，得到本发明风力发电机比现有技术风力发电机，在风场全年做功增大系数K4:
[0053]根据风频图的数据可直接计算出风场全年功，设风频图中来风速度以平均风速Vm 等于风力发电的额定风速Vb，并以额定风速Vb为基准，令其等于1，切出风速Vc-2,风力发电 机组在风场各风速段所作的功为A d:
[0055]公式中Fd是来风速后段的风频，Vd是该风速段的来风速度，Cp是风能利用系数，P 是来风的密度，S是风轮的迎风面积。Cp、p和S都是常数，令：
[0057]风力发电机在风场全年做功是各风速段功的总和：
[0059]风场全年功计算表
[0061 ]本发明风场全年功是所有风速段功Ad之和：
[0063]现有技术风力发电机由额定风速前的工作风速是变的，所作的功也是变的，是0到 1的风速段的，从风速〇到1是Atl，从1到2是At2:
[0065]论风场全年出力，本发明比现有技术提高系数是Ac用Ax相除：
[0067]根据附图6参数计算结果K4=2.1252,考虑到还有双风轮技术，是同一风速的做功 增大参数，在风场中也起相同作用，并且当风能利用系数Cp =0.4时其做功增大系数K2=I.6， 所以本发明的风场全年功增大系数K5=K2K4,
[0069]通过本实施例显示本发明随风变速双风轮风力发电机，与现有技术风力发电机相 比，单机发电能力增大糸数是5.12,一台顶五台，凸显风力发电机成本大幅下降，机组在风 场全年做功增大系数是3.4,一处风电场顶上三个，凸显风电资源大幅提高。
【主权项】
1. 一种随风变速双风轮风力发电机，包括塔架，塔架上架设有机舱，机舱前后两端分别 安装有前风轮和后风轮，机舱前后两端的风轮与机舱内的功率合成机构连接，其特征在于： 还包括随风变速系统，功率合成机构与随风变速系统连接;所述随风变速系统包括风速仪、 应力传感器、变距机构、随风变速器、发电机和控制中心;所述风速仪与控制中心连接，控制 中心与随风变速器连接，随风变速器与发电机连接，发电机将转速信息反馈回控制中心。2. 根据权利要求1所述的随风变速双风轮风力发电机，其特征在于:所述控制中心与变 距机构连接，变距机构与风轮连接，风轮与随风变速器连接，风轮将转速信息反馈回控制中 心。3. 根据权利要求1所述的随风变速双风轮风力发电机，其特征在于:所述应力传感器安 装在风轮上，应力传感器与控制中心连接。
【文档编号】F03D3/02GK205618299SQ201620378285
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】岑益南
【申请人】岑益南