本發(fā)明涉及一種多維度風(fēng)能混合軸發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于大中型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用機(jī)艙俯仰和偏航多維度捕獲風(fēng)能，提高風(fēng)能利用率。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、發(fā)展前景廣闊的可再生能源，一直是世界各國的能源發(fā)展戰(zhàn)略。提升風(fēng)能捕獲效率是風(fēng)電領(lǐng)域科研工作者的研究熱點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)是基于風(fēng)向變化實現(xiàn)機(jī)艙偏航對風(fēng)的重要環(huán)節(jié)，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成部分，可有效提升風(fēng)電機(jī)組可靠性、使用壽命和發(fā)電效率。但傳統(tǒng)大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)機(jī)組內(nèi)置機(jī)艙內(nèi)部，存在機(jī)艙重量大，偏航功耗大等問題，同時較大的回轉(zhuǎn)力矩迫使偏航旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，齒輪傳動多級完成，存在偏航齒輪齒間隙大問題，導(dǎo)致偏航對風(fēng)精度不高；同時機(jī)艙重量等問題，也使得大中型風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)僅考慮偏航對風(fēng)，而無機(jī)艙俯仰，因此嚴(yán)重制約了風(fēng)能捕獲效率的提升；小型風(fēng)力發(fā)電則普遍采用被動偏航以及機(jī)艙俯仰完成風(fēng)能捕獲，但機(jī)艙俯仰僅依靠風(fēng)機(jī)自身傾覆力矩被動完成，俯仰調(diào)整速度慢，且存在對風(fēng)精度差以及機(jī)艙穩(wěn)定性問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對上述技術(shù)中存在的不足，提供一種多維度風(fēng)能混合軸發(fā)電系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：多維度風(fēng)能混合軸發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力槳葉、垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換、弧線俯仰電機(jī)、偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)、對風(fēng)保持裝置、發(fā)電機(jī)以及變流器。機(jī)艙在弧線俯仰電機(jī)、偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)以及對風(fēng)保持裝置共同作用下完成多維度風(fēng)能捕獲；風(fēng)能捕獲多維度轉(zhuǎn)矩經(jīng)垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換和偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)協(xié)同作用下，將風(fēng)能傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電，并經(jīng)變流器為負(fù)載供電；當(dāng)機(jī)艙俯仰對風(fēng)時，弧線俯仰電機(jī)的俯仰定子上電，與永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生俯仰力矩與垂直力，實現(xiàn)機(jī)艙俯仰對風(fēng)，同時平抑風(fēng)機(jī)槳葉產(chǎn)生的推力；偏航對風(fēng)時，偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)和對風(fēng)保持裝置協(xié)同將垂直軸轉(zhuǎn)矩分解，分別經(jīng)齒圈驅(qū)動機(jī)艙偏航以及行星架驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。機(jī)艙對風(fēng)完成后偏航保持裝置維持機(jī)艙迎風(fēng)狀態(tài)，實現(xiàn)機(jī)艙無功耗持續(xù)對風(fēng)。

所述垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換將多維風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩高效轉(zhuǎn)化為垂直軸轉(zhuǎn)矩，包括風(fēng)能捕獲軸、俯仰轉(zhuǎn)換軸、俯仰支撐軸、垂直轉(zhuǎn)換軸以及垂直軸，風(fēng)能捕獲軸和風(fēng)力槳葉同軸聯(lián)接，并將捕獲風(fēng)能經(jīng)俯仰轉(zhuǎn)換軸以及斜齒輪組，轉(zhuǎn)換為俯仰支撐軸的垂直性轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)垂直轉(zhuǎn)換軸和斜齒輪組轉(zhuǎn)化為垂直軸轉(zhuǎn)矩；俯仰支撐軸、俯仰轉(zhuǎn)換軸以及垂直轉(zhuǎn)換軸共同構(gòu)建機(jī)艙俯仰運(yùn)動空間，消除機(jī)艙偏航和俯仰對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換的影響，實現(xiàn)多維風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩至垂直軸轉(zhuǎn)矩的嚴(yán)格轉(zhuǎn)換。

所述弧線俯仰電機(jī)包括俯仰轉(zhuǎn)子、俯仰定子以及定子支撐三部分，定轉(zhuǎn)子呈弧線型，確保機(jī)艙俯仰運(yùn)動時定轉(zhuǎn)子氣隙恒定，俯仰轉(zhuǎn)子固定在機(jī)艙后側(cè)，為弧線永磁體；俯仰定子為7個串聯(lián)直流繞組，固定在定子支撐上，定子支撐與機(jī)艙U型支撐剛性連接，其供電線路經(jīng)機(jī)艙U型支撐、垂直軸中心和太陽輪中心，與變流器直流側(cè)相連，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向以及機(jī)艙俯仰角度，控制定子繞組通電電流，產(chǎn)生俯仰力矩與垂直力，實現(xiàn)機(jī)艙俯仰和風(fēng)機(jī)推力的平抑。

所述偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)包括太陽輪、行星架和齒圈，其中行星架和垂直軸剛性連接，將垂直軸轉(zhuǎn)矩輸入至偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)，齒圈與機(jī)艙U型支撐剛性連接，太陽輪與發(fā)電機(jī)相連；齒圈與偏航保持裝置相連，在偏航過程中，偏航保持裝置通電，偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)將垂直軸轉(zhuǎn)矩分解部分轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動機(jī)艙偏航；偏航結(jié)束后，齒圈由偏航保持裝置失電固定，偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)工作在力矩傳遞狀態(tài)，太陽輪轉(zhuǎn)矩經(jīng)固定變比傳遞至發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。

所述對風(fēng)保持裝置中俯仰保持裝置包括俯仰保持端蓋、俯仰保持線圈、俯仰制動簧、俯仰制動弧套以及俯仰軸；偏航保持裝置包括偏航保持端蓋、偏航保持線圈、偏航制動簧、俯仰制動卡套以及齒圈制動盤。俯仰保持裝置的俯仰保持端蓋與機(jī)艙剛性連接，俯仰軸與機(jī)艙U型支撐剛性連接，且俯仰軸中通俯仰轉(zhuǎn)換軸；偏航保持裝置的偏航保持端蓋與塔架剛性連接，齒圈制動盤與齒圈剛性連接，并在俯仰和偏航后失電，實現(xiàn)機(jī)艙無功耗穩(wěn)定持續(xù)對風(fēng)。

本發(fā)明所帶來的有益效果是：

1)本發(fā)明采用機(jī)艙偏航和俯仰多維度捕獲風(fēng)能，借助弧線俯仰電機(jī)以及偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)完成了機(jī)艙多維度對風(fēng)，提升了風(fēng)能利用系數(shù)；

2)本發(fā)明借助垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換，將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩嚴(yán)格轉(zhuǎn)換為垂直軸轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)電機(jī)下置于塔架成為可能，極大降低機(jī)艙重量，減小了偏航功耗和俯仰損耗，提升了偏航對風(fēng)精度；

3)本發(fā)明采用弧線俯仰電機(jī)完成機(jī)艙俯仰，使得俯仰過程氣隙穩(wěn)定，確保俯仰力矩穩(wěn)定性，同時產(chǎn)生的法向垂直力，快速平抑風(fēng)機(jī)槳葉波動推力，提升了風(fēng)力整體發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4)本發(fā)明借助偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)合理分解風(fēng)力機(jī)垂直性轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)機(jī)艙偏航，消除了傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)的使用，極大降低了成本。

附圖說明

圖1設(shè)備基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2設(shè)備橫截面示意圖。

圖3設(shè)備俯視示意圖。

圖4控制流程圖。

圖5俯仰保持裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6偏航保持裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中1.風(fēng)力槳葉，2.機(jī)艙，3.機(jī)艙U型支撐，4.定子支撐，5.俯仰轉(zhuǎn)子，6.俯仰定子，7.偏航滑動滾珠，8.塔架，9.風(fēng)能捕獲軸，10.俯仰轉(zhuǎn)換軸，11.俯仰支撐軸，12.齒圈，13.垂直軸，14.發(fā)電機(jī)，15.俯仰保持裝置，16.垂直轉(zhuǎn)換軸，17.偏航保持裝置，18.行星架，19.太陽輪，20.變流器，21.斜齒輪組，22.俯仰保持端蓋，23.俯仰制動簧，24.俯仰保持線圈，25.俯仰制動弧套，26.俯仰軸，27.偏航保持端蓋，28.偏航制動簧，29.偏航保持線圈，30.俯仰制動卡套，31.齒圈制動盤。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

本發(fā)明所公布的多維度風(fēng)能混合軸發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力槳葉1、垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換(9、10、11、13、16)、弧線俯仰電機(jī)(4、5、6)、偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)(12、18、19)、對風(fēng)保持裝置(15、17)、發(fā)電機(jī)14以及變流器20；垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換由風(fēng)能捕獲軸9、俯仰轉(zhuǎn)換軸10、俯仰支撐軸11、垂直轉(zhuǎn)換軸16和垂直軸13組成；弧線俯仰電機(jī)由俯仰轉(zhuǎn)子5、俯仰定子6以及定子支撐4三部分組成；偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)由太陽輪19、行星架18和齒圈12組成；對風(fēng)保持裝置包括俯仰保持裝置15和偏航保持裝置17，俯仰保持裝置15由俯仰保持端蓋22、俯仰保持線圈24、俯仰制動簧23、俯仰制動弧套25以及俯仰軸26組成，偏航保持裝置17由偏航保持端蓋27、偏航保持線圈29、偏航制動簧28、俯仰制動卡套30以及齒圈制動盤31組成。

本發(fā)明公布的多維度風(fēng)能混合軸發(fā)電系統(tǒng)工作流程如圖4所示。系統(tǒng)實時根據(jù)監(jiān)測的風(fēng)速風(fēng)向以及歷史數(shù)據(jù)，判定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)可工作在俯仰發(fā)電狀態(tài)、偏航發(fā)電狀態(tài)以及對風(fēng)保持發(fā)電狀態(tài)，完成機(jī)艙偏航、俯仰和對風(fēng)保持以及發(fā)電機(jī)14發(fā)電。

當(dāng)風(fēng)速低于起動風(fēng)速V_cut，系統(tǒng)運(yùn)行停機(jī)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)14停機(jī)，對風(fēng)保持裝置失電，保持停機(jī)前對風(fēng)狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速超過起動風(fēng)速，且風(fēng)速風(fēng)向測試儀檢測的俯仰角度A和偏航角度B均為0時，系統(tǒng)運(yùn)行在對風(fēng)保持發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)俯仰角度和偏航角度都不為0時，系統(tǒng)首先機(jī)艙俯仰，此時系統(tǒng)運(yùn)行在俯仰發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)俯仰角度調(diào)整為0后，同時偏航角度不為零時，此時系統(tǒng)進(jìn)入偏航發(fā)電狀態(tài)。

對風(fēng)保持發(fā)電狀態(tài)，機(jī)艙在對風(fēng)保持裝置失電下正面迎風(fēng)捕獲風(fēng)能，風(fēng)機(jī)多維度轉(zhuǎn)矩經(jīng)垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換和偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動發(fā)電機(jī)14發(fā)電。對風(fēng)保持裝置斷電，此時俯仰保持線圈24和偏航保持線圈29斷電，俯仰制動弧套25和俯仰軸26被俯仰制動簧23的推力緊鎖，偏航制動卡套30和齒圈制動盤31被偏航制動簧28緊壓，俯仰軸26和齒圈制動盤31在巨大壓力和阻力作用下嚴(yán)格制動，齒圈12和機(jī)艙2無法運(yùn)動，使得機(jī)艙2無功耗穩(wěn)定精確對風(fēng)。風(fēng)機(jī)多維度轉(zhuǎn)矩經(jīng)垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換和偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動發(fā)電機(jī)14發(fā)電，并由變流器20逆變輸出實現(xiàn)并網(wǎng)。

機(jī)艙俯仰發(fā)電狀態(tài)，機(jī)艙2在弧線俯仰電機(jī)驅(qū)動下俯仰對風(fēng)，多維度轉(zhuǎn)矩經(jīng)垂直軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換和偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動發(fā)電機(jī)14發(fā)電。機(jī)艙2在俯仰保持裝置15上電情況下，經(jīng)弧線俯仰電機(jī)的俯仰轉(zhuǎn)子5和俯仰定子6互相作用俯仰對風(fēng)。俯仰保持裝置15中的俯仰保持線圈24通電，俯仰制動弧套25在磁力作用下與俯仰軸分離，向兩側(cè)壓縮俯仰制動簧23，減小俯仰軸26摩擦阻尼，確保機(jī)艙2無阻俯仰。弧線俯仰電機(jī)的定子6通電，與俯仰轉(zhuǎn)子5一起產(chǎn)生俯仰力矩，驅(qū)動機(jī)艙2在俯仰支撐軸11、俯仰轉(zhuǎn)換軸10以及垂直轉(zhuǎn)換軸16共同構(gòu)建的支撐空間中作俯仰運(yùn)動，直至俯仰角A為零。風(fēng)機(jī)多維度轉(zhuǎn)矩經(jīng)垂直轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為垂直性轉(zhuǎn)矩，在偏航保持裝置17失電情況下齒圈12制動，經(jīng)行星架18和太陽輪19固定變比傳遞至發(fā)電機(jī)14發(fā)電，并通過變流器20完成并網(wǎng)。

機(jī)艙偏航發(fā)電狀態(tài)，偏航機(jī)械結(jié)構(gòu)將垂直軸轉(zhuǎn)矩分解為偏航轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，完成機(jī)艙2偏航對風(fēng)和并網(wǎng)發(fā)電。偏航保持裝置17上電，機(jī)艙俯仰保持裝置15在機(jī)艙弧線俯仰電機(jī)失電的情況下，失電保持機(jī)艙俯仰狀態(tài)，同時偏航保持線圈29通電，偏航制動卡套30在磁力作用下與齒圈制動盤分離，向兩側(cè)壓縮偏航制動簧28，降低偏航阻力，確保機(jī)艙2正常偏航。垂直轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換將風(fēng)機(jī)多維度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為垂直軸轉(zhuǎn)矩，經(jīng)行星架18輸入以及齒圈12和太陽輪19分解輸出，將垂直軸轉(zhuǎn)矩分解為偏航轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，完成機(jī)艙2主被動偏航和發(fā)電機(jī)14發(fā)電，且可通過變流器20完成并網(wǎng)發(fā)電。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。