[发明专利]涡轮机群大型风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，尤其是涉及三兆瓦级以上大型风力发电机。

背景技术

现在国际上以欧美技术主导的现有风力发电机技术不断地向大型化演进，而所谓的大型化都是简单采用了增大涡轮直径的方法提高风力发电机的功率，兆瓦级及其以上风力发电机涡轮的直径动辄70米甚至达到了145米。这就产生了二个回避不了的大问题，第一、涡轮转速过低，做功效率很低。根据力学原理，风力发电机的功率大小，与涡轮转速和扭矩的乘积成正比，这就有一个转速和扭矩合理匹配的乘积最大化问题。现代汽车发动机技术发展是向高转速大扭矩方向演进，摒弃了过去的低转速大扭矩技术，因为风力发电机的涡轮与发动机的力学原理是一致的，都是高转速和大扭矩结合才能得到更高的功率和效率。现有大型风力发电机虽然采用增速箱技术以提高转速适应发电机的转速要求，此举虽然掩盖涡轮转速低的问题，但并没有解决涡轮转速低的问题。第二、有一部分气流直接穿过涡轮叶片间的空档而没有做功。现有大型风力发电机涡轮叶片有三个剪刀差，每一个剪刀差有前后两片叶片组成，由于现有大型风力发电机的涡轮转速低和涡轮叶片间剪刀差过大，后一片叶片不能及时赶到前一片的位置，对气流不能形成全面封堵，叶片之间形成一个空档，造成气流的能量并没有全部作用到涡轮叶片上，其中一部分气流直接从旋转的涡轮叶片空档间穿过而没有做功，这就造成了现有大型风力发电机风能利用效率比较低的状况。

 而导致现有大型风力发电机涡轮转速低的原因是涡轮直径过大，根据空气流体动力的规律，涡轮直径大小与转速成反比，因为在转速相同的情况下，涡轮直径越大其外延的圆周速度就越大，涡轮旋转时排开涡轮周围空气的阻力也越大，涡轮直径增大部分所做功的大部分与涡轮直径增大部分为克服阻力而消耗的功互相抵消，可以这样理解，增加的功与消耗的功相抵增加部分十分有限，这与涡轮直径增加和获得的收益之间两者不成比例，表现出来的是扭矩确实增加了，付出的代价是转速反而降低的，这与高转速和大扭矩的乘积最大化的规律是相悖的。现有大型风力发电机为了提高功率，只是简单采用增大涡轮直径的办法，反过来涡轮直径增加，又违反了空气动力的规律，导致现有大型风力发电机功率越来越大，风能转换效率却越来越低，年发电时间也越来越短，直接导致看似免费的风能其发电成本远远高于煤电、水电和核电，注定了现有风力发电行业只能走一条由政府硬性推动的外延发展道路，按经济规律办事的民间投资的内涵发展道路离风力发电却渐行渐远。

相对于现有大型风力发电机而言，现有小型风力发电机的涡轮转速比较高，涡轮叶片之间的剪刀差小，气流在旋转涡轮叶片间无空档可穿，扭矩相对也不小，符合高转速大扭矩的雏形，所以风能转化效率和发电效率比现有大型风力发电机高。但是不能回避的是，小型风力发电机发电功率比较小，土地和空间利用率低，不符合大规模利用风能资源的特点。

根据以上分析，以欧美技术主导的现有风力发电技术进入了一个两难的境地，大的小不了，小的大不了，现有大型和小型的风力发电技术都已经山穷水尽。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种风能转化效率高、发电效率高、发电成本低廉的大功率大型风力发电机。

本发明既有现有大型风力发电机发电功率大、土地和空间利用率高的优点，又有现有小型风力发电机风能利用率高、发电效率高的优点，又克服现有大型和小型风力发电机的弱点。本发明是这样实现的：一种大型风力发电机，包括以“中”字型作为架构基础，“中”字中间的一竖为三段式立柱，“中”字上面一横以上为立柱上段、立柱上段顶部设置避雷器；“中”字二横之间方框之内的中间一竖为立柱中段设立水平回转柱，水平回转柱中设有套筒、轴承总成和蜗轮蜗杆；“中”字左右各一方框即为水平回转柱左右两侧对称固定连接两个框架，所述二个框架处于同一个平面上；框架里面设多层纵横交叉的支架点，一个支架点对应安装一个小涡轮风力发电机，数百个支架点对应安装数百个小型涡轮风力发电机；水平回转柱和两侧的框架是个整体，在水平方向可以360°旋转；“中”字下面一横以下为立柱下段，立于地基中，为整个涡轮机群大型风力发电机的提供基础和相关设备安装提供场所。

由于本发明采用的现有小型风力发电机集成的办法，这就涉及到各个发电机发出来的电能合成的问题，本发明采用了二次变流和二次并网技术，即把数百个发电机分别发出来的交流电分别逆变成直流电，再把直流电并联实现第一次并网，然后再把第一次并网的直流电转换成交流电，最后再把交流电柔性并入大电网。这样不仅解决了电能合成问题，而且也解决了风电的并大电网时对大电网的冲击问题。