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10兆瓦风力发电机设计方案
2012-10-09 来源:中国风能设备网
 
 
一、创新技术:与现有技术比风轮直径相同,发电能力可成倍提高。 超大型风轮钢度,得到根本性解决。整机造价至少可降低50%。除此之外还有多项巧妙设计。这不是天方夜谭,只有在结构上巧妙创新,才能使风电技术有一个革命性的突破。此设计以获国家发明专利授权,国家发改委将本专利入编《重点高新技术项目》之中。
二、背景技术:一个超大型叶片,长几十米,重达十余吨,而且叶尖线速高达100m/s即时速360k/m。只是靠一端与轮毂连接,显然是弱不禁风,力学结构也不合理。靠材料升级?更好的材料,只能让叶片更加昂贵,叶片长度及强度却很难有大的跨越。要想从根本上解决其钢度问题,那就是结构必须创新,让单一支撑叶片改变为双支撑。叶片增加了一个支撑点,相比疲劳寿命及载荷能力可增加若干倍,可以轻而易举突破现有技术长度。切底走出单一支点、一体叶片越作越大,材料不断升级,强度确难以解决的死胡同。
三、叶片另一支撑点来自轮缘:(图二5所示)它设置于叶片端部(叶尖),其强度保障及可行性,您可联想到,大到摩天轮,小到自行车圈原理均是通过放射状斜拉索或辐条,将轮缘承载力集中至之心轴上。(也就是将叶片中上部承载,通过斜拉索回归中心轴套之上)。从古至今人们都是以这种方式,来保证轮体强度。发明人只是例举摩天轮来论证这种结构与强度之间关系,您千万别将其看成摩天轮那样笨重。以北京朝阳公园,208米高的摩天轮为例,48个轿厢每个轿厢自重18吨加乘员之合,只是轮缘承重即可高达1000余吨。又因其载人,安全余量就更大。如此高大、重载、确保安全主因是结构合理。而结构原理相同的风轮是空载,因此轻便的风轮与笨重的摩天轮没有可比性,(与现有风轮重量基本相当)。双支撑叶片最大好处1、叶片内可贯穿钢缆,两端固定,是叶片钢度最理想的解决方案。2、大风时叶片上百吨的风载可以抵消。原理是:三个叶片是等距分布于中心轴套与轮缘之间,风又是横向作用与叶片,三个叶片受到等同的力就会被抵消。注:(在两个支撑(连接)点之间会产生相互之间的拉力,)只有这种结构才能做到。而现有叶片巨大的风载,及自重只能靠增加叶片根径来缓解。可见两者载荷强度及疲劳寿命差异明显,是有本质区别的。由于轮体有足够的强度保障,切出风速及生存风速要远高于现有技术。轮缘即可以为叶片提供离心力保护,又增加轮体惯性,受瞬间风力波动小。
四、由于设有轮缘:轮缘与中心轴套,为贯穿与叶片内钢缆提供了两个连接点。因此具有强度高、韧性好的叶轮,至少有七种设计方案。
方案一:蒙皮叶片;钢缆固定中心轴套与轮缘之间做为纵梁,轻质合金制作肋梁、内设充气气囊或轻质添充物,外蒙韧性好耐腐蚀的尼龙布。
方案二:分段式叶片;在叶轮中间设传动支撑圈。(图二8所示)目的1、对超大型风轮中间提供了一个环形支撑,起到加固作用。2、它可以传动发电机,由于大圈带动小轮而无需变速齿轮箱,速比即可达到1:120-180。3、为二段叶片提供了一个连接与支撑点。因此超大型叶片可分段制造,在此连接。叶片可分段制造,从加工工艺、制造难度,所使用的材料、成本、吊装、运输等等均是根本性的改变。
方案三:增设副叶片:(图二17所示)根据叶片宽度及叶片数量与转速成正比,这一理论。轮缘与传动支撑圈之间设有副叶片,目的在于不增加叶片长度,即可捕获更多的风能。副叶片长度只是主叶片的50%,因其设置于叶轮中上部,所以可产生相当于主叶片80%的升力。
将副叶片设置于叶轮中上部又一因素,是为了不增大风轮中间阻风面积。背景技术:以现有2兆瓦为例;风轮直径93米,周长就可达到300米左右。三个叶片,叶尖相隔100米,副叶片设置就是巧妙的利用了这一巨大的空间。因此与现有三叶片技术比较,与3兆瓦风轮直径相同,即可做到10兆瓦,扭矩大幅度提高。
方案四:根据曲面比平面升力更大这一原理,带折角的叶片。(本人另一发明专利图中未示出)在其叶片宽度六分之一处设有一折角,并纵向延伸至叶片两端。目的1、风作用与叶片时可产生一个切变,多了一个作用力。2、叶片反面减少阻力。3、折角可增强叶片钢度。它结构非常简单,与现有粗大叶根比,通体厚度只是几厘米的玻璃纤维板。这种形状叶片及原理,您可联想到,固定翼飞机起、降时,水平翼与副翼之间形成一个角度,所产生巨大的升力。带折角的叶片与现有叶片比,升力更大。巧妙的将空气动力学原理运用于叶片设计,气动性能好。所以风轮转速也明显提高、扭矩大,实验证明效果非常明显。是现有叶片重量三分之一、造价二十分之一、效率提升五分之一。
方案五:叶片斜拉索(图一7所示)一端固定与中心轴套另一端斜拉至叶片中部。目的是通过斜拉索将三个主叶片中部承受力通过中心轴套,将其等距等同的力相互抵消。
方案六:(本人另一发明专利图中未示出)由于设有轮缘,因此轮缘就可以设置永磁体,您可以视为发电机转子,平台上U型支架设有绕线组,可以视为发电机定子。由于轮缘直径较大,所以它的切线速度高,这样就是叶片位其中、转子设边缘,一台理想化超大型永磁直驱式风力发电机。并克服了现有机型,转子转速低,切割磁力线慢所造成发电机低效,更简单高效。
方案七、本专利采用含油型密封轴承座,轴承是在润滑油中转动与外界隔离,维护时只须排出污油,注入新油即可,由此您可联想到汽车发动机凸轮轴(曲轴)与轴瓦之间就是在润滑油中高速长久运转而不易磨损,因此轴承可终身使用(20-25年整机使用期限内)。
综上所述:本专利叶片具有大型化、轻量化、强度高又有韧性好的特点,海、陆皆宜。玻璃钢制造足以,无需碳纤维,更不需要人们未来所期待的纳米材料。超大型叶片是超大型风电机最基础、最关键的控制性部件,可想超大型叶片设计、制造难度之大。本专利风轮设计必将对风电领域产生深运的影响。
五、关于风轮直径相同,扭矩可成倍提高的理由。1、带折角的叶片扭矩可提高10%。2、叶片增加宽度,扭矩可提高30% , 因为叶尖多10公斤的作用力,叶片长度是70米,相对主轴的力钜就是700公斤。3、副叶片可提高80%风轮扭矩。4、聚风罩设计又有20%叶轮增效因素。与现有技术做个比较,叶片长度均是61米,现有技术为5兆瓦,本专利可达到15兆瓦。根据叶片长度每增加20%,发电能力提高一倍,这一原理。本专利叶片长度增加10%,至67.1米,单机容量超越20兆瓦,其叶轮强度也远远优于5兆瓦61米现有技术叶片。
六、整机结构概述:机座及偏航(本专利统称转盘式平台图一13所示)之上设有双支撑水平轴风轮及设置发电机。发电机采用总功率分解的方法。例:总功率6兆瓦可以为3个2兆瓦,及一个备用发电机。4个发电机均设置在叶轮支撑架⑩中下部(传动支撑圈直接啮合发电机轮)可随时切出、切入,大风时切入发电机多(增加载荷)。弱风时切入发电机少(减少载荷)。启动风速就低,可做到零载荷启动。有别于现有风机满载荷启动,启动风速高这一缺点。不影响整机运转即可将需维修的发电机随时切出、切入,具有维修方便的特点。由于双支撑风轮及发电机均设置于转盘式平台之上,注:(平台高度略低于叶片最低点)将上百吨的重量下移几十米(一个叶片高度),具有稳定性好的特点。可在地面基础之上组装后,借助于三点成一面的稳定性,三根塔筒可通过液压装置梯级自助升高,不受塔机吊装高度极限制约。而现有技术塔架80米局限性,限制了大型风机的潜力,更高的塔架,应有更高效率,在极限高度基础上在再提升几十米,可以说轻而易举。吊装难度及成本大幅降低。高塔架优势在于1、风轮高度每提升10米发电能力即可提高9%左右。2、风轮处于平稳的气流中,少受地面风扰动,风轮效率及使用寿命均会大幅提高。
七、所述的聚风罩可产生巨大能量(图一14所示)是呈半漏斗形。其目的1、可将叶轮中下部风力提升至与中上部风力基本接近,解决了因叶片所处上下位置不同,风的受力不均所产生的叶片抖动及噪声。2、由于聚风罩有整流功能,又解决了风电场,群机排列前机尾流对后机的影响。3、就是聚集更多的风能通过叶轮作用与叶片。聚风罩设置在转盘式平台上,它结构非常简单,就是斜拉筋上固定耐腐蚀、易成形的土工布。此时您可以联想到风景区白色凉蓬,造价
 
只是整机的百分之零点几,微乎其微的造价,且作用巨大,是根据气流遇阻力体形状不同而改变方向不同原理设计的。因此本专利设置较低即可获取高效的风能。
整机设计解决了风电领域多个难题,多个发明点显而易见,有理有据。专利看什么?就是看结构。只有在结构上有巧妙的创新,技术上才有重大突破。实现发电能力成倍的提高,以及整机造价、维护、运营成本大幅降低。本专利试产成功之日,就是我国风电技术领先世界之时。未来世界竞争就是知识产权竞争。专利技术可以垄断市场。因为专利有排它性、独占性,不存在国际市场反倾销,国内市场低价恶意竞争,是您超前战略选择,可以说谁掌握了专利技术谁就掌控了市场。为了您投资的可靠性,经发明人书面同意,只需几万的投入,先试产一台小型机,验证技术可行后再谈专利转让,此办法投资风险极小,合作方式由您选择,如您对本专利有合作意向,本人可提供详细的专利文件,及技术咨询。      手机:13066577306       邮箱:24147026@163.com
专利号:200910012585.8   发明人:戚永维 
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