專利名稱：高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種風(fēng)力發(fā)電機，特別是一種主要為高耗能產(chǎn)業(yè)提供一種直 接使用的結(jié)構(gòu)簡單可靠、使用維護(hù)方便、成本低、效率高、有效風(fēng)速范圍寬的大 功率風(fēng)力發(fā)電機組，屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。
技術(shù)背景目前世界上大規(guī)模風(fēng)能的利用主要按照"風(fēng)輪一發(fā)電機一電網(wǎng)^用戶"這條 路線來進(jìn)行，其中電網(wǎng)是風(fēng)電的負(fù)載和用戶的電源，電網(wǎng)的存在保證了風(fēng)電的利 用。而風(fēng)電并網(wǎng)作為目前世界上大規(guī)模風(fēng)電場的唯一應(yīng)用方式，但由于風(fēng)能的高 度不穩(wěn)定性，導(dǎo)致風(fēng)電電流具有大幅度、隨機的波動特性，嚴(yán)重制約了風(fēng)電在電 網(wǎng)中的比例，使目前終端負(fù)荷用電比例難以超過10%，成為一個世界性難題。同時，為達(dá)到風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)頻、穩(wěn)相位等苛刻要求，幾乎全世界相關(guān)的最新科學(xué)技術(shù) 成果和材料均應(yīng)用在并網(wǎng)風(fēng)機上，由此帶來了設(shè)備、技術(shù)復(fù)雜化和風(fēng)能利用效率 降低，導(dǎo)致風(fēng)電成本大幅上升。從而嚴(yán)重制約了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展。由于風(fēng)場風(fēng)速變化范圍大，對于定槳距恒轉(zhuǎn)速運行的風(fēng)力機風(fēng)輪，隨著風(fēng)場 風(fēng)速增加，氣流相對于風(fēng)輪葉片翼型攻角增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)一定值后，上葉面產(chǎn)生 流動分離，葉片失速。風(fēng)速進(jìn)一步增大，由淺失速向深失速轉(zhuǎn)變。附圖1為不同來流風(fēng)速對應(yīng)的翼型速度與力矩系數(shù)示意圖，圖1上方的1-1表示在曲線a點處 深失速狀態(tài)的速度圖；l-2表示在曲線b點處淺失速狀態(tài)的速度圖；1-3表示在 曲線c點處無分離狀態(tài)的速度圖；三個速度圖中的C為與風(fēng)速相關(guān)的軸向速度； U為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的切向速度；W為關(guān)于風(fēng)輪葉片的相對速度。由于定槳距恒 轉(zhuǎn)速的運行條件，風(fēng)力機的高效穩(wěn)定工作范圍小。為了增加有效工作范圍和最大 限度滿足上網(wǎng)的技術(shù)需求，采用結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的變槳距變速運轉(zhuǎn)的風(fēng)力機，雖然能 夠在較寬的工作范圍內(nèi)隨著來流風(fēng)速增加，通過葉片槳距調(diào)節(jié)改變?nèi)~片的槳距， 適應(yīng)氣流方向變化，避免葉片失速，通過變速提高了運行效率。但變槳距調(diào)節(jié)機 構(gòu)和變速系統(tǒng)增加了風(fēng)機結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的復(fù)雜性，顯著增加了設(shè)備成本及維護(hù)工作 量。非并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)思路是根據(jù)非并網(wǎng)風(fēng)電理論，將風(fēng)電直接用于用戶，有利 于最大限度的使用風(fēng)電和發(fā)展風(fēng)電，既可避免了風(fēng)電對電網(wǎng)的沖擊，也減少了為 了滿足與市電并網(wǎng)的苛刻條件而使風(fēng)電增加了不必要的高成本，只有大幅度的降 低風(fēng)電成本，才能吸引耗電大戶大量使用風(fēng)電。所以，大力發(fā)展非并網(wǎng)風(fēng)電是突 破限制風(fēng)電發(fā)展瓶頸的強有效措施。經(jīng)過多年的研究試驗，已找到如電解鋁、電 解銅、電解錳、電解鹽水、海水淡化等耗電大戶因主要使用直流電進(jìn)行大規(guī)模生 產(chǎn)，完全可以直接使用風(fēng)電，但目前的風(fēng)電價格仍然高，必須開發(fā)高效率、高可 靠性和低成本的風(fēng)力發(fā)電機組，才能大幅度降低風(fēng)電成本，促進(jìn)風(fēng)電事業(yè)的迅速 發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了給大規(guī)模消耗電能的耗電大戶直接提供廉價電能 而提供一種設(shè)計簡單合理、使用維護(hù)方便、有效風(fēng)速范圍寬的高效率、高可靠性 和低成本而設(shè)計的高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組。本實用新型的高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機和 塔架組成，其特征在于風(fēng)輪選用定槳距變速風(fēng)輪，風(fēng)輪軸直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子， 發(fā)電機選用可控功率的直流發(fā)電機或雙凸極無刷直流發(fā)電機或雙定子雙凸極無 刷直流發(fā)電機。所述內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機主要是在雙凸極無刷直流發(fā)電機的 基礎(chǔ)上，將單定子或同側(cè)雙定子改為內(nèi)外兩側(cè)分別設(shè)有定子，其結(jié)構(gòu)包括內(nèi)、外 兩個定子和一個轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于兩定子之間，外定子、內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子均為凸 極結(jié)構(gòu)，外定子向內(nèi)側(cè)的凸極與內(nèi)定子向外側(cè)的凸極一一對應(yīng)，各有6n個極； 轉(zhuǎn)子向外側(cè)和向內(nèi)側(cè)各有4n個凸極，n為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子向外側(cè)的凸極與向內(nèi)側(cè) 的凸極兩兩錯開60Q/4n機械角；外定子每個極上套裝有集中電樞繞組，其同相 位的極上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，內(nèi)定子每個極上也套裝有集中電樞繞組，其 同相位的極上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相；外定子和內(nèi)定子上分別嵌繞勵磁繞組。由于將風(fēng)電直接用于用戶，特別是直接用于能適應(yīng)電流在一定范圍內(nèi)波動的 耗電大戶，如電解鋁、電解銅、電解錳、電解鹽水、海水淡化等耗電大戶，主要 使用直流電，對頻率和相位等無任何要求，所以，完全可以繞開"恒頻"二字， 使機組可以在很寬風(fēng)速范圍內(nèi)正常、高效工作。雖然使用定槳距風(fēng)輪，但在新的 系統(tǒng)中其功能已經(jīng)發(fā)生質(zhì)的變化，本實用新型的定槳距風(fēng)輪通過可控功率的發(fā)電 機來直接控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制風(fēng)輪葉片的攻角，使風(fēng)輪始終處于高效工作 區(qū)，當(dāng)風(fēng)速超過機組的額定的風(fēng)速時，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速使葉片失速，控制了功率的 輸出，有效地擴大了風(fēng)輪的工作風(fēng)速范圍，使機組的風(fēng)能利用效率和工作范圍達(dá) 到甚至超過了變槳距風(fēng)電機組，是原先的定槳距風(fēng)電機組無法比擬的。同時，又 將風(fēng)輪軸直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，可以使結(jié)構(gòu)大為簡化，有效降低了生產(chǎn)成本。又 因使用了雙凸極無刷直流發(fā)電機，其勵磁繞組的電源直接使用電樞繞組的輸出電 源，當(dāng)風(fēng)速不足以推動風(fēng)輪時勵磁繞組的工作電壓為零，定子的磁性僅為很小的 剩磁，有利于轉(zhuǎn)子在低風(fēng)速時的啟動，轉(zhuǎn)子啟動后，利用剩磁即可發(fā)出低壓電而 向勵磁繞組提供小電流，使磁場逐漸增強，輸出電壓和電流逐漸增大。這種雙凸 極電機具有弱勵磁和很好的可控特性，如使用內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)的雙凸極無刷直流 發(fā)電機，更有利于提髙效率及減小體積和重量。具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、使用維護(hù)方 便、設(shè)備成本和電費價格低、效率高、有效風(fēng)速范圍寬等優(yōu)點，適合在風(fēng)電場大 量安裝使用。主要用于非并網(wǎng)直接向用戶供電，或?qū)⑷舾膳_風(fēng)電機組相互聯(lián)接成 專用的風(fēng)電局域網(wǎng)直接向用戶供電。必要時，還可將該直流電通過逆變器變成與 市電電網(wǎng)的頻率、相位和電壓相同的交流電后也可向市電電網(wǎng)供電。

附圖1是失速流動速度與翼型關(guān)系圖； 附圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3是本實用新型中的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機的一種結(jié)構(gòu)示 意圖；附圖4和5是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機發(fā)電運行三相半波共陽極整流 電路的兩種原理圖。附圖6和7是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機發(fā)電運行三相半波共陰極整流 電路的兩種原理圖。附圖8和9是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機發(fā)電運行三相全橋整流電路的 兩種原理圖。
具體實施方式
下述實施例只作為說明之例，并不是對本實用新型所作的限定。附圖1是根據(jù)空氣動力學(xué)中的失速流動速度與翼型的關(guān)系繪制的示意圖，本 實用新型的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，所用到的定槳距風(fēng)力機與電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)配合， 達(dá)到不僅無需槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)即可實現(xiàn)較大風(fēng)速范圍內(nèi)高效率運行，同時可避免大 風(fēng)速情況下的過載。在來流風(fēng)速較低時，通過電機控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，改 變切向速度U，使氣流相對速度W始終順著葉片前緣流入，使葉片始終處于有 利迎角，因此使風(fēng)輪具有更大的功率輸出。在大來流風(fēng)速下，為了降低風(fēng)輪的功 率輸出避免系統(tǒng)過載，通過風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)(如增加發(fā)電機的勵磁電流) 改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整葉尖速比，使相對氣流速度攻角增大，風(fēng)輪處于失速狀 態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù)隨風(fēng)速提高而降低，保證輸出功率的穩(wěn)定，同時風(fēng)輪的軸向推 力系數(shù)也隨葉尖速比的降低而降低，增強了風(fēng)輪結(jié)構(gòu)的安全性。即本實用新型中 的定槳距變速風(fēng)輪還通過控制發(fā)電機的勵磁電流調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪始終處 于高效工作區(qū)；當(dāng)風(fēng)速超過機組的額定的風(fēng)速時，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速使葉片失速，限 制風(fēng)輪的功率輸出。附圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的21是風(fēng)輪，22是風(fēng)輪軸，23 是發(fā)電機，24是機座，25是塔架。其結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)輪21、發(fā)電機23和塔架25 組成，其特征在于風(fēng)輪21選用定槳距變速風(fēng)輪，風(fēng)輪軸22直接驅(qū)動發(fā)電機23 的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機最好選用內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機，也可選用普通的雙 凸極無刷直流發(fā)電機或其它可控功率的直流發(fā)電機。附圖3是附圖2中的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機的一種結(jié)構(gòu)示意圖， 圖3中的31是發(fā)電機外定子；32是發(fā)電機外定子的電樞繞組；33是轉(zhuǎn)子；34 是電機內(nèi)定子；35是發(fā)電機內(nèi)定子的電樞繞組；36是外定子的勵磁繞組；37是 內(nèi)定子的勵磁繞組；Al、 XI、 Bl、 Yl、 Cl、 Z1表示外定子上電樞繞組的A、 B、 C相接線端。當(dāng)本實用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機為3相電機時， 基本結(jié)構(gòu)為6n/4n/4n/6n極結(jié)構(gòu)，即外定子極數(shù)6n個，中間轉(zhuǎn)子外側(cè)極數(shù)4n個， 中間轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)極數(shù)4n個，內(nèi)定子極數(shù)6n個，中間轉(zhuǎn)子向外側(cè)的凸極與向內(nèi)側(cè)的 凸極兩兩錯開60°電角，對應(yīng)的機械角度為6074n。作為一個實施例，為便于說 明，附圖3給出了基本結(jié)構(gòu)三相6/4極內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機的剖面結(jié) 構(gòu)示意圖，外定子31有六個向內(nèi)側(cè)的凸極極，每個極上套裝有集中電樞繞組32， 相對的兩個極上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，組成A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1三相繞 組。內(nèi)定子34有六個向外側(cè)的凸極極，與外定子31的六個凸極極一一對應(yīng)，同 樣，內(nèi)定子34的每個極上也套裝有集中電樞繞組35，其相對兩個極上的電樞繞 組也串聯(lián)構(gòu)成一相，組成A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2三相繞組。外定子31與內(nèi)定 子34之間為轉(zhuǎn)子33，轉(zhuǎn)子33向外側(cè)及內(nèi)側(cè)各有四個凸極極，向外側(cè)的凸極極 與向內(nèi)側(cè)的凸極極兩兩錯開15°機械角，對應(yīng)60°電角度。本實施例采用勵磁繞 組通入直流電提供發(fā)電機磁勢源，外定子31槽內(nèi)嵌繞有勵磁繞組36，內(nèi)定子34 槽內(nèi)嵌繞有勵磁繞組37，外定子和內(nèi)定子上分別嵌繞的勵磁繞組31和36的兩 端經(jīng)控制電路與電樞繞組輸出的直流電連接或直接與電樞繞組輸出的直流電連 接。內(nèi)、外定子各自的電樞繞組輸出分別經(jīng)過三相半波共陽極整流電路、或分別 經(jīng)過三相半波共陰極整流電路、或分別經(jīng)過全橋整流電路整流成直流電再串聯(lián)或 并聯(lián)輸出。其連接關(guān)系如圖4-9所示。其中，圖4和5為釆用三相半波共陽極整流電路的兩種方式，外定子上三相 電樞繞組A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1的輸出經(jīng)三個共陽極連接的整流二極管D31、 D32、 D33半波整流，內(nèi)定子上三相電樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2的輸出也 經(jīng)三個共陽極連接的整流二極管D34、 D35、 D36半波整流，兩組整流輸出串聯(lián) (圖4)或并聯(lián)(圖5)連接。圖6和7為采用三相半波共陰極整流電路的兩種方式，外定子上三相電樞繞 組A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1的輸出經(jīng)三個共陽極連接的整流二極管D21、 D22、 D23半波整流，內(nèi)定子上三相電樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2的輸出也經(jīng)三個 共陽極連接的整流二極管D24、 D25、 D26半波整流，兩組整流輸出串聯(lián)(圖6) 或并聯(lián)(圖7)連接。圖8和9為采用三相全橋整流方式，外定子上三相電樞繞組A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1的輸出經(jīng)功率二極管D1 D6組成的全橋整流電路整流，內(nèi)定子上三相電 樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2的輸出經(jīng)功率二極管D7 D12組成的全橋整流電 路整流，兩路整流輸出串聯(lián)(圖8)或并聯(lián)(圖9)連接。
權(quán)利要求1、一種高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機和塔架組成，其特征在于風(fēng)輪為定槳距變速風(fēng)輪，風(fēng)輪軸直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，發(fā)電機選用可控功率的直流發(fā)電機或雙凸極無刷直流發(fā)電機或雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機。
2、 如權(quán)利要求1所述高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組，其特征在于定槳距變速風(fēng)輪還通過控制發(fā)電機的勵磁電流調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪始終處于高效工作區(qū)；當(dāng)風(fēng)速超過機組的額定的風(fēng)速時，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速使葉片失速，限制 風(fēng)輪的功率輸出。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組，其特 征在于所述內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機包括內(nèi)、外兩個定子和一個轉(zhuǎn)子， 所述轉(zhuǎn)子位于兩定子之間，外定子、內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，外定子向內(nèi)側(cè) 的凸極與內(nèi)定子向外側(cè)的凸極一一對應(yīng)，定子極數(shù)為6n個；轉(zhuǎn)子向外側(cè)和向內(nèi) 側(cè)的極數(shù)各有4n個，n為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子向外側(cè)的凸極與向內(nèi)側(cè)的凸極兩兩錯開 60"4n機械角；外定子每個極上套裝有集中電樞繞組，其同相位的極上的電樞繞 組串聯(lián)構(gòu)成一相，內(nèi)定子每個極上也套裝有集中電樞繞組，其同相位的極上的電 樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相；外定子和內(nèi)定子上分別嵌繞勵磁繞組。
專利摘要本實用新型的高效低成本大功率非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組是根據(jù)非并網(wǎng)風(fēng)電理論，改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有風(fēng)電機組。該機組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機和塔架組成。風(fēng)輪為定槳距變速風(fēng)輪，風(fēng)輪軸直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，發(fā)電機選用可控功率的直流發(fā)電機或雙凸極無刷直流發(fā)電機或雙定子雙凸極無刷直流發(fā)電機。本實用新型的定槳距風(fēng)輪通過可控功率的發(fā)電機直接控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以控制葉片攻角，使風(fēng)輪處于高效工作區(qū)。超過額定風(fēng)速后，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速使葉片失速，限制了功率輸出，擴大了風(fēng)輪工作風(fēng)速范圍，使機組的風(fēng)能利用效率和工作范圍達(dá)到甚至超過變槳距風(fēng)電機組。具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、高可靠性和低成本等特點，有利于大規(guī)模推廣使用。還可將該直流電通過逆變器向市電電網(wǎng)供電。
文檔編號H02K3/52GK201025237SQ200720035928
公開日2008年2月20日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者嚴(yán)仰光, 湯瑞源, 顧為東 申請人:顧為東;湯瑞源;嚴(yán)仰光