垂直轴风机对转自保护装置及海上垂直轴风力发电系统

技术领域

本申请属于风力发电技术领域，进一步地涉及垂直轴风机发电技术，具体地提供一种垂直轴风机对转自保护装置及使用上述装置的海上垂直轴风力发电系统。

背景技术

风力发电技术作为新能源技术的重要组成部分，具有发电过程持续不间断、受环境限制少等优点，特别是其安装不受陆地或海洋等条件的限制，可以实现海面持续发电。近年来，随着浅海开发日趋饱和，海上风电开始走向远洋深海，深海漂浮式风机发电系统受到了学术界和工业界越来越多的关注。

风力发电系统按风机旋转轴在空间的布置方向，可分为水平轴风机和垂直轴风机两大类。与水平轴风机相比，垂直轴风机的风轮旋转轴线与水平面垂直，并且重心较低，其性能更符合海上风机的大型化发展趋势。

深海漂浮式垂直轴风机发电系统在发电过程中面临的一个重要问题就是当风速较大时，由于自身质量较大，在高转速时一方面将对海上浮台施加较大的转矩，从而增大锚泊系统的张力，使其结构强度和刚度会逐步衰减，进而对对风机和平台造成严重的安全隐患、影响风机运营效率等。为解决上述问题，可以通过设置上下两个垂直轴风机，并使两个风机以相反的方向进行旋转，通过形成方向相反的转矩以抵消对浮台和锚泊系统的作用，从而实现系统的稳定运行。

然而，由于远洋海面风场条件复杂多变，当相距海平面不同高度处风力、风向存在较大差异时，两个对转风机的转速可能存在明显不同，从而无法实现浮台的稳定；此外，当海面风速过大时，风机叶片受力过大，也大大增加了叶片折断的风险。因此，迫切需要一种对同轴对转式的深海垂直轴发电系统提供保护的装置，能够在复杂多变的风场条件下实现发电系统的平稳及安全运行。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种垂直轴风机对转自保护装置以及使用该自保护装置的海上垂直轴风力发电系统，能够实现复杂风场条件下浮台及锚泊系统的稳定，从而实现安全稳定的风力发电。

本申请的实施例的第一方面提供一种垂直轴风机对转自保护装置，连接于同轴对转的两个垂直轴风机之间，包括：

沿水平方向同轴且对向设置的两个第一锥齿轮；沿竖直方向同轴且对向设置的两个第二锥齿轮，其中，位置靠下的第二锥齿轮与位于其下方的垂直轴风机同轴地固定连接；转速同步单元，用于在两个垂直轴风机的转速之差大于预设的阈值时使其转速切换为相同；外壳，用于容置转速同步单元、第一锥齿轮以及第二锥齿轮，并使两个第一锥齿轮与两个第二锥齿轮互相啮合地转动。

进一步地，所述转速同步单元包括转速监测模块、转速同步机构及控制模块；所述转速监测模块用于实时监测每个垂直轴风机的转速；所述控制模块在两个垂直轴风机的转速之差大于预设的阈值时控制所述转速同步机构从分离状态向锁定状态切换；当所述转速同步机构处于分离状态时，两个垂直轴风机的转速互相独立，以及当所述转速同步机构处于锁定状态时，两个垂直轴风机的转速保持相同。

进一步地，所述转速同步机构包括自下至上同轴地设置的下同步轴、滑动轴及上同步轴；所述下同步轴与位置靠上的第二锥齿轮同轴地固定连接，所述上同步轴与位于其上方的垂直轴风机同轴地固定连接，所述滑动轴沿轴向相对于所述下同步轴可滑动地连接；当所述滑动轴与所述上同步轴不接触时，所述转速同步机构处于分离状态，以及当所述滑动轴与所述上同步轴接触且两者转速相同时，所述转速同步机构处于锁定状态。

优选地，所述下同步轴的外周面具有径向突出的限位块；所述滑动轴的下部具有与所述限位块配合的滑槽，用于使所述滑动轴沿轴向相对于所述下同步轴上下滑动。

优选地，所述滑动轴的上端沿周向设置有多个弹性可伸缩的限位销；所述下同步轴的下端具有与所述限位销配合的多个限位槽。

优选地，所述滑动轴由磁性材料制成；所述控制模块包括控制芯片、供电部及电磁线圈，所述电磁线圈在供电部供电时产生对所述滑动轴的磁吸力。

优选地，所述限位销的外周面及所述限位槽的内壁具有微起伏结构。

优选地，所述限位销的外周面和/或所述限位槽的内部设置有薄膜压力传感器。

优选地，所述转速同步单元还包括减速模块，用于降低转速较大的垂直轴风机的转速。

本申请实施例的第二方面提供一种海上垂直轴风力发电系统，包括浮台基座、固定支架、两个垂直轴风机及多个发电电机，其中两个垂直轴风机同轴地自下向上设置且旋转方向相反，位置靠下的垂直轴风机的转轴可旋转地容置于所述浮台基座中，所述浮台基座漂浮于海面并通过锚链进行限位；

上下两个垂直轴风机之间连接有上述垂直轴风机对转自保护装置，用于在两个垂直轴风机的转速之差大于预设的阈值时使其转速切换为相同；所述固定支架与所述浮台基座及所述垂直轴风机对转自保护装置的外壳固定连接；所述发电电机在所述第一锥齿轮的驱动下进行发电。

本申请的实施例提供的垂直轴风机对转自保护装置，通过互相啮合的锥齿轮传动系统及转速同步单元实现了上下两个对转的垂直轴风机转速的同步，其中，锥齿轮传动系统将下方的垂直轴风机的旋转进行方向变换后，通过能够在分离状态与锁定状态中进行切换的转速同步单元，实现了对两个对向旋转的垂直轴风机转速的调控，从而保证了在两个垂直轴风机的转速差较大的情况下及时对转速进行锁定，使两者的转矩互相抵消，从而消除了对浮台基座稳定性的影响，有效地提升了海上风力发电系统的安全性与平稳性。

附图说明

图1为一种现有的同轴对转式海上垂直轴风力发电机组的侧视图；

图2a为根据本申请实施例的海上垂直轴风力发电系统的结构示意图；

图2b为根据本申请实施例的海上垂直轴风力发电系统的顶视图；

图3为根据本申请实施例的垂直轴风机对转自保护装置的爆炸图；

图4为根据本申请实施例的垂直轴风机对转自保护装置的内部结构侧视图；

图5为根据本申请实施例的下同步轴的示意图；

图6a为根据本申请实施例的滑动轴的限位槽处于弹出状态的示意图；

图6b为根据本申请实施例的滑动轴的顶视图；

图6c为根据本申请实施例的滑动轴的底视图；

图6d为图6a的剖视图；

图7a为根据本申请实施例的滑动轴的限位槽处于压缩状态的示意图；

图7b为图7a的剖视图；

图8a为根据本申请实施例的上同步轴的底视图；

图8b为根据本申请实施例的上同步轴的C-C向剖视图；

图9a为根据本申请实施例的转速同步机构处于分离状态的示意图；

图9b为根据本申请实施例的转速同步机构处于错位状态的示意图；

图9c为根据本申请实施例的转速同步机构处于锁定状态的示意图。

图中标号

1：浮台基座，1’：浮台基座，11：浮台支架，12：基座，13：浮台，14：锚链，2：固定支架，21：竖直固定杆，22：水平固定杆，31：垂直轴风机，31’：垂直轴风机，311：转轴，312：叶片，313：连接臂，32：垂直轴风机，32’：垂直轴风机，321：转轴，322：风机，323：连接臂，4：垂直轴风机对转自保护装置，4’：垂直轴风机对转自保护装置，41：第一锥齿轮，41’：第一锥齿轮，411：联轴器，42：第二锥齿轮，42’：第二锥齿轮，43：转速同步机构，431：下同步轴，4311：限位块，432：滑动轴，4321：凹槽，4322：滑槽，4323：限位销，4324：弹簧，433：上同步轴，4331：限位槽，44：转速监测模块，441：感应探头，451：供电模块，452：电磁线圈，461：外壳下部，462：外壳上部，471：下传动轴，472：上传动轴，5：发电机，5’：盘式发电机，61：轴承、62：轴承，63：轴承。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。

在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。

本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。

图1示出了一种现有的同轴对转式的海上垂直轴风力发电机组的侧视图，如图1所示，该风力发电机组包括浮台基座1’、两个垂直轴风机31’、32’以及盘式发电机5’，其中两个垂直轴风机31’、32’上下同轴地设置，并相对于浮台基座1’以不同的旋转方向进行旋转，盘式发电机5’的定子部及转子部分别与两个垂直轴风机31’、32’对向的转轴固定连接，在两个转轴的带动下对转，从而实现发电。

图1所示的同轴对转式的海上垂直轴风力发电机组通过多条锚链形成的锚泊系统进行限位，即可应用于深海/远洋的海上风力发电。然而，上述海上发电机组在实际发电过程中仍存在运行及安全缺陷，主要原因在于深海/远洋的海上发电机组的固定方式与陆基或浅海发电机组明显不同，其只能通过柔性锚链构成的锚泊系统对浮台基座1’进行限位，除海面波浪引起浮台基座1’的起伏外，垂直轴风机31’、32’的轴向旋转还将额外对浮台基座1’产生反向转矩，并进而对锚泊系统施加作用力。虽然两个垂直轴风机31’、32’的对转能够在一定程度上实现转矩的互相抵消，但是由于在远洋/深海区域海面风场复杂多变，当风速、风力等随高度变化剧烈时，上下两个垂直轴风机31’、32’的转速可能存在较大差异，从而使得转矩抵消效果不佳，从而使得锚泊系统受到较大张力，并影响浮台基座1’的稳定性。

为此，本申请通过实施例提供一种垂直轴风机对转自保护装置及使用该装置的海上垂直轴风力发电系统，以实现深海/远洋的安全稳定海上发电。

图2a示出了根据本申请的一些实施例提供的海上垂直轴风力发电系统的结构示意图，图2b为该风力发电系统的顶视图。图3为图2a中垂直轴风机对转自保护装置的爆炸图。

如图2、图3所示，该发电系统包括浮台基座1、固定支架2，两个垂直轴风机31、32以及多个发电电机5。此外，该发电系统还包括垂直轴风机对转自保护装置4，其中，垂直轴风机31、32自下向上地通过垂直轴风机对转自保护装置4同轴地可旋转连接。

具体地，在图2所示的实施例中，浮台基座1包括Y型的浮台支架11及固定于浮台支架11上端的基座12，浮台支架11的三个支撑脚分别连接三个浮台13，利用浮台13的浮力漂浮于海面上，每个浮台13的下方与锚链14的顶端连接，锚链14的底端连接的锚爪(图中未示出)扎入海底，以对整个浮台基座1进行限位。

如图2所示，靠下的垂直轴风机31的转轴311可旋转地容置于基座12中，具体地，在一些实施例中，基座12内部开有轴孔，根据垂直轴风机31的转轴311的外径及上述轴孔的内径选择合适的轴承61，通过过盈配合的方式使得转轴311牢固地安装于基座12内，并能够顺畅地绕其轴心进行旋转。

如图2所示，垂直轴风机31的转轴311通过连接臂313周向等间隔地连接三组风叶312，垂直轴风机32的转轴321通过连接臂323周向等间隔地连接三组风叶322，风叶312和风叶322的朝向相反，当海面存在风场时，风叶312、322分别带动垂直轴风机31、32绕各自的转轴311、321进行方向相反的转动。上述通过设置风叶的不同朝向以实现垂直轴风机的对转的实施方式已为本领域技术人员所知晓，在此不再赘述。此外，图2仅示意性地示出了垂直轴风机31、32的构成与实现方式，在具体的实施过程中，本领域技术人员可以根据设计指标灵活地选择每个垂直轴风机的轴向长度、风叶形状、风叶组数等规格参数。

进一步地，在本申请的实施例中，如图2所示，垂直轴风机31与垂直轴风机32之间通过垂直轴风机对转自保护装置4进行连接，固定支架分别通过竖直固定杆21、水平固定杆22与浮台基座1和垂直轴风机对转自保护装置4的外壳固定连接，该垂直轴风机对转自保护装置4用于在两个垂直轴风机31、32的转速之差大于预设的阈值时使其转速切换为相同。

以下结合附图及具体实施例详细说明垂直轴风机对转自保护装置的结构及工作方式。

如前所述，图3示出了本申请的一些优选的实施例所提供的垂直轴风机对转自保护装置4的爆炸图，图4示出了该垂直轴风机对转自保护装置4的内部结构的侧视图，为更清楚地进行显示，在图3、图4中，该垂直轴风机对转自保护装置4的外壳均进行了剖切。

如图2至4所示，在本申请的实施例中，该垂直轴风机对转自保护装置4连接于同轴对转的两个垂直轴风机31、32之间，包括两个第一锥齿轮41和41’，两个第二锥齿轮42和42’、转速同步单元以及外壳。

具体地，如图2至图4所示，外壳包括可拆分的外壳下部461和外壳上部462，其内部设置有容置各个锥齿轮及转速同步单元的承载结构，外壳下部461的下端与外壳上部462的上端分别开有用于连接转轴311、321的通孔。在完成内部各个部件的装配后，外壳下部461与外壳上部462可以通过扣合、插接或法兰盘连接等方式固定连接在一起，从而形成完整的外壳。

进一步地，如图3、图4所示，两个第一锥齿轮41、41’沿水平方向同轴地对向设置，并分别通过联轴器411与发电机5连接；两个第二锥齿轮42、42’沿竖直方向同轴地对向设置。根据上述第一锥齿轮41、41’以及第二锥齿轮42、42’的转轴轴径选择合适的轴承63、62，将其分别装配于外壳内的承载结构中，从而使其可以相对于外壳互相啮合地转动，形成一套锥齿轮传动系统。显然，两个第一锥齿轮41、41’的转速相同，转动方向相反，两个第二锥齿轮42和42’转速相同，转动方向相反。其中，位置靠下的第二锥齿轮42与位于其下方的垂直轴风机31同轴地固定连接，并通过上述锥齿轮传动系统的传动，使得位置靠上的第二锥齿轮42’的转动方向变为与垂直轴风机32的转动方向相同，并将垂直轴风机31旋转的机械能转换为发电机5输出的电能。此外，在一些优选的实施例中，还可以在第一锥齿轮41、41’与发电机5之间设置增速齿轮箱，从而提高发电机5的输出功率。

转速同步单元设置于上述锥齿轮传动系统与垂直轴风机32之间，用于在垂直轴风机31、32的转速之差大于预设的阈值时使其转速切换为相同。在本申请的一些优选的实施例中，转速同步单元进一步包括转速监测模块44、转速同步机构43及控制模块。其中，转速监测模块44用于实时监测垂直轴风机31、32的转速，控制模块在垂直轴风机31、32的转速之差大于预设的阈值时控制转速同步机构43从分离状态向锁定状态切换。

进一步地，如图3、图4所示，转速同步机构43包括自下至上同轴地设置的下同步轴431、滑动轴432及上同步轴433。下同步轴431与位置靠上的第二锥齿轮42’同轴地固定连接，上同步轴433与位于其上方的垂直轴风机32同轴地固定连接，滑动轴432沿轴向相对于下同步轴431可滑动地连接。当滑动轴432与上同步轴433不接触时，转速同步机构43处于分离状态，此时，两个垂直轴风机31、32的转速互相独立；当滑动轴432与上同步轴433接触且两者转速相同时，转速同步机构43处于锁定状态，此时，两个垂直轴风机31、32的转速保持相同。

图5示出了在一些优选的实施例中，下同步轴431的立体示意图。如图5所示，下同步轴431可以与第二锥齿轮42’的轮轴具有相同的直径，通过焊接、联轴器连接等方式与第二锥齿轮42’同轴地固定连接，其外周面具有径向突出的限位块4311。

图6a至图6d分别示出了在一些优选的实施例中，滑动轴432的立体示意图、顶视图、底视图及B-B向剖视图。如图6a至图6d所示，滑动轴432的下部具有与下同步轴431的柱体以及限位块4311配合的凹槽4321及滑槽4322，使得滑动轴432能够沿轴向相对于下同步轴431上下滑动。

进一步地，如图6d所示，滑动轴432的上端沿周向设置有多个限位销4323，每个限位销4323的下部设置有弹簧4324，使得限位销4323能够相对于滑动轴432的上端弹性地伸缩。

图6a至图6d中，滑动轴432的限位销4323处于弹起状态，当其受到来自上方的下压力时，则呈现如图7a、7b所示的压缩状态。

图8a、图8b分别示出了在一些优选的实施例中，上同步轴433的底视图与C-C向剖视图。如图8a及8b所示，上同步轴433的下端具有与滑动轴432的限位销4323配合的多个限位槽4331。

在本申请的实施例中，上同步轴433与垂直轴风机32的转轴321同轴地固定连接，具体地，可以将上同步轴433的直径设置为与转轴321相同，通过联轴器、法兰盘等直接将上同步轴433与转轴321固定连接。

此外，在一些优选的实施例中，也可以如图3、图4所示，额外设置下传动轴671与上传动轴672，分别通过下传动轴671固定连接转轴311与第二锥齿轮42，以及通过上传动轴672固定连接上同步轴433与转轴321。

在本申请的一些优选的实施例中，滑动轴432由具有感磁特性的金属等材料制成，控制模块包括控制芯片、供电部451及电磁线圈452。具体地，如图3、图4所示，供电部451可以是受控制芯片(图中未示出)控制的电池模组，设置于上传动轴472中；电磁线圈452周向地设置于上同步轴433中，并与供电部451电连接。当供电部451在控制芯片的控制下向电磁线圈452供电时，电磁线圈452产生对滑动轴432的磁吸力，使其沿轴向向上滑动。

在本申请的一些优选的实施例中，如图2所示，在垂直轴风机32的上方可以再连接一个垂直轴风机对转自保护装置4’，并通过其中装配的电机5实现将垂直轴风机32旋转的机械能转换为电机5输出的电能(显然，此处设置的垂直轴风机对转自保护装置4’仅利用其中的锥齿轮传动系统进行风机发电，而无需进行转速监测)。

图9a至图9c示出了在控制模块的控制下，转速同步机构从分离状态转换为锁定状态的过程。如图9a至9c所示，转速监测模块44通过两个感应探头441分别对滑动轴432及上同步轴433的转速进行实时地监测，从而得到垂直轴风机31和垂直轴风机32的转速数据，当两个垂直轴风机31、32的转速之差小于预设的阈值时，两个垂直轴风机31、32对浮台基座1产生的转矩之差较小，浮台基座1较为稳定，此时如图9a所示，控制模块控制供电部451不对电磁线圈452供电，滑动轴432在重力作用下处于与上同步轴433的分离状态；当转速监测模块44监测到两个垂直轴风机31、32的转速之差大于预设的阈值时，两个垂直轴风机31、32对浮台基座1产生的转矩之差将对浮台基座1产生无法忽略的影响，此时控制模块通过供电部451对电磁线圈452供电，使得电磁线圈452对滑动轴432产生磁吸力，当磁吸力大于滑动轴432的重力时，滑动轴432将沿轴向向上滑动，其上端面逐渐接上同步轴433的下端面，在上同步轴433的限位槽4331与滑动轴432的限位销4323未对准时，如图9b所示，限位销4323被向下压至滑动轴432的上端面以内；由于滑动轴432与上同步轴433的转速不同，限位销4323与限位槽4331的相对位置将不断改变，直到两者对齐，此时如图9c所示，限位销4323在弹簧4324的作用下弹入限位槽4331，此时转速同步机构43处于锁定状态，下同步轴431、滑动轴432及上同步轴433的转速保持一致，并进而使两个垂直轴风机31、32的转速实现一致，此时垂直轴风机31、32相对于浮台基座1产生的转矩大小相同、方向相反，因而互相抵消，从而有效地消除了其对浮台基座1造成的影响，提升了发电系统的稳定性与安全性。

需要注意的是，在转速同步机构43处于锁定状态时，由于转速较大的垂直轴风机需要“带动”转速较慢的垂直轴风机，在提高浮台基座1稳定性的同时，必然将牺牲一定的发电功率，因此，在竖直方向风场分布趋于一致时，应尽快使转速同步机构43重新恢复为分离状态，以使两个垂直轴风机31、32各自独立地旋转，以提升系统的发电功率。然而，由于在转速同步机构43处于锁定状态时，滑动轴432与上同步轴433的转速相同，此时无法通过转速监测模块44获取的转速信息判断滑动轴432与上同步轴433是否可以再次分离。

虽然可以通过额外地在不同高度设置风力监测装置以获取风场的分布情况，然而上述设置将大大增加系统成本及控制复杂程度，考虑到在风场不一致条件下处于锁定状态下的两个垂直轴风机，其两个转轴311、321之间必然存在内部的扭力，且该扭力将传递到用于进行锁定的限位销4323与限位槽4331之间，因此，可以利用该扭力的变化情况实现在风场区域一致时将转速同步机构43自适应地从锁定状态实现分离。

在一些优选的实施例中，可以通过喷砂处理或涂布摩擦涂层等方式，在限位销4323的外周面以及限位槽4331的内壁形成微起伏结构，该微起伏结构将使得限位销4323进入限位槽4331时产生竖向的摩擦力，且该摩擦力将随着两个垂直轴风机之间扭力的变化而变化。通过调节微起伏结构的粗糙度等具体参数，就可以调节对应的摩擦系数，使得在两个垂直轴风机之间的扭力大于预设的设计值时，上同步轴433对滑动轴432的摩擦力大于滑动轴432的重力，从而无需由电磁线圈452持续产生磁吸力就能够让转速同步机构43保持在锁定状态，并在上述扭力小于预设的设计值时，利用滑动轴432的重力实现其与上同步轴433的自动脱离。

通过上述实施方式，能够使得该自保护装置在进入锁定状态后，根据垂直轴风机31、32在风场条件下的受力及转矩的变化情况，在合适的条件下自动地解除锁定状态，使两个垂直轴风机在满足安全性的条件下尽快进入独立的旋转发电状态，从而有效地提升了系统的发电效率。

此外，在另一些优选的实施例中，还可以在限位销4323的外周面和/或限位槽4331的内部设置薄膜压力传感器，并利用上述薄膜压力传感器获取精确的扭力值，控制模块根据上述扭力值的情况判断是否停止对电磁线圈452的供电，以实现滑动轴432与上同步轴433的分离。

此外，在一些风场变化较为剧烈的情况下，可能存在两个垂直轴风机的转速差急剧增大的情况，并使限位销4323难以进入限位槽4331，因此，在一些优选的实施例中，所述转速同步单元还包括减速模块，减速模块可以是围绕于转轴311、321外部的刹车片，根据转速监测模块44获取的转速信息对转速较大的垂直轴风机进行刹车操作，以降低其转速，从而使限位销4323更易于进入限位槽4331。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。