專利名稱：高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其涉及一種應(yīng)用了高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的 直驅(qū)式的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)，全球可再生能源不斷發(fā)展，風(fēng)電作為一種高效清潔的能源 正受到越來(lái)越多國(guó)家的高度重視。目前，風(fēng)電正在以超出預(yù)期的、每年兩位 數(shù)的速度飛速增長(zhǎng)。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟的今天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī) 容量也正不斷向大型化發(fā)展。2002年前后，國(guó)際風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)上的主流機(jī)型 已經(jīng)達(dá)到1.5MW以上。但從技術(shù)上看，MW級(jí)常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還存在以下 矛盾
1、 葉輪超低轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速之間的矛盾
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速通常在30rpm以下。這種極低的轉(zhuǎn)速與發(fā) 電機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速相距甚遠(yuǎn)，而直接連軸的驅(qū)動(dòng)方式，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的體積、 重量和成本大幅增加。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的匹配，增加枳械變速裝置(齒輪增速箱) 是必需的，但同時(shí)也引入了一些不利因素，如齒輪增速箱的重量?jī)H次于塔架 而大于葉輪，是重達(dá)50-100噸的部件，運(yùn)輸和安裝起重的難度都很大。多級(jí) 齒輪增速箱的插入還會(huì)引起損耗的增加和機(jī)組整體效率的降低(約5°/。> ，造 成配套資源的浪費(fèi)。齒輪增速箱的成本約占風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總成本的13%,同 時(shí)，齒輪增速箱的故障占大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體故障的20-30%以上。
2、 效率問(wèn)題
螺槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的理論風(fēng)能利用系數(shù)為0.59，現(xiàn)有的大型風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的整機(jī)效率約為40%左右，有的甚至還在30%以下。在常規(guī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多級(jí)行星齒輪增速箱的插入，不但使機(jī)組的效率和可靠性降低，而且 增大了成本投入，同時(shí)機(jī)組變得異常的龐大笨重。并且，對(duì)常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于輕載或較低轉(zhuǎn)速時(shí)，其效率較低，實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在 絕大部分時(shí)間都運(yùn)行在這種情況下。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的體積、重量 和簡(jiǎn)化機(jī)組的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，提供了一種高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，以直接驅(qū)動(dòng)方 式進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，從而簡(jiǎn)化了機(jī)組結(jié)構(gòu)、減小了機(jī)組的體積和重量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，包括 風(fēng)輪，該風(fēng)輪的輪轂具有風(fēng)輪軸；
高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)，具有動(dòng)力軸，該動(dòng)力軸與所述風(fēng)輪的輪穀的風(fēng)輪 軸直接連接；和
常規(guī)的偏航系統(tǒng)。
進(jìn)一步地，該高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)具有高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的轉(zhuǎn)子，以及 常規(guī)的定子和電樞繞組。
進(jìn)一步地，所述高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子包括r 十字形的轉(zhuǎn)子鐵芯；
隔熱套筒，被所述轉(zhuǎn)子鐵心所支撐；
繞組支架，包覆在所述隔熱套筒的外表面;
勵(lì)磁繞組，被所述繞組支架所支撐；和
絕熱屏蔽層，包覆在所述勵(lì)v^繞組的外風(fēng)。
進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)子鐵芯是由鐵磁性材料制成的轉(zhuǎn)子鐵芯。 進(jìn)一步地，所述繞組支架是由非鐵磁性材料制成的繞組支架。 進(jìn)一步地，所述勵(lì)磁繞組為Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成的勵(lì)磁繞組。 進(jìn)一步地，所述繞組支架具有延圓周均勻分布的外齒，用以支撐所述^力磁繞組。
進(jìn)一步地，所述勵(lì)磁繞組的數(shù)量為所述繞組支架的外齒的數(shù)量的一半。
進(jìn)一步地，所述隔熱套筒與所述絕熱屏蔽層之間的空間抽成真空狀 態(tài)，用以降低熱損耗。
進(jìn)一步地，所述繞組支架的內(nèi)部設(shè)置有陣列分布的貫通的冷卻介質(zhì)的 通道，用于冷卻介質(zhì)以接觸傳導(dǎo)的方式冷卻所述繞組支架及勵(lì)磁繞組。
進(jìn)一步地，所述高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)附設(shè)有外置的制冷源，用于制造 高溫超導(dǎo)材料正常工作所需的深冷環(huán)境。
因此，本發(fā)明提出的一種直驅(qū)式高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠大幅P爭(zhēng)低 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重量，提高機(jī)組的發(fā)電效率，降低故障率。


圖1為本發(fā)明直驅(qū)式的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的示意圖。
圖2為本發(fā)明高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的橫截面示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 如圖l所示，圖l顯示了本發(fā)明直驅(qū)式的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的示意 圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包"^風(fēng)輪1，高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)2和常規(guī)的偏航系統(tǒng)(圖 中未示出)。在風(fēng)機(jī)搶5的內(nèi)部，連接風(fēng)輪1的輪轂的風(fēng)輪軸3與高溫超導(dǎo) 同步發(fā)電機(jī)2的動(dòng)力軸直接連接。并且，高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)2還附帶有外 置的制冷源4，用于制造超導(dǎo)材料正常工作所需的深冷環(huán)境。在圖1中并沒(méi)有 顯示風(fēng)機(jī)搶內(nèi)的現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)。本k明提出的直驅(qū)式的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組與常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在以下方面存在差別使用高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)替代機(jī) 組中的常規(guī)發(fā)電機(jī)；采用直驅(qū)式設(shè)計(jì)，葉輪軸與發(fā)電機(jī)軸直接相連，省掉齒 輪增速箱部分;本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體正常工作所需的深冷環(huán)境，因此發(fā)電機(jī)組配置專門的低溫冷卻系統(tǒng)即外置的制冷
源4，以便使高溫超導(dǎo)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。該冷卻系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的冷卻系 統(tǒng)相互隔離，保證了高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)2的轉(zhuǎn)子上的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的正常 工作。
本發(fā)明高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)同現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)一樣，具有固定的定子和在定子 內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的如圖2所示的轉(zhuǎn)子。本發(fā)明轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組采用高溫超導(dǎo)材料制 成，其定子部分及電樞繞組與常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)基本相同。同時(shí)，綜合比較 超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的各種布置方式，超導(dǎo)勵(lì)磁繞組在內(nèi)旋轉(zhuǎn)，電樞繞組在外靜止 的布置方式最適合制造大裝機(jī)容量的發(fā)電機(jī)，因此本發(fā)明采用此種結(jié)構(gòu)的高 溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)來(lái)取代機(jī)組中的常規(guī)發(fā)電機(jī)。基于高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的高栽流能力， 超導(dǎo)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)比常規(guī)發(fā)電機(jī)高出2-3倍，因此在相同裝機(jī)容量的情 況下，高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的體積和重量只有不到常規(guī)發(fā)電機(jī)的1/3。此外，本發(fā) 明涉及的高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)采用多極結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的極數(shù)來(lái)達(dá) 到降低義電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的目的，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的直驅(qū)式結(jié)構(gòu)。
如圖2示出了本發(fā)明高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的橫截面示意圖。整個(gè) 轉(zhuǎn)子橫截面呈同心分層結(jié)構(gòu)，十字形的轉(zhuǎn)子鐵芯6位于正中心，轉(zhuǎn)子鐵芯6 為整個(gè)轉(zhuǎn)子的支撐構(gòu)件，十字的四個(gè)短臂支撐著絕熱材料制成的隔熱套筒7。 繞組支架8，包覆在隔熱套筒7的外表面；繞組支架8采用非鐵磁性材料優(yōu) 選地采用鋁合金材料制成的，這是因?yàn)殇X合金在低溫下仍然能夠保持一定的 韌性。接著參見(jiàn)圖2，在繞組支架8的外層是高溫超導(dǎo)的勵(lì)磁繞組10,繞組 支架8被用來(lái)支撐勵(lì)磁繞組10;以及在轉(zhuǎn)子的最外層是絕熱屏蔽層11，包 覆在勵(lì)磁繞組10的外圍，該絕熱屏蔽層ll起到隔熱和密封的作用。
由于現(xiàn)有技術(shù)制備的高溫超導(dǎo)材料，如Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線在直流 條件下的電阻基本為零，幾乎沒(méi)有損耗，但在交流磁場(chǎng)下?lián)p耗嚴(yán)重，因此 本發(fā)明使用高溫超導(dǎo)導(dǎo)線來(lái)制備超導(dǎo)交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組 部分，這保證了高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的高栽流能力(其栽流能力比同等截面積的銅導(dǎo)線高100倍以上)。即，勵(lì)磁繞組IO優(yōu)選地為Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線繞 制而成，之后經(jīng)環(huán)氧樹脂浸漬形成特定的形狀和尺寸，以配合繞組支架8進(jìn) 行裝配。并且，轉(zhuǎn)子鐵芯6優(yōu)選地由鐵磁性材料制成。在低功率密度的超導(dǎo) 發(fā)電機(jī)中，可用鐵磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯來(lái)減少磁動(dòng)勢(shì)，從而節(jié)省所用的高溫超導(dǎo) 導(dǎo)線。
繼續(xù)參見(jiàn)圖2，在轉(zhuǎn)子上的繞組支架8上具有延圓周均勻分布的外齒12, 用以支撐勵(lì)磁繞組10。勵(lì)磁繞組10的數(shù)量為繞組支架8的外齒12的數(shù)量的 一半，取決于所設(shè)計(jì)的超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，同時(shí)也決定了該超導(dǎo)同步發(fā) 電才幾的額定轉(zhuǎn)速。
繼續(xù)參見(jiàn)圖2,繞組支架8的內(nèi)部設(shè)置有陣列^^布的貫通的冷卻^/h質(zhì)的通 道9，與外置的制冷源4相通，用于冷卻介質(zhì)以接觸傳導(dǎo)的方式冷卻繞組支架 8及勵(lì)磁繞組10。冷卻介質(zhì)由外置的制冷源4泵入通道9，將繞組支架8中的 熱量不斷帶走，起到制冷的作用。本發(fā)明制冷源4采用分置式制冷枳對(duì)超導(dǎo) 體部分進(jìn)行循環(huán)冷卻。由于所使用的超導(dǎo)體為Bi-2223高溫超導(dǎo)材料，冷卻介 質(zhì)選定為液氮。繞組支架8依靠接觸傳導(dǎo)對(duì)勵(lì)磁繞組IO進(jìn)行冷卻，從而使勵(lì) 磁繞組IO的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。在使用過(guò)程中，將隔熱套筒7與絕熱 屏蔽層11之間的部^^抽成真空狀態(tài)，以減少輻射散熱，節(jié)省制冷功耗。在這 種條件下，轉(zhuǎn)子鐵芯6為常溫，繞組支架8及厲力磁繞組IO為低溫。
因此，通過(guò)以上設(shè)計(jì)完全能夠達(dá)到減輕風(fēng)力發(fā)電4幾組的體積、重量和簡(jiǎn) 化才幾組的結(jié)構(gòu)(采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu))的目的。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，
權(quán)利要求1、一種高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于包括風(fēng)輪，該風(fēng)輪的輪轂具有風(fēng)輪軸；高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)，具有動(dòng)力軸，該動(dòng)力軸與所述風(fēng)輪的輪轂的風(fēng)輪軸直接連接；和常規(guī)的偏航系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述高 溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)具有高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的轉(zhuǎn)子，以及常規(guī)的定子和電樞繞 組。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述轉(zhuǎn) 子包括十字形的轉(zhuǎn)子鐵芯；隔熱套筒，所述轉(zhuǎn)子鐵芯支撐該隔熱套筒； 繞組支架，包覆在所述隔熱套筒的外表面； 勵(lì)磁繞組，由所述繞組支架支撐該勵(lì)磁繞組；和 絕熱屏蔽層，包覆在所述勵(lì)磁繞組的外圍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述轉(zhuǎn) 子鐵芯的材質(zhì)是鐵磁性材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述繞 組支架的材質(zhì)是非4失磁性材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述勵(lì) 磁繞組為Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成的勵(lì)磁繞組。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述繞 組支架具有延圓周均勻分布的外齒，用于支撐所述勵(lì)>#繞組。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述勵(lì) 磁繞組的數(shù)量為所述繞組支架的外齒的數(shù)量的一半。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2-8任一所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于所 述隔熱套筒與所述絕熱屏蔽層之間的空間抽成真空狀態(tài)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2-8任一所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于 所述繞組支架的內(nèi)部設(shè)置有陣列分布的貫通的冷卻介質(zhì)的通道，用于冷卻 介質(zhì)以接觸傳導(dǎo)的方式冷卻所述繞組支架及勵(lì)磁繞組。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l-8任一所述的高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征在于 所述高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)還設(shè)有外置的制冷源，用于制造高溫超導(dǎo)材料正 常工作所需的深冷環(huán)境。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，包括風(fēng)輪、高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)，所述高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)力軸與所述風(fēng)輪的輪轂的風(fēng)輪軸不經(jīng)過(guò)變速系統(tǒng)而直接連接。因此，本實(shí)用新型提出一種直驅(qū)式高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠大幅降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重量，提高機(jī)組的發(fā)電效率，降低故障率。
文檔編號(hào)F03D9/00GK201351581SQ20092010532
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者凱 涂, 輝 牛, 王延軍, 旺 米 申請(qǐng)人:北京美爾斯通科技發(fā)展股份有限公司