[发明专利]多维度风能混合轴发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种多维度风能混合轴发电系统，尤其是一种应用于大中型的风力发电系统，采用机舱俯仰和偏航多维度捕获风能，提高风能利用率。

背景技术

风力发电作为一种清洁、发展前景广阔的可再生能源，一直是世界各国的能源发展战略。提升风能捕获效率是风电领域科研工作者的研究热点，风力发电机组的偏航系统是基于风向变化实现机舱偏航对风的重要环节，是水平轴风力发电机组必不可少的组成部分，可有效提升风电机组可靠性、使用寿命和发电效率。但传统大中型风力发电机组发电机机组内置机舱内部，存在机舱重量大，偏航功耗大等问题，同时较大的回转力矩迫使偏航旋转机构复杂，齿轮传动多级完成，存在偏航齿轮齿间隙大问题，导致偏航对风精度不高；同时机舱重量等问题，也使得大中型风电机组对风仅考虑偏航对风，而无机舱俯仰，因此严重制约了风能捕获效率的提升；小型风力发电则普遍采用被动偏航以及机舱俯仰完成风能捕获，但机舱俯仰仅依靠风机自身倾覆力矩被动完成，俯仰调整速度慢，且存在对风精度差以及机舱稳定性问题。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种多维度风能混合轴发电系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：多维度风能混合轴发电系统包括风力桨叶、垂直轴转矩转换、弧线俯仰电机、偏航机械结构、对风保持装置、发电机以及变流器。机舱在弧线俯仰电机、偏航机械结构以及对风保持装置共同作用下完成多维度风能捕获；风能捕获多维度转矩经垂直轴转矩转换和偏航机械结构协同作用下，将风能传递给发电机发电，并经变流器为负载供电；当机舱俯仰对风时，弧线俯仰电机的俯仰定子上电，与永磁体转子产生俯仰力矩与垂直力，实现机舱俯仰对风，同时平抑风机桨叶产生的推力；偏航对风时，偏航机械结构和对风保持装置协同将垂直轴转矩分解，分别经齿圈驱动机舱偏航以及行星架驱动发电机发电。机舱对风完成后偏航保持装置维持机舱迎风状态，实现机舱无功耗持续对风。

所述垂直轴转矩转换将多维风机转矩高效转化为垂直轴转矩，包括风能捕获轴、俯仰转换轴、俯仰支撑轴、垂直转换轴以及垂直轴，风能捕获轴和风力桨叶同轴联接，并将捕获风能经俯仰转换轴以及斜齿轮组，转换为俯仰支撑轴的垂直性转矩，再经垂直转换轴和斜齿轮组转化为垂直轴转矩；俯仰支撑轴、俯仰转换轴以及垂直转换轴共同构建机舱俯仰运动空间，消除机舱偏航和俯仰对转矩转换的影响，实现多维风机转矩至垂直轴转矩的严格转换。

所述弧线俯仰电机包括俯仰转子、俯仰定子以及定子支撑三部分，定转子呈弧线型，确保机舱俯仰运动时定转子气隙恒定，俯仰转子固定在机舱后侧，为弧线永磁体；俯仰定子为7个串联直流绕组，固定在定子支撑上，定子支撑与机舱U型支撑刚性连接，其供电线路经机舱U型支撑、垂直轴中心和太阳轮中心，与变流器直流侧相连，根据风速、风向以及机舱俯仰角度，控制定子绕组通电电流，产生俯仰力矩与垂直力，实现机舱俯仰和风机推力的平抑。

所述偏航机械结构包括太阳轮、行星架和齿圈，其中行星架和垂直轴刚性连接，将垂直轴转矩输入至偏航机械结构，齿圈与机舱U型支撑刚性连接，太阳轮与发电机相连；齿圈与偏航保持装置相连，在偏航过程中，偏航保持装置通电，偏航机械结构将垂直轴转矩分解部分转矩，驱动机舱偏航；偏航结束后，齿圈由偏航保持装置失电固定，偏航机械结构工作在力矩传递状态，太阳轮转矩经固定变比传递至发电机，实现风力发电。

所述对风保持装置中俯仰保持装置包括俯仰保持端盖、俯仰保持线圈、俯仰制动簧、俯仰制动弧套以及俯仰轴；偏航保持装置包括偏航保持端盖、偏航保持线圈、偏航制动簧、俯仰制动卡套以及齿圈制动盘。俯仰保持装置的俯仰保持端盖与机舱刚性连接，俯仰轴与机舱U型支撑刚性连接，且俯仰轴中通俯仰转换轴；偏航保持装置的偏航保持端盖与塔架刚性连接，齿圈制动盘与齿圈刚性连接，并在俯仰和偏航后失电，实现机舱无功耗稳定持续对风。

本发明所带来的有益效果是：

1)本发明采用机舱偏航和俯仰多维度捕获风能，借助弧线俯仰电机以及偏航机械结构完成了机舱多维度对风，提升了风能利用系数；

2)本发明借助垂直轴转矩转换，将风力机转矩严格转换为垂直轴转矩，使得发电机下置于塔架成为可能，极大降低机舱重量，减小了偏航功耗和俯仰损耗，提升了偏航对风精度；

3)本发明采用弧线俯仰电机完成机舱俯仰，使得俯仰过程气隙稳定，确保俯仰力矩稳定性，同时产生的法向垂直力，快速平抑风机桨叶波动推力，提升了风力整体发电系统稳定性。