[发明专利]风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电系统

说明书

本发明公开了一种风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电系统，采用压缩空气储能高效储存超过额定功率以上风能，采用四点气浮支撑风机旋转体，消除轴径向摩擦损耗，提高风能捕获效率，包括风机桨叶、风机旋转体、永磁同步发电机、压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置以及变流器，压缩空气储能采用电磁离合器合理吸合以及双向气动阀合理联结，调整压缩空气储能功率；悬浮阻尼调控装置合理调节气动支撑上膨胀孔内气压，改变风机旋转体与塔架之间的摩擦转矩，确保发电机恒功率控制，因风速和高压储气罐内气压变化，风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电系统存在气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式。

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，尤其是一种风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电系统，属于风电领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染日趋严重，作为严格无污染的风力发电受到世界关注，明确将风力发电从补充能源提升至替代能源战略地位，但低风速区域（平均风速低于5-6m/s）占全国总面积的70%以上，加大大功率低风速风力发电机型研究，是推动低风速风电发展的有效途径。垂直轴风力发电机无需水平轴风力发电系统必需的偏航装置，具有启动风速低、安装简便等优势，特别是磁悬浮轴承引入至垂直轴风力发电后，风力机起动阻力矩大幅降低，非常适合弱风型风电场。但目前普遍功率相对较小，内蒙古索力德风电公司和广州雅图新能源有限公司开发了MW级垂直轴风力机，采用磁悬浮轴承以及多层桨叶采风机构，起动风速减小至3-3.5m/s，但存在风能捕获控制滞后、机械冲击大以及输出功率波动等问题，同时多层采风系统高度差导致风机存在较大倾覆力矩，极易导致风机旋转体轴径向悬浮位移变化，摩擦损耗大、发电成本高。采用主动电磁悬浮实现垂直轴风力发电系统桨叶采风机构的完全悬浮，可有效降低风机旋转体轴径向摩擦损耗，但磁悬浮装置本身也存在电磁悬浮功耗，特别是产生电磁力所需的悬浮绕组和永磁体直接导致风机桨叶采风系统自重增大，产生较大悬浮功耗；同时风速的随机性和波动性问题，极易导致功率波动，影响电力系统安全和可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术中存在的缺陷或不足，将压缩空气储能引入至垂直轴风力发电系统，平抑风能波动对输出功率影响，采用风机旋转体的四点完全气动悬浮，极大消除轴径向摩擦损耗，提供一种度电成本低、控制简单、风能利用率高、大功率风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电系统。

为了达到以上目的，本发明风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电系统，包括：风机桨叶、风机旋转体、永磁同步发电机、压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置、塔架、机械耦合装置、以及变流器部分。风速和气罐气压随机变化，系统存在气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式，主控制CPU为DSP28335，基于风速传感器、电流电压传感器、气压传感器、压力传感器以及编码器等实测数据，合理控制PWM输出、阀门开度电压以及电磁离合器吸合，优化选择五种工作模式。

所述风机桨叶为四组两层结构，分别为轴向桨叶和径向桨叶，所述轴向桨叶设置在风机旋转体顶端，所述径向桨叶按照均分原则分布在风机旋转体外侧；所述风机旋转体为流线型机壳结构，顶端为塔架支撑的圆形水平旋转面，外侧设置三组风机桨叶，内侧设置N/S排列的16对永磁体，构成永磁同步发电机转子；所述永磁同步发电机为径向发电机，包括转子和定子两部分，所述定子三相绕组固定在塔架上，转子均匀内嵌在风机旋转体上，随风机旋转体旋转在定子绕组内感应三相电流，经变流器部分馈电并网；所述塔架为风机旋转体的旋转支撑，塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承，内侧为支撑机械耦合装置的托盘支撑，将风机旋转体捕获转矩传递至压缩空气储能部分，塔架内部设置压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置以及变流器部分；所述机械耦合装置为行星齿轮升速机构，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈、固定在托盘支撑上的行星架以及太阳轮等三部分，将风机旋转体变速驱动压缩机。