[发明专利]用于风力涡轮机的同步发电机

说明书

技术领域

本发明涉及可再生能源的领域，并且更具体地研发了一种用于风力涡轮机的超导同步发电机。

背景技术

风力发电机或风力涡轮机允许将风流的动能变换为电能，该电能既用于与风力涡轮机连接的系统中的本地消耗，又用于经电网的总供电。为了执行该能量变换，大多数风力发电机具有与旋转叶片系统连接的转子，该旋转经倍增器与所述叶片一体地移动。所述转子具有多个磁性元件，这些磁性元件可以是基于例如铜线圈或任意其它电导体的永久磁体或电激励磁体。同样，风力涡轮机还具有包封转子的固定式定子，该定子通常由层压铁制成，且其包含线圈系统以使得转子与定子之间的相对旋转产生由转子生成的磁通量的变化，这种变化引起定子线圈中感应电流。

例如，US 2012/133137 A1中公开了一种风力发电机、与双馈式感应发电机(DFIG)连接的风力涡轮机和控制传输到电网的电力的部分能量变换器。根据第二示例，US 7,411,309 B2公开了一种经由转子电流的动态调节来允许DFIG系统的连续运转而不从电网断开的控制系统。不过，现有技术中公知的DFIG系统对以低转速(典型地在500rpm以下)和高功率(典型地在3MW以上)的风力发电机有一系列限制，因为它们产生高转矩。

对更轻和更小的风力涡轮机以及更高效率的需求已引起考虑不带铁心的由超导材料制成的导体的直接使用。这允许超出铁的饱和度增加磁通量的密度，减少输送更强电流的线圈中的发热，避免由于铁的磁滞而引起的损失从而防止铁磁性材料的使用，以及降低旋转速度，从而简化或消除机械旋转速度倍增系统。

另一方面，基于高温超导材料(HTS)的导体的现有技术中的商业形态允许制造可以以在30开氏度(K)以上的温度下在4特斯拉以上的感应磁场和足以在不散热的情况下安全地维持密度在200A/mm²以上的电流的热稳定性实现的超导线圈。

目前，已公开了旨在通过将发电机与叶片系统直接联接来简化机器的超导发电机的若干设计。这些设计典型地具有产生感应场的超导转子和也可以是超导的但通常由铜制成的定子，其中利用与常规发电机相似的结构感应电动势。例如，EP 2,521,252 B1、WO 2011/080357 A1、US 2014/009014 A1、US 2009/224550 A1和CN 10,1527,498 A中公开的系统就是这种情况。

超导体的使用需要实现在超低工作温度下冷却超导线圈以及工作期间产生的热的有效提取的系统。此外，该设计必须调整以便实现使最大限度地减少热从环境进入超导线圈，这尤其包括典型地经由高度真空的适当绝热。例如，US 6,768,232 B1公开了一种用于同步机器的使用HTS材料制造的转子，在该同步机器中感应场由转子产生。该转子包括热储备，该热储备维持所述储备与转子线圈之间的约10°K的温差。

然而，在上述提案中，超导磁性元件设置在连续移动的元件中，这使电源的操作、致冷、热控制、超导线圈的监视和保护复杂。因此，这些系统根据它们的构型需要用于供低温流体通过的旋转接头或用于高压和高纯度的气体如氦气、氢气、氖气或低温气体的混合物的旋转接头，所述旋转接头将低温发生器的头部与压缩机连接，从而降低了与这些操作相关的装置的可靠性和使用寿命，以及明显增加了它们的复杂性和成本并且阻止了中空轴式发电机构型，因为所述旋转接头必须安装在轴上。

因此，本领域中仍然存在对一种同步风力发电系统的需求，该风力发电系统克服了传统系统的磁场密度的限制并且优化了与所述系统连接的其余元件的可靠性和简单性以确保正确的运行。

发明内容

本发明经由一种风力发电系统而解决了上述问题，在所述风力发电系统中定子包括由高温超导材料(HTS)制成的多个线圈，从而实现了磁场密度的提高。代替超导转子的超导定子的使用允许简化致冷系统，从而消除例如用于低温气体的旋转接头和用于高纯度氦气的旋转接头。