垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法。


背景技术：

2.风力发电技术在“双碳”目标的推动下快速发展，目前三叶式水平轴风力发电机组已经遇到往大功率机组发展的瓶颈，而具有大功率发展潜力的垂直轴涡轮风力发电技术获得长足地发展。
3.但是，由于风能的时效性、季节性的特性所限，在不同的时间和不同的季节，风能指数差别很大，发出的功率也差别很大。目前对风力发电的要求，在陆地风速范围在2.5-25m/s的范围内的风能都视为是有效风能，有的风速取值还要高。这样，风力机的功率随着风速的变化，功率变化也很大，特别是在低风速区域，风速的波动性更大，因此，功率的波动也很大，而为了提高风力机的满发小时数，目前的设计都采用的是全功率发电，这种全功率发电对于小于15mwh的机组，采用直驱式或半直驱的单发电机机组还可以适应发电机的功率因数。但对于大功率机组，比如50mwh机组，功率波动范围在1mw-50mw之间波动，特别是在低风速区在低功率下运行的时间又很长，而为提高满发小时数，大小功率均要视为有效功率，如果采用单电机(50mwh)发电，在低负荷下，发电机的效率将会大幅度下降。在这种情况下，如果用小功率的发电机去匹配低风速的小功率发电，因为小功率发电机的启动功率小，所以很容易将小发电机启动而发出电力，获得了这部分有效功率，但小功率的发电机无法匹配高风速区域的大功率发电，导致较大风能损失无法利用，存在难以全功率覆盖发电的缺陷。因此，本发明就是要实现无论在大风速还是在低风速下，发出的大功率或小功率电力均可并网输电。


技术实现要素：

4.本发明提供一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，用以解决现有技术中由于风能的时效性、季节性，难以全功率覆盖发电的缺陷，通过合理控制不同层的发电单元进行发电，以匹配不同风速区域的发电需要，特别是无论是在低风速下，还是在高风速下，都可以实现全功率覆盖发电，大大提高了风电机组的满发小时数达到平价上网发电，保证发电机组运行平稳，安全可靠，方便维护。这是三叶式水平轴风力发电机组无法达到的高效率发电的方法。
5.本发明提供一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，包括：
6.由上至下连接的多个传动轴，多个传动轴以连轴器相连，构成一个垂直轴风力发电必须具备的长轴功率传输。这种结构使之每段轴所承受的功率不相同，因此，每段轴由上至下结构尺寸逐渐减小，这就使这个本来很复杂的长轴的加工变成分段加工再组合，简化了加工工艺过程，降低了投资，并用连轴器连接保证它的对中性。
7.多个转向机构，所述多个转向机构沿所述多个传动轴的高度方向依次对应设置；
由于采用了转向机构，将垂直轴风力发电的垂直轴发电机，化为水平布置的发电机，简化发电机的制造工艺，降低制造成本，运转效率高，运转平稳，维护方便，特别是对永磁发电机更是如此。
8.多层发电单元，多个发电单元与所述多个转向机构一一对应设置，这种分层对发电机的功率分配和多轴连接成长轴紧密配合，形成了一个机动灵活的垂直轴风力发电的发电机组合体系，且所述多层发电单元分配不同的额定功率数值；
9.多个离合器，所述离合器对应连接于多个发电单元与所述多个转向机构之间。此处布置离合器，它使各个发电机根据风力的大小依程序将离合器开闭，形成一个由低功率到高功率的发电体系，达到高效的功率全覆盖。
10.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，每层所述发电单元绕所述传动轴的转动方向分布多个。
11.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，所述转向机构包括主动伞齿轮、从动伞齿轮、内轴承、外轴承和从动伞齿轮轴，所述主动伞齿轮与所述传动轴连接，所述从动伞齿轮与所述主动伞齿轮啮合连接，所述从动伞齿轮通过所述从动伞齿轮轴支撑于所述内轴承和所述外轴承上，所述从动伞齿轮与所述离合器连接。
12.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，所述发电单元包括发电机、发电机联轴器和增速机，所述发电机通过所述发电机联轴器与所述增速机连接，所述增速机通过所述离合器与所述从动伞齿轮连接。
13.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，还包括刹车机构和刹车机构传动轴，所述刹车机构通过所述刹车机构传动轴连接于所述传动轴的底部。
14.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，还包括推力轴承，所述推力轴承支撑于所述刹车机构传动轴的底部。
15.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，所述传动轴包括由上至下依次连接的输出传动轴、一级传动轴、二级传动轴和三级传动轴，在所述输出传动轴和所述一级传动轴之间设置输出联轴器，在所述一级传动轴和所述二级传动轴之间设置第一联轴器，在所述二级传动轴和所述三级传动轴之间设置第二联轴器，在所述三级传动轴和所述刹车机构传动轴之间设置第三联轴器。
16.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，所述输出联轴器、所述第一联轴器、所述第二联轴器和所述第三联轴器均为柔性联轴器。
17.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，还包括控制系统，所述控制系统与所述多个离合器连接，用于控制所述多个离合器的接触状态。
18.根据本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，包括：
19.根据风速的大小，相应调节各个离合器的接触状态，从而通过传动轴带动转向机构转动，控制对应发电单元进行发电。
20.本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，根据垂
直轴涡轮风力发电机的结构布置多层发电单元，将大功率机组化解为多个不同小功率的发电单元，利用离合器合理控制接入对应额定功率的发电单元和数量，从而克服由于风能的时效性、季节性所带来的发电效率低的缺陷，匹配风能进行发电，特别适用于低风速区域的风力发电，可以实现全功率覆盖发电，提高了风力发电效率，比较容易达到平价上网发电；并且具有机组运行平稳，安全可靠和便于维护的优势。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
22.图1是本发明提供的垂直轴涡轮风力发电机组的结构示意图；
23.图2是本发明提供的垂直轴涡轮风力发电机组的俯视图；
24.图3是本发明提供的伞齿轮转向机构的结构示意图；
25.附图标记：
26.1：发电机；
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2：发电机联轴器；
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3：增速机；
27.4：离合器；
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5：伞齿轮转向机构；
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6：输出联轴器；
28.7：输出传动轴；
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8：一级传动轴；
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9：第一联轴器；
29.10：二级传动轴；
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11：第二联轴器；
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12：三级传动轴；
30.13：第三联轴器；
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14：刹车机构；
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15：推力轴承；
31.16：刹车机构传动轴；
32.51：从动伞齿轮；
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52：主动伞齿轮；
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53：内轴承；
33.54：外轴承；
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55：从动伞齿轮轴。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.下面结合图1-图3描述本发明的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，其包括：传动轴、多个转向机构、多层发电单元、多个离合器4和控制系统。
36.其中，传动轴为由上至下连接的多个；多个转向机构沿多个传动轴的高度方向依次对应设置，在每一根传动轴上分别设置一个转向机构；多个发电单元与多个转向机构一一对应设置，且多层发电单元分配不同的额定功率数值；离合器4对应连接于多个发电单元与多个转向机构之间。
37.具体地，如图1所示，多个转向机构、多层发电单元和多个离合器4沿传动轴的高度方向分层进行设置，如图2所示，多个转向机构、多层发电单元和多个离合器4绕传动轴的转动方向分布，通过多个发电单元进行小功率的精确调节。
38.发电单元用于接收风能并在该发电单元的额定功率下进行发电。可以通过离合器
4控制该层的发电单元是否为空载，即当离合器4断开时，发电机组的发电单元空载，此时传动轴和转向机构处于转动状态，当涡轮转子的转速达到额定转速时，控制相应的离合器4接触，将对应的发电单元与转向机构连接起来，该层的发电机1开始发电，当该层的发电功率超过额定功率时，可以进一步启动上一层的发电单元进行发电。当然，由于每一层也布置有多个发电单元(即如图2所示)，也可以通过对应的离合器4控制该层的不同发电单元进行发电或空载，从而精确调节发电功率。
39.控制系统用于控制整个发电机组的工作状态，控制系统与多个离合器4连接，用于控制多个离合器4的接触状态。并且，控制系统也应具有监控传动轴转速和监测发电功率的功能。
40.本实施例将大功率机组化解为数台小功率发电机组(即多层发电单元，且每层发电单元也布置多个发电单元)，采用高效的智能控制系统，在不同的功率下逐步顺序启动不同功率的数台发电机组，如果在高风速大功率下，将开启所有发电机组，达到发电的最高功率，大幅提高了风力发电的效率，大幅度的提高了整机的满发小时数，提高其经济效益。
41.本发明提供的一种垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法，根据垂直轴涡轮风力发电机的结构布置多层发电单元，将大功率机组化解为多个不同小功率的发电单元，利用离合器4合理控制接入对应额定功率的发电单元和数量，从而克服由于风能的时效性、季节性所带来的发电效率低的缺陷，匹配风能进行发电，特别适用于低风速区域的风力发电，可以实现全功率覆盖发电，提高了风力发电效率，比较容易达到平价上网发电；并且具有机组运行平稳，安全可靠和便于维护的优势。
42.在本发明的其中一个实施例中，转向机构为伞齿轮转向机构5。进一步地，伞齿轮转向机构5包括主动伞齿轮52、从动伞齿轮51、内轴承53、外轴承54和从动伞齿轮轴55，主动伞齿轮52与传动轴连接，从动伞齿轮51与主动伞齿轮52啮合连接，从动伞齿轮51通过从动伞齿轮轴55支撑于内轴承53和外轴承54上，从动伞齿轮51与离合器4连接。由于每层发电单元绕传动轴布置多个，所以通过主动伞齿轮52带动多个从动伞齿轮51和从动伞齿轮轴55转动，从而将转矩传递给发电单元，使得该层的多个发电单元进行发电。进一步地，从动伞齿轮51通过从动伞齿轮轴55支撑于内轴承53和外轴承54之间，从动伞齿轮51和从动伞齿轮轴55同轴转动连接。更进一步地，伞齿轮转向机构5可以具有增速功能，也可以不具有增速功能，主要取决于发电单元的规格和该地区的风速状况以及其他的发电机组参数。若伞齿轮转向机构5具有增速功能，可通过对主动伞齿轮52和从动伞齿轮51之间的增速比来调节。
43.在本发明的其中一个实施例中，发电单元包括发电机1、发电机联轴器2和增速机3，发电机1通过发电机联轴器2与增速机3连接，增速机3通过离合器4与从动伞齿轮51连接。进一步地，由于风力发电机组的转子转动速度很低，一般在15rpm以下，这样一个转速，采用直驱模式对发电机1制造成本增加不少，为了降低发电机1制造成本，一般采用半直驱发电的模式，发电单元配置增速机3，提高发电机1的转速，降低发电机1的制造成本，而大功率的增速机3制造困难程度也很大，鉴于此种情况，将大功率发电机1化解为小功率机组，从而也使增速机3由大功率化解为多个小功率的增速机3。其次，目前风力发电机组均采用卧式机组，而且已经标准化，如果采用垂直轴涡轮风力发电配垂直轴发电机，将会带来很多的问题，对于2mwh以上的垂直轴发电机，生产困难，特别是永磁垂直轴发电机组相应制造更困难一些。因此，本实施例的发电机1采用卧式永磁发电机。在本实施例中，由垂直轴涡轮风力发
电转子输出转矩，通过传动轴传递给各层的转向机构，控制离合器4接触，从而使得从动伞齿轮轴55与增速机3连接，增速机3通过发电机联轴器2将转矩带给发电机1，将主动伞齿轮52的功率最终传递给发电机1进行发电，构成了一个功率的传动链。
44.在本发明的其中一个实施例中，该垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效率的发电方法还包括刹车机构14和刹车机构传动轴16，刹车机构14通过刹车机构传动轴16连接于传动轴的底部，用于降低甚至停止传动轴的转动。刹车机构14与控制系统相连，如果需要整个发电机组停机，调节变桨机构，减少负荷量，只有在负荷量减少到只有一台最小容量的发电机1在运转时，控制系统给刹车机构14发出指令刹车停机。
45.在本发明的其中一个实施例中，该垂直轴涡轮风力发电机组低风速下高效发电的方法还包括推力轴承15，推力轴承15支撑于刹车机构传动轴16的底部。在本实施例中，推力轴承15位于整个传动轴系的底部，提供支撑作用，推力轴承15坐落于机组底部的钢结构支架上。
46.以垂直轴涡轮风力发电机组布置三层为例，传动轴包括由上至下依次连接的输出传动轴7、一级传动轴8、二级传动轴10和三级传动轴12，在输出传动轴7和一级传动轴8之间设置输出联轴器6，在一级传动轴8和二级传动轴10之间设置第一联轴器9，在二级传动轴10和三级传动轴12之间设置第二联轴器11，在三级传动轴12和刹车机构传动轴16之间设置第三联轴器13。其中，输出传动轴7用于输出转矩，通过一级传动轴8、二级传动轴10和三级传动轴12分别传递给各层的发电单元，在各级传动轴之间通过联轴器连接。在本实施例中，规定由上至下层的额定功率逐渐降低，最底层的发电单元的额定功率最低，因此，由上至下的各级传动轴承受的扭矩不断减小，传动轴的结构尺寸也依次减小，可以将原有长达十多米的传动轴进行分段制作，方便加工制造，减少设备投资。当然，本实施例的垂直轴涡轮风力发电机组也可以布置一层或多层，不限于上述的三层布置方式，根据实际风速环境和发电需要设计。发电单元的功率配置是由顶层向下逐层减小，最下层布置的发电机1额定功率为最小，一般是1-3mwh，但也可以根据实际情况调节。
47.进一步地，输出联轴器6、第一联轴器9、第二联轴器11和第三联轴器13均为柔性联轴器，满足整个传动轴的对中要求。
48.本发明还提供一种基于上述实施例的垂直轴涡轮风力发电机组的控制方法，包括：根据风速的大小，相应调节各个离合器4的接触状态，从而通过传动轴带动转向机构转动，控制对应发电单元进行发电。
49.以下通过一个实施例详细介绍垂直轴涡轮风力发电机组的工作流程：
50.本发明实施以一套整机30mwh机组为例：它发出的最大功率为36mwh；第三层分配功率为3台6mwh发电机组，合计18mwh；第二层分配功率为2台6mwh发电机组，合计12mwh；第一层分配功率为2台3mwh发电机组；合计6mwh。在风力机没启动之前，所有的离合器4均处在断开状态，当风流来临时，风力机组是空载启动，此时各级传动轴，伞齿轮转向机构5和刹车机构14均处在转动状态，当涡轮转子的转速达到额定转速10rpm时，第一层一台3mwh发电机组的离合器4合并，离合器4连通本层增速机3，增速机3通过本层发电机联轴器2带动本层发电机1投入运行发电，当本层功率超过3mwh时，本层第二台发电机1以同样的启动程序投入运行发电。此时，垂直轴风力发电整机处在6mwh以下的运行状态。
51.当本层发电功率超过6mwh时，第二层的离合器4合闸，离合器4连通本层一台增速
机3，增速机3通过本层发电机联轴器2带动本层一台发电机1投入运行发电，同时，第一层利用离合器4的断开停掉一台3mwh的发电机组。此时，垂直轴风力发电机1是处在9mwh以下的运行状态。当整机功率超过9mwh时，第二层另一台离合器4合闸，以同样程序启动第二层另一台6mwh发电机组。此时，整机是在12mwh以下功率范围运行。
52.当整机发电功率超过12mwh时，启动第一层一台3mwh发电机组，此时整机处在15mwh以下的运行状态，当整机发电功率超过15mwh时，第一层另一台3mwh的发电机组启动发电，此时整机处在18mwh以下的运行状态，当整机功率超过18mwh时，第二层发电机组通过离合器4全部停掉，启动第三层三台6mwh发电机组，同时停掉第一层一台3mwh的发电机组，此时，整机处在21mwh以下的运行状态。当整机功率超过21mwh时，第一层第二台3mwh发电机组投入运行，此时整机是处在24mwh以下的状态运行，当整机功率超过24mwh时，启动第二层一台6mwh的发电机组，停掉第一层一台3mwh发电机组，此时整机处在27mwh的状态下运行，当整机功率超过27mwh时，第一层另一台3mwh发电机组投入运行，此时整机处在30mwh的状态下运行，当整机功率超过30mwh时，第二层启动另一台6mwh发电机组，停掉第一层一台3mwh发电机组，此时整机处在33mwh功率状态下运行，当整机功率超过33mwh时，启动第一层另一台3mwh发电机组，此时，垂直轴风力发电机组处在36mwh以下状态运行，当整机功率超过36mwh时，也就是超过垂直轴涡轮风力发电机组能承受的最大功率时，此时，整个机组的智能控制系统，调节整机的变桨机构，使整机控制在36mwh以下的状态运行。
53.由上述过程的描述可看出，整个系统是以第一层的小功率发电机组为调整单元，保持着整个系统以3mwh的功率增加，整个机组处于稳定运行状态。当功率减少时，以相同的程序反向增减，直至停机，操作程序基本相同，达到稳定停机。
54.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。