十兆瓦技术可行性报告.docx

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十兆瓦技术可行性报告

风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机剖面图

十兆瓦风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机

技术可行性报告

一、项目名称：

风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机

技术依据：

1.发明专利：

磁悬浮垂直风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机ZL201110026230.1

2.发明专利：

风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机ZL201110058694.0

3.PCT国际专利申请：

风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机PCT/CN2011/000560.

澳大利亚专利证书：

AU2012100203A4

香港专利：

HK1158008

欧洲专利：

11859265.8-1607

4.发明专利：

带双聚风罩的大型垂直轴风力发电机201310095560.5

二、现有技术

1.水平轴风力发电机

（1）直驱型风力发电机组结构

现有大功率风力发电机几乎都是水平轴的，1.5兆瓦﹑2兆瓦已是先进的了，3兆瓦就已很难了。

2兆瓦的发电机舱已是70吨，里面的轴承、低速轴﹑高速轴﹑增速器﹑发电机﹑润滑系、﹑冷却系统﹑转向系统等。

这些装备多数需从国外进口，风叶的模具也是从国外进口的。

水平轴风力发电机结构（图1）。

（2）VESTASV80-2.0兆瓦水平轴风力发电机

现有水平轴和垂直轴风力发电机都是一个风力发电机只能装一台发电机，做的兆瓦数大，发电机的功率就要大。

下图是2兆瓦的风力发电机。

电机是2000kw，风轮重37.8吨，机舱重62.2吨，塔架重140吨。

额定功率：

2000kW功率调节：

VCS

风轮直径：

80m叶片：

39m

变桨机构：

液压变桨/4点球轴承齿轮箱：

3级行/平行轴，1:

92.6星

发电机：

绕线转子异步发电机带VCR调向机构：

带摩擦的滑动轴承

切入风速：

4m/s额定风速：

15m/s

切出风速：

25m/s最大抗风：

70m/s

轮毂高度：

60/67/78m重量：

风轮37.8T/机舱62.2T/塔架140T（60m）

（3）REPOWER5兆瓦水平轴风力发电机图

下图是当今世界最大的风力发电机，发电机5000kw。

风轮重120吨，机舱重290吨，机舱长30米，塔架重300吨。

额定功率：

5000kW、切入风速：

3.5m/s

额定风速：

13m/s切出风速：

25m/s（30m/soffshore）

设计等级：

TKI，GLoffshore功率调节：

变桨变速,电动变桨

风轮直径：

126m叶片：

LM61.5P变桨机构：

变频电机带传动/4点球轴承齿轮箱：

行星/正齿轮，1：

97发电机：

双馈异步发电机，6极

轮毂高度：

130m重量：

风轮120T/机舱290T

安全系统：

3个独立“失效－安全”变桨系统，风轮锁定刹车，叶片全内置防雷保

护和多个接闪器。

2、垂直轴风力发电机

（1）2兆瓦的垂直轴风力发电机图，风叶在轴上只有一点支承

这是广州雅图风电设备有限公司制造的2兆瓦垂直轴风力发电机类似图。

风叶宽2米,。

拉挤玻璃钢风叶，分5节连接而成Ф型。

风叶高约70米

。

（2）英国设想10兆瓦垂直轴海上风力发电机构思图

这是英国设想的垂直轴海上风力发电机构思图。

二个叶片距274米，产生电力达10兆瓦。

设计的一万千瓦的发电机在海平面上，发电机轴承担风叶的重量。

3.现有技术难点：

（1）水平轴风力发电机，只有一台发电机，增加发电量就要做大型发电机，十兆瓦就需要10000kw的发电机，这种发电机在全世界的范围内没有生产厂。

（2）水平轴风力发电机的风叶随机型的增大而增长，风叶如何设计，如何制造是世界难题，没人会计算，只能通过试验才能确定如何设计，设计出单个90米长的风叶也只能达到8兆瓦。

（3）水平轴风力发电机做大：

增速器、轴承、高速轴、低速轴、刹车系统、润滑系统、冷却系统、调向系统、调浆系统等都需要重新设计，重新研制。

我国许多风电企业按国外已有的机型仿制，经48小时运转，就宣布研制成功，就敢接订单生产1000台。

安装在风力发电机上，出现的故障多是必然现象。

（4）水平轴风力发电机的设备复杂，生产成本高、造价高、运输成本高、安装成本高。

投资回收期长。

国外资料介绍，风电运行后维修时间占运行时间的三分之一。

即使能上网，有风应该发电，您得停机去维修，发电时间少，发电的成本就高。

（5）垂直轴风力发电机的风叶支架的重量集中在一点，风叶的转动也集中在一点，一点支承无法解决风叶的晃动，无法解决摩擦，也就无法做大。

（6）垂直轴风力发电机，如果轴是转动的，则此立柱就要用拉索或外支架支撑。

三、风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机的创新点：

1.风叶转笼是个刚性旋转体，其外缘安装多个风叶

风叶转笼的内缘安装在塔柱上的发电机舱顶平面的转盘轴承的动圈上，带动转盘轴承上的大型内齿轮旋转。

2.每个发电机舱内垂直安装有8-12台带电磁离合器的发电机

每台发电机伸出发电机舱顶平面的轴上安装的齿轮均与内齿轮啮合。

3.多台小型发电机替代大型大电机

现有技术做十兆瓦的风力发电机需要有10000kw的发电机，本发明用300kw的发电机，塔柱上有3个发电机舱，每个发电机舱内有12台发电机，发电功率为10.8兆瓦：

300kw×12台/舱×3舱=10800kw。

4.风叶旋转半径和风叶宽之比

风叶转笼驱动多台发电机旋转半径40米，风叶宽3米，40÷3=13.3。

风叶安装在风叶转笼外缘获得的转矩大。

5.风叶的面积大

拉挤工艺生产的风叶宽3米，高120米，一个风叶的面积达360㎡。

多个有效的风叶产生能量大。

6.一点支承变为多平面支承

水平轴风力发电机的支承点为悬臂梁支承，垂直轴风力发电机的风叶重量和转动力都在塔柱上的一点，本发明将一点支承变为二个以上的平面的转盘轴承支承，运行平稳，摩擦力小。

7.风叶转笼由转盘轴承定位，用铷铁硼强磁铁作磁悬浮支承，几乎无摩擦力，将其他风机因摩擦消耗的能量转化成电力。

8．无增速器等复杂机电设备

只有转盘轴承上的内齿轮和发电机上的齿轮传动，增速比1:

18。

设备简单，故障少，维修量极少，发电时间长。

9.每台发电机和发电机齿轮装有离合器，启动时分批次带动发电机旋转，可做到低风速启动。

10.塔柱不转动

塔柱顶端无负重，塔柱中间无传动件。

11.生产成本低

我国企业就能生产本发明整套风力发电机，无须国外技术，还可出口国外。

整机生产成本=材料费+加工费，运输成本低，安装成本低，投资成本低。

12.发电成本低

风叶转笼直径达，风叶宽，风叶长，风叶正反面风阻比4:

1，风叶距旋转中心远，产生扭矩大，发电能力大；微风启动，切出风速高，维修量小，发电时间长，发电成本低，投资回报期短。

13.三相供电和直流母线技术

本发明所装的发电机的数量是3的倍数，一台风力发电机就可分为三相对外供电，适合石油行业抽油机等三相用电设备的需要，多台同型号的发电机发出的电压相同，串联可获高电压，并联可获得大电流，运用直流母线技术使电力的传输变得更高效更简单。

10兆瓦风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机的3D立体效果图

风力发电机高130米，直径80米，风叶高120米，宽3米，16个风叶，有3个发电机舱，每个发电机舱都有12台300千瓦的发电机，发电量10.8兆瓦。

四、风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机的技术方案：

1.塔柱和发电机舱

方案1：

塔柱上带有二个发电机舱，每个发电机舱内装有9台-12台800kw的带电磁离合器的立式永磁多极数发电机，发电机轴从发电机舱上部平板伸出。

方案2：

塔柱上带有五个发电机舱，每个发电机舱装12台220KW的带电磁离合器的立式永磁多极数发电机，可发电220KW×12台×5个=13200KW，即13.2兆瓦。

方案3：

塔柱上带有三个发电机舱，每个发电机舱装12台300KW的立式永磁多极数发电机，可发电300KW×12台×3个=10800KW，即10.8兆瓦。

风叶、内齿轮、发电机齿轮平面布置图

21.风叶22.钢丝绳转盘23.桁架24.内齿轮25.发电机齿轮26.发电机轴27.塔柱

2.刚性圆柱型转笼

风叶转笼由上转盘、下转盘和外立柱、内立柱、斜支拉筋、钢丝绳拉索，桁架等组成直径80米，高120米的刚性圆柱体。

3.上转盘、下转盘

风叶转笼的上转盘和下转盘都有外转盘（安装风叶用）和内转盘（安装磁悬浮和带外齿轮的转盘轴承）。

4.钢丝绳

上、下转盘的外转盘为减轻重量用4根钢丝绳制造，其间固定16-32个风叶。

风力发电机整体剖面示意图

1.刹车装置2.齿轮传动3.发电机4.磁悬浮5.上发电机舱6.桁架7.风叶支架

8.风叶9.支承桁架10.斜拉钢丝绳11.内立柱12.下发电机舱13.塔柱

5.风叶

风叶长120米，宽3米，厚0.6米的外凸内凹的、一头大一头小的流线型风叶、风叶凹面设有多条挡风筋、风叶凸面设有类似高尔夫球球面的凹坑，以减轻风的阻力。

风叶用玻璃纤维、玄武岩纤维及其无纺布、机织布在拉挤机上一次成型。

风叶剖面图

6.齿轮传动

上下转盘的内转盘上安装带内齿轮的转盘轴承。

内齿轮与发电机舱顶部伸出的电机轴上的齿轮相啮合。

是发电机及发电机舱上的转盘轴承齿轮传动、磁悬浮、刹车装置。

见下页发电机舱图

7.带外轮的转盘轴承

转盘轴承固定在发电机舱顶平面，外齿轮与发电机齿轮啮合，风叶转笼的内转盘固定在转盘轴承带外齿轮的转动盘上。

8.磁悬浮

风叶转笼的上、下转盘各安装一组环形铷铁硼磁悬浮，磁悬浮向内倾斜7°，磁悬浮产生向上的力托起风叶转笼的重量，向内的力使转笼不晃动，保证内齿轮和每个齿轮啮合力稳定。

风叶转笼及乎无摩擦运转。

9.刹车

每个发电机舱的上面塔柱上安装着六个带伸缩油缸的汽车轮子，运行时汽车轮子与内转盘上的刹车环接触，使内转盘定心旋转。

当需要转笼停转时，带ABS系统的12个汽车轮子内的刹车制动，使转盘停止旋转。

10.双转子发电机

发电机的转子和定子都旋转，发电效率将提高到三倍，发电机齿轮从转盘轴承的内齿轮获得转动力，每台发电机外再配一根轴，该轴上的齿轮也和转盘轴承的内齿轮啮合，轴旋转带动发电机底端的一对内齿轮转动，发电机的底端就有一个向反方向转动的力。

发电机舱图

五、十兆瓦风力发电机如何实现：

1.风能利用率高

风叶转笼外转盘装有32个风叶。

风叶距转动中心远达40米，每个风叶面积120m×3m=360㎡，风叶面积大获得风能大，距中心远产生的力矩大。

每个风叶360㎡的迎风面和凹面八条纵向筋产生1+1的动能，凹面加高尔夫球球面的坑，阻力变成1-0.5，即1+1＞1-0.5，即4:

1。

风叶在迎风面，逆风面产生扭力差，又在距轴心远的地方，产生的力矩大，获得能量就很大。

2.设备极其简单

风叶接受风能推动风叶转笼旋转，转盘轴承上的大型外齿轮经离合器带动12台发电机齿轮转动，即带动发电机发电。

动能几乎无能量损失，无须维修，发电时间长。

3.电力传输

发电机是同型号，发出电来电压相同，电机相同串联可得到高电压，并联可获得大电流，采用直流母线技术使电力传输变得简单。

每个发电机舱的电机数为12台，一台风力发电机就可供三相电。

4.微风起动

风叶面积大，有风就能转，转动无摩擦，启动时可只接带离合器二台发电机，逐步二台二台地增加至全部发电机运转。

可在风速1.5米/秒的运转。

5.增速比满足发电需要

外齿轮522齿，发电机齿轮28齿，增速比为18.6。

6.低转数的发电机

选用技术成熟的立式永磁多极性发电机在15转至350转，就可发出380V至690V的电来，20转/分就能满负荷运转。

没必要用1500转/分的发电机。

7.发电时间长

传动只有内齿轮和发电机齿轮，无须维修。

水平轴风力发电机的长年维修时间长达三分之一。

本发明无须润滑系统，冷却系统、转向系统、调浆系统，省去润滑油的消耗，运行成本低，运行时间长，每度电的成本低。

8.造价低

本技术除多台发电机外，风叶是拉挤复合材料的价格在5万元/吨，磁悬浮30万元/吨，塔柱的钢板卷制，1万元/吨，发电机舱也是钢板焊接，1万元/吨，转笼也是钢或铝桁架，钢管，8000元/吨，最贵的是内齿轮和齿轮3万元/吨。

本机的价格是水平轴风力发电机成本的1/4-1/3。

按3000元/千瓦销售其利润已相当可观了。

六、风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机的类别

1.超大型风力发电机

风叶转笼直径80-100米，风叶宽3米，风叶长60米-120米，32个风叶，五个以上发电机舱，可制造十兆瓦、二十兆瓦、甚至是三十兆瓦的风力发电机。

2.五兆瓦的风力发电机

风叶转笼直径60米，风叶宽3米，风叶长40米，16个风叶，四个发电机舱，可制造五兆瓦以上的风力发电机。

3.中型风力发电机

50kw-200kw的风力发电机，风叶转笼20米-30米，下面发电机舱，上面轴承座，风叶宽2米，风叶高25米。

可制造50kw-200kw的风力发电机。

满足石油行业抽油机等用电单位三相电的需求。

4.通讯、雷达站需风力发电机

移动通讯转发站、雷达站的三相电，风叶宽2米，高20米，直径15米一个发电机舱，9台发电机，发电量30kw即可满足移动通讯、雷达站的需求，也可用与小区、别墅使用。

塔柱上部安装接收发射装置。

七.本技术10兆瓦的风力发电机的实施方案

1.用拉挤工艺制成的风叶（下图是拉挤联合机的示意图）

风叶为外凸内凹中空的一头大一头小的流线型、内凹部分有几条纵向挡风筋、外凸部分有类似高尔夫球球面的凹坑，风叶凹面迎风时风叶的凹面和多条纵向筋的共同作用，接受风能能力强；风叶转到逆风面时，风叶的外凸面受风，凸面的流线型表面阻力远小于凹面，风叶凸面用高尔夫球球面的凹坑原理制成的凹坑，至少将凸面阻力降低一半以上。

二面的阻力差是推动风叶转笼旋转的动力。

1+1＞1-0.5。

风叶宽3米、长60米，一个风叶的受风面积就有180平方米，风叶的上端和下端装有接口件，风叶距旋转中心最远，风力产生的力矩大，风能利用率高。

风叶在距大头1/4处加轴，风力推动风叶自由转角±15°角，减少凸面的阻力。

2.风叶转笼

转笼的外转盘和内转盘由桁架连接，上下为各有8个桁架固定在内转盘上，内转盘直径为7米，外传盘直径为80米，为减轻重量外转盘由4根￠30mm7×39的钢丝绳（重9吨）组成。

转笼上下转盘间有外立柱、内立柱、斜支拉筋、钢丝绳斜拉绳等组成刚性圆柱体。

3.外传盘钢丝绳

外转盘用4根钢丝绳，由固定在8个桁架上的钢丝绳固定板和压板组成外转盘。

钢丝绳距离500㎜拉紧的4根钢丝绳固定高60米、宽3米的风叶，每个风叶距中心都是等距离。

两个桁架的靠外侧可做支杆将4根钢丝绳顶出使钢丝绳成16边型，每个边上安装二个风叶。

4.内转盘

用厚30㎜的钢板制作，外径7米，内径5.4米，在直径￠6米处垂直焊接￠6米的刹车环，刹车环内焊花纹钢板，刹车环的外边焊三角型的直筋0.5米×0.4米，在直径7米焊一圈支筋，6.9米的下面焊有宽100mm，高50mm的磁悬浮安装槽。

内转盘内侧安装在带内齿轮的转盘轴承动圈上。

5.发电机舱

发电机舱外径7.5米，内径（即塔柱）4.0米。

发电机舱的上平板是厚30㎜的钢板。

钢板上有12个发电机轴孔及每个发电机的安装孔。

发电机舱底部加焊一倒圆台型的支承，发电机舱的外侧顶部往下50㎜出焊一30㎜厚的外径￠7米的钢板其下面焊倒园台型的支承。

其上在7.5米处焊接一圈磁悬浮安装槽。

6.磁悬浮

铷铁硼磁悬浮是不用电的磁悬浮，其磁悬浮力为1吨磁悬浮可托起100吨的重物。

用两吨铷铁硼磁悬浮可悬浮200吨，磁悬浮用上下两套，一为保证内齿轮位置、承重、保持转笼运转平稳。

磁悬浮相交面和水平面的夹角向内倾斜7°。

使风叶转笼有一向旋转中心的力，旋转中心由12个齿轮定位，由磁悬浮减力，使旋转中心在旋转时不摆动。

磁悬浮支承由塔柱承担。

7.发电机

任何现有技术的发电机只有一台，本发明有二个以上的发电机舱，每个发电机舱内有12台以上的发电机，这是一个创举。

一个大的风力发电机用的发电机越大越难做，越大越重，发电机舱难以承受。

用多台发电机将大容量发电机变成多台技术成熟的中型发电机，故障率低，运转可靠。

本发明选用永磁多极性发电机，转数15-350rpm即于发出电压380V-690v的电来，而不去选用要1500转/分才正常发电的发电机。

8.齿轮

转盘轴承的内齿轮用高强度钢制，齿部渗碳高频淬火磨齿，发电机齿轮用离心铸造法生产的碳纤维增强的免润滑尼龙齿轮。

9.离合与刹车

每个发电机输入端安装有电磁离合器，微风启动时18台发电机只接二台发电机，逐渐成对增加发电机，至满负荷运转。

刹车用的带ABS的12个汽车轮子。

上下内转盘上装有直径6米的刹车环，汽车轮子与刹车环接触后转动，刹车装置固定在立柱上，每个汽车轮子有一伸缩油缸。

平时油缸收缩，刹车时油缸伸出刹车，油缸连通可调整每个车轮的压力相等。

以免造成刹车环偏离转动中心。

需要刹车时每个车轮里ABS刹车系统使车轮停转，就使风叶转笼逐渐停止不动。

10.多台发电机舱

制造20兆瓦、30兆瓦的风力发电机风叶加宽、风叶加长、直径加大，风叶转笼的重量就太大了。

只靠上下二个发电机舱承重太大，在塔柱设置五个发电机舱，舱内全装同样多台发电机，舱上装转盘轴承。

转盘轴承的固定件拉在桁架上，起支承转盘轴承旋转、拉风叶转笼重量的作用。

可装20兆瓦、30兆瓦的风力发电机。

11.吊笼与避雷针

塔柱内装有起重吊笼，塔柱在发电机舱有进舱门，以便安装发电机与检修。

塔柱的顶端装有避雷针、闪光灯。

八．十兆瓦的风叶转笼驱动多台发电机的风力发电的制造

1.塔柱与发电机舱

塔柱由25mm的钢板卷板焊接，发电机舱也由钢板焊接。

发电机舱段高3.4m，上下各有法兰盘方便运输。

立柱￠2.8m，每段长16.6米，由风力发电机塔柱生产制造。

2.永磁多极性发电机及电磁离合器

由中科三环高科技公司或山东电机生产的300kw的永磁多极性发电机，并由生产厂配装电磁离合器，购入安装即可。

3.风叶

由有600吨拉力的拉挤设备的锦州风电设备有限公司制造，材料用玻璃纤维无捻粗纱、玄武岩纤维无捻粗纱及其无纺布、机织布，加热固性树脂在拉挤机上制成。

4.外转盘用钢丝绳

国产钢丝绳从钢丝绳厂采购。

5.桁架与支撑件

由风电整机厂自制或桁架生产厂定制。

6.带内齿轮的转盘轴承

由洛阳轴承厂加工制造。

7.刹车装置

采购带ABS系统的轿车车轮由北京液压研究所制造刹车系统及自控系统。

8.磁悬浮

由中科三环高科技有限公司制造的铷铁硼磁悬浮，尺寸为100mm×50mm×50mm。

9.标准件

市场采购。

九．带双聚风罩的大型垂直轴风力发电机

外立六个Φ800的立柱，每个立柱上有三个双排大号链轮，链轮上的链条固定聚风罩。

左聚风罩将逆风侧风引向顺风侧，右聚风罩将顺风侧外的风引向顺风侧，两个聚风罩能使风速提高2.7倍，按1倍计算：

N=0.5ρSV3风能与速度的立方成正比，即可提高八倍的风能。

外立柱支承链轮，可随风调整角度，外立柱中心可与塔柱相连，保证塔柱的耐倾倒能力。

外立柱顶端做支架，起安装功能，省下安装费足可抵外立柱的投资。

十.十兆瓦的风叶转笼驱动多台发电机的风力发电机技术达世界领先水平

本专利技术产品风叶距旋转中心远，产生的力矩大，风能利用率高。

全部技术、原材料、生产技术由国内工厂和风电整机企业生产，零部件运输费用低，除发电机外无复杂零部件，设备简单，除螺栓松动外无维修，整机重量小于2兆瓦水平轴风力发电机的重量，生产成本是现有技术的1/4-1/3的风力发电机，实在是中国创造。

领先于世界领先水平。

100台本技术风力发电机发电能力相当一个核电机组，本技术风力可用于海洋风场、陆地风场。

该技术产品风电行业发达的外国也没有单台功率达10兆瓦的。

我国可大量出口10兆瓦风力发电机技术和整机，把德国、丹麦、西班牙、荷兰、法国、美国、日本等向中国出售风电技术国家从中国挣走的美元挣回来。