[发明专利]多形态巨能风力发电机组与提水机组

说明书

技术领域

本发明涉及一种全新巨能出力实现方式的风力发电机组和风力提水机组，其多样化的结构形态设计可提供出适合不同地况、风况、海陆及不同建设规模下的应用选择。

背景技术

本发明最基础的理论观点是：无论任何形态、结构、规格的风电机组，其实现巨能大功率出力能力设计目标的基础，最终是要取决于在该机组上安装的所有风轮所能形成的总体有效采风面积的大小与其能够转化成为有效出力能力的多少；如果单一机组的结构体积十分庞大，旋转活动范围特别广泛，而其叶片所能承接、转换与形成的总体有效采风面积确是十分有限时，其也难于实现大功率巨能出力能力的设计目标；而采用众多中小风轮共同形成大面积高效率采风用风，再通过多级传动集中聚能的方式同样可以达到巨能出力能力的设计目的。

水平轴叶桨迎风旋转式风力发电机组是当今全球风电设备中应用最为广泛、规格型号最为齐全的机型形态，其风轮的直径最初较小，中小型风轮具有选材、制造、安装、应用简单方便，其叶片设计安装形态可多种多样，如：三叶片型、多叶片型、叶片自行支撑安装型、在叶片支撑架上分布安装超薄叶片型、低速风轮型、高速风轮型等。

中小型叶桨迎风旋转式风轮旋转速度很快，风轮转动的范围与风轮旋转对风所需占用的活动空间范围均较小或很小，但是其在单位活动空间内所能形成的有效采风面积的比值确是很大，叶片的乘风与出力转换能力也很强，也就是说：中小出力风轮的采风用风能力均很强。中小型风轮转头对风方式灵活，结构简单，方式多样。中小出力风轮的短小叶片拥有抗击恶劣风力冲击的优异能力，叶片制造方便，安装方便，造价便宜。

然而，随着人们对风电机组大功率需求的推进，水平轴叶桨迎风旋转式风电机组的风轮叶片规格正在逐步加大，并且正在向着更大设计规格的方向加快发展，当前国外较大型的风轮旋径已达126米。然而实践数据与应用结果确实证明，当风轮旋转直径放大到超出一定区域范围限制的情况下，其性能指标就将出现逐渐下降乃至加快变差的发展趋势，且该趋势是随着风轮直径的进一步超限放大呈现出几何级数急剧恶化的发展态势。

如：人们通过放大风轮直径所能获增的机组出力与其所需配合增加的旋转扫风面积与所需配合增加的风轮体积与重量的比值在急速下降，而在其巨大的旋转扫风面积内确会出现、存有更多数量面积的风能流动空间的长期空置或无效存在，从而导致优质风场风能资源有效利用程度的大幅降低；而以通过前后层层叠加设置稀疏采风风轮风电机组以试图增加风场的整体迎风采风面积的设计与建设方法，又会导致前后风轮叶片与粗大塔架造成的相互阻风影响，并将导致整体风场综合建设成本更大幅度的增加。

此外，风轮向更大直径发展的结果还将导致单位时间旋转转数(叶片转速)向着加剧降低的方向发展，从而导致与其配合的齿轮箱传动比值设计需求的急剧上升，这又将导致齿轮箱设计加工难度的大幅增加；超大直径风轮叶片形成的巨大力矩将导致其对叶片材料选择强度与品质需求的快速提升，从而导致材料成本与制造成本的大幅提高；也将导致调控结构复杂，调控困难，调控效果较差，故障率较高等系列问题的发生；特大规格叶片重量十分巨大，其所需要的旋转启动动力巨大，从而导致其利用自然界风力强度的范围大幅度减少。

因此可见：采用单一风轮使之叶片规格持续放大的技术路线，将会导致风电机组通向巨能大功率设计目标之路越走越艰难，越走可持续发展的空间会越小。而如果只是采用广泛逐个建设中小风轮机组的建设方式，其无法形成单机巨能出力能力的设计目标，更难于形成广泛、高大面积的采风用风能力设计。

此外，超大直径水平轴叶桨迎风旋转式风电机组在海上建设，其对于安装基础的稳定性要求极高，单一直立形态的高耸塔架实现基础结构稳定建设的过程十分困难或是成本极高，且更难以向更高的天空发展；超大直径叶片海上高空安装与维护困难，使其整体对风旋转控制更加困难，其对于抗击台风的能力更需要加大考虑；而海上风电建设如果采用中小型风轮机组更将得不偿失。

实际证明：与单一水平轴风轮的风电机组比较，海上巨能风电建设最理想的机型是立轴式形态，其可通过纵向传动轴的向下延伸设置使巨型发电机设置在机组的最下部，甚可设在海底的岩石上，从而使其结构更加稳定并且方便安装与维护，还能有利于抵抗台风在高空的冲击。但是，在海上建设的风电机组其单机功率不能过小，而现有的立轴式风电机组均难于实现单机较大功率出力能力设计的要求，从而使其难于在海上应用。