风力发电机组的制作方法

1.本实用新型属于风力发电机领域，更具体地涉及一种风力发电机组。


背景技术：

2.当前，陆地风力发电和海上风力发电均已进入平价时代，随着市场的需求，陆地机组和海上机组的容量和功率越来越大，对此，目前的方案是将叶片、发电机和机舱的尺寸同步放大。
3.然而，上述零部件的尺寸增大导致体积和重量过大，成本快速上升，并且尤其是对于陆地机组，由于陆地运输的限制，往往导致大尺寸机组无法运输，或者为满足陆地运输需求，需要对道路、收费站或者隧道和桥梁进行改造，大幅度增加了运输成本；另一方面零部件尺寸的持续放大，也导致零部件的设计难度和加工难度快速上升，导致风电机组的综合成本快速上升，开发难度增加。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种风力发电机组，降低机组的成本和开发难度。
5.根据本实用新型的第一方面，本实用新型提供了一种风力发电机组，所述风力发电机组包括塔筒以及沿着所述塔筒的竖直方向设置在所述塔筒的不同高度处的至少两个机头组件。
6.可选地，所述至少两个机头组件的叶片在所述塔筒的竖直方向上相互错开和/或在水平方向上错开和/或者在圆周方向上相互错开，从而避免叶片在旋转过程中相互干涉。
7.可选地，所述至少两个机头组件中的两个机头组件的叶片在所述塔筒的竖直方向上彼此交叠并且相位角不同，所述风力发电机组包括控制器，用于控制所述两个机头组件的叶片的相对相位。
8.可选地，所述至少两个机头组件围绕所述塔筒的周向方向布置在所述塔筒的相同周向角度处，所述至少两个机头组件的叶片相对于所述塔筒沿水平方向向外伸出不同的距离，从而相邻两个机头组件的叶片在水平方向上相互错开。
9.可选地，所述风力发电机组还包括设置在每个机头组件与所述塔筒之间的偏航系统。
10.可选地，所述机头组件的机舱具有上下连通的通孔，所述塔筒穿过所述通孔设置，所述偏航系统包括偏航轴承，所述偏航轴承的轴承内圈与轴承外圈两者之一套设在所述塔筒外周，所述偏航轴承的轴承外圈与轴承内圈两者中的另一个固定在所述机舱的通孔中。
11.可选地，所述塔筒分为多个塔段，所述至少两个机头组件分别设置在不同的塔段上，所述风力发电机组还包括设置在相邻两个塔段之间的偏航系统。
12.可选地，所述塔筒包括上塔段和下塔段，所述风力发电机组还包括偏航系统，所述偏航系统设置在所述上塔段和所述下塔段之间，所述至少两个机头组件设置在所述上塔段上。
13.可选地，所述至少两个机头组件围绕所述塔筒的周向方向布置在所述塔筒的相同周向角度处并且所述至少两个机头组件的叶片在所述塔筒的竖直方向上相互错开和/或在水平方向上错开；或者所述至少两个机头组件围绕所述塔筒的周向方向以相差180
°
的周向角度布置。
14.可选地，所述风力发电机组还包括基础和偏航系统，所述塔筒设置在所述基础上，所述偏航系统设置在所述塔筒和所述基础之间。
15.可选地，在所述至少两个机头组件中分别设置有变压器和变流器。
16.根据本实用新型实施例提供的风力发电机组，尺寸小，成本低，开发难度小，实现冗余配置，可靠性高。
附图说明
17.图1和图2分别是现有技术的风力发电机组的侧视图和正视图；
18.图3和图4分别是根据本实用新型的风力发电机组的第一实施例的侧视图和正视图；
19.图5和图6分别是图3的偏航系统的放大截面视图和侧视图；
20.图7和图8分别是根据本实用新型的风力发电机组的第二实施例的侧视图和正视图。
21.附图标号说明：
22.11-塔筒，12-机头组件，13-基础，30-偏航电机，31-支撑座，32-驱动齿轮，33-安装座，34-齿圈。
具体实施方式
23.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
24.图1和图2分别是现有技术的风力发电机组的侧视图和正视图。总体上，风力发电机组包括塔筒11和安装在塔筒11顶部的机头组件12，机头组件(或简称为机组)12包括叶片、机舱、发电机以及轮毂等部件。其中，塔筒11的高度为h，机头组件12包括3个叶片，叶片的扫风面积(或称为扫风区域)示出为直径为d的圆形区域，图中的风力发电机组仅包括一个机头组件12。
25.本实用新型的风力发电机组包括沿着塔筒11的竖直方向设置在塔筒11的不同高度处的至少两个机头组件12，例如两个、三个、四个乃至更多个机头组件12，机头组件12可以是双馈机组、半直驱机组、直驱机组或适用于本领域的任何其他机组形式，而且叶片可以是单叶片、双叶片、三叶片和更多个叶片。
26.塔筒11为柱形形状或桁架结构，其周向方向包括360
°
的周向角度，这些机头组件12围绕塔筒11的周向方向布置在塔筒11的不同周向角度处，从而最大化地利用塔筒11的空间，布置更多的机头组件12。
27.考虑到在单个塔筒上布置多个机头组件12，这些机头组件12各自的叶片之间应该
彼此间隔开以避免不同机头组件的叶片发生干涉，既包括在安装时合理布置机头组件的位置，使得这些叶片彼此之间不接触，也包括在这些机头组件发电运行时，叶片在旋转时彼此独立、不干涉、不碰撞。例如，所述至少两个机头组件12的叶片在塔筒11的竖直方向上相互错开和/或在水平方向上错开和/或者在圆周方向上相互错开，从而避免叶片在旋转过程中相互干涉。
28.作为示例，将不同的机头组件12围绕塔筒11的周向方向布置在塔筒11的不同周向角度处，使得不同的机头组件12在周向上间隔开，从而避免了叶片之间的干涉；在这种布置方式下，存在一个优选位置，即这些机头组件中(或者在布置仅两个机头组件12时)的两个机头组件12围绕塔筒11的周向方向以相差180
°
的周向角度布置，也就是说，这两个机头组件12以位置彼此相对的方式布置在塔筒11的两侧，这两个机头组件12在周向方向上的位置相对于塔筒11对称，使得二者的叶片最大程度地间隔开。
29.另外，多个机头组件中(或者在布置仅两个机头组件12时)的两个机头组件12也可以围绕塔筒11的周向方向布置在塔筒11的相同周向角度处，即这两个机头组件12位于塔筒的同一侧、沿着塔筒的竖直方向上下对齐、或者说一个机头组件12位于另一个机头组件12正下方。在这种布置方式下，为了避免这两个机头组件12的叶片发生干涉，这两个机头组件12以及其叶片可以相对于塔筒11沿水平方向向外伸出不同的距离，从而这两个机头组件的叶片在水平方向上相互错开，如此布置，可以直接并完全避免叶片之间的干涉。
30.此外，这两个机头组件12以及其叶片也可以相对于塔筒11沿水平方向向外伸出相同的距离，即这两个机头组件的叶片在水平方向上对齐，为了避免叶片之间的干涉，这两个机头组件之间在竖直方向上的距离可以足够大，使得叶片在塔筒11的竖直方向上完全错开，例如该距离设置为使得这两个机头组件的叶片的扫风区域彼此间隔开而不重叠，如此布置，也可以直接并完全避免叶片之间的干涉；另外，这两个机头组件的叶片也可以在塔筒11的竖直方向上彼此交叠，即，这两个机头组件的叶片的扫风区域彼此可以重叠，但是这些叶片的相位角不同从而彼此间隔开而不接触，为了避免这两个机头组件的两组叶片在旋转时(例如机头组件运行发电时)彼此碰撞，可以提供控制器对这两组叶片的相位角进行控制，使得这两组叶片在旋转时处于不同的相位角。例如，控制器可以根据来风的风向、风速、叶片的长度、两组叶片之间的距离、叶片的转速等控制这两组叶片的相对相位，实现这两组叶片同时旋转但不会发生碰撞干涉，其中叶片数量越少，相位控制难度越小，例如，相对于三叶片的机头组件，两叶片的机头组件和单叶片的机头组件的相位控制难度相对更小。
31.上文分开描述了通过将机头组件布置在塔筒11的不同周向角度处(包括相差180
°
的周向角度)、使机头组件的叶片在水平方向上相互错开、使机头组件的叶片在竖直方向上相互错开、控制叶片的相对相位来避免不同机头组件的叶片发生干涉，这些布置方式可以组合使用，例如可以将机头组件布置在塔筒11的不同周向角度处并且使机头组件的叶片在竖直方向上相互错开、使机头组件的叶片在水平方向上和竖直方向上均相互错开，并且不同数量的机头组件可以通过不同的组合布置方式布置在塔筒上，只要机头组件的叶片不发生干涉的布置方案均落入本实用新型的范围内。
32.对于上述布置的多个机头组件，考虑到机头组件在运行发电时需要对风，因此在来风时，优选地是使得这些机头组件的对风方向一致，即这些机头组件都能利用此次来风运行发电。在这种情况下，这些机头组件在塔筒圆周方向上的周向角度相同或者相差180
度，如果周向角度相同，则这些机头组件可以都是上风向风机或下风向风机，如果周向角度相差180度，则这些机头组件分别是上风向风机和下风向风机。
33.以下分别以两个机头组件为例，描述这两种优选的布置方式。图3和图4分别是根据本实用新型的风力发电机组的第一实施例的侧视图和正视图。图中示出了塔筒11安装在基础13上，两个机头组件12以相差180
°
的周向角度布置在塔筒11的不同高度处，其中一个机头组件12安装在塔筒的顶部，第二个机头组件安装在塔筒的中部位置。这两个机头组件12在水平方向上完全间隔开并且叶片也不会干涉，因此二者之间在竖直方向上的距离可以灵活设置，图中示出了二者的叶片的扫风区域(以圆形示出)在竖直方向上重叠，但是不限于此，二者之间的竖直距离可以设置得更大，使得叶片在水平方向和竖直方向上均间隔开。图3中示出了下部机头组件的叶片在水平方向上相对于顶部机头组件的叶片相反布置，即二者的迎风面朝向相反的方向，但不限于此，可以将下部机头组件的叶片安装方向颠倒，进而与顶部机头组件一致，使得二者的迎风面朝向相同的方向。
34.图3和图4中示出了两个机头组件12，但这仅是示例，不限于此，可以设置更多数量的机头组件。例如可以设置3个机头组件，第三个机头组件可以设置在顶部机头组件的正下方、下部机头组件的正下方或正上方，在这三个机头组件中，其中两个机头组件彼此上下对齐，第三个机头组件则以相差180
°
的周向角度布置。上下对齐的这两个机头组件可以按照上述的布置方式间隔开，例如相对于塔筒11外伸出不同的距离从而使得叶片在水平方向上间隔开；或者相对于塔筒11外伸出相同的距离，但是在竖直方向上间隔开，使得叶片在塔筒11的竖直方向上完全错开，或者叶片可以交叠而控制叶片的相对相位，这些布置方式都可以使得叶片之间不发生干涉。此外，还可以设置4个或更多个机头组件，并相应地按照上述方式布置，使得叶片之间不发生干涉，在此不再赘述。
35.对于多机头组件，可以为每个机头组件单独设置一套偏航系统，以便于对各个机头组件分别进行对风控制。例如，塔筒11在高度方向上分为多段，所述至少两个机头组件12分别设置在不同的塔段上，在相邻两个塔段之间设置偏航系统以对位于该偏航系统上方的机头组件12进行偏航控制。
36.再或者，作为示例，塔筒11上下一体连接不分段，机头组件12的机舱具有上下连通的通孔，塔筒11穿过该通孔设置，偏航系统包括偏航轴承，偏航轴承的轴承内圈与轴承外圈两者之一套设在所述塔筒11外周，偏航轴承的轴承外圈与轴承内圈两者中的另一个固定在机舱的通孔中，从而实现机头组件12相对于塔筒11的偏航旋转。作为示例，偏航轴承的轴承内圈套设在塔筒11的外周，偏航轴承的轴承外圈固定在机舱的通孔中，从而实现对相应机头组件12的偏航控制。
37.对于图3和图4所示的布置，多个机头组件12可以固定在塔筒11上，不能相对于塔筒11偏航，可以仅设置一套偏航系统来实现多个机头组件12的同时偏航，其中，塔筒11可以分成上下两段，即上塔段和下塔段，多个机头组件布置在上塔段上，而下塔段位于上塔段下侧。偏航系统可以设置在上塔段和下塔段之间，从而使上塔段以及其上的多个机头组件相对于下塔段进行偏航；或者偏航系统也可以设置在塔筒11和基础13之间，即偏航系统设置在基础13上，从而使整个塔筒11相对于基础13进行偏航。图3中示出了偏航系统设置在上塔段和下塔段之间靠近最底部的机头组件下侧的示例，图5和图6分别是图3的偏航系统的放大截面视图和侧视图，其中，机头组件12连接到塔筒11，为了简便起见，省略了机头组件12
的叶片。偏航系统包括偏航电机30、支撑座31、驱动齿轮32、安装座33和齿圈34，偏航电机30通过支撑座31与塔筒11的上塔段连接，偏航电机30包括驱动齿轮32，安装座33与下塔段连接，齿圈34设置在安装座33上，驱动齿轮32与齿圈34啮合，从而在偏航时，偏航电机30带动驱动齿轮32与齿圈34啮合，进而使得上塔段相对于下塔段转动。替代地，该偏航系统也可以设置在基础13上，连接结构与图3相同，在此不再赘述。
38.上述两种偏航系统的设置方式可以分别采用也可以同时采用，相互之间并不冲突。
39.图7和图8分别是根据本实用新型的风力发电机组的第二实施例的侧视图和正视图。图中示出了两个机头组件12以相同的周向角度布置在塔筒11的不同高度处，其中一个机头组件12安装在塔筒的顶部，第二个机头组件安装在塔筒的中部位置。为了避免叶片之间发生干涉，这两个机头组件12可以相对于塔筒11外伸出不同的距离，使得各自的叶片在水平方向上间隔开；或者相对于塔筒11外伸出相同的距离，但是在竖直方向上间隔开，使得叶片在塔筒11的竖直方向上完全错开，图中示出了叶片在竖直方向上交叠，各自的扫风区域存在重叠，在这种情况下，可以如上所述，对这两组叶片的相位角进行控制，在此不再赘述。
40.图7和图8中示出了两个机头组件12，但这仅是示例，不限于此，可以设置更多数量的机头组件。例如可以设置3个机头组件，第三个机头组件可以设置在下部机头组件的正下方或设置在顶部机头组件和下部机头组件之间。这三个机头组件可以按照上述的布置方式间隔开，例如这三个机头组件中竖直方向上彼此相邻的两个机头组件可以相对于塔筒11外伸出不同的距离从而使得叶片在水平方向上彼此间隔开，比如三者的外伸距离均不相同，或者顶部机头组件和底部机头组件的外伸距离相同而中间机头组件的外伸距离不同；或者这三个机头组件均相对于塔筒11外伸出相同的距离，但是在竖直方向上间隔开，使得三者的叶片在塔筒11的竖直方向上完全错开，或者其中两个相邻的机头组件的叶片可以交叠而控制二者的叶片的相对相位而第三个机头组件则在竖直方向上间隔开，或者三个机头组件的叶片彼此之间均可以交叠而控制三者的叶片的相对相位，这些布置方式可以组合使用而使得叶片之间不发生干涉。此外，还可以设置4个或更多个机头组件，并相应地按照上述方式布置，使得叶片之间不发生干涉，在此不再赘述。
41.类似于图3和图4，偏航系统可以设置在底部机头组件处，或者设置在基础13上，其布置方式和连接结构与图3相同，在此不再赘述。
42.在本实用新型的风力发电机组中，变压器和变流器可以直接布置在各个机头组件的机舱内，从而可以减少塔筒内的电缆数量，或者也可以采用常规布置形式，即将变压器和变流器还布置在塔筒内。
43.由于大容量机组的尺寸较大、成本较高，通过在塔筒上布置多个机头组件，可以在相同发电容量的情况下，将大尺寸的机组通过多个小尺寸小容量的机组实现。例如，用两个低成本的成熟1.5mw机组实现一个3mw的机组；或者用两个低成本的成熟3mw机组实现一个6mw机组；或者用两个低成本的成熟4.5mw机组实现一个9mw机组，从而降低成本、实现成本的最优化，例如当前陆地开发6mw以上机组面临运输尺寸限制，机组开发设计难度大，而通过多机头组件组合的方式，可以解决陆地机组大容量的这些问题。
44.因此，对于低成本、小容量的机舱，机舱零部件的尺寸和重量得到控制，可以使用
已经批量化开发和应用的低成本小容量机组，实现机组成本的有效控制。另外，单个塔筒上布置多个机组可以减少塔筒占地，从而促进集约化开发，提高土地利用效率，而且叶片在塔筒高度方向上连续布置甚至交叠，可以降低塔筒的高度，降低机组的整体成本。此外，两个甚至更多个机头组件可以实现冗余配置，如果其中一个机组发生故障，可以半功率、小功率运行，提高可靠性。而且，通过设置单个偏航系统可以实现多个机组的同时偏航，进一步降低成本、提高效率。
45.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。