一种风力发电装置和系统的制作方法

1.本技术涉及风力发电领域，特别是涉及一种风力发电装置和系统。


背景技术：

2.风能作为一种清洁能源在当前环保问题突出的时代具有非常大的使用前景，随着储能技术的发展，风能越来越受到人们的重视，充分利用风能发电是一个非常有意义的举措。当前风力发电装置主要为大型风力发电机组，大型风力发电机组的发电功率较大，但对环境有较高的要求，设备投资成本和后期维护费用高。因此，本领域技术人员逐渐将目光转向涡激振动发电技术。
3.涡激振动发电机是一种利用卡门涡街现象提出的无叶片风力发电机，相比较于传统的风力发电机，具有制造维修成本低、结构紧凑、噪声小等优点。风致涡激振动发电机是利用风经过俘能柱时，在俘能柱后面产生周期性漩涡脱落，出现涡激振动，使得俘能柱受到交变的横向力而振动，进而利用此机械能并将其转化为电能。但风致涡激振动发电机的发电功率与风速相关，其能够适应的风速范围比较窄，当风速发生改变时，可能导致发电机无法正常工作，影响发电机组的发电效率。
4.由此可见，如何提供一种能够适应不同风速的风力发电装置，以提高发电装置的发电效率，降低发电成本，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种风力发电装置和系统，以使风力发电装置适应不同风速，从而提供发电效率，降低发电成本。
6.为了解决上述技术问题，本技术提供了一种风力发电装置，包括：
7.传感器、控制器、风电转换装置；
8.所述风电转换装置包括俘能风筒、发电机和支撑架，所述支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，所述支撑杆的第一端与所述俘能风筒连接，所述支撑杆的第二端与所述发电机连接；
9.所述控制器与所述传感器连接，以获取所述传感器发送的风速信息，并根据所述风速信息确定目标刚度；
10.所述控制器与所述风电转换装置连接，以获取影响所述风电转换装置的刚度影响因素，并根据所述目标刚度对所述刚度影响因素进行调节。
11.优选的，所述风电转换装置的所述刚度影响因素包括：所述支撑杆长度、所述俘能风筒的外径和所述发电机的刚度。
12.优选的，所述支撑杆包括具有伸缩装置的第一支撑杆和第二支撑杆；
13.所述第一支撑杆的第一端与所述俘能风筒连接，所述第一支撑杆的第二端与所述第二支撑杆的第一端铰接；
14.所述第二支撑杆的第二端与所述发电机连接。
15.优选的，所述发电机为刚度可变发电机；
16.所述发电机的永磁体动子的通过可变刚度弹簧与所述发电机的底座连接。
17.优选的，所述可变刚度弹簧为空气弹簧。
18.优选的，所述控制器还用于：根据所述目标刚度调节所述空气弹簧的刚度，以改变所述风电转换装置的刚度。
19.优选的，所述支撑架还包括：安装法兰、具有伸缩装置的中心支撑柱和球铰；
20.其中，所述球铰设置于地面处，所述安装法兰设置于所述中心支撑柱上；
21.所述中心支撑柱的第一端与所述球铰连接，所述中心支撑柱上还设置有第三支撑杆和液压油缸，所述第三支撑杆的第一端与所述液压油缸连接，所述第三支撑杆的第二端与所述俘能风筒的内壁连接；
22.所述安装法兰用于固定所述俘能风筒。
23.优选的，所述俘能风筒为内径可调的筒状结构。
24.优选的，所述传感器包括：风速传感器和振动传感器。
25.为了解决上述技术问题，本技术还提供了一种风力发电系统，包括所述的风力发电装置。
26.本技术提供了一种风力发电装置，包括：传感器、控制器、风电转换装置；风电转换装置包括俘能风筒、发电机和支撑架，支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，支撑杆的第一端与俘能风筒连接，支撑杆的第二端与发电机连接；控制器与传感器连接，以获取传感器发送的风速信息，并根据风速信息确定目标刚度；控制器与风电转换装置连接，以获取影响风电转换装置的刚度影响因素，并根据目标刚度对各刚度影响因素进行调节，从而改变风电转换装置的刚度以适应当前风速。由此可见，本技术所提供的技术方案，通过控制器根据风速信息确定风电转换装置的目标刚度，并根据目标刚度对风电转换装置的各刚度影响因素进行调节，以使风电转换装置的刚度与风速相对应，使风力发电装置能够在不同的风速下正常工作，从而提高风力发电装置的发电效率。
27.为解决上述技术问题，本技术还提供了一种风力发电系统，包括上述风力发电装置，效果同上。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本技术实施例所提供的一种风力发电装置的结构图；
30.图2为本技术实施例所提供的一种风电转换装置的结构图；
31.图3为本技术实施例所提供的第一支撑杆和第二支撑杆的结构图；
32.图4为本技术实施例所提供的可调刚度发电机的结构图；
33.图5为本技术实施例所提供一种俘能风筒的俯视图；
34.图6为本技术实施例所提供一种俘能风筒的侧视图；
35.附图标记如下：1为传感器、2为控制器、3为风电转换装置、4为俘能风筒、5为发电机、51为永磁体动子s级、52为永磁体定子n极、53为感应线圈、54为定子固定法兰、55为空气
弹簧、56为电机底座、6为第一支撑杆、61为可伸缩支撑杆一级臂、62为可伸缩支撑杆二级臂、63为滑块、64为可伸缩支撑杆液压油缸、7为第二支撑杆、8为安装法兰、9为中心支撑柱、10球铰、11为第三支撑杆。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护范围。
37.本技术的核心是提供一种风力发电装置和系统，以使风力发电装置适应不同风速，从而提供发电效率，降低发电成本。
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
39.图1为本技术实施例所提供的一种风力发电装置的结构图，如图1所示，风力发电装置，包括：传感器1、控制器2、风电转换装置3；风电转换装置3包括俘能风筒4、发电机5和支撑架，支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，支撑杆的第一端与俘能风筒4连接，支撑杆的第二端与发电机5连接；控制器2与传感器1连接，以获取传感器1发送的风速信息，并根据风速信息确定目标刚度；控制器2与风电转换装置3连接，以获取影响风电转换装置3的刚度影响因素，并根据目标刚度对各刚度影响因素进行调节。
40.可以理解的是，风电转换装置3的刚度影响因素包括支撑架的结构、发电机5的刚度和俘能风筒4的外径。
41.在具体实施中，传感器1用于获取风电转换装置3处的风速信息，以便于控制器2根据风速信息对风电转换装置3的结构进行调节。一定风速的自然风流经俘能风筒4时，由于漩涡周期性脱落时带来横向周期性激励，当该周期性激励与结构自振频率一致时，会导致共振现象。导致漩涡脱落。频率与结构自振频率相等时的风速叫做临界风速，它的表达式如下：
[0042][0043]
其中v
crit
为临界风速，d为俘能风筒3/4高度处的外径，fi为俘能系统结构第i阶固有频率，在具体实施中，通常仅考虑第一阶固有频率，s
t
为斯特劳哈尔数。
[0044]
当结构的固有频率可调节，且总是与实时风速满足上述表达式时，俘能系统总处于临界风速区，发电系统处于最高效率发电状态。
[0045]
在本实施例中，支撑杆中设置有伸缩装置，控制通过控制伸缩装置工作以调节风电转换装置3的结构，从而改变其固有频率，以实现改变临界风速的目的。可以理解的是，支撑杆可以为直线型，也可以为折线型，此处不做限定。当选用直线型的支撑杆时，通过调节支撑杆的长度和与地面的夹角，即可调节支撑架的结构和俘能风筒离地面的高度；当选用折线型的支撑杆时，调节与地面平行部分的支撑杆即可调节支撑架的结构，调节与地面垂直部分的支撑杆即可同时调节支撑架的结构和俘能风筒离地面的高度。
[0046]
在具体实施中，当控制支撑杆的伸缩装置工作时，支撑杆的长度发生变化，风电转
换装置3的支撑架的体积和/或俘能风筒4的高度也随之变化，从而改变风电转换装置3的临界风速。
[0047]
本实施例提供了一种风力发电装置，包括：传感器、控制器、风电转换装置；风电转换装置包括俘能风筒、发电机和支撑架，支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，支撑杆的第一端与俘能风筒连接，支撑杆的第二端与发电机连接；控制器与传感器连接，以获取传感器发送的风速信息，并根据风速信息确定目标刚度；控制器与风电转换装置连接，以获取影响风电转换装置的刚度影响因素，并根据目标刚度对各刚度影响因素进行调节，从而改变风电转换装置的刚度以适应当前风速。由此可见，本技术所提供的技术方案，通过控制器根据风速信息确定风电转换装置的目标刚度，并根据目标刚度对风电转换装置的各刚度影响因素进行调节，以使风电转换装置的刚度与风速相对应，使风力发电装置能够在不同的风速下正常工作，从而提高风力发电装置的发电效率。
[0048]
图2为本技术实施例所提供的一种风电转换装置的结构图，图3为本技术实施例所提供的第一支撑杆和第二支撑杆的结构图，图4为本技术实施例所提供的可调刚度发电机的结构图；如图2或图3、图4所示，支撑杆包括具有伸缩装置的第一支撑杆6和第二支撑杆7；第一支撑杆6的第一端与俘能风筒4连接，第一支撑杆6的第二端与第二支撑杆7的第一端铰接；第二支撑杆7的第二端与发电机5连接。发电机5为刚度可变发电机；发电机5的永磁体动子的通过可变刚度弹簧与发电机5的底座连接。
[0049]
自适应风致涡激振动发电装置如图1所示，图2中4为俘能风筒，8为安装法兰，6为第一支撑杆、7为第二支撑杆，第一支撑杆6和第二支撑杆7均为可伸缩支撑杆，9为中心支撑柱，10为球铰。可伸缩支撑杆如图3所示：61为可伸缩支撑杆一级臂，62为可伸缩支撑杆二级臂，7为第二支撑杆，63为滑块，64为可伸缩支撑杆液压油缸。其中，第二支撑杆7可以为与第一支撑杆6相同的结构，也可以为简单的支撑脚。可伸缩支撑杆液压油缸与控制器2连接，当需要对风电转换装置3的刚度影响因素进行调节时，控制器2根据目标刚度确定第一支撑杆6和第二支撑杆7的目标长度，并控制可伸缩支撑杆液压油缸动作以调节支撑杆长度。
[0050]
可调刚度发电机5纵剖面如图4所示，图3中51为永磁体动子s级，52为永磁体定子n极，53为感应线圈，54为定子固定法兰，55为空气弹簧，56为电机底座。在具体实施中，可变刚度弹簧可以为油气弹簧、空气弹簧等。在具体应用场景中，俘能风筒4固定于安装法兰8，可伸缩支撑杆一级臂固定于安装法兰8，永磁体动子固定于支撑杆支撑脚底部，电机永磁体动子底部与空气弹簧固定，空气弹簧底部固定于电机底座。作为优选的实施例，可变刚度弹簧为空气弹簧。控制器2还用于：根据目标刚度调节空气弹簧的刚度，以改变风电转换装置3的刚度。控制器2与充气弹簧连接，当控制器2需要对发电机5的刚度进行调节时，首先根据目标刚度确定空气弹簧的目标刚度，并根据空气弹簧目标刚度确定其充气量。
[0051]
在上述实施例的基础上，本方法实现刚度调节有以下三种方式：支撑杆伸缩、伸缩与空气弹簧充放气，以对刚度进行调节。
[0052]
支撑杆刚度公式如下：
[0053][0054]
式中e为弹性模量，i为支撑杆抗弯截面矩，l为支撑杆跨矩，k为支撑杆的刚度。由上式可知，通过支撑杆伸缩改变跨距可大幅度调节俘能装置刚度。
[0055]
空气弹簧通过充放气可改变空气弹簧刚度，其垂直静刚度公式如下：
[0056][0057]
式中k
vs
为空气弹簧刚度，m为气体多变系数，p为空气弹簧气压，p0为参考大气压，s为空气弹簧有效承载面积，v为空气弹簧容积，a为常数。
[0058]
图5为本技术实施例所提供一种俘能风筒的俯视图，图6为本技术实施例所提供一种俘能风筒的侧视图，如图5或图6所示，支撑架还包括：安装法兰8、具有伸缩装置的中心支撑柱9和球铰；其中，球铰设置于地面处，安装法兰8设置于中心支撑柱9上；中心支撑柱9的第一端与球铰连接；安装法兰8用于固定俘能风筒4。俘能风筒4为内径可调的筒状结构。中心支撑柱9上还设置有第三支撑杆11和液压油缸；第三支撑杆11的第一端与液压油缸连接，第三支撑杆11的第二端与俘能风筒4的内壁连接。控制器2可以通过控制液压油缸的动作，以改变第三支撑杆11的长度，从而带动俘能风筒4的外径发生改变。图5所示的俘能风筒为本技术所提供的俘能风筒的一种情况，俘能风筒具有重叠部分，可以通过液压油缸调节第三支撑柱11的长度，从而改变俘能风筒的外径。除图5所示的结构外，俘能风筒还可以为其他结构，如利用多个弧形铁片组成俘能风筒，各弧形铁片间相互重叠等，此处不再赘述。
[0059]
在具体实施中，传感器1包括：风速传感器和振动传感器。其中，风速传感器设置于俘能风筒处，以获取俘能风筒处的风速信息，振动传感器设置于发电机处，以根据风速对发电机的影响进一步获取风速信息。在使用俘能风筒的风力发电场景中，风经过俘能风筒时，在俘能风筒后面产生周期性漩涡脱落，出现涡激振动，使得俘能风筒受到交变的横向力而振动，进而利用此机械能并将其转化为电能。因此，将振动传感器设置于发电机处，可以采集到发电机的振动数据，结合俘能风筒处设置的风速传感器获取的数据，能够更准确的获取风速信息。
[0060]
此外，本技术还提供了一种风力发电系统，包括上述的风力发电装置外，还包括电力传输设备、风电转换装置维护设备等，风力发电装置包括：传感器、控制器、风电转换装置；风电转换装置包括俘能风筒、发电机和支撑架，支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，支撑杆的第一端与俘能风筒连接，支撑杆的第二端与发电机连接；控制器与传感器连接，以获取传感器发送的风速信息，并根据风速信息确定目标刚度；控制器与风电转换装置连接，以获取影响风电转换装置的刚度影响因素，并根据目标刚度对各刚度影响因素进行调节，从而改变风电转换装置的刚度以适应当前风速。由此可见，本技术所提供的技术方案，通过控制器根据风速信息确定风电转换装置的目标刚度，并根据目标刚度对风电转换装置的各刚度影响因素进行调节，以使风电转换装置的刚度与风速相对应，使风力发电装置能够在不同的风速下正常工作，从而提高风力发电装置的发电效率。
[0061]
以上对本技术所提供的风力发电装置和系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
[0062]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将
一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术特征：
1.一种风力发电装置，其特征在于，包括：传感器(1)、控制器(2)、风电转换装置(3)；所述风电转换装置(3)包括俘能风筒(4)、发电机(5)和支撑架，所述支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，所述支撑杆的第一端与所述俘能风筒(4)连接，所述支撑杆的第二端与所述发电机(5)连接；所述控制器(2)与所述传感器(1)连接，以获取所述传感器(1)发送的风速信息，并根据所述风速信息确定目标刚度；所述控制器(2)与所述风电转换装置(3)连接，以获取影响所述风电转换装置(3)的刚度影响因素，并根据所述目标刚度对所述刚度影响因素进行调节。2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述风电转换装置(3)的所述刚度影响因素包括：所述支撑杆长度、所述俘能风筒(4)的外径和所述发电机(5)的刚度。3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述支撑杆包括具有伸缩装置的第一支撑杆(6)和第二支撑杆(7)；所述第一支撑杆(6)的第一端与所述俘能风筒(4)连接，所述第一支撑杆(6)的第二端与所述第二支撑杆(7)的第一端铰接；所述第二支撑杆(7)的第二端与所述发电机(5)连接。4.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述发电机(5)为刚度可变发电机；所述发电机(5)的永磁体动子通过可变刚度弹簧与所述发电机(5)的底座连接。5.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，所述可变刚度弹簧为空气弹簧。6.根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制器(2)还用于：根据所述目标刚度调节所述空气弹簧的刚度，以改变所述风电转换装置(3)的刚度。7.根据权利要求1至6任一项所述的风力发电装置，其特征在于，所述支撑架还包括：安装法兰(8)、具有伸缩装置的中心支撑柱(9)和球铰(10)；其中，所述球铰(10)设置于地面处，所述安装法兰(8)设置于所述中心支撑柱(9)上；所述中心支撑柱(9)的第一端与所述球铰(10)连接，所述中心支撑柱(9)上还设置有第三支撑杆(11)和液压油缸，所述第三支撑杆(11)的第一端与所述液压油缸连接，所述第三支撑杆(11)的第二端与所述俘能风筒(4)的内壁连接；所述安装法兰(8)用于固定所述俘能风筒(4)。8.根据权利要求7所述的风力发电装置，其特征在于，所述俘能风筒(4)为内径可调的筒状结构。9.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述传感器(1)包括：风速传感器和振动传感器。10.一种风力发电系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的风力发电装置。

技术总结
本申请涉及风力发电领域，公开了一种风力发电装置和系统，包括：传感器、控制器、风电转换装置；风电转换装置包括俘能风筒、发电机和支撑架，支撑架包括具有伸缩装置的支撑杆，支撑杆的第一端与俘能风筒连接，支撑杆的第二端与发电机连接；控制器与传感器连接，以获取传感器发送的风速信息，并根据风速信息确定目标刚度；控制器与风电转换装置连接，以获取影响风电转换装置的刚度影响因素，并根据目标刚度调节各刚度影响因素。本申请通过控制器根据风速信息确定风电转换装置的目标刚度，并根据目标刚度对风电转换装置的各刚度影响因素进行调节，以使风电转换装置的刚度与风速相对应，使风力发电装置能够在不同的风速下正常工作，提高发电效率。提高发电效率。提高发电效率。


技术研发人员：邹洽宇 黄燕艳 赵淑玉 董红坤 胡志明 王红霞
受保护的技术使用者：通达电磁能股份有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/8/5