本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

可再生能源是能源供應(yīng)體系的重要組成部分。目前，全球可再生能源開發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，應(yīng)用成本快速下降，發(fā)展可再生能源已成為許多國家推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應(yīng)對氣候變化的重要途徑，也是我國推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、推動能源轉(zhuǎn)型的重要措施。風(fēng)能是一種重要的可再生能源，儲量豐富，清潔無污染，越來越受到世界各國重視?！笆濉逼陂g，我國對風(fēng)電領(lǐng)域展開了全面布局，陸海齊進(jìn)，集散并舉，到2020年底，全國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)確保達(dá)到2.1億千瓦以上。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的核心裝備。按風(fēng)輪與塔架相對位置的不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有上風(fēng)向和下風(fēng)向之分。沿風(fēng)向觀察，風(fēng)輪在塔筒的前面叫做上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)；風(fēng)輪在塔筒的后面叫做下風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)。上風(fēng)向布置是最普遍的選擇，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：1)塔影的影響遠(yuǎn)小于葉片與塔筒間距，減小了葉片上的動載荷以及間歇噪聲影響；2)風(fēng)直接吹向風(fēng)輪，風(fēng)能利用率較高。但上風(fēng)向布置也存在缺點(diǎn)，主要包括：1)不存在自動對風(fēng)功能，必須借助某種調(diào)向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性；2)葉片在風(fēng)載作用下偏向塔筒，在強(qiáng)風(fēng)載荷下，存在葉片與塔筒相撞的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免葉片與塔筒相撞導(dǎo)致風(fēng)機(jī)損壞，在設(shè)計(jì)時(shí)一般使風(fēng)輪回轉(zhuǎn)中心線向上傾斜5°～6°。

塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，造價(jià)昂貴，成本約占風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體成本的25％左右。塔筒支撐機(jī)艙和風(fēng)輪，其結(jié)構(gòu)可靠性是確保風(fēng)力發(fā)電正常進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一。塔筒屬于高聳型懸壁結(jié)構(gòu)，除受自身重力作用外，還受到機(jī)艙和風(fēng)輪的重力、塔身風(fēng)載荷、通過風(fēng)輪作用于塔筒頂端的氣動力、偏轉(zhuǎn)力、陀螺力和陀螺力矩等載荷的作用。在臺風(fēng)條件下，塔筒折斷是風(fēng)力發(fā)電機(jī)一種嚴(yán)重的破壞形式，由此帶來的損失是塔筒自身成本的3倍左右。因而，如何以較低成本提高塔筒結(jié)構(gòu)可靠性、增強(qiáng)風(fēng)機(jī)在臺風(fēng)等極端載荷條件下的生存能力，是風(fēng)電行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

目前，提高塔筒結(jié)構(gòu)可靠性主要采用增大塔筒自身強(qiáng)度、增大連接件強(qiáng)度、降低塔筒高度等方法。增大塔筒自身強(qiáng)度和連接件強(qiáng)度勢必增加成本，降低塔筒高度勢必影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組日常運(yùn)營效率，因而是不經(jīng)濟(jì)的。上述改進(jìn)措施的技術(shù)共性就是沒有改變現(xiàn)有塔筒的懸臂結(jié)構(gòu)，而懸壁結(jié)構(gòu)恰好是造成塔筒成本和結(jié)構(gòu)可靠性矛盾的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有塔筒強(qiáng)化技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提出一種全新可行的上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)，以較低成本有效降低塔筒應(yīng)力水平，改善塔筒應(yīng)力分布，提高塔筒結(jié)構(gòu)可靠性，增強(qiáng)上風(fēng)向風(fēng)機(jī)在臺風(fēng)等極端載荷條件下的生存能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)主要由塔筒、具備自動控制功能的斜拉索、斜拉索-塔筒連接裝置、斜拉索-地面連接裝置組成。其特征在于在塔筒周圍均布6根斜拉索，每根斜拉索與豎直方向成一定夾角，一端與距塔筒頂端1/3處連接，另一端與地面連接，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斜拉索的張緊或松弛，建立抵消風(fēng)荷載的張緊合力。

以斜拉索在水平面的投影線以及相鄰兩投影線夾角的中分線為邊界，將與塔筒同心的圓柱空間在水平面的投影平均分成12個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的中心角為30°。以與風(fēng)向一致、且過塔筒在水平面投影圓心的射線為參照，選取最近的邊界，以此邊界為對稱，向左右各掃描60°，得到120°的掃描區(qū)域。在控制系統(tǒng)的作用下，位于該掃描區(qū)域的斜拉索張緊，其余的斜拉索松弛，從而形成張緊合力。

當(dāng)上述射線恰好落到兩斜拉索投影夾角的1/4處時(shí)，以最近的斜拉索投影為對稱，按上述方法進(jìn)行掃描、張緊與松弛，形成張緊合力。

通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)掃描區(qū)域斜拉索的張緊力，在滿足力學(xué)性能的前提下，使張緊合力最大限度平衡風(fēng)載荷，可以獲得最佳抗風(fēng)效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)改變了現(xiàn)有上風(fēng)機(jī)塔筒的懸壁結(jié)構(gòu)，以較低成本提高了塔筒的結(jié)構(gòu)可靠性，減小臺風(fēng)條件下塔筒失效率，提高風(fēng)機(jī)在極端載荷下的生存能力；

(2)借助自動控制功能，根據(jù)風(fēng)向確定斜拉索張緊或松弛，根據(jù)風(fēng)載大小調(diào)節(jié)斜拉索的張緊力，建立張緊合力，獲得最佳抗風(fēng)效果。

附圖說明

圖1是裝備上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)的上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)主視圖

圖2是上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)俯視圖

圖3是與塔筒同心的圓柱空間在水平面的分區(qū)示意圖

圖4是斜拉索張緊合力相對于風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)夾角變化圖

其中：1.風(fēng)輪，2.機(jī)艙，3.塔筒，4.斜拉索-塔筒連接裝置，5.松弛狀態(tài)斜拉索，6.張緊狀態(tài)斜拉索，7.斜拉索-地面連接裝置。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施案例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。

參照附圖1，裝備上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)的上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪1、機(jī)艙2、塔筒3、斜拉索-塔筒連接裝置4、松弛狀態(tài)斜拉索5、張緊狀態(tài)斜拉索6、斜拉索-地面連接裝置7組成。本實(shí)施例中的上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)由塔筒3、斜拉索-塔筒連接裝置4、松弛狀態(tài)斜拉索5、張緊狀態(tài)斜拉索6、斜拉索-地面連接裝置7組成。張緊狀態(tài)斜拉索6位于風(fēng)流入?yún)^(qū)域，松弛狀態(tài)斜拉索5位于風(fēng)流出區(qū)域，張緊合力在水平方向的投影與風(fēng)向相反。同時(shí)參照附圖2，6根斜拉索均布于塔筒周圍，每根斜拉索與豎直方向成一定夾角，一端與距塔筒頂端1/3處連接，另一端與地面連接。

參考附圖3，斜拉索在水平面的投影線記為l1、l2、l3、l4、l5、l6，相鄰?fù)队熬€夾角的中分線記為m1、m2、m3、m4、m5、m6，以l1、m1、l2、m2、l3、m3、l4、m4、l5、m5、l6、m6為邊界，將與塔筒同心的圓柱空間在水平面的投影平均分成12個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的中心角為30°。以與風(fēng)向一致、且過塔筒軸心的射線w為參照，選取最近的邊界(本例中為l1)，以此邊界為對稱，向左右各掃描60°，得到120°的掃描區(qū)域。在控制系統(tǒng)的作用下，位于該掃描區(qū)域的斜拉索張緊(本例中為l1、l2、l6)，其余的斜拉索松弛(本例中為l3、l4、l5)，從而形成張緊合力。

參考附圖3，當(dāng)射線w恰好落到兩斜拉索投影夾角的1/4處時(shí)(例如圓弧l1m1的中點(diǎn)處)，以最近的斜拉索投影為對稱(本例中為l1)，按上述方法進(jìn)行掃描、張緊與松弛。

參考附圖4，以風(fēng)向w為參照，張緊合力在水平面的投影方向在f1和f2之間變化，f1和f2是兩個(gè)極限情況，與風(fēng)向w的夾角分別為165°和195°，將以96.59％的分力抵抗風(fēng)載荷。f0是理想情況，與風(fēng)向w的夾角為180°，將100％用來抵抗風(fēng)載荷。通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)斜拉索張緊力，可以獲得最佳抗風(fēng)效果。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)。一種上風(fēng)向抗臺風(fēng)低成本塔筒控制系統(tǒng)主要由塔筒、具備自動控制功能的斜拉索、斜拉索?塔筒連接裝置、斜拉索?地面連接裝置組成。其特征在于在塔筒周圍均布6根具備自動控制功能的斜拉索，每根斜拉索與豎直方向成一定夾角，一端與塔筒上部連接，另一端與地面連接，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斜拉索張緊或松弛。根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)載大小建立張緊合力，獲得最佳抗風(fēng)效果。本發(fā)明以較低成本提高了上風(fēng)向風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性，增強(qiáng)了其在臺風(fēng)中的生存能力。

技術(shù)研發(fā)人員：王敏慶;盛美萍;張翔鳶
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.05
技術(shù)公布日：2017.08.22