CN116988939B - 一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机及其控制方法，大叶轮和小叶轮分别连接差速器的输入轴，差速器的输出轴连接第一增速箱，第一增速箱的输出轴与小功率发电机相连，所述第一增速箱与塔筒之间安装风力发电机偏航系统，传动方式采用机械液力混合传动，液力传动系统包括液压泵，单向阀，安全阀，油箱和液压马达，液压马达的输出轴连接第二增速箱，第二增速箱的输出轴连接大功率发电机。解决双叶轮风力发电机传动链长、重心高、维修困难、海上漂浮式双叶轮风力机难以抵抗风暴，本发明提供一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机及其控制方法。

Description

一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机及其控制方法。

背景技术

1.风是取之不尽、用之不竭的，而且不会对自然界造成公害和污染，是一种非常适合因地制宜使用的新能源，风力发电机将风能转换为机械能，再转换为电能。

2.近几年世界风力机新增装机容量持续攀升，随着风力发电技术的不断发展，已有的双叶轮风力发电机存在着双叶轮风电机组传动链长，齿轮箱故障率高，机舱重量大，稳定性差（重心高），维修困难的问题，海上漂浮式双风轮风力机难以抵抗风暴，风电装备的维护成本，运行可靠性和使用寿命等问题日益受到关注。

3.对于单叶轮风力发电机来说，增大叶片尺寸成为提升捕能效率的主要方式，传统单叶轮风力发电机的风能捕获效率已逼近理论极限，进一步提升的难度和代价极大，与传统单叶轮风力发电机相比，双叶轮风力发电机可实现单机成本降低10%，风能利用率提高15%，风机叶轮尺寸缩小近一半，额定功率下等效单位扫风面积的风能捕获功率提升至原来的2倍左右，在同样面积的风电场，双叶轮风力发电机的使用，可将机位数和发电量大幅提升50%以上，大量节省国土资源，双叶轮风力发电机对材料、制造、运输、安装、维修的要求更低，成本也随之降低，应用前景极为广阔。

发明内容

本发明的目的在于：为提高风能捕获效率，增加发电量，解决双叶轮风力发电机传动链长、重心高、维修困难、海上漂浮式双叶轮风力机难以抵抗风暴，本发明提供一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机及其控制方法。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机，包括大叶轮，小叶轮，塔筒，机舱，风力发电机偏航系统，差速器，第一增速箱，小功率发电机，液压泵，单向阀，安全阀，油箱，液压马达，第二增速箱和大功率发电机，所述大叶轮和小叶轮分别连接差速器的输入轴，差速器的输出轴连接第一增速箱，第一增速箱的输出轴与小功率发电机相连，所述第一增速箱与塔筒之间安装风力发电机偏航系统，传动方式采用机械液力混合传动，液力传动系统包括液压泵，单向阀，安全阀，油箱和液压马达，液压马达的输出轴连接第二增速箱，第二增速箱的输出轴连接大功率发电机。

所述机械液力混合传动过程中，当风速低于设定风速标准时，差速器输出轴带动第一增速箱，经第一增速箱提高转速后，由小功率发电机将机械能转化为电能；

当风速高于设定风速标准时，部分机械能由小功率发电机转化为电能，液力传动系统将另一部分机械能转化为液压能并传动到塔筒底部的第二增速箱，经第二增速箱提高转速后由大功率发电机将机械能转化为电能。

所述第一增速箱包括第一太阳轮，第一太阳轮与第一行星轮啮合传动，第一行星轮与机箱内部的第一齿圈啮合传动，第一行星轮安装在第一行星架上，第一行星架的主轴上配合安装有差速器的第一锥齿轮，第一太阳轮的轮轴另一端安装有第二锥齿轮。

所述第一增速箱的增速比在1/40-1/130之间，所述小功率发电机的功率在5MW-10MW之间，所述第二增速箱的增速比在1/60-1/150之间，所述大功率发电机的功率在6MW-15MW之间。

所述大叶轮和小叶轮、差速器和第一增速箱安装在风力发电机偏航系统上，所述风力发电机偏航系统固定在塔筒上，所述塔筒安装在地面或海上漂浮式平台上。

所述第二增速箱包括第二太阳轮，第二太阳轮与第二行星轮啮合传动，第二行星轮与机箱内部的第二齿圈啮合传动，第二行星轮安装在第二行星架上。

一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机的控制方法，包括以下步骤：

在风力发电机中，大叶轮和小叶轮分别连接差速器输入端，将双叶轮流入的功率合流，经差速器的输出轴输出，差速器的输出端连接第一增速箱，当风吹动大叶轮和小叶轮旋转时，风能转化为机械能；第一增速箱输出端连接小功率发电机，经第一增速箱提高转速后由小功率发电机将机械能转化为电能；

风力发电机需要最大限度的获取风能，但风的方向随时可能改变，机舱安装在风力发电机偏航系统上，当风速和风向改变时，机舱顶部的速度传感器将风速、风向信号发送到电子控制器，电子控制器向风力发电机偏航系统发送信号使偏航马达转动机舱，使得大叶轮和小叶轮始终正对风向。

大叶轮和小叶轮分别连接差速器输入轴，风带动大叶轮和小叶轮旋转，大叶轮和小叶轮带动差速器输入轴，小功率发电机内安装有定子和转子，差速器输出轴带动发电机转子在定子中旋转，做切割磁感线运动，从而产生感应电动势，风能转化为机械能；当风速低于设定风速标准时，差速器输出轴带动第一增速箱，经第一增速箱提高转速后由小功率发电机将机械能转化为电能，当风速高于设定风速标准时，部分机械能由小功率发电机转化为电能，液压传动系统将另一部分机械能转化为液压能并传动到塔筒底部的第二增速箱，第二增速箱将液压能转化为机械能并提高转速后带动大功率发电机，将机械能转化为电能。

液压泵为系统提供压力油液，将机械能转化为液压能；控制调节装置单向阀，控制液体流向；安全阀用于控制液力传动系统中液体的压力，保证液力传动系统的稳定和安全；油箱用于储存液力传动系统中的液体；执行装置液压马达将液压能转变成机械能输出。

本发明有如下有益效果：

1、本发明中采用机械液力混合传动方式，将双叶轮风力机部分机构放置在塔底，利用液压传动元件重量轻、体积小的优点，缩短双叶轮风力发电机传动链长度、减轻机舱重量，降低双叶轮风力发电机整机重心，将双叶轮风力发电机部分机构置于塔底，便于维修，同时提高海上漂浮式双叶轮风力发电机的抗风暴能力，采用机械液力混合传动，兼顾机械传动效率高和液力传动元件重量轻、体积小、反应速度快的优点，有效改善机械传动齿轮故障率高、传动距离短、液力传动传动效率低的缺点，解决现有技术中的不足。

2、本发明中差速器的两个输入轴连接大叶轮和小叶轮，解决双叶轮风力机运作时，风轮旋转转速不同造成动能内耗的问题。

3、本发明中大小功率不同的两个发电机适应不同风况，当风速低于设定风速标准时由小功率发电机将机械能转化为电能；当风速高于设定风速标准时，由小功率发电机和大功率发电机同时将机械能转化为电能，提高风能利用率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图3为本发明第一增速箱A处的局部放大图。

图4为本发明第二增速箱B处的局部放大图。

图中：1a-大叶轮、1b-小叶轮、2-塔筒、3-机舱、4-风力发电机偏航系统、5-差速器、5a-第一锥齿轮、6-第一增速箱、6a-第一行星轮、6b-第一太阳轮、6c-第一行星架、6d-第一齿圈、6e-第二锥齿轮、7-小功率发电机、8-液压泵、9-单向阀、10-安全阀、11-油箱、12-液压马达、13-第二增速箱、13a-第二行星轮、13b-第二太阳轮、13c-第二行星架、13d-第二齿圈、14-大功率发电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机，包括大叶轮1a，小叶轮1b，塔筒2，机舱3，风力发电机偏航系统4，差速器5，第一增速箱6，小功率发电机7，液压泵8，单向阀9，安全阀10，油箱11，液压马达12，第二增速箱13和大功率发电机14，所述大叶轮1a和小叶轮1b分别连接差速器5的输入轴，差速器5的输出轴连接第一增速箱6，第一增速箱6的输出轴与小功率发电机7相连，所述第一增速箱6与塔筒2之间安装风力发电机偏航系统4，传动方式采用机械液力混合传动，液力传动系统包括液压泵8，单向阀9，安全阀10，油箱11和液压马达12，液压马达12的输出轴连接第二增速箱13，第二增速箱13的输出轴连接大功率发电机14。通过采用上述的双风轮风力发电机将双叶轮风力机部分机构放置在塔底，利用液压传动元件重量轻、体积小的优点，缩短双叶轮风力发电机传动链长度、减轻机舱重量，降低双叶轮风力发电机整机重心，将双叶轮风力发电机部分机构置于塔底，便于维修，同时提高海上漂浮式双叶轮风力发电机的抗风暴能力，采用机械液力混合传动，兼顾机械传动效率高和液力传动元件重量轻、体积小、反应速度快的优点

进一步的，如图2所示，差速器5广泛运用在汽车上，差速器是能使左右驱动轮实现以不同转速转动的机构，汽车转弯时由于内侧车轮和外侧车轮转弯半径不同，外侧车轮的转弯半径大于内侧车轮的转弯半径，就要求外侧车轮的转速要高于内侧车轮，差速器的作用就是满足汽车转弯时两侧车轮转速不同的要求。将差速器运用在风力发电机中，大叶轮1a和小叶轮1b分别连接差速器5输入端，将双叶轮流入的功率合流，经差速器5的输出轴输出，差速器5的输出端连接第一增速箱6，当风吹动大叶轮1a和小叶轮1b旋转时，风能转化为机械能；第一增速箱6输出端连接小功率发电机7，经第一增速箱6提高转速后由小功率发电机7将机械能转化为电能。

进一步的，所述机械液力混合传动过程中，当风速低于设定风速标准时，差速器5输出轴带动第一增速箱6，经第一增速箱6提高转速后，由小功率发电机7将机械能转化为电能。通过上述的差速器5能够充分的利用不同类型的风力，进而提高了风能的利用率。

进一步的，当风速高于设定风速标准时，部分机械能由小功率发电机7转化为电能，液力传动系统将另一部分机械能转化为液压能并传动到塔筒2底部的第二增速箱13，经第二增速箱13提高转速后由大功率发电机14将机械能转化为电能。通过上述的结构能够实现大风速的运用。

进一步的，所述第一增速箱6包括第一太阳轮6b，第一太阳轮6b与第一行星轮6a啮合传动，第一行星轮6a与机箱内部的第一齿圈6d啮合传动，第一行星轮6a安装在第一行星架6c上，第一行星架6c的主轴上配合安装有差速器5的第一锥齿轮5a，第一太阳轮6b的轮轴另一端安装有第二锥齿轮6e。通过上述的第一增速箱6能够起到增速的效果，进而用于驱动小功率发电机7进行发电。

进一步的，所述第一增速箱6的增速比在1/40-1/130之间，所述小功率发电机7的功率在5MW-10MW之间，所述第二增速箱13的增速比在1/60-1/150之间，所述大功率发电机14的功率在6MW-15MW之间。通过上述的设备参数能够达到最佳的传动效果和发电效率。

进一步的，所述大叶轮1a和小叶轮1b、差速器5和第一增速箱6安装在风力发电机偏航系统4上，所述风力发电机偏航系统4固定在塔筒2上，所述塔筒2安装在地面或海上漂浮式平台上。通过上述的风力发电机偏航系统4能够适应不同方向的风力。

进一步的，所述第二增速箱13包括第二太阳轮13b，第二太阳轮13b与第二行星轮13a啮合传动，第二行星轮13a与机箱内部的第二齿圈13d啮合传动，第二行星轮13a安装在第二行星架13c上。通过上述的第二增速箱13能够对液压能进行二次增速进而达到对大功率发电机14进行驱动的目的。

实施例2：

一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机的控制方法，包括以下步骤：

在风力发电机中，大叶轮1a和小叶轮1b分别连接差速器5输入端，将双叶轮流入的功率合流，经差速器5的输出轴输出，差速器5的输出端连接第一增速箱6，当风吹动大叶轮1a和小叶轮1b旋转时，风能转化为机械能；第一增速箱6输出端连接小功率发电机7，经第一增速箱6提高转速后由小功率发电机7将机械能转化为电能；

风力发电机需要最大限度的获取风能，但风的方向随时可能改变，机舱3安装在风力发电机偏航系统4上，当风速和风向改变时，机舱3顶部的速度传感器将风速、风向信号发送到电子控制器，电子控制器向风力发电机偏航系统4发送信号使偏航马达转动机舱3，使得大叶轮1a和小叶轮1b始终正对风向。

大叶轮1a和小叶轮1b分别连接差速器5输入轴，风带动大叶轮1a和小叶轮1b旋转，大叶轮1a和小叶轮1b带动差速器5输入轴，小功率发电机7内安装有定子和转子，差速器5输出轴带动发电机转子在定子中旋转，做切割磁感线运动，从而产生感应电动势，风能转化为机械能；当风速低于设定风速标准时，差速器5输出轴带动第一增速箱6，经第一增速箱6提高转速后由小功率发电机7将机械能转化为电能，当风速高于设定风速标准时，部分机械能由小功率发电机7转化为电能，液压传动系统将另一部分机械能转化为液压能并传动到塔筒2底部的第二增速箱13，第二增速箱13将液压能转化为机械能并提高转速后带动大功率发电机14，将机械能转化为电能。

液压泵8为系统提供压力油液，将机械能转化为液压能；控制调节装置单向阀9，控制液体流向；安全阀10用于控制液力传动系统中液体的压力，保证液力传动系统的稳定和安全；油箱11用于储存液力传动系统中的液体；执行装置液压马达12将液压能转变成机械能输出。

Claims (6)

1.一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机，其特征在于：包括大叶轮（1a），小叶轮（1b），塔筒（2），机舱（3），风力发电机偏航系统（4），差速器（5），第一增速箱（6），小功率发电机（7），液压泵（8），单向阀（9），安全阀（10），油箱（11），液压马达（12），第二增速箱（13）和大功率发电机（14），所述大叶轮（1a）和小叶轮（1b）分别连接差速器（5）的输入轴，差速器（5）的输出轴连接第一增速箱（6），第一增速箱（6）的输出轴与小功率发电机（7）相连，所述第一增速箱（6）与塔筒（2）之间安装风力发电机偏航系统（4），传动方式采用机械液力混合传动，液力传动系统包括液压泵（8），单向阀（9），安全阀（10），油箱（11）和液压马达（12），液压马达（12）的输出轴连接第二增速箱（13），第二增速箱（13）的输出轴连接大功率发电机（14）；

所述第一增速箱（6）包括第一太阳轮（6b），第一太阳轮（6b）与第一行星轮（6a）啮合传动，第一行星轮（6a）与机箱内部的第一齿圈（6d）啮合传动，第一行星轮（6a）安装在第一行星架（6c）上，第一行星架（6c）的主轴上配合安装有差速器（5）的第一锥齿轮（5a），第一太阳轮（6b）的轮轴另一端安装有第二锥齿轮（6e）；

所述大叶轮（1a）和小叶轮（1b）、差速器（5）和第一增速箱（6）安装在风力发电机偏航系统（4）上，所述风力发电机偏航系统（4）固定在塔筒（2）上，所述塔筒（2）安装在地面或海上漂浮式平台上；

所述第二增速箱（13）包括第二太阳轮（13b），第二太阳轮（13b）与第二行星轮（13a）啮合传动，第二行星轮（13a）与机箱内部的第二齿圈（13d）啮合传动，第二行星轮（13a）安装在第二行星架（13c）上。

2.根据权利要求1所述一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机，其特征在于：所述机械液力混合传动过程中，当风速低于设定风速标准时，差速器（5）输出轴带动第一增速箱（6），经第一增速箱（6）提高转速后，由小功率发电机（7）将机械能转化为电能；

当风速高于设定风速标准时，部分机械能由小功率发电机（7）转化为电能，液力传动系统将另一部分机械能转化为液压能并传动到塔筒（2）底部的第二增速箱（13），经第二增速箱（13）提高转速后由大功率发电机（14）将机械能转化为电能。

3.根据权利要求1所述一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机，其特征在于：所述第一增速箱（6）的增速比在1/40-1/130之间，所述小功率发电机（7）的功率在5MW-10MW之间，所述第二增速箱（13）的增速比在1/60-1/150之间，所述大功率发电机（14）的功率在6MW-15MW之间。

4.权利要求1-3任意一项所述一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在风力发电机中，大叶轮（1a）和小叶轮（1b）分别连接差速器（5）输入端，将双叶轮流入的功率合流，经差速器（5）的输出轴输出，差速器（5）的输出端连接第一增速箱（6），当风吹动大叶轮（1a）和小叶轮（1b）旋转时，风能转化为机械能；第一增速箱（6）输出端连接小功率发电机（7），经第一增速箱（6）提高转速后由小功率发电机（7）将机械能转化为电能；

风力发电机需要最大限度的获取风能，但风的方向随时可能改变，机舱（3）安装在风力发电机偏航系统（4）上，当风速和风向改变时，机舱（3）顶部的速度传感器将风速、风向信号发送到电子控制器，电子控制器向风力发电机偏航系统（4）发送信号使偏航马达转动机舱（3），使得大叶轮（1a）和小叶轮（1b）始终正对风向。

5.根据权利要求4所述一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机的控制方法，其特征在于，大叶轮（1a）和小叶轮（1b）分别连接差速器（5）输入轴，风带动大叶轮（1a）和小叶轮（1b）旋转，大叶轮（1a）和小叶轮（1b）带动差速器（5）输入轴，小功率发电机（7）内安装有定子和转子，差速器（5）输出轴带动发电机转子在定子中旋转，做切割磁感线运动，从而产生感应电动势，风能转化为机械能；当风速低于设定风速标准时，差速器（5）输出轴带动第一增速箱（6），经第一增速箱（6）提高转速后由小功率发电机（7）将机械能转化为电能，当风速高于设定风速标准时，部分机械能由小功率发电机（7）转化为电能，液压传动系统将另一部分机械能转化为液压能并传动到塔筒（2）底部的第二增速箱（13），第二增速箱（13）将液压能转化为机械能并提高转速后带动大功率发电机（14），将机械能转化为电能。

6.根据权利要求4所述一种机械液力混合传动式双风轮风力发电机的控制方法，其特征在于，液压泵（8）为系统提供压力油液，将机械能转化为液压能；控制调节装置单向阀（9），控制液体流向；安全阀（10）用于控制液力传动系统中液体的压力，保证液力传动系统的稳定和安全；油箱（11）用于储存液力传动系统中的液体；执行装置液压马达（12）将液压能转变成机械能输出。