專利名稱：垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電領域，尤其涉及一種垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機。
背景技術：
目前，風力機械基本上是根據(jù)風機主軸的的空間位置分為水平軸型式與垂直軸型式兩類。垂直軸型式風力機械的風輪旋轉(zhuǎn)軸與風向(地面)垂直。該結構型式種類較多，如 薩瓦里歐斯式、達里厄式、集渦式等。該結構型式的風能發(fā)電機發(fā)展起步較晚，尚未商業(yè)化； 而且風能利用率低，功率比水平軸型的風能發(fā)電機小。為提高風能的利用率，近年來出現(xiàn)了一些設有多層風輪的垂直軸風力機，如公開號為CN101956670A的中國專利公開的“一種具有多層風輪的風力機”，公開號為CN101737270A的中國專利公開的一種“特大型垂直軸風力發(fā)電裝置”，公開號為CN1016^550A的中國專利公開的一種“自適應微動風擋垂直軸風力發(fā)電機”，均為通過設置多層的風輪機構來提高風能的利用率，特別是后兩個專利所公布的結構中，設置根據(jù)風向轉(zhuǎn)動的風葉來提高受風面的推力，減小背風面的阻力。但由于這兩種結構中，雖然能形成不平衡力偶，但未能以受風面法線與風向平行、背風面法線與風向垂直方式(下稱法線正交)自動跟蹤風向。因此，未能充分獲取風力動能，風能的利用率仍然偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，而提供一種垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機，該風力發(fā)電機具有對風頁的控制精度高、可靠性高、風能利用率高、且運動平穩(wěn)性高、 結構簡單、成本低的優(yōu)點。本發(fā)明是綜合現(xiàn)行的風能利用技術裝備的優(yōu)點，以垂直軸型式風力機械的結構為基礎，應用數(shù)控技術而設計的一種具有新的理論、新結構的風能利用裝置。本發(fā)明是以數(shù)字技術控制旋轉(zhuǎn)門。根據(jù)風向，實時控制旋轉(zhuǎn)門的風頁，使旋轉(zhuǎn)門力臂兩側的風頁法線始終以正交方式自動跟蹤風向，形成三個不平衡力偶。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是
一種垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機，包括安裝平臺、多層框架式塔架、與多層框架式塔架配裝的旋轉(zhuǎn)門、數(shù)控系統(tǒng)以及發(fā)配電系統(tǒng)，安裝平臺固裝在地面上，塔架固裝在安裝平臺上，旋轉(zhuǎn)門設置在塔架中，每個旋轉(zhuǎn)門包括多扇以塔架中的主軸為軸心等角度排列的風門，每扇風門由多具可轉(zhuǎn)動的風頁體組成，與現(xiàn)有技術不同的是塔架頂部設有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風速風向傳感器，最高層主軸頂端同軸配裝有防逆轉(zhuǎn)機構，每具風頁體均配裝有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構，風頁體可控同步偏轉(zhuǎn)，每具風頁體的法線始終以正交方式跟蹤風向。所述的風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構包括風頁角度傳感器、減速器和印制繞組電機，風頁角度傳感器、減速器和印制繞組電機同軸配裝在風頁體下端面的中心處，風頁角度傳感器、印制繞組電機與數(shù)控系統(tǒng)連接。
所述的防逆轉(zhuǎn)機構包括棘輪和棘爪，棘輪與主軸配裝，棘輪的周節(jié)為12度，棘爪為三件，棘輪的逆轉(zhuǎn)自由度不大于4度。風頁體的上、下端設有軸套分別套入風頁上軸承組件與風頁下軸承組件中，風頁體通過風頁上軸承組件、風頁下軸承組件與風門框可轉(zhuǎn)動連接組成風門；每具風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構的風頁角度傳感器上的軸與每具風頁下軸承組件的軸鍵合；風門框下邊框的內(nèi)、外側分別設有內(nèi)承載滑車、外承載滑車。每個旋轉(zhuǎn)門由六具風門分別安裝于主軸的六個平面上，六具風門的風門框與固定梁固定連接組成，旋轉(zhuǎn)門呈正六面體形。所述的塔架包括制動器、短立柱、導軌、長立柱、十字橫梁、主軸、主軸方位傳感器、 防逆轉(zhuǎn)棘輪機構、上軸承組件、槽形夾板、安裝板、上副軸、鉤頭鍵、下副軸和下軸承組件，制動器固定在第一層十字橫梁下部的中心處，通過轉(zhuǎn)動絲桿制動與主軸連接的動力軸，十字橫梁通過槽形夾板緊固，十字橫梁的四端與長立柱的法蘭盤聯(lián)接，第一層十字橫梁與短立柱上端的法蘭盤及長立柱下端的法蘭盤聯(lián)接，四件短立柱下端的法蘭盤與安裝平臺的調(diào)整法蘭盤通過螺栓聯(lián)接；安裝板設置在十字橫梁上部的中心處，下軸承組件設置在安裝板上部的中心處，上軸承組件設置在最高層，防逆轉(zhuǎn)棘輪機構設置在最高層的上軸承組件上；主軸的上、下兩端通過鉤頭鍵與上副軸、下副軸鍵合；導軌設置在十字橫梁上部。所述的安裝平臺為蛛網(wǎng)式平臺，包括地梁、連接板、可調(diào)整樁腳、調(diào)整法蘭盤、緊定螺母、地腳螺釘和固定樁腳，可調(diào)整樁腳與多件地梁、連接板、固定樁腳之間通過螺栓聯(lián)接， 調(diào)整法蘭盤通過螺紋聯(lián)接可調(diào)整樁腳，調(diào)整法蘭盤與可調(diào)整樁腳通過調(diào)整螺套連接，固定樁腳通過地腳螺釘固定于地面或水泥地基上，安裝平臺與多層塔架之間設有斜拉錨。安裝平臺的平臺半徑大于塔架高度的1/2。所述的數(shù)控系統(tǒng)包括工業(yè)控制機及與之連接的發(fā)配電控制系統(tǒng)、傳感信號接收器、控制信號發(fā)射器，設有傳感信號發(fā)射器與風向信號處理模塊、風速信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊連接，風向信號處理模塊、風速信號處理模塊與風速風向傳感器連接，設有控制信號接收器與風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，設有旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊與旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊、風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構與旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊連接，數(shù)控系統(tǒng)中的工業(yè)控制機通過群控接口與主控計算機連接，其中傳感信號接收器與傳感信號發(fā)射器為無線傳輸，控制信號發(fā)射器與控制信號接收器為無線傳輸，工業(yè)控制機與群控接口為光纖傳輸。本發(fā)明核心功能性部件是數(shù)字化控制風頁體的旋轉(zhuǎn)門。該部件可根據(jù)風向，運用數(shù)控技術實時控制旋轉(zhuǎn)門的風頁體，使風門力臂兩側的風頁體法線始終以正交方式自動跟蹤風向，旋轉(zhuǎn)門形成三個不平衡力偶，充分利用風力動能，高效率地將風能轉(zhuǎn)化為電能。本發(fā)明具有的優(yōu)點或有益效果
1、該裝置運用動能學原理，數(shù)控技術實時控制旋轉(zhuǎn)門的風頁體，使風門力臂兩側的風頁體法線始終以正交方式自動跟蹤風向，直接將風的動能轉(zhuǎn)化為機械能，風能的轉(zhuǎn)換效率明顯提高。2.風力作用機理與水平軸槳葉型或垂直軸型風能裝置不同，空氣紊流擾動與風切變等因素不會產(chǎn)生嚴重影響。而且，此運動機理不會象水平軸槳葉型裝置那樣產(chǎn)生空氣摩擦噪聲。3、切向作用力是定值，所以旋轉(zhuǎn)門運動平穩(wěn)。4、該裝置構建靈活，可根據(jù)風場資源及用戶需求，選擇動能部件數(shù)量構成不同功率的離網(wǎng)單機，也可配置不同數(shù)量的單機組建上網(wǎng)電站。該裝置的運動部件邏輯動作與系統(tǒng)偏航采用數(shù)字化控制，控制精度與可靠性高。并設計配置由計算機與光纖組成的群控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，特別適宜在電磁干擾強、地電復雜地區(qū)建設風能電站。并可對電站運行實現(xiàn)自動化、遠程化。5、整機機械結構模塊化、零部件加工簡單，安裝均采取螺栓連接方式并設有水平及同心度調(diào)整機構，維修調(diào)試簡便并十分適宜野外施工。 6、制造成本低，具有很好的性價比，易于推廣應用。


圖1為實施例的整機結構示意圖2為圖1中安裝平臺中的可調(diào)整樁腳的結構示意圖； 圖3為圖1中安裝平臺中的固定樁腳的結構示意圖； 圖4為實施例中塔架的結構示意圖5為圖4中塔架頂部中心處的防逆轉(zhuǎn)棘輪機構與主軸的配裝示意圖； 圖6為圖4中塔架的下軸承組件與主軸的配裝示意圖； 圖7為塔架中的制動器的結構示意圖； 圖8為實施例中旋轉(zhuǎn)門的結構示意圖； 圖9為圖8中風頁體與減速器的配裝示意圖10為實施例中數(shù)控系統(tǒng)及執(zhí)行機構、發(fā)配電控制系統(tǒng)的連接方框圖； 圖11為實施例中數(shù)控系統(tǒng)中內(nèi)含的軟件結構示意圖； 圖12為實施例中旋轉(zhuǎn)門的工作原理圖； 圖13為實施例中切向力表達式的函數(shù)圖象； 圖14為實施例中離網(wǎng)式發(fā)配電控制系統(tǒng)原理圖； 圖15為實施例中上網(wǎng)式發(fā)配電控制系統(tǒng)原理圖。圖中，1-1.斜拉錨1-2.動力軸2-0.安裝平臺2_1.地梁2_2.連接板2_3.可調(diào)整樁腳2-4.調(diào)整螺套2-5.調(diào)整法蘭盤2-6.緊定螺母2-7.地腳螺釘2-8.固定樁腳3-0.塔架3-1.制動器3-2.短立柱3-3.導軌3-4.長立柱3-5.十字橫梁3-6.主軸3-7.主軸方位傳感器3-8.風速風向傳感器3-9.棘輪3-10.上軸承組件3-11.安裝板3-12.槽形夾板3-13.上副軸3-14.勾頭鍵3-15.下副軸3-16.下軸承組件3-17. 杠桿3-18.絲桿3-19.閘瓦4-0.旋轉(zhuǎn)門4-1.固定梁4-2.風門框4-3.風頁上軸承組件4-4.軸套4-5.風頁體4-6.風頁下軸承組件4-7.風頁角度傳感器4-8.減速器4-9. 印制繞組電機4-10.內(nèi)承載滑車4-11.外承載滑車5-1.配電柜6-1.數(shù)控變速機6-2. 發(fā)電機6-3.測速電機。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步的闡述，但不是對本發(fā)明的限定。實施例
參照圖1-圖10，一種垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機，包括安裝平臺2-0、多層框架式塔架3-0、與多層框架式塔架配裝的旋轉(zhuǎn)門4-0、數(shù)控系統(tǒng)以及發(fā)配電系統(tǒng)，安裝平臺2-0 固裝在地面上，塔架3-0固裝在安裝平臺2-0上，旋轉(zhuǎn)門4-0設置在塔架3-0中，每個旋轉(zhuǎn)門4-0包括多扇以塔架3-0中的主軸3-6為軸心等角度排列的風門，每扇風門由多具可轉(zhuǎn)動的風頁體4-5組成，塔架3-0頂部設有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風速風向傳感器3-8，最高層主軸3-6頂端同軸配裝有防逆轉(zhuǎn)機構，每具風頁體4-5均配裝有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構，風頁體4-5可控同步偏轉(zhuǎn)，每具風頁體4-5的法線始終以正交方式跟蹤風向。風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構包括風頁角度傳感器4-7、減速器4-8和印制繞組電機4_9，風頁角度傳感器4-7、減速器4-8和印制繞組電機4-9同軸配裝在風頁體4-5下端面的中心處，風頁角度傳感器4-7、印制繞組電機4-9與數(shù)控系統(tǒng)連接。防逆轉(zhuǎn)機構包括棘輪3-9和棘爪，棘輪3-9與主軸3_6配裝，棘輪3_9的周節(jié)為12 度，棘爪為三件，棘輪3-9的逆轉(zhuǎn)自由度不大于4度。風頁體4-5的上、下端設有軸套4-4分別套入風頁上軸承組件4_3與風頁下軸承組件4-6中，風頁體4-5通過風頁上軸承組件4-3、風頁下軸承組件4-6與風門框4_2可轉(zhuǎn)動連接組成風門；每具風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構的風頁角度傳感器4 - 7上的軸與每具風頁下軸承組件4-6的軸鍵合；風門框4-2下邊框的內(nèi)、外側分別設有內(nèi)承載滑車4-10、外承載滑車 4-11。每個旋轉(zhuǎn)門4-0由六具風門分別安裝于主軸3-6的六個平面上，六具風門的風門框4-2與固定梁4-1固定連接組成，旋轉(zhuǎn)門4-0呈正六面體形。塔架3-0包括制動器3-1、短立柱3-2、導軌3_3、長立柱3_4、十字橫梁3_5、主軸 3-6、主軸方位傳感器3-7、防逆轉(zhuǎn)棘輪機構、上軸承組件3-10、槽形夾板3-12、安裝板3-11、 上副軸3-13、鉤頭鍵3-14、下副軸3-15和下軸承組件3_16，制動器3_1固定在第一層十字橫梁3-5下部的中心處，通過轉(zhuǎn)動絲桿3-19制動與主軸3-6連接的動力軸1-2 (即最下層的下副軸)，十字橫梁3-5通過槽形夾板3-12緊固，十字橫梁3-5的四端與長立柱3-4的法蘭盤聯(lián)接，第一層十字橫梁3 - 5與短立柱3-2上端的法蘭盤及長立柱3-4下端的法蘭盤聯(lián)接，四件短立柱3-2下端的法蘭盤與安裝平臺2-0的調(diào)整法蘭盤2-5通過螺栓聯(lián)接；安裝板3-11設置在十字橫梁3-5上部的中心處，下軸承組件3-16設置在安裝板3-11上部的中心處，上軸承組件3-10設置在最高層，防逆轉(zhuǎn)棘輪機構設置在最高層的上軸承組件3-10 上；主軸3-6的上、下兩端通過鉤頭鍵3-14與上副軸3-13、下副軸3_15鍵合；導軌3_3設置在十字橫梁3-5上部。安裝平臺2-0為蛛網(wǎng)式平臺，包括地梁2-1、連接板2-2、可調(diào)整樁腳2_3、調(diào)整法蘭盤2-5、緊定螺母2-6、地腳螺釘2-7和固定樁腳2-8，可調(diào)整樁腳2_3與多件地梁2_1、連接板2-2、固定樁腳2-8之間通過螺栓聯(lián)接，調(diào)整法蘭盤2-5通過螺紋聯(lián)接可調(diào)整樁腳2-3， 調(diào)整法蘭盤2-5與可調(diào)整樁腳2-3通過調(diào)整螺套2-4連接調(diào)整垂直高度，固定樁腳2-8通過地腳螺釘2-7固定于地面或水泥地基上，安裝平臺2-0與多層塔架3-0之間設有斜拉錨 1-1。安裝平臺2-0的平臺半徑大于塔架3-0高度的1/2。地梁2_1、連接板2_2、固定樁腳2-8的零件數(shù)量根據(jù)平臺半徑?jīng)Q定。數(shù)控系統(tǒng)包括工業(yè)控制機及與之連接的發(fā)配電控制系統(tǒng)、傳感信號接收器、控制信號發(fā)射器，設有傳感信號發(fā)射器與風向信號處理模塊、風速信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊連接，風向信號處理模塊、風速信號處理模塊與風速風向傳感器連接，設有控制信號接收器與風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，設有旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊與旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊、風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構與旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊連接。數(shù)控系統(tǒng)中的工業(yè)控制機通過群控接口與主控計算機連接。其中傳感信號接收器與傳感信號發(fā)射器為無線傳輸，控制信號發(fā)射器與控制信號接收器為無線傳輸，工業(yè)控制機與群控接口為光纖傳輸。具體地，下面以三層塔架為例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步的闡述 一、整機結構參照圖1，
(1)、整機機械結構由安裝平臺2-0、多層框架式塔架3-0和旋轉(zhuǎn)門4-0構成，安裝平臺
2-0固裝在地面上，塔架3-0固裝在安裝平臺2-0上，旋轉(zhuǎn)門4-0經(jīng)主軸3-6配裝設置在塔架3-0中，主軸3-6的下端的動力軸1-2 (即最下層的下副軸)與發(fā)電機6-2通過數(shù)控變速機6-1連接，斜拉錨1-1斜拉于塔架3-0與安裝平臺2-0之間，兩端以螺栓聯(lián)接。(2)、旋轉(zhuǎn)門4-0上的內(nèi)承載滑車4-10、外承載滑車4-11的滑輪分別置于安裝板
3-11、導軌3-3上。承載滑車的滑輪與安裝板、導軌的間距，安裝板與導軌的平面度和水平可通過安裝螺栓調(diào)整。(3)、單機旋轉(zhuǎn)門4-0的配置數(shù)量以單機額定功率指標確定。根據(jù)本設備塔架的設計強度不能超過六具。二、安裝平臺參照圖2-圖3，
安裝平臺2-0由地梁2-1、連接板2-2、可調(diào)整樁腳2-3、調(diào)整法蘭盤2_5、緊定螺母2_6、 地腳螺釘2-7和固定樁腳2-8構成蛛網(wǎng)式平臺。(1)、可調(diào)整樁腳2-3與多件地梁2-1、連接板2-2、固定樁腳2_8之間使用螺栓聯(lián)接。地梁2-1、連接板2-2、固定樁腳2-8的數(shù)量根據(jù)平臺半徑確定。 (2)、調(diào)整法蘭盤2-5通過螺紋聯(lián)接可調(diào)整樁腳2-3，可通過調(diào)整法蘭盤2_5的螺紋調(diào)整平臺的水平面。(3 )、地腳螺釘2-6將固定樁腳2-8固定于地面或水泥地基上。平臺半徑根據(jù)塔架高度確定，要求平臺半徑大于1/2塔架高度。三、多層框架式塔架參照圖4-圖7，
塔架3-0由制動器3-1、短立柱3-2、導軌3-3、長立柱3_4、十字橫梁3_5、主軸3_6、主軸方位傳感器3-7、防逆轉(zhuǎn)棘輪機構、上軸承組件3-10、槽形夾板3-12、安裝板3-11、上副軸 3-13、鉤頭鍵3-14、下副軸3-15、下軸承組件3_16構成。(1)、制動器3-1由螺栓固定在第一層十字橫梁3-5下部的中心處，通過轉(zhuǎn)動絲桿 3-18使杠桿3-17擺動，并由杠桿3-17帶動閘瓦3_19制動動力軸1_2。(2)、十字橫梁3-5通過槽形夾板3-12緊固，十字橫梁3_5的四端與長立柱3_4的法蘭盤聯(lián)接，第一層十字橫梁3-5與短立柱3-2上端的法蘭盤及長立柱3-4下端的法蘭盤聯(lián)接，四件短立柱3-2下端的法蘭盤與安裝平臺2-0的調(diào)整法蘭盤2-5通過螺栓聯(lián)接。(3)、安裝板3-11安裝在十字橫梁3-5上部的中心處，下軸承組件3_16安裝在安裝板3-11上部的中心處，并使用螺栓固定聯(lián)接，最高層安裝上軸承組件3-10，安裝方法相同。(4)、主軸3-6的兩端通過鉤頭鍵3-14與上副軸3_13、下副軸3_15鍵合，主軸方位傳感器3-7置于最上層主軸3-6頂端并同軸聯(lián)接。(5)、防逆轉(zhuǎn)棘輪機構安裝在最高層上軸承組件3-10上，防逆轉(zhuǎn)機構包括棘輪3-9 和棘爪，棘輪3-9與主軸3-6配裝，棘輪3-9的周節(jié)為12度，棘爪為三件，棘輪3_9的逆轉(zhuǎn)自由度不大于4度。(6)、導軌3-3是由四件弧形鋼板拼接，并使用螺栓固定在十字橫梁3-5的上部。風速風向傳感器3-8設置在塔架3-0頂部的中心處。四、旋轉(zhuǎn)門參照圖8-圖9，
旋轉(zhuǎn)門4-0由固定梁4-1、風門框4-2、風頁上軸承組件4-3、軸套4_4、風頁體4_5、風頁下軸承組件4-6、風頁角度傳感器4-7、減速器4-8、印制繞組電機4-9、內(nèi)承載滑車4_10、外承載滑車4-11構成。(1)、每具風門框4-2上、下邊框內(nèi)側均布同軸線安裝六具風頁上軸承組件4-3與風頁下軸承組件4-6。(2)、每具風頁體4-5上、下梁外側中軸線上分別安裝軸套4-4組成風頁整件。(3)、將風頁角度傳感器4-7、減速器4-8、印制繞組電機4_9同軸裝配為風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構。(4)、將六具風頁整件上的軸套4-4分別套入風頁上軸承組件4-3與風頁下軸承組件4-6 ；將六具風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構的風頁角度傳感器4-7上的軸與六具風頁下軸承組件4-6 的軸鍵合；將內(nèi)承載滑車4-10、外承載滑車4-11分別安裝于風門框4-2下邊框的內(nèi)、外側， 如此構成一具風門整件。(5)、將六具風門整件使用螺栓分別安裝于主軸3-6的六個平面上；并將十二件固定梁4-1組成兩個六邊形對稱安裝于風門整件的風門框4-2的上、下部，如此構成一具旋轉(zhuǎn)門 4-0。數(shù)控系統(tǒng)及執(zhí)行機構、發(fā)配電控制系統(tǒng)的連接如圖10所示
數(shù)控系統(tǒng)包括工業(yè)控制機及與之連接的發(fā)配電控制系統(tǒng)、傳感信號接收器、控制信號發(fā)射器，設有傳感信號發(fā)射器與風向信號處理模塊、風速信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊連接，風向信號處理模塊、風速信號處理模塊與風速風向傳感器連接，設有控制信號接收器與風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、 旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，設有旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊與旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、 風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊、風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構與旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊連接。數(shù)控系統(tǒng)中的工業(yè)控制機通過群控接口與主控計算機連接。其中傳感信號接收器與傳感信號發(fā)射器為無線傳輸，控制信號發(fā)射器與控制信號接收器為無線傳輸，工業(yè)控制機與群控接口為光纖傳輸。1、旋轉(zhuǎn)門運行控制的硬件旋轉(zhuǎn)門運行控制的硬件包括工業(yè)控制機、風速風向傳感器3-8、風頁角度傳感器4-7、 主軸方位傳感器3-7、印制繞組電機4-9、控制信號接收器與控制信號發(fā)射器。風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構中的風頁角度傳感器4-7、印制繞組電機4-9與旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊連接。數(shù)控系統(tǒng)中內(nèi)含的軟件結構如圖11所示
該軟件結構包括主模塊、風頁故障檢測模塊、風頁方位傳感模塊、主軸方位傳感模塊、 風速傳感模塊、坐標轉(zhuǎn)換模塊、風頁偏航程序模塊、風頁清零程序模塊、風頁減荷程序模塊、 風頁加速偏轉(zhuǎn)程序模塊、起始形態(tài)調(diào)整模塊、停機控制模塊，還包括延時模塊、風向傳感模塊，以及風頁偏轉(zhuǎn)控制程序模塊與驅(qū)動模塊。2、旋轉(zhuǎn)門運行控制軟件
a、基準方位調(diào)整程序為系統(tǒng)提供基準方位(即系統(tǒng)0度)。為避免因瞬時風向不穩(wěn)定引起旋轉(zhuǎn)門運行抖動，該程序插入延時子程序。b、風頁偏轉(zhuǎn)角度控制程序(1)旋轉(zhuǎn)門在自動控制偏航過程中，根據(jù)主軸方位傳感器信號控制風頁的偏轉(zhuǎn)角度；(2)報警程序風頁運行發(fā)生停止偏轉(zhuǎn)或邏輯混亂故障時， 系統(tǒng)報警并啟動停機緩沖程序；(3)減荷程序；當風速大于額定工作風速時，工業(yè)控制機啟動減荷程序，改變風頁偏航控制角度，減小風頁的風力載荷，避免強風對裝備的損毀；(4) 如果旋轉(zhuǎn)門需停止運行，為防止慣性沖擊，應先啟動停機緩沖程序，后執(zhí)行手動停機；(5) 由于風門由象限向Π象限或由II:象限向?！赶笙捱^過渡時，風頁法線與風向的夾角應相應迅速變更，故設風頁偏轉(zhuǎn)加速程序。C、風頁清零程序由于采用精度較低的印制繞組電機作為風頁的驅(qū)動執(zhí)行元件， 故設清零程序。每具風門轉(zhuǎn)動2 π度即執(zhí)行風頁清零程序，對風頁驅(qū)動歸位，以消除風頁的偏轉(zhuǎn)積累誤差?？刂菩盘柌扇∩漕l無線傳輸方式。3、旋轉(zhuǎn)門的工作原理與技術參數(shù) (1)、旋轉(zhuǎn)門的工作原理如圖12所示
本設備是多個旋轉(zhuǎn)門串連組合。每個旋轉(zhuǎn)門由主軸及呈η/3夾角的六具風門組成。 每具風門攜帶六具備有動力驅(qū)動并受控同步偏轉(zhuǎn)的風頁。旋轉(zhuǎn)門的運動狀態(tài)由軟件程序控制。設定旋轉(zhuǎn)門與風頁旋向為俯視方向的逆時針旋向。風向Φ d以地理坐標系D正東方向為0°。系統(tǒng)坐標系(軟件程序的基準方位坐標)T以風向為0°。ΦΧ為風門臂與風向的夾角，φγ為風頁法線與風向的夾角。當風向改變時，軟件程序根據(jù)風向傳感信號建立系統(tǒng)坐標系T，為系統(tǒng)軟件運行建立基準方位坐標。同時調(diào)整風頁的起始工作角度，形成兩臂風頁法線正交狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)門旋轉(zhuǎn)過程中，風頁偏轉(zhuǎn)角度控制程序根據(jù)主軸角度傳感器的旋轉(zhuǎn)變量同步偏轉(zhuǎn)風頁，保持風頁法線始終以正交方式跟蹤風向。當風門一臂轉(zhuǎn)動到系統(tǒng)坐標Φχ=0 — a，對稱的另一臂轉(zhuǎn)動到ΦΧ = π - B時，風頁偏轉(zhuǎn)加速程序加快風頁的偏轉(zhuǎn)速度，在a與B角度內(nèi)，將一臂原法線與風向平行的風頁轉(zhuǎn)變成與風向垂直；另一臂的風頁轉(zhuǎn)變成與風向與風向平行狀態(tài)。繼續(xù)保持風頁法線始終以正交方式跟蹤風向。a 與B為風頁轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)換的過渡角，其值為π/10。(2)、工作原理及主要技術參數(shù)為使分析計算過程簡單明了，作如下簡化a、不考慮空氣的粘性，忽略雷諾系數(shù)；
b、風門視為面密度均勻的薄板；
c、風頁在Ι、Γ/象限時，風壓密度均勻；在IIJII象限時，風壓密度為0；
d、風阻系數(shù)為1；
e、不計運動的摩擦負功。功率
1、作用于風門的風力(風頁在I.K象限時)
根據(jù)伯努力方程，風壓密度為
F m = 1 /2 ‘ Cr ‘ P ‘ V2· 9. 8 = 0. 6125*V2(N)
(式 1一1)
Cr (風阻系數(shù))=1 P (空氣密度)=0. 125Kg/m3 V (風速)=m/t
每具風門的風壓
Fmax=Fm · S風門面積S=H (風門高度)· R (風門半徑)
(式 1 一 2)；
2、風門的切向力(風門在:、ZY象限時) 圓周運動過程中，風門在I, IT象限始終保持三具風門的法線與風向平行，受到風力的推動做圓周運動，此推動力在質(zhì)點上分解為切向力與徑向力。其中切向力圓周運動的推動力。每具風門切向力的函數(shù)表達式 Fa= Fmax · Sin (ω t + Φ a) Φβ=0
Fb= Fmax · Sin(cot + Ob) Ob= π /3
Fb= Fmax.Sin(cot + Oc)Φ c = 2 π / 3
(式 1 — 3)
表達式的函數(shù)圖象如圖13所示 切向力函數(shù)的傅立葉級數(shù)展開式
Fa= 2Fmax/ji-4 Fmax/π [1/3 · Cos (ω t+Φα) + 1/15 · Cos (2 ω t+Φα) + l/35*Cos(3cot + Oa)+ ‘ ‘ ·1/(4η2-1)·0θ8(ηω +ΦΒ)] (式 1 一 4)
Fb= 2Fmax/ji-4 Fmax/π [1/3 · Cos (ω t+Ob) + 1/15 · Cos (2 ω t+。b) + 1/35 · Cos (3 ω t +Φ b) + · · · 1 / ( 4 η 2-1 ) · C ο s ( η ω t + Φ b )] (式 1 — 5)
Fc= 2Fmax/π-4 Fmax/π [1/3 · Cos (ωt+①c)+ 1/15 · Cos ωt+①c) + l/35*Cos(3cot + Oc)+ ‘ ‘ ·1/(4η2-1)·0θ8(ηω +Φο)] (式 1 — 6)
由以上級數(shù)展開式可知切向力可分解為諧波分量與非諧波分量。由于諧波分量中的函數(shù)正交性和集風組件慣量的作用，諧波分量在風門做圓周運動過程中不起作用。圓周運動的作用力是三具風門切向力的非諧波分量之和。而且，切向力的非諧波分量在風力、風向不變的情況下是定值，所以風門的運動是勻速圓周運動。
風門勻速圓周運動的作用力
Fd = 6Fmax / η
(式 1 一 7)；
3、旋轉(zhuǎn)門的速轉(zhuǎn)
用上述分析計算方法，可以得到 旋轉(zhuǎn)門圓周運動軌跡邊沿的線速度
V χ = 2 V / π
(式 1 — 8)
旋轉(zhuǎn)門圓周運動角速度
ω = Vx/R = 2V/RjiR (旋轉(zhuǎn)門半徑)
(式 1 — 9)
尖速比λ = Vx/V=2/ Ji(式
1 - 10)
由于風壓密度分布均勻，故將Fd作用點Ro視為R/2處，故風門旋轉(zhuǎn)半徑為 Ro=Rs/2。其線速度
Vxo = RoωV/ji
(式 1 一 11)；
4、功率
Wd= Fd ‘ Vxo = O. 373 ‘ V3· S ‘ 10 ^3 (Kw)
(式 1 一 12)
Wd為單具旋轉(zhuǎn)門的功率，整機功率為
W=n · Wdη (單機風門的串連數(shù)量)
(式 1 一 13)；
(二)起動風速
從該設備的結構來看，起動風速主要取決于整機的摩擦力矩與負載的啟動力矩。但傳動均為滾動摩擦，其力矩可忽略。影響啟動風速的主要因素是負載的起動力矩。故
Gmax=Ro · η · Fd
Vm i η = ( Gmax· 3 /1.84·η ‘ H ) 1/2 / R ( m ) (式 1 一 14)
Vmin (起動風速)Gmax (負載的起動力矩單位N · m)；
(三)最大工作風速
影響最大工作風速的因素是設備的機械強度。本設計的最大工作風速
為
Vmaχ=2Om/t (式 1 一 15)；
(四)風能利用系數(shù)目前對此種結構的風能裝備的風能利用系數(shù)尚無定義。現(xiàn)采用水平軸槳葉式的風能利用系數(shù)的定義計算此種結構的風能利用系數(shù)，僅以定性分析。C ^ Wd (單具旋轉(zhuǎn)門的輸出功率)/ Wmax (作用于單具旋轉(zhuǎn)門風能功率) 0. 6。二、發(fā)配電系統(tǒng)控制的設計與工作原理 發(fā)配電控制系統(tǒng)為離網(wǎng)式和上網(wǎng)式。1、離網(wǎng)式如圖14所示，
離網(wǎng)式發(fā)配電控制系統(tǒng)包括數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)、數(shù)控變速機6-1、發(fā)電機6-2、蓄電池、 逆變器和配電柜5-1，數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)包括與工業(yè)控制機連接的調(diào)速機驅(qū)動模塊、測速電機 6-3，數(shù)控變速機6-1、發(fā)電機6-2、蓄電池、逆變器和配電柜5-1順序連接，數(shù)控變速機6_1 與調(diào)速機驅(qū)動模塊連接，測速電機6-3與數(shù)控變速機6-1連接。發(fā)電機6-2為直流發(fā)電機。 數(shù)控變速機6-1與動力軸1-2連接。設備運行過程中，數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)測速電機6-3的轉(zhuǎn)速變量值，控制數(shù)控變速機6-1的變速比，使轉(zhuǎn)速基本達到直流發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速。直流發(fā)電機對蓄電池充電，經(jīng)逆變器逆變?yōu)榻涣麟娭僚潆姽?-1。2、上網(wǎng)式如圖15所示，
上網(wǎng)式發(fā)配電控制系統(tǒng)包括數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)、數(shù)控變速機6-1、發(fā)電機6-2、調(diào)速電機、 測頻模塊和配電柜5-1，數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)包括與工業(yè)控制機連接的調(diào)速機驅(qū)動模塊、測速電機 6-3，數(shù)控變速機6-1、發(fā)電機6-2、調(diào)速電機與測頻模塊順序連接，測速電機6-3與數(shù)控變速機6-1連接，測頻模塊與工業(yè)控制機連接，發(fā)電機6-2與配電柜5-1連接。發(fā)電機6-2為同步交流發(fā)電機。數(shù)控變速機6-1與動力軸1-2連接。設備運行過程中，數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)測速電機6-3的轉(zhuǎn)速變量值，控制數(shù)控變速機6-1的變速比，使轉(zhuǎn)速達到同步交流發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速。如同步交流發(fā)電機的輸出頻率未能達到標準值，數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)則對測頻模塊測量數(shù)值進行處理后，啟動調(diào)速電機對同步交流發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行再調(diào)整，使輸出頻率達到標準值。三.單機制造成本的估算
以額定功率500Kw單機為例概算制造、安裝費用成本如表一。表一制造成本概算表
權利要求
1.一種垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機，包括安裝平臺、多層框架式塔架、與多層框架式塔架配裝的旋轉(zhuǎn)門、數(shù)控系統(tǒng)以及發(fā)配電系統(tǒng)，安裝平臺固裝在地面上，塔架固裝在安裝平臺上，旋轉(zhuǎn)門設置在塔架中，每個旋轉(zhuǎn)門包括多扇以塔架中的主軸為軸心等角度排列的風門，每扇風門由多具可轉(zhuǎn)動的風頁體組成，其特征在于塔架頂部設有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風速風向傳感器，最高層主軸頂端同軸配裝有防逆轉(zhuǎn)機構，每具風頁體均配裝有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構，風頁體可控同步偏轉(zhuǎn)，每具風頁體的法線始終以正交方式跟蹤風向。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述的風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構包括風頁角度傳感器、減速器和印制繞組電機，風頁角度傳感器、減速器和印制繞組電機同軸配裝在風頁體下端面的中心處，風頁角度傳感器、印制繞組電機與數(shù)控系統(tǒng)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述的防逆轉(zhuǎn)機構包括棘輪和棘爪，棘輪與主軸配裝，棘輪的周節(jié)為12度，棘爪為三件，棘輪的逆轉(zhuǎn)自由度不大于4度。
4.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于風頁體的上、下端設有軸套分別套入風頁上軸承組件與風頁下軸承組件中，風頁體通過風頁上軸承組件、風頁下軸承組件與風門框可轉(zhuǎn)動連接組成風門；每具風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構的風頁角度傳感器上的軸與每具風頁下軸承組件的軸鍵合；風門框下邊框的內(nèi)、外側分別設有內(nèi)承載滑車、外承載滑車。
5.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于每個旋轉(zhuǎn)門由六具風門分別安裝于主軸的六個平面上，六具風門的風門框與固定梁固定連接組成，旋轉(zhuǎn)門呈正六面體形。
6.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述的塔架包括制動器、短立柱、 導軌、長立柱、十字橫梁、主軸、主軸方位傳感器、防逆轉(zhuǎn)棘輪機構、上軸承組件、槽形夾板、 安裝板、上副軸、鉤頭鍵、下副軸和下軸承組件，制動器固定在第一層十字橫梁下部的中心處，通過轉(zhuǎn)動絲桿制動與主軸連接的動力軸，十字橫梁通過槽形夾板緊固，十字橫梁的四端與長立柱的法蘭盤聯(lián)接，第一層十字橫梁與短立柱上端的法蘭盤及長立柱下端的法蘭盤聯(lián)接，四件短立柱下端的法蘭盤與安裝平臺的調(diào)整法蘭盤通過螺栓聯(lián)接；安裝板設置在十字橫梁上部的中心處，下軸承組件設置在安裝板上部的中心處，上軸承組件設置在最高層，防逆轉(zhuǎn)棘輪機構設置在最高層的上軸承組件上；主軸的上、下兩端通過鉤頭鍵與上副軸、下副軸鍵合；導軌設置在十字橫梁上部。
7.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述的安裝平臺為蛛網(wǎng)式平臺，包括地梁、連接板、可調(diào)整樁腳、調(diào)整法蘭盤、緊定螺母、地腳螺釘和固定樁腳，可調(diào)整樁腳與多件地梁、連接板、固定樁腳之間通過螺栓聯(lián)接，調(diào)整法蘭盤通過螺紋聯(lián)接可調(diào)整樁腳，調(diào)整法蘭盤與可調(diào)整樁腳通過調(diào)整螺套連接，固定樁腳通過地腳螺釘固定于地面或水泥地基上，安裝平臺與多層塔架之間設有斜拉錨。
8.根據(jù)權利要求7所述的風力發(fā)電機，其特征在于安裝平臺的平臺半徑大于塔架高度的1/2。
9.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述的數(shù)控系統(tǒng)包括工業(yè)控制機及與之連接的發(fā)配電控制系統(tǒng)、傳感信號接收器、控制信號發(fā)射器，設有傳感信號發(fā)射器與風向信號處理模塊、風速信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊連接，風向信號處理模塊、風速信號處理模塊與風速風向傳感器連接，設有控制信號接收器與風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，設有旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊與旋轉(zhuǎn)門狀態(tài)信號處理模塊、風頁角度清零處理模塊、風頁故障信號處理模塊、風頁偏轉(zhuǎn)控制信號處理模塊、旋轉(zhuǎn)門制動信號處理模塊連接，風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構與旋轉(zhuǎn)門驅(qū)動與監(jiān)測模塊連接，數(shù)控系統(tǒng)中的工業(yè)控制機通過群控接口與主控計算機連接，其中傳感信號接收器與傳感信號發(fā)射器為無線傳輸，控制信號發(fā)射器與控制信號接收器為無線傳輸，工業(yè)控制機與群控接口為光纖傳輸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直軸阻力型旋轉(zhuǎn)門式風力發(fā)電機，包括安裝平臺、多層框架式塔架、與多層框架式塔架配裝的旋轉(zhuǎn)門、數(shù)控系統(tǒng)以及發(fā)配電系統(tǒng)，安裝平臺固裝在地面上，塔架固裝在安裝平臺上，旋轉(zhuǎn)門設置在塔架中，每個旋轉(zhuǎn)門包括多扇以塔架中的主軸為軸心等角度排列的風門，每扇風門由多具可轉(zhuǎn)動的風頁體組成，其特征在于塔架頂部設有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風速風向傳感器，最高層主軸頂端同軸配裝有防逆轉(zhuǎn)機構，每具風頁體均配裝有與數(shù)控系統(tǒng)連接的風頁偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構，風頁體可控同步偏轉(zhuǎn)，每具風頁體的法線始終以正交方式跟蹤風向。該風力發(fā)電機具有對風頁的控制精度高、可靠性高、風能利用率高、且運動平穩(wěn)性高、結構簡單、成本低的優(yōu)點。
文檔編號F03D3/06GK102251919SQ20111022111
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權日2011年8月3日
發(fā)明者于常麟 申請人:張黎明