[發(fā)明專利]空氣動力制動的大型垂直軸風輪機

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• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN108730114A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發(fā)明（設計）人: 於岳亮;於宙;於菲
• 申請（專利權）人: 上海穩(wěn)得新能源科技有限公司
• 主分類號: F03D3/06
• 分類號: F03D3/06;F03D3/00;F03D7/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了多種大型復合型垂直軸風輪機組結構，有雙臂達里厄與H型斜襯或豎襯構成的復合升力型機，也有升力型與阻力型風輪機構成的復合型垂直軸機組；并靠阻力型機的反轉(zhuǎn)機構實現(xiàn)空氣動力制動，具備全球大型機中最強的結構剛度強度，以提高截風風速范圍，同時解決了空氣動力制動的難題，集國內(nèi)外最新技術的、最大輸出功率的、工業(yè)化實施程度最高的風力渦輪發(fā)電機組，特別適用于高單機功率容量的海上風力發(fā)電。

技術領域

本發(fā)明屬于渦輪動力機發(fā)電技術領域，具體地說，是提出一種帶有空氣動力制動器的大功率復合型垂直軸風力渦輪機。

背景技術

風力渦輪機(以下也可簡稱為風輪機或風機)，是將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合發(fā)電機軸能接受的機械能，然后帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電的可再生能源動力裝置。在整個風力發(fā)電過程中，渦輪機的產(chǎn)能是第一位重要的。在現(xiàn)有廣泛使用的水平軸渦輪機中，產(chǎn)業(yè)實踐證明，單機功率的增大，有利于降低單位功率裝機容量的成本和風力發(fā)電的度電成本。因此，單機額定功率容量不斷增大，水平軸渦輪機的單機功率已普遍從上世紀末的兆瓦(MW)級升高到目前的2～3兆瓦級，當前研發(fā)機組集中在5～8兆瓦級，遠景瞄準10～15兆瓦級的目標，這是近期來風電技術發(fā)展演進的總趨勢。

研發(fā)中的超大型風輪機系統(tǒng)存在以下諸多技術上的缺陷和難題：

1、對單機功率為10MW級水平軸渦輪機而言，其葉片長達80～100米，三針式葉片為懸臂梁結構，單端固定在輪轂上，受風力和重力雙重作用，存在巨大的應力和因而招致的形變，本身結構強度低，易為強風損壞，必須采用結構強度更高的碳纖維材料，材料和工藝成本迅速增高，即使在材料工藝方面付出了巨大成本，但在抵抗強烈暴風下的生存能力方面仍還顯不足，經(jīng)常發(fā)生在颶風中葉片被吹折的破壞事故；此外，機組處于高空，隨著功率的增加，發(fā)電機加重、塔筒高度增大，電氣、塔筒和地基建造成本隨之而大增，使整機成本急劇升高。

2、如果采用10MW級垂直軸的達里厄渦輪機，雖然葉片為雙端支承，克服了懸臂梁單端支承的缺點，但其主軸的長度接近百米，為保證轉(zhuǎn)動時的低晃動度和剛度，主軸制造成本將遠大于水平軸主軸。高強度剛度的長主軸，價格昂貴，即使垂直軸渦輪機有許多優(yōu)點，例如發(fā)電裝置可以放在地面，便于安裝維修，省略水平軸機組塔筒成本，和無需偏航對風在內(nèi)等等一些優(yōu)勢，但主軸的成本和難度仍然使垂直軸的優(yōu)勢打盡折扣。

3、在遭遇強風時，渦輪機的制動不能簡單靠機內(nèi)制動器解決，必須有空氣動力制動器預先將渦輪機轉(zhuǎn)速降低到低轉(zhuǎn)速，才能通過機內(nèi)制動器實現(xiàn)制動停轉(zhuǎn)。水平軸渦輪機可由葉尖擾流器或調(diào)節(jié)槳距角的方式實現(xiàn)空氣動力制動，但是垂直軸渦輪機的空氣動力制動問題很難解決。沒有空氣動力制動把關，一旦出現(xiàn)強風，很可能一次強風就摧毀了整個渦輪機系統(tǒng)，垂直軸風機在強風下的安全性無法得到保證。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的任務是，針對背景技術中列舉的現(xiàn)有超大型渦輪機風電系統(tǒng)的三大技術難題和缺陷，提出新的整體解決方案，那就是一種帶有空氣動力制動結構的多種高強度、高抗風結構的復合型垂直軸風輪機。

本發(fā)明是對201310749991.9《改進的特大型垂直軸風力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)》、201410026967.7《雙臂雙三角結構風葉垂直軸風力渦輪機》和201410048976.6《10MW級空氣動力制動的垂直軸風電系統(tǒng)》諸發(fā)明專利申請的改進。

方案首先采用立體結構的雙臂風葉和短主軸來增強渦輪機葉片的結構強度剛度、降低結構成本，使渦輪機組有更高的抗強風能力，同時可以延伸機組的切出風速，增加機組在高風速區(qū)的截風能量；其次通過多種復合垂直軸渦輪的合成驅(qū)動力矩，增加驅(qū)動力矩的穩(wěn)定性、增加發(fā)電量；再通過渦輪機中的輔助風輪機反轉(zhuǎn)結構，實現(xiàn)空氣動力制動；使本發(fā)明的垂直軸復合機組成為在技術、經(jīng)濟方面都很突出的、適合于工業(yè)化生產(chǎn)的完整風力渦輪機裝置。