[發明專利]雙風輪雙風速功率曲線工作的垂直軸風力發電系統

無效

• 申請號: 201310153536.2
• 申請日: 2013-04-28
• 公開（公告）號: CN104121146A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 伍培云;王洪福;顧曙敏
• 申請（專利權）人: 伍培云
• 主分類號: F03D3/02
• 分類號: F03D3/02;F03D7/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于一種垂直軸風力發電系統，本系統能實現低風速功率曲線和高風速功率曲線上的雙功率曲線工作，克服了現有風力發電系統固有的一種弊病，風力發電機的工作風速范圍較窄,就是低風速與高風速不能兼顧的矛盾。而本發電系統在低風速和高風速有一樣的發電能力,?并且降低了起動風速,加寬了發電機的工作風速的范圍。特別適用于廣大年風速分布很不均勻的地區，可以幾倍地增加年發電量。

背景技術

目前，市面上風力發電系統種類很多，有水平軸，垂直軸風力發電系統，已采用的風力發電機有3種,?即直流發電機、異步和同步交流發電機;?不論是何種電機,?均由定子和轉子兩大部件組成（有內轉子和外轉子之分）,?靠轉子的轉動在處于變化磁場中的繞組內產生感應電動勢,?將風輪捕獲的風能轉化成電能????????????????????????????????????????????????。實際上不可能將捕獲的風能全部轉變為電能,?在空氣密度、風能利用系數、場地風速和機械效率相同的情況下,?發電機的輸出功率與風輪面積成正比。

發明內容

根據貝茨理論,?風能利用系數?的極限值為0.593,這是一個上限，任何形式的風力發電系統都不能突破這個上限，要解決現有風力發電系統的工作風速范圍較窄的問題，特別是低風速區，僅依靠增加（象變槳風機）,很難實現，因此在低風速時，必須成倍地增加風輪面積，才能增加發電機的發電量。如果是單轉子電機，要增加風輪面積，風輪半徑也將增加，因為風能利用系數是的函數，是風輪的尖速比（一般在2.0-7.5之間有一極大值），要保持極大值附近，首先要不能有太大的變化，要半徑增加，則就要降低電機的轉速，即增加電機的極對數，電機的重量和體積大大增加，成本將成倍增加，單位KW的投資額隨之成倍增加。本發明是在已有電機極對數不變的情況下，在垂直軸發電機定子上增加一組風輪如圖1所示，半徑不變，從而保證不變的情況下使風輪面積增加一倍或更多，實行雙轉子運行，從而實現增加低風速時（風速小于5米/秒）發電機的發電量。當變成高風速時（風速5米/秒以上），電機定子制動，只有轉子上的風輪工作，從而使電機處在最佳的發電狀態。本系統實現了風機在兩種風速功率曲線上工作，前一種額定工作風速小于5米/秒，后一種額定工作風速可大于10米/秒。因此加寬了發電機的工作風速范圍，特別是增加了低風速范圍的發電量,?對充分收集和利用風能具有十分重要的意義。而水平軸風力發電機不宜采用類似方法，因為風是水平運動的，會使前風輪擋掉后風輪的風能。根據電磁感應原理,?導體在磁場中運動切割磁力線產生的感應電動勢大小為:

?????(?1)

式中,為線圈匝數,?為主磁通的幅值(Wb),?為旋轉角速度(?rad?/?s),?t為時間(?s)。雙轉子永磁同步電機(?PMSM)與普通PMSM?的區別在于其電樞部分也可以旋轉,?兩個轉子旋轉的動力來源于永磁體與電樞所產生磁場間的相互作用,?因此,?兩個轉子必將沿著相反的方向旋轉。由式(?1)可見,?若采用雙轉子結構,?即使絕對轉速很低,?也可使磁場與繞組之間的相對轉速變大。由式(?1)可得:

其中,?、分別為內、外轉子的旋轉角速度。雙轉子同步發電機在理想狀態下,?內外轉子的轉速大小相等方向相反。設,,?于是有:

??????(?2)

比較式(?1?)和式(?2?)可知,?在相同的條件下,雙轉子發電機的風能利用率和發電能力都提高了1倍,?因為雙風輪起動力矩增加一倍，即使風速很低也能運行,?降低了起動風速,加寬了發電機的工作風速的范圍。為實現本發明的目的采取了如下技術方案：

設計二組達里厄式風輪，一組安裝在發電機的轉子上，另一組安裝在發電機的定子上，如圖1所示，但它們工作時的轉動方向正好相反。發電機底部固定在一個回轉體上，如圖1所示，該回轉體可繞發電機的中心軸旋轉，回轉體安放在塔桿上端的一個聯接裝置上，聯接裝置上平面與回轉體下旋轉面之間用推力球軸承和磁懸浮裝置隔離，如圖2所示推力球軸承和磁懸浮裝置，回轉體中心軸上上、下兩端各有一圓柱軸承固定在聯接裝置內，保證回轉體繞鉛垂軸自由轉動。另外在聯接裝置內還安裝一個對回轉體的電磁制動器和固定在回轉體旋轉軸上的防回轉體傾倒脫離裝置。本發明性能可靠、穩定、結構簡單、制造容易、成本低、不易損壞、經久耐用、易于維修。

附圖說明

下面結合附圖進一步詳細說明本發明的技術特征：

圖1、在雙風速功率曲線上工作的垂直軸風力發電系統的剖視結構示意圖；