带飞轮和单极直流电磁传动机的风力发电系统的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种风力发电系统，特别是带有储能装置的风力发电系统。
【背景技术】
[0002]风力发电是公认的绿色能源，前景广阔，目前技术获得成功应用已有较长时间，风力发电系统自身的经济性竞争力在不断提高。但是，从电网全局视角考虑，在综合指标方面，目前还存在下述问题:由于风速具有很大的不稳定、随机性，风轮获得的风能功率始终在很大范围内变化不定，没有储能装置的风力发电系统的发电功率很不稳定，一般不把风力机装机容量视作电网中稳定可靠的发电容量，风力机装机容量的增多基本上没有相应地带来常规发电设备装机容量的减少；相反，由于风力发电的不稳定、无计划性，给电网消纳风电造成很大困难，需要相应地增加足够的调峰配套设施，包括调峰应急发电机组、抽水蓄能电站等；风电不稳定也使电能品质下降，并增加电网不稳定性；另外，为了能够比较充分地吸收全部风况下的风能，风电系统的额定容量设计的十分偏大，额定功率对应的设计/额定风速大幅高于年平均风速，年平均功率只占额定功率的19%左右，设备容量的有效利用率很低。
[0003]如果在风力发电系统中增配有效的储能装置，可以较好地解决上述问题，一是可以形成比较稳定可靠的发电源，二是可以取消增加的电网调峰措施，同时还可以兼职向电网提供调峰能力，三是可以提供标准品质的电能，四是可以大幅降低发电机及其与电网相连设备的额定容量。
[0004]离网(孤网)风力发电系统配置储能装置具有更大的必要性，由于在输入风能和用电负荷两端均存在很大的波动性，风电又是唯一电源，配置能够长周期稳定供电的储能装置是保证稳定电源的必要途径。
[0005]涉及风能存储的广泛方法包括:化学蓄电池，抽水蓄能，飞轮储能，压缩空气储能，相变储能，制氢储能等。有条件应用在风力发电系统中的实用方法包括化学蓄电池和飞轮储能。化学蓄电池常用于离网小型风力发电系统。化学蓄电池总的能量效率比较低，平均50%左右，大功率快速充电和放电受限，但维持电能时间比较长。带有储能装置的并网型风力发电系统还未见应用报道。
[0006]飞轮储能技术涵盖飞轮装置及其能量转换系统两大部分。目前典型的飞轮储能和转换系统具有以下结构及特点:
[0007]飞轮动能载体:飞轮动能来源于较大质量的飞轮轮体以很高的线速度旋转，轮体质量块均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以利用纤维增强塑料的高强特点获得最大的储能密度。这种材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，这样带来的不利之处是不能充分利用已占的空间布设质量块，实用储能体积密度偏小。另夕卜，大质量、高线速度复合材料轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是轮体与转轴的组合多为简支柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。
[0008]飞轮真空容器:旋转的轮体置于真空容器内，以最大限度地减少鼓风摩擦损失。旋转轴全部位于真空容器内，没有轴密封(即真空与大气的隔离)。轴承和电机也位于真空容器内。
[0009]飞轮轴承:采用磁力轴承,支承径向负荷和轴向负荷(飞轮多为立式结构)，以最大限度地减少轴承摩擦损失，同时回避机械轴承在真空环境中的润滑剂蒸发问题和寿命锐减问题。同时采用机械保护轴承，在磁力轴承不用、未用、失效、超载等情形下起到临时支承和定位作用。
[0010]能量转换系统:采用高转速变频电动/发电机和双向变流器，电机与飞轮同转速，由电网向飞轮输入能量时，电网工频交流电经整流和变频后驱动电动机，使飞轮升速，由飞轮向电网输出能量时，飞轮动能驱动发电机，产生的电能经整流和变频后输出到工频电网。电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、热传导受限的问题比较大。
[0011]经归纳总结，现有的飞轮储能和转换系统有以下不足之处或者有待改进的方面:
[0012](I)由于单个轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，实用储能体积密度偏小。
[0013](2)现有储能飞轮的转动不平衡问题大，解决工艺难，易引起较大的不平衡振动，并随使用时间加长而加剧不平衡。而且，大多数飞轮在其运行转速范围内避不开共振转速，带来通过共振点的问题。飞轮质量越大，其不平衡和共振问题越大。在固定场所应用的储能飞轮以大质量较多，例如电网调峰和风力发电稳定负荷所用的储能飞轮就具有很大的质量，这类飞轮的不平衡和共振问题尤其显得突出。
[0014](3)径向负荷轴承和轴向负荷轴承全部采用磁力轴承带来的问题:增加了必须具有很高可靠性的磁悬浮轴承主动控制系统，与不需控制的机械轴承或永磁轴承相比较，磁悬浮轴承及其控制系统毕竟是一个复杂系统，出现问题的概率较高，一旦出现故障和失效，由于飞轮的惯性旋转不能短时间内停止，保护轴承的发热和磨损将非常严重以致损坏，最终将引起飞轮转子系统的恶性破坏。磁悬浮轴承系统依靠电源的维持，在飞轮长时间不工作但保持旋转时也不能间断电源的供给。
[0015](4)高频高转速电机的发热量大、同时热传导又受限的问题比较严重，限制了电机功率的增大。变频电机还需要配置成本较高的变频器。变频电机+变频器的总效率也较低，即此种能量传递方式的效率较低。
【发明内容】
[0016]本发明方案采用飞轮和单极直流电磁传动机(HET—Homopolar ElectromagneticTransmiss1n)作为储能装置及其能量传递设备,应用在风力发电系统中，基本目标是实现一种新的带储能装置的风力发电系统，实现稳定发电的功能，发挥HET在飞轮能量传递中的优势，进一步的目标是，通过采用立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮，解决大质量飞轮和轴承等问题，通过在风轮和发电机之间应用HET变速传动，大幅提高风能捕获效率，从而较全面地改进风力发电系统。
[0017]下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。
[0018]一种风力发电系统，包括:一个吸收风能的水平轴式或竖轴式风轮，一个与电网连接或与离网用户连接的发电机，一个储能装置及其能量传递系统，以及这些设备的支承、控制和附属系统，其基本特征是:储能装置采用飞轮，其能量传递采用单极直流电磁传动机(HET)。
[0019]一套HET含有两个转子、一套静子、外部附属系统和调节控制系统，每个转子上有一个或多个轴对称形状的导磁导电体(3)，静子上有两个或多个环绕轴心线(I)缠绕的直流励磁线圈(9)，磁路由转子和静子上的轴对称结构件导引为闭环，至少有两个主磁路(22)，磁路经过转子导磁导电体(3)，最多有一个主磁路(22)同时经过两个转子的导磁导电体，构造有一套闭合的主电流回路(23)，该回路串联连接全部的转子导磁导电体，转子导磁导电体上的主电流方向与磁通(Φ)方向在子午面互相垂直，通过调节各个励磁线圈的电流(I1、12、…)，调节直流主电流(10)、每个转子的电磁转矩和电磁功率。
[0020]HET应用了单极直流电机的电磁作用原理，可以抽象看作是两个单极直流电机的组合，一个发电，一个电动，可以互换改变功率流向，两个转子之间的大电流以最短的导体路径传输，回避掉单极直流电机的外部大电流损耗问题，同时充分利用单极直流电机的技术优点，实现所求目标的功能和性能。更进一步，由于传动的转矩、功率、功率流向、转向均可由HET调节控制，使其超越了常规变速传动装置只能“被动”传输动力的局限，具备了按意愿控制“主动”传输动力的能力。
[0021 ] HET所应用的单极直流电机的电磁作用原理如下:
[0022]由轴对称环形直流励磁线圈产生单一极性的轴对称磁场，其磁通密度B没有周向分量Bt,只有子午面分量Bm, Bm由径向分量Br和轴向分量Bz合成。转子上有一段轴对称导体，磁密B的磁场磁力线穿过该导体，该导体具有旋转线速度Vt，切割磁力线，产生单一极性的感应电动势E = VXB.L，其中的黑体字母代表矢量(下同)。E也没有周向分量，只有子午面分量Em,且Em的方向与Bm的方向垂直，Em = Vt.Bm.L,其中，L为Em方向上的转子导体长度。在该长度两端的转子导体上设置电刷，引出两极连接外电路，转子导体上就有直流电流1通过，当电机发电时，1方向与电动势Em的方向相同，当电机作为电动机时，1方向与Em方向相反。
[0023]作用在转子导体上的电磁力(安培力)F= 1XB吨，由于1方向与Em方向相同或相反，而Em方向与Bm方向垂直,可知F只有周向分量Ft,且Ft = 1.Bm.L。
[0024]经过推导，可得到如下公式:
[0025]转子导体的电动势:
[0026]E = Em = ω.Φπι/ (2 π )
[0027]ω为转子角速度，Φι?为穿过转子导体的磁通量,即子午面分量磁密Bm的磁通量。由于存在漏磁现象，对于有一定厚度的转子导体，属于电流边界的导体表面的射入磁通与射出磁通有差别，Φπι取二者平均值。
[0028]转子导体所受的电磁转矩:
[0029]Me =-10.Φηι/(2 JT)
[0030]转矩矢量Me的正方向与角速度矢量ω的正方向相同，1的正方向与E的正方向相同。
[0031 ] 转子导体所接受或输出的电磁功率:
[0032]Pe = Me.ω = -E.1 = - ω.1.Φι?/ (2 π )
[0033]标量Pe为正值或负值时,表TJK转子导体接受或输出电磁功率。
[0034]当电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相同时，处于电动工况，表不转子接受电磁功率Pe，再经由转动轴向外传输机械功率Pm。当Me与ω的矢量方向相反时，处于发电工况，表不机械功率Pm由转动轴端输入，再由转子导体向外输出电磁功率。
[0035]在电磁功率Pe与轴端机械功率Pm之间的传递过程中，存在机械损耗，包括:电刷的摩擦功率，转子的鼓风摩擦功率，轴承摩擦功率，转子动密封摩擦功率。
[0036]本发明产品上的单极直流电磁传动机(HET)，原理上是两个单极直流电机的组合，具有两个转子及其转动轴，每个转子与静子之间都有上述单极直流电磁作用。每个转子上至少有一个轴对称形状的导磁和导电性能均良好的导磁导电体(3)，材料可以选择电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳。导磁导电体(3)通过磁通量Φπι的绝大部分，而与之相接的非磁性材料的转子导电体(4)也通过少量漏磁通，这两部分磁通一起构成磁通Φπι。转子导电体(4)的材料可以选择铜、铝、铜合金、铝合金等，铜合金中可以选择铬铜(Cu-0.5Cr)、镉铜(Cu-1Cd)、锆铜(Cu_0.2Zr)、铬锆铜(Cu-0.5Cr-0.15Zr)、铁铜(Cu_0.lFe-0.03P)、银铜(Cu_0.1Ag)，以强度够用的较高电导率材料为佳。磁通Φπι与转子角速度ω共同作用，在转子导体(3，4)上产生电动势Ε。一个转子的各个转子导体(3，4)流过的主电流10，方向与其电动势E的方向相同，起主动转子作用，另一个转子的1与E方向刚好相反，起被动转子作用。主电流回路的主电流1值的大小，遵守欧姆定律，等于主动转子各导体电动势E之和与被动转子各导体电动势E之和的差值再与主电流回路电阻RO之比值。磁通Φπι与主电流1共同作用，对转子导体(3，4)产生电磁转矩Me，该转矩矢量的方向，在主动转子上与其ω矢量方向相反，在被动转子上与其ω矢量方向相同。由此引起电磁功率Pe从主动转子向被动转子传输,主动转子电磁功率大于被动转子电磁功率，二者差值等于主电流回路的欧姆热损耗功率，即1的平方与RO之积。主动转子与被动转子可以互换角色，从而使功率流向产生调转。
[0037]HET静子上至少有两个环绕轴心线(I)缠绕的直流励磁线圈(9)。HET至少有两个主磁路(22)。所谓“主磁路”是指励磁线圈周围的磁阻最小的闭合磁路，区别于多路径并联导磁材料结构中的次要分支磁路。磁路由转子和静子上的轴对称结构件导引为闭环，环路中除转子与静子之间的窄缝气隙之外，其余结构件均为导磁材料。在这些结构件中，转轴(2)和转子导磁体(14)可选电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，静子导磁导电体(7，17，18)和静子导磁体(10，20，21)可选电磁纯铁、低碳钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳，磁导率较高的材料其电导率也较高。
[0038]当HET两个转子有对一路励磁源的共用时，即出现一个主磁路(22)同时经过两个转子的导磁导电体⑶的情形(如图2和图3)。这时，穿过共用主磁通的两个转子相邻表面，可以是垂直端面，可以是圆锥面(图2)，可以是圆柱面(图3)。这三种结构产生的两转子轴向磁吸力不同，垂直端面结构的轴向磁吸力最大，圆柱面的很小，圆锥面的介于二者之间,可以通过改变锥角来调整轴向磁吸力的大小。
[0039]在HET两套转子和静子上，构造有一套串联闭合的主电流回路(23)，该回路由三种不同性质的电路连接件组成:固体结构件，转子与静子之间的导电连接物，无相对速度的(同在一个转子上，或同在静子上)固体结构件之间的导电连接物。
[0040]主电流回路上的转子固体结构件，包括转子导磁导电体(3)和转子导电体⑷。也可以使与前二者相邻的转轴(2)参加导电，此时转轴(2)与前二者的接触面是导电性的，甚至转轴(2)与导磁导电体(3)设计为一体。转轴(2)参加导电有利有弊，优点是电阻减小，缺点是转动轴带电，并加大了励磁的磁阻。
[0041]主电流回路上的静子固体结构件，包括:与转子直接导电相连的静子导电体(6，11)，静子导磁导电体(7，17，18)，静子中间导电体(8)，静子外引导电体(16)，以及外部电路导体。导电体(6，8，11，16)和外部电路导体可以选择铜、铝等高导电性材料。
[0042]无相对速度的固体结构件之间的导电连接，可以用导电胶粘接，可以用固体软金属材料填缝，可以充填液态金属，也可以直接接触导电。充填液态金属的方案在导电性和容许接缝错位变形方面具有优势。
[0043]转子与静子之间的导电连接(5)，采用液态金属作为导电媒介，可选的液态金属包括:钠钾合金(如钠钾比例为22: 78,凝固点-1rC,蒸发点784°C ),镓(凝固点29.9°C )，镓铟合金(如镓铟比例为75: 25，凝固点15.7°C )，镓铟锡合金(如镓铟锡比例为62: 25: 13，凝固点约5°C ;比例为62.5: 21.5: 16，凝固点10.7°C ;比例为69.8: 17.6: 12.5，凝固点10.8°0，水银(凝固点-391:，蒸发点357°0等。金属液体电路连接方案的接触电阻小、摩擦损耗低，可以循环流动液态金属以带走热量。
[0044]转子与静子之间的主磁通气隙表面，可以设计为轴对称圆柱面(轴面型)，也可以设计为垂直于转轴中心线的端面(盘面型)。轴面型不产生轴向磁吸力，盘面型产生轴向磁吸力。可以采用对称布置的双盘面结构，以抵消轴向磁吸力。
[0045]通过每个转子导磁导电体(3)的磁通，有单磁通方案和双磁通方案，后者由两路励磁源励磁，电动势倍增。轴面型双磁通方案利用了转轴(2)的双面导磁通道，结构细长。结构趋向细长的设计还包括:缩小励磁线圈中心线半径，使线圈趋近转轴中心线。这种近轴线圈设计方案还可减少励磁线圈所耗的铜材或铝材。
[0046]轴面型方案的转轴(2)，可以设计为实心轴，也可以设计为空心轴。在相同的转轴外径情况下，实心轴的导磁能力最大。在转速较低、液态金属“电刷”线速度不受限的情况下，转轴外径可以设计的较大，转轴设计为空心轴，这种方案的结构耗材较少、重量较轻。
[0047]一般应用场合下，转子在内圈，静子在外圈，即内转子型结构。在与风轮轴直接连接的很低转速条件下，也可将HET设计为外转子型结构(图9)，这时的低转速、大直径、中空结构有利于静子在内圈布置，以获得较小的重量和较短的电缆及附属管线等益处。
[0048]轴面型、内转子型方案的转子导磁导电体(3)与转子导电体⑷的相接表面，可以是直至二者外径的全高圆盘面，也可以是非全高的圆盘面加圆柱面，即转子导电体为非全高型(图13)。在转速较高、全高型转子导电体强度不足时，采用非全高型设计。
[0049]从两个转子之间的距离和方位关系不同来区分，具有集中型和分离型两种结构。集中型的两个转子轴心线重合，且两个转子互相靠近，主电路较短。分离型的两个转子分开布置，各有独立的静子，具有外联导体传输主电流。集中型的主电路电阻较小，耗材和重量较少，但励磁之间干扰较大，不利于独立调节励磁，其转子支承也不易布置。分离型的布置灵活，利于独立调节励磁，但主电路电阻较大，电路耗材和重量较多。集中型的能量传递效率较高，分离型的能量传递效率较低，但分离型的能量传递效率也可达到98%左右(综合优化重量和效率两个指标、且较注重效率的优化方案)。
[0050]分离型具有两个HET半偶件，二者之间具有外联导体，以构成一套主电流闭合回路。用外接端子(16)(图6至图12，图15，图16，图19，图20，图47，图48)连接外联导体。外联导体可以采用多个同轴导体，具有同轴的芯轴(40)和套筒(41)，芯轴和套筒分别传输方向相反、大小相同的主电流，芯轴与套筒的间隙可以通以冷却介质散热。外联导体也可以采用混排柔性电缆，即采用数量众多的小线径导线，电流方向相反的两路导线互相绝缘地均匀混排，可以在导线束外加装套筒，并密封导线进出两端，在套筒内通以冷却介质散热。小线径导线具有柔软、易布置、可错位移动的特点，小线径导线可与端子钎焊连接，小线径导线与外接端子(16)的连接可采用钎焊或通过中间过渡端子连接。
[0051]分离型的单个转子，可以设计为具有一个转子导磁导电体(3)，可以设计为具有多个转子导磁导电体。此多个转子导磁导电体采用串联连接，称为多级串联型。采用外接端子(16)和外部导体对多个转子导磁导电体进行串接的多级串联型，称为多级外串联(图10、图11)，此种情况下，相邻的、串接的两个导磁导电体有对一个主磁通的共用。采用靠近转轴的内部导体对多个转子导磁导电体进行串接的多级串联型，称为多级内串联(图12)，此种情况下，每个主磁通仅穿过一个转子导磁导电体。
[0052]采用外接端子(16)连接外联导体的分离型，其两个HET半偶件可任意配对，不必为相同类型。
[0053]HET转子与静子之间的金属液体电路连接区(5)结构设计为:连接区空隙呈轴对称缝隙形状，其中段的半径大于两侧半径，对应中段最大半径位置，在静子导电体(6，11)上，开有轴对称的、与上述缝隙连通的分支缝隙(25)。较窄的缝隙利于减少电阻和组织流动。中段半径大于两侧半径的结构，利于在旋转时包容金属液体不失位。对应中段最大半径位置的分支缝隙，用于充装金属液体、收回金属液体、循环金属液体(需要第二分支缝隙
(26)的参与)。当电路连接区金属液体摩擦发热量不大，且不需要该处金属液体负担转子导体电流欧姆热的传导外散时，不进行金属液体的循环流动是可选方案，这时可仅设分支缝隙(25)。
[0054]第二分支缝隙(26)用作循环流动金属液体的进液通道，分支缝隙(25)用