大型抗台风垂直轴风力发电装置及其台风防御方法

1.本发明涉及清洁能源风力发电技术领域，具体是一种安装在大型水体或深海的大型抗台风垂直轴风力发电装置及其台风防御方法。


背景技术：

2.当前，海上风力发电装置多为水平轴风力发电机组。为了提升风机效能和投资效益，风机的单机功率正在向大型化方向发展，已有16～18兆瓦水平轴风机投入市场。随着海上风机的大型化，风机叶轮直径和叶片长度不断提高，风机的抗台风设计要求越来越高，以确保风机能抵御台风袭击而不被破坏。于是人们将目光转向垂直轴风机，研究将垂直轴风机用于海上风力发电，近年来已有人尝试将一些小型垂直轴风机应用于海上风电市场。
3.垂直轴风机：叶轮旋转轴沿铅垂方向的风力发电装置。
4.升力型垂直轴风机：具有一组（二只或多只）d型流向翼型叶片，并利用叶片升力与阻力的矢量差形成风机旋转力的垂直轴风机。由法国航空工程师达里厄1931年发明。
5.与水平轴风机相比，垂直轴风机有它独到优点：风机结构相对风轮转轴呈轴对称分布，水平作用力小，稳定性优于水平轴风机。但受其结构限制，垂直轴风机应用一直被局限于小型风机领域，单机功率局限在几百千瓦，用原有结构很难开发出几兆瓦甚至十几兆瓦的大型垂直轴风机。主要原因是，垂直轴风机中承载旋转力的长臂结构（或称支撑臂）的承载能力受到一定限制，无法开发具有大直径叶轮的大功率垂直轴风机。
6.其次，海上风机需要承受台风的考验。在台风来临时，垂直轴风机需要进行相应的机构调整和顺桨控制，以减少作用到风机叶片上的风载荷，使风机能抵御台风灾害而不被破坏。
7.海上风机水下基础部分的造价占比高。以常见的近海岸水平轴风机为例，风机水下部分基础的造价几乎与水上部分风力发电机组的造价相近，而且风机安装区域的水深越深，风机基础的造价占比越高。这时候就要使用漂浮式桩基础，以降低深海风机基础的造价。
8.风机结构对海上漂浮风机稳定性的作用很大。垂直轴风机叶轮相对旋转轴呈轴对称结构，风机的稳定性要大大优于水平轴风机，因此开发大型抗台风垂直轴风机对深海区域风能利用具有重要意义。


技术实现要素：

9.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种大型抗台风垂直轴风力发电装置及其台风防御方法。
10.为实现垂直轴风力发电机组（即垂直轴风机）的大型化，并使其具有抗台风、高效、长寿命，度电成本低等优良特性，需要充分研究海洋环境以及其海上风资源的特性，利用台风的可预测预报的特性，从风机的结构优化入手，构建海上大型化垂直轴风机。该风机应具有：1）大型垂直轴风机的叶轮直径大，风机发电时将风机叶片提升到风能资源较好的空域，
并控制使风机旋转力矩最大化，使尽可能多的风能转化为旋转机械能； 2）将原小型风机支撑结构，改为可升降调节将叶片托举到海面高风速区域，支撑机构自身也带有特定系列翼型，并进行轻量化设计，以提高叶轮吸收风能的能力；3）风机基础采用深海漂浮式桩基础，可有效降低风机基础造价，使风电投资项目具有良好的经济效益；4）降低风机重心，可增加风机稳定性，提高风机抵御台风的能力。台风到来时应使风机支撑臂和叶片处在近海面低风速区域，并使叶片顺桨，最大限度地提高风机抵抗台风灾害的能力。
11.按此思路，本发明提供了一种大型抗台风垂直轴风力发电装置，包括漂浮式桩基础、锚链、机舱和主叶片，机舱和主叶片通过漂浮式桩基础和锚链在水面上定位。所述机舱顶部通过轮毂与若干支撑臂铰接，支撑臂顶部铰接有主叶片，若干支撑臂顶端位于同一水平面上转动形成风轮，其中，支撑臂设置有支撑臂调节机构，主叶片设置有变桨机构。
12.所述的传动发电装置设置在机舱内部，包括传动轴、齿轮箱、联轴器和发电机等设备。轮毂带动传动轴将动力传递到齿轮箱的输入端，经齿轮箱加速后将动力通过联轴器带动发电机旋转，并对外输出电能，实现所述风机的风力发电。发电机固定在机舱内的底座上。
13.进一步改进，垂直轴风机的旋转扭矩作用在漂浮式桩基础上，因此锚链系统须将基础绑定不得大幅度旋转，漂浮式桩基础的锚链系统应综合形成并达到一定的抗扭能力要求，并能够抵消发电装置的作用在基础上的反扭矩。为此，漂浮式桩基础上应具有浮力调节装置，通过该调节装置可以增加和减少压入浮筒中的空气，从而调整基础达到所需的浮力。漂浮式桩基础还应具有良好的排水能力，使进入漂浮式桩基础的海浪能及时排出，并且机舱的防水和防盐雾设计应比较讲究，不仅要保证海浪没有机会进入机舱，并且要防止机舱内设备受到海上盐雾的侵蚀。
14.安装一台海上垂直轴风机很不容易。为了降低风机的度电成本，单台风力发电机的容量在扩大，为此需使用直径更大的叶轮，实现更大的扫风面积。但与此同时，限于叶片的叶尖速度有上限的制约，风轮转速会随直径增加而降低，因此，风轮的实度明显不足，通俗说就是出现大量漏风。采用更多数量叶片的风轮技术可提高风能的利用率，从而显著提高垂直轴风机的发电量。增加叶片肯定会增加风机成本，具体采用几只叶片，需在单机成本增加和发电量增加之间进行平衡确定。
15.进一步改进，配合所述风机，除液压驱动的曲柄连杆机构外，还可用多种机构实现支撑臂和主叶片的调整控制，如滑轮钢索系统调节机构、液压连杆机构等，或者这些调节机构的混合运用。比如支撑臂的调节采用滑轮钢索机构，主叶片调节采用油缸驱动的曲柄连杆机构。具体应用哪种机构，可根据实际机型的安装布置空间、可靠性和经济性等因素综合考虑进行取舍。
16.实现垂直轴风机主叶片变桨调节机构的本构关系是，在靠近支撑臂的顶部附近区域，沿着支撑臂表面安装有一套液压驱动的曲柄连杆调节机构，该调节机构主要由液压活塞缸、连杆、曲柄组成，其中配置关系为：连杆的一端与液压活塞杆端部铰接，连杆的另一端与主叶片上半段的适当位置点铰接，而主叶片的中部与支撑臂顶部铰接，那么沿主叶片上这两个铰接点间的部分就是所谓的“曲柄”。这个机构非常类似雨伞的收伞机构，主叶片相当于伞骨，油缸伸出缩回就相当于收开伞时拉动的撑伞杆上的滑套。油缸的活塞杆缩回，可实现主叶片顺桨；推出可实现主叶片展开呈迎风发电状态。同样的道理，支撑臂向斜上方升
起或下降，也可以用另一套液压驱动的曲柄连杆机构实现。
17.所述机舱顶部设置有支撑臂调节控制塔柱，支撑臂调节机构连接在支撑臂调节控制塔柱和支撑臂之间。
18.一种具体的改进，所述支撑臂调节机构为液压驱动的连杆机构，连杆机构连段分别连接支撑臂调节控制塔柱和支撑臂，液压驱动控制连杆机构伸缩。
19.一种具体的改进，所述支撑臂调节机构为滑轮吊索机构，包括若干组支撑臂调节机构滑轮组、支撑臂调节机构钢索和支撑臂调节机构变频电驱动装置，其中，支撑臂调节机构滑轮组和支撑臂调节机构变频电驱动装置设置在支撑臂调节控制塔柱内部，每个支撑臂调节机构变频电驱动装置连接有一根支撑臂调节机构钢索，支撑臂调节机构钢索绕过支撑臂调节机构滑轮组与支撑臂连接，若干支撑臂调节机构钢索连接在支撑臂上不同的连接点。
20.一种具体的改进，所述变桨机构为液压驱动的连杆机构，包括液压变桨驱动杆和液压变桨连杆，液压变桨驱动杆与支撑臂固定连接，液压驱变桨驱动油缸驱动液压变桨驱动杆沿支撑臂伸缩运动，液压变桨连杆一端与主叶片连接，另一端与液压变桨驱动杆的伸缩段连接。
21.一种具体的改进，所述变桨机构为滑轮吊索机构，包括钢索变桨机构滑轮组、变桨机构钢索和带拉簧的位置补偿的钢索变桨驱动装置，其中钢索变桨机构滑轮组和带拉簧的位置补偿的钢索变桨驱动装置固定在支撑臂上，钢索变桨机构滑轮组通过变桨机构钢索连接到主叶片铰接点一侧，带拉簧的位置补偿的钢索变桨驱动装置通过变桨机构钢索连接到主叶片铰接点另一侧。
22.进一步改进，将支撑臂设计成带特定系列翼型结构，并依据其承受扭转力载荷对结构按等强度理论进行轻量化设计，采用纤维增强树脂复合材料做成的轻质结构；主叶片亦为具有特定翼型的升力型叶片，同样采用纤维增强树脂复合材料制造。相对于全钢结构，整个风力发电装置的质量减轻，重心降低，风机整体的稳定性得到提升。
23.本发明还提供了一种大型抗台风垂直轴风力发电装置的台风防御方法，采用上述大型抗台风垂直轴风力发电装置，包括发电工况和台风防御工况。
24.海面风速随海拔升高呈梯度分布，海拔越高风速越大。所述垂直轴风机发电时，支撑臂调节机构按控制策略使支撑臂围绕叶根的铰接点旋转升起，相对风机回转轴呈“v”字形态，使支撑臂顶部的主叶片处于海面上空的高风速区域；在变桨调节机构控制下，主叶片调整至迎风发电状态。在海面风力作用下，主叶片迎风产生旋转力，带动垂直轴风机叶轮转动，通过支撑臂传递旋转机械能，并加入带翼型支撑臂吸收的风能，带动机舱内传动与发电机设备进入发电运行。
25.当台风情况下，风机启动台风防御控制策略。支撑臂调节机构使支撑臂顶端铰接的叶片降至海平面附近低风速区域，并展平呈“一”字状，结合变桨调节机构将主叶片收成顺桨状态，好像“匍匐”在海平面上。这里既调整叶片到低风速区域，又实施叶片顺桨，可以最大限度地减少台风作用到叶片上的风载荷，从而可大幅降低台风灾害对风机和叶片的破坏力，极大地增强风机抵御台风灾害的能力。
26.本发明有益效果在于：1、针对传统垂直轴风机支撑臂结构进行翼型化和轻量化改进，使所述风机风能捕
获能力得以提升，降低了风机重心，提高了风机稳定性，为实现垂直轴风机大型化开发提供一种途径。
27.2、通过垂直轴风机支撑臂升降调节机构和叶片变桨调节机构的规划，实现所述风机的发电控制和风机抵御台风灾害的方法，即台风情况下所述风机既实施顺桨，又将叶片转移到近海面的相对低风速区域，可使风机抗台风能力极大提高。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
29.图1为本发明主视图。
30.图2为本发明轴侧视图。
31.图3为本发明俯视图。
32.图4 为本发明风机实施抗台风策略的姿态图。
33.图5为本发明实施例1中支撑臂升降调节机构图。
34.图6为本发明实施例1中主叶片液压变桨机构图。
35.图7为本发明实施例2主视图。
36.图8为本发明实施例2的滑轮钢索驱动机构图。
37.图9为本发明实施例2的滑轮钢索变桨机构图。
38.1-漂浮式桩基础，2-锚链，3-浮力调节装置，4-机舱，5-传动发电装置，6-支撑臂调节控制塔柱，7-轮毂，8-风轮，9-主叶片，10-变桨机构，10a-液压变桨驱动杆，10b-液压变桨连杆，10r-钢索变桨机构滑轮组，10s-变桨机构钢索，10t-带拉簧的位置补偿的钢索变桨驱动装置，11-支撑臂，12-支撑臂调节机构，12r-支撑臂调节机构滑轮组，12s-支撑臂调节机构钢索，12t-支撑臂调节机构变频电驱动装置。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.本发明主视图、轴侧视图和俯视图分别如图1，图2和图3，包括漂浮式桩基础1通过若干锚链2固定到海床上，固定后漂浮式桩基础通过浮力调节装置3调节使其处于半浸入海水状态。机舱4与漂浮式桩基础中心浮筒固定连接，其顶部有风机轮毂7和防海浪与盐雾的机舱罩体。机舱4内部安装有传动及发电设备，风机的支撑臂11根部与轮毂7通过铰链连接，并通过支撑臂调节机构12实现支撑臂的升降调节。在支撑臂11的顶部，通过铰链与风机主叶片9连接，并通过变桨调节机构10实现叶片的调节控制。以下通过两个实施案例，详细说明这两个调节系统的实现方式。
41.实施例一：
本发明采用一种具体实施案例如图1～4所示。本示例支撑臂升降调节采用液压驱动的连杆机构，主叶片变桨调节采用液压驱动的曲柄连杆机构。以前述实施方式为基础，进一步表述两个调节机构的实现方式：可以看出，支撑臂11调节范围为小锐角，特定的工作范围为曲柄连杆机构简化为采用液压驱动连杆机构提供了可能，可简化调整机构，经济性更好。支撑臂升降调节采用液压驱动的连杆机构如图5所示。支撑臂升降铰链a设置在支撑臂11根部附近的合适位置，连杆一端与其连接，连杆另一端与塔柱顶部铰链b连接。
42.主叶片变桨调节采用液压驱动的曲柄连杆机构如图6所示，包括液压驱动油缸10a、连杆10b和主叶片两个铰链间的部分为“曲柄”部分。在本说明书前述文中，谈及主叶片变桨调节机构的本构关系时，已阐述过采用曲柄连杆机构实施主叶片变桨调节的实现方式，此处不再赘述。
43.所述风机运行中，也可对叶片和支撑臂的调节实施联动控制。发电工况下，风机按照控制策略，使支撑臂11绕根部铰链向上旋转升起约与水平方向成45
°
，在主叶片9升到海面上空风速较高的区域过程中，将叶片调整成铅垂方向。在海面风力作用下，叶片9迎风推动风轮8产生发电转矩，带动传动发电装置运行发电；当预测将有台风来临时，风机即进入抗台风工况，图4所示为所述风机抵御台风的姿态：风机首先降下支撑臂11，使叶片9降到海面附近的低风速区域，同时旋转主叶片9到水平方向的顺桨位置，最大限度地减小台风对风机的作用力，以提高风机抵御台风灾害的能力。
44.支撑臂11调节范围约为0～45
°
，主叶片9与支撑臂11夹角的调节范围约为0～135
°
，支撑臂和主叶片调节的端值点分别对应于风机发电工况和抗台风两种工况，上端值点为风机发电（或待机）工况，下端值点为抗台风工况。
45.实施例二：本发明另一种具体实施案例如图7-9所示，图中风机的支撑臂调节与变桨调节均采用滑轮吊索机构，其结构和工作原理如下：首先，在支撑臂上设置三个钢索的铰接点：a点为距离支撑臂根部1/3臂长处、b点为1/2臂长处，c点为顶部区域的合适点，且各支撑臂所取钢索铰接点位置保持一致。图8为滑轮组及其驱动机构的塔柱图，塔柱设置在轮毂上方，其轴向与所述风机风轮转轴重合，并与轮毂采用固定连接。该塔柱共分三层，由下向上，第一层对应支撑臂的a铰接点钢索；第二层对应其b铰接点钢索；第三层对应c铰接点钢索。每个吊索驱动系统包括滑轮组12r、钢索12s、变频电驱动卷扬装置12t组成。很明显，在支撑臂升降过程中，第一、二、三层滑轮吊索系统收放钢索的速度不同，因此每层吊索驱动系统的控制要求也不同。换言之，三层吊索驱动系统需根据支撑臂升降过程中对吊索收放速度的要求进行协调控制。
46.主叶片与支撑臂顶部连接的铰链点位于主叶片长度方向的中间。如图9所示，分别在上半段、下半段的合适位置点各取一个钢索铰接点p和q，每支主叶片所取钢索铰接点位置保持一致且设置在风轮内侧。这样通过控制两个铰接点的钢索，实现对主叶片的变桨调节。钢索卷扬装置后侧带调节弹簧，原因是在主叶片旋转过程中，po+oq不是恒定值。如果要使绕过滑轮的钢索保持定值，需要用拉弹簧进行位置补偿，以调整钢索卷扬装置中心o的位置。
47.滑轮钢索调节系统有两个优点：首先是两个调节系统的动力为全电机驱动，与液
压驱动系统相比，电机驱动系统布置更为灵活方便；其次，支撑臂采用多钢索铰接约束，可有效避免叶轮旋转中支撑臂颤动，在支撑臂根部区域的设置附加锁定杆的约束，因此本示例所述风机在运行发电过程中，支撑臂和主叶片更加稳定。
48.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。