專利名稱：智能變徑自啟動垂直軸風力發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種風カ發(fā)電裝置，具體為ー種智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置。
背景技術：
風能是一種干凈、儲量極為豐富的可再生能源，本質(zhì)上是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。風カ機的類型按照風カ機風輪轉(zhuǎn)軸與風向的位置，可分為水平軸風カ機和垂直軸風カ機。與水平軸風カ機相比，垂直軸風カ機可接收任意方向的來風，無需對風裝置，風輪和能量轉(zhuǎn)換的其它部件，如齒輪、發(fā)電機等，可方便的安裝在地面上，因而不需要建立昂貴的塔架，而且便于維護、保養(yǎng)，從而降低了制造和運行費用。因此，垂直軸風カ機逐漸成為小型風カ發(fā)電機的首選，研究垂直軸風カ機具有廣泛的實際意義和良好的應用前景。由于風能具有隨機性和不確定性，導致風能的利用率不高，風カ機的風輪轉(zhuǎn)速隨風速變化快，導致輸出電壓變化大、波動快，給風カ機的安全穩(wěn)定運行以及后續(xù)的電能
處理帶來一定困難。同時，從風カ發(fā)電最大功率跟蹤(MPPT-Maximum Power Point
Tracking)的角度出發(fā)，由于對于ー個特定的風速，風カ機只有運行在ー個特定的機械角速度下，風カ機才會獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率，因此，針對不同的風速，需要調(diào)節(jié)風カ機轉(zhuǎn)速，使風輪葉片的葉尖線速度與風速之比保持不變，從而達到MPPT控制的目的。對于一般風カ機，可以利用發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制和偏航系統(tǒng)來改變風力機的轉(zhuǎn)速，而對于垂直軸風カ機，由于沒有偏航系統(tǒng)，只能通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)矩來控制轉(zhuǎn)速。目前針對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的研究大多只是立足于對發(fā)電機輸出電能的后續(xù)處理，通過調(diào)節(jié)DC/DC變換器觸發(fā)脈沖的占空比來控制發(fā)電機的輸出電功率，進而控制轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)變速運行，達到風力發(fā)電機最大功率點跟蹤的目的。即増加觸發(fā)脈沖的占空比，則傳輸?shù)截撦d上的電功率將增加，發(fā)電機輸入的機械 功率小于輸出的電功率，轉(zhuǎn)速將要減小；同理，減小觸發(fā)脈沖的占空比，則傳輸?shù)截撦d上的電功率也將減小，發(fā)電機輸入的機械功率大于輸出的電功率，轉(zhuǎn)速將要升高。DC/DC變換器觸發(fā)脈沖占空比的調(diào)節(jié)變化需要通過控制算法與風カ機的輸出功率變化相對應，當風速變化較快的時候，風カ機風輪轉(zhuǎn)速相應變化加大，導致風力機的輸出功率變化快，給占空比的精確分析計算和及時輸出控制帶來困難。為了確保風カ發(fā)電裝置的安全穩(wěn)定運行，也為了能更有效地實現(xiàn)MPPT控制，都需要更多更有效的針對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的控制方法，使風カ機的風輪轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)不斷變化的風速盡量穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)間，盡量保持一定的正比例關系，不致產(chǎn)生突變，從而既避免了風カ機各種機械傳動零部件的過快磨損，尤其是在風速過大時及時保證設備安全，又能充分發(fā)揮MPPT控制算法的最大功效，避免因為風輪轉(zhuǎn)速變化過快導致最大功率點跟蹤不及時或控制出錯的故障發(fā)生。直線翼型結(jié)構(gòu)的垂直軸風カ機的葉片采用飛機的機翼型斷面形狀，是利用空氣升カ產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)カ矩來工作的，雖然發(fā)電效率比利用空氣阻カ產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)カ矩的阻力型垂直軸風カ機高，但卻存在啟動困難的不足。為了提高升力型垂直軸風カ機的啟動性能，目前大多采用升阻復合型葉片結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)葉片相對于旋轉(zhuǎn)切線的角度，實現(xiàn)升力型與阻力型的轉(zhuǎn)換，導致風輪機構(gòu)過于復雜，不利于風カ機的長期穩(wěn)定運行。通過外加輔助啟動カ矩的方法則能夠在不改變升力型垂直軸風カ機風輪結(jié)構(gòu)的基礎上實現(xiàn)風カ機的自啟動運行，是ー種安全有效的方法。

實用新型內(nèi)容實用新型目的為了解決現(xiàn)有技術中的問題，本實用新型提供了ー種智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，能夠根據(jù)風速大小，實現(xiàn)風輪回轉(zhuǎn)半徑的改變以及風カ機的自啟動運行的裝置。技術方案為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型所述的ー種智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，該風カ發(fā)電裝置包括風輪葉片、風輪主軸、上變徑幅桿、底座、下變徑幅桿、變徑連接座、變徑齒條軸、風輪主軸豎槽、滑動軸承、螺栓、防護罩、齒輪軸、第一直齒輪、垂直軸錐齒輪、水平軸錐齒輪、主傳動軸、聯(lián)軸器、伺服電機、電機連接座、自啟動機構(gòu)電磁離合器、變徑機構(gòu)電磁離合器、齒輪箱體、第二直齒輪、第三直齒輪、發(fā)電機、從動帶輪、發(fā)電機傳動軸、同步帶、主動帶輪、中間軸；上述部件的連接關系如下風輪主軸上設有風輪主軸豎槽；風輪葉片上部與上變徑幅桿的一端連接；上變徑幅桿的另一端與風輪主軸的頂端連接；風輪葉片下部與下變徑幅桿的一端連接，下變徑幅桿的另一端與變徑連接座連接；變徑連接座安裝于變徑齒條軸上，變徑齒條軸安裝于風輪主軸豎槽內(nèi)；滑動軸承安裝于變徑齒條軸和風輪主軸豎槽之間；風輪主軸、中間軸和防護罩通過螺栓連接在一起；第三直齒輪和主動帶輪套接在中間軸外部；第三直齒輪與第一直齒輪嚙合；第一直齒輪和垂直軸錐齒輪同軸，共同位于齒輪軸上；垂直軸錐齒輪與水平軸錐齒輪嚙合；水平軸錐齒輪和第二直齒輪套在主傳動軸上；第二直齒輪與變徑機構(gòu)電磁離合器連接，并與變徑齒條軸嚙合。伺服電機通過聯(lián)軸器與主傳動軸連接；主傳動軸的末端位于齒輪箱體上；自啟動機構(gòu)電磁離合器與水平軸錐齒輪連接；主動帶輪與同步帶ー側(cè)嚙合；同步帶另ー側(cè)與從動帶輪嚙合；從動帶輪下端固定發(fā)電機傳動軸，發(fā)電機傳動軸與發(fā)電機連接。本實用新型中所述風輪葉片、下變徑幅桿和變徑連接座的連接方式優(yōu)選為風輪葉片的下部通過螺栓與變徑鉸鏈座固定連接，變徑鉸鏈座再通過鉸鏈與下變徑幅桿的一端相連接，下變徑幅桿的另一端通過鉸鏈與變徑連接座相連接。本實用新型中所述風輪葉片、上變徑幅桿和風輪主軸的連接方式優(yōu)選為風輪葉片的上部通過螺栓、變徑鉸鏈座與上變徑幅桿的一端進行連接，上變徑幅桿的另一端則通過固定鉸鏈座與風輪主軸頂端相連接。本實用新型所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，還包括控制器；該控 制器包括微處理器、伺服電機驅(qū)動器、風カ機轉(zhuǎn)軸制動器、電壓電流傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器、無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器和LED指示燈；所述微處理器與自啟動機構(gòu)電磁離合器、變徑機構(gòu)電磁離合器、伺服電機驅(qū)動器、風カ機轉(zhuǎn)軸制動器、電壓電流傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器、無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器和LED指示燈連接；電壓電流傳感器與發(fā)電機連接采集發(fā)電機輸出電壓電流；所述伺服電機驅(qū)動器與伺服電機連接用于控制伺服電機的啟動與關閉；微處理器通過電壓電流傳感器完成對發(fā)電機輸出電壓電流的數(shù)據(jù)采集；溫度傳感器和風速傳感器完成外部環(huán)境溫度、風速的數(shù)據(jù)采集；風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器完成風カ機轉(zhuǎn)速的采集；微處理器將所采集的數(shù)據(jù)暫時存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)當中，然后對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果下達給伺服電機驅(qū)動器、自啟動機構(gòu)電磁離合器和變徑機構(gòu)電磁離合器，從而通過伺服電機的運轉(zhuǎn)來驅(qū)動完成風輪回轉(zhuǎn)半徑的改變以及風カ發(fā)電裝置的自啟動運行；同時微處理器還要完成對發(fā)電機工作狀態(tài)的監(jiān)控，若無異常則通過LED指示燈顯示正常エ作；若發(fā)現(xiàn)有異常存在，則及時對異常做出處理；否則微處理器下達停車命令，通過風カ機轉(zhuǎn)軸制動器強制停止風カ發(fā)電的運行；微處理器還與無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器相連接，用以實現(xiàn)各種監(jiān)控數(shù)據(jù)的無線遠程傳送。 本實用新型中所述微處理器為核心控制元件，該控制元件采用三星公司ARM920T內(nèi)核的高性能的位處理器S3C2440，其主頻高達400MHz，采用5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，具有通用I0、ADC、SPI、PWM多種類型的數(shù)據(jù)接ロ ；所述風速傳感器設有可對所采集的正弦波信號進行調(diào)理的四電壓比較器；所述風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器與所述微處理器之間使用運放集成電路對該電壓信號進行放大，采用四電壓比較器LM339AN對所采集的正弦波信號進行調(diào)理。本實用新型中，將所述智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置分成風輪機、變徑機構(gòu)、自啟動機構(gòu)、發(fā)電機及其傳動機構(gòu)和控制器五個部分，與傳統(tǒng)的風輪轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)半徑不變的垂直軸風カ發(fā)電裝置相比，本實用新型増加了變徑機構(gòu)、自啟動機構(gòu)和相應的控制器，具體的裝置結(jié)構(gòu)組成與技術方案如下。I、風輪機風輪機包括風輪葉片、風輪主軸、上變徑幅桿、下變徑幅桿、變徑鉸鏈座、變徑連接座、變徑齒條軸、風輪主軸豎槽以及用于各部件連接的固定鉸鏈座、螺栓、螺母、鉸鏈。風輪機采用垂直軸的直線翼型(H型)結(jié)構(gòu)，由2 6枚對稱翼型葉片連接而成。直線翼型垂直軸風カ機葉片結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，整機體積小，加工成本低，而且整個葉片都可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，風輪利用效率較高。本實用新型中為了實現(xiàn)風輪回轉(zhuǎn)半徑的連續(xù)可調(diào)，在風輪機上優(yōu)選采用了雙鉸鏈裝置，即連接葉片與風力機主軸之間的上連接桿與下連接桿的首尾兩端均采用鉸鏈裝置，使上、下連接桿可相對于葉片轉(zhuǎn)動。葉片在風力作用下繞風カ機主軸旋轉(zhuǎn)，隨葉片ー并旋轉(zhuǎn)的還有每個葉片對應連接的上、下連接桿。2、變徑機構(gòu)變徑機構(gòu)由伺服定位系統(tǒng)和包括齒輪齒條機構(gòu)在內(nèi)的傳動系統(tǒng)組成。變徑機構(gòu)包括底座、滑動軸承、主傳動軸、聯(lián)軸器、伺服電機、電機連接座、變徑機構(gòu)電磁離合器、齒輪箱體、第二直齒輪和變徑齒條軸。變徑機構(gòu)位于底座內(nèi)，當需要改變風輪轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)半徑吋，首先由變徑機構(gòu)電磁離合器通過吸合作用，將第二直齒輪與主傳動軸連接，然后驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動相應的角度，通過變徑機構(gòu)電磁離合器將第二直齒輪的轉(zhuǎn)動量傳至變徑齒條軸，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動量到直線位移量的轉(zhuǎn)換。變徑齒條軸上齒條的直線運動再推動相應的變徑連接座上下直線運動，從而通過與之相連的鉸鏈裝置帶動風輪葉片的上、下連接桿相對于葉片擺動，實現(xiàn)風輪轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)半徑的改變。由于風輪回轉(zhuǎn)半徑的改變只是輔助完成風カ發(fā)電的最大功率點跟蹤控制，因此，實現(xiàn)變徑功能的伺服執(zhí)行元件可以采用開環(huán)方式進行控制，既減少了控制系統(tǒng)硬件和軟件的復雜程度，又有效提高了控制的實時性。在不需要變徑操作的時候，就將變徑機構(gòu)電磁離合器斷開，從而切除齒輪齒條機構(gòu)與伺服電機之間的動カ傳遞路線。3、自啟動機構(gòu)自啟動機構(gòu)包括螺栓16、防護罩17、齒輪軸18、第一直齒輪19、垂直軸錐齒輪20、水平軸錐齒輪21、主傳動軸22、聯(lián)軸器23、伺服電機24、電機連接座25、自啟動機構(gòu)電磁離合器26、齒輪箱體28和第三直齒輪30，自啟動機構(gòu)實現(xiàn)風速低于切入速度時的風力機自啟動運行與自動切換功能。為了解決垂直軸風カ發(fā)電機啟動困難的問題，在風カ機啟動時，先通過變徑機構(gòu)將風輪回轉(zhuǎn)半徑調(diào)至最大，再將自啟動機構(gòu)電磁離合器接通吸合，從而把伺服電機的轉(zhuǎn)動輸出經(jīng)水平軸錐齒輪通過垂直軸錐齒輪和第一直齒輪傳遞到風輪主軸，帶動風輪葉片旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)風カ機的自啟動，待轉(zhuǎn)速達到一定數(shù)值后，將自啟動機構(gòu)電磁離合器 斷開，切除風輪主軸與伺服電機之間的動カ傳遞路線，風輪便能自由地在風力作用下旋轉(zhuǎn)，不再需要伺服電機的輔助啟動カ矩。從上述變徑機構(gòu)和自啟動機構(gòu)的技術方案可知，伺服電機在風カ發(fā)電裝置中起到雙重驅(qū)動作用，一是作為伺服定位執(zhí)行元件，驅(qū)動變徑機構(gòu)運行，實現(xiàn)風輪回轉(zhuǎn)半徑的改變；ニ是作為轉(zhuǎn)動執(zhí)行元件，驅(qū)動自啟動機構(gòu)運行，實現(xiàn)風力機的啟動運行。這兩種功能的切入是通過分別對變徑機構(gòu)電磁離合器和自啟動機構(gòu)電磁離合器的通斷電控制來完成的。4、發(fā)電機及其傳動機構(gòu)發(fā)電機傳動機構(gòu)包括從動帶輪、發(fā)電機傳動軸、同步帶、主動帶輪和中間軸。發(fā)電機優(yōu)選采用永磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點。發(fā)電機采用永磁體勵磁，消除了勵磁損耗，提高了效率，實現(xiàn)了發(fā)電機無刷化，并且在運行時不需要從電網(wǎng)吸收無功功率來建立磁場，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。發(fā)電機傳動機構(gòu)優(yōu)選采用直接驅(qū)動的方式，減少風輪與發(fā)電機之間的動カ傳遞線路，從而提高風力發(fā)電機組的效率和可靠性，降低設備的維護量，減少噪聲污染。5、控制器控制器實現(xiàn)風輪回轉(zhuǎn)半徑大小的智能控制以及風カ發(fā)電裝置的自啟動與安全運行監(jiān)控任務。控制器硬件方面除了核心的嵌入式系統(tǒng)最小系統(tǒng)以外，還外部擴展了檢測傳感、輸出控制和遠程通信等部分。其中，檢測傳感部分需要檢測外部環(huán)境溫度、風速、風輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機工作狀態(tài)(包括溫度、輸出電壓、電流等)；輸出控制部分涉及伺服電機控制、風カ發(fā)電裝置運行狀態(tài)指示、制動控制等；遠程通信部分是利用無線或有線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)控制器與風カ發(fā)電遠程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸?？刂破鬈浖矫娌捎脤崟r操作系統(tǒng)，以多任務的方式實現(xiàn)各種控制任務的程序設計，同時也便于實現(xiàn)控制程序的擴展和移植，以及控制算法的更新，從而達到不斷增加控制功能和提高控制效果的目的。除風輪機外，本實用新型的其它機構(gòu)和裝置均可安裝在地面上，不僅結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定性好，而且對風輪機的運行沒有任何不利影響。有益效果本實用新型具有如下優(yōu)點I、本實用新型所述智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置從改變垂直軸風カ機風輪回轉(zhuǎn)半徑的角度，提出了一種在風速不斷變化的情況下，提高了垂直軸風カ機的風輪效率以及風力發(fā)電機的輸出功率。[0033]2、本實用新型所述智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置能夠在風速低于切入速度時風カ機時自行啟動，風速超過額定風速時風カ機實行自我保護，特別適合于在船舶、海洋工程平臺、島嶼等風速大、風速和風向變化快的風カ發(fā)電應用場合，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、風輪回轉(zhuǎn)半徑控制精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定性強。3、本實用新型所述智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置中控制器采用基于ARM架構(gòu)的32位微處理器為核心控制元件，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和較多的接ロ類型，可擴展性強，有利于充分利用各種嵌入式系統(tǒng)控制技術和資源，進ー步提高垂直軸風カ發(fā)電裝置的自動化程度，便于實現(xiàn)遠程自動控制。


圖I是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實用新型中風カ發(fā)電裝置底座內(nèi)機械結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型的風カ發(fā)電裝置中控制器的硬件組成結(jié)構(gòu)圖。圖5為本實用新型的風カ發(fā)電裝置中控制器中軟件模塊組成結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
實施例如圖1-3所示的ー種智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，包括風輪葉片I、風輪主軸2、上變徑幅桿3、底座4、固定鉸鏈座5、螺栓6、鉸鏈7、下變徑幅桿8、變徑鉸鏈座9、變徑連接座10、螺母11、變徑齒條軸12、風輪主軸豎槽13、鉸鏈14、滑動軸承15、螺栓16、防護罩17、齒輪軸18、第一直齒輪19、垂直軸錐齒輪20、水平軸錐齒輪21、主傳動軸22、聯(lián)軸器23、伺服電機24、電機連接座25、自啟動機構(gòu)電磁離合器26、變徑機構(gòu)電磁離合器27、齒輪箱體28、第二直齒輪29、第三直齒輪30、發(fā)電機31、從動帶輪32、發(fā)電機傳動軸33、同步帶34、主動帶輪35、中間軸36。本實施例上述部件的連接關系如下風輪主軸2上設有風輪主軸豎槽13 ;風輪葉片I的上部通過螺栓6與變徑鉸鏈座9固定連接，變徑鉸鏈座9再通過鉸鏈7與上變徑幅桿3的一端相連接，上變徑幅桿3的另一端則通過鉸鏈7與固定在風輪主軸2頂端的固定鉸鏈座5相連接；風輪葉片I的下部通過螺栓6與變徑鉸鏈座9固定連接，變徑鉸鏈座9再通過鉸鏈7與下變徑幅桿8的一端相連接，下變徑幅桿8的另一端通過鉸鏈14與變徑連接座10相連接；變徑連接座10安裝于變徑齒條軸12上，變徑齒條軸12安裝于風輪主軸豎槽13內(nèi)；滑動軸承15安裝于變徑齒條軸12和風輪主軸豎槽13之間；風輪主軸2、中間軸36和防護罩17通過螺栓16連接在一起；第三直齒輪30和主動帶輪35套接在中間軸36外部；第三直齒輪30與第一直齒輪19嚙合；第一直齒輪19和垂直軸錐齒輪20同軸，共同位于齒輪軸18上；垂直軸錐齒輪20與水平軸錐齒輪21嚙合；水平軸錐齒輪21和第二直齒輪29套在主傳動軸22上；第二直齒輪29與變徑機構(gòu)電磁離合器27連接，并與變徑齒條軸12嚙合；伺服電機24通過聯(lián)軸器23與主傳動軸22連接；主傳動軸22的末端位于齒輪箱體28上；自啟動機構(gòu)電磁離合器26與水平軸錐齒輪21連接；主動帶輪35與同步帶34 —側(cè)嚙合；同步帶34另ー側(cè)與從動帶輪32嚙合；從動帶輪32下端固定發(fā)電機傳動軸33，發(fā)電機傳動軸33與發(fā)電機31連接。[0044]本實施例中將整個智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置將機械結(jié)構(gòu)分為風輪機、變徑機構(gòu)、自啟動機構(gòu)和發(fā)電機及其傳動機構(gòu)；風輪機構(gòu)、變徑機構(gòu)、自啟動機構(gòu)、發(fā)電機及其傳動機構(gòu)各部分組成及工作原理如下風輪機包括風輪葉片I、風輪主軸2、上變徑幅桿3、固定鉸鏈座5、螺栓6、鉸鏈7、下變徑幅桿8、變徑鉸鏈座9、變徑連接座10、螺母11、變徑齒條軸12、風輪主軸豎槽13、鉸鏈14。風輪葉片I由2 6枚NACA系列的升阻比較高的對稱翼型葉片連接而成。每個風輪葉片的連接方法相同。連接方式為風輪葉片I的上部通過螺栓6與變徑鉸鏈座9固定連接，變徑鉸鏈座9再通過鉸鏈7與上變徑幅桿3的一端相連接，上變徑幅桿3的另一端則通過鉸鏈7與固定在風輪主軸2頂端的固定鉸鏈座5相連接；風輪葉片I的下部通過螺栓6與變徑鉸鏈座9固定連接，變徑鉸鏈座9再通過鉸鏈7與下變徑幅桿8的一端相連接，下變徑幅桿8的另一端通過鉸鏈14與變徑連接座10相連接；變徑連接座10安裝于變徑齒條軸12上，變徑齒條軸12安裝于風輪主軸豎槽13內(nèi)。上述風輪機的連接方式一方面確保了風輪葉片I在風力作用下可帶動風輪主軸2旋轉(zhuǎn)，另一方面也允許變徑連接座10可上下運動，從而通過由變徑齒條軸12、下變徑幅桿8、風輪葉片I、上變徑幅桿3構(gòu)成的四連桿機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)風輪回轉(zhuǎn)半徑的改變。變徑機構(gòu)包括底座4、變徑齒條軸12、滑動軸承15、主傳動軸22、聯(lián)軸器23、伺服電機24、電機連接座25、變徑機構(gòu)電磁離合器27、齒輪箱體28和第二直齒輪29。變徑機構(gòu)位于底座4內(nèi)，安裝在電機連接座25上的伺服電機24經(jīng)聯(lián)軸器23帶動主傳動軸22旋轉(zhuǎn)，當需要改變風輪回轉(zhuǎn)半徑吋，齒輪箱體28內(nèi)的變徑機構(gòu)電磁離合器27加電，其端齒吸合后使原空套在主傳動軸22上的第二直齒輪29與主傳動軸22同步旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)齒輪齒條副將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為變徑齒條軸12在滑動軸承15導向支承下的上下直線運動，從而推動變徑連接座10，通過四連桿機構(gòu)實現(xiàn)風輪葉片回轉(zhuǎn)半徑的變化。自啟動機構(gòu)包括螺栓16、防護罩17、齒輪軸18、第一直齒輪19、垂直軸錐齒輪20、水平軸錐齒輪21、主傳動軸22、聯(lián)軸器23、伺服電機24、電機連接座25、自啟動機構(gòu)電磁離合器26、齒輪箱體28、第三直齒輪30。自啟動機構(gòu)位于底座4內(nèi)，工作時，安裝在電機連接座25上的伺服電機24經(jīng)聯(lián)軸器23帶動主傳動軸22旋轉(zhuǎn)，當需要自啟動運行吋，齒輪箱體28內(nèi)的自啟動機構(gòu)電磁離合器26加電,其端齒吸合后使原空套在主傳動軸22上的水平軸錐齒輪21與主傳動軸22同步旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)垂直軸錐齒輪20、水平軸錐齒輪21、第一直齒輪19、第三直齒輪30將回轉(zhuǎn)運動傳遞至中間軸36帶動風輪主軸2以及連接在其上的風輪葉片I旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機及其傳動機構(gòu)發(fā)電機及其傳動機構(gòu)也位于底座4內(nèi)，發(fā)電機31優(yōu)選選用永磁同步發(fā)電機。發(fā)電機傳動機構(gòu)包括從動帶輪32、發(fā)電機傳動軸33、同步帶34、主動帶輪35、中間軸36。為了避免與變徑機構(gòu)和自啟動機構(gòu)之間的干渉，發(fā)電機傳動機構(gòu)通過主動帶輪35、同步帶34和從動帶輪32將風輪主軸2的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到發(fā)電機傳動軸33。主動帶輪35通過中間軸36與風輪主軸2連接,將風輪主軸2的旋轉(zhuǎn)運動通過同步帶34傳至從動帶輪32，從動帶輪32再通過發(fā)電機傳動軸33將旋轉(zhuǎn)運動最終傳遞至發(fā)電機31的轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)發(fā)電運行。這種同步帶輪傳動方式接近于風カ機對發(fā)電機的直接驅(qū)動方式，不僅提高了風カ發(fā)電機組的效率和可靠性，而且降低了設備的維護量，減少了噪聲污染。[0050]本實施例所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置還包括控制器(如圖4);所述控制器包括微 處理器37、伺服電機驅(qū)動器38、風カ機轉(zhuǎn)軸制動器39、電壓電流傳感器40、溫度傳感器41、風速傳感器42、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器43、無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器44和LED指示燈；所述微處理器37與自啟動機構(gòu)電磁離合器26、變徑機構(gòu)電磁離合器27、伺服電機驅(qū)動器38、風カ機轉(zhuǎn)軸制動器39、電壓電流傳感器40、溫度傳感器41、風速傳感器42、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器43、無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器44和LED指示燈連接；電壓電流傳感器40與發(fā)電機31連接采集發(fā)電機輸出電壓電流；所述伺服電機驅(qū)動器38與伺服電機24連接用于控制伺服電機24的啟動與關閉?？刂破饔布O計以微處理器37為核心控制元件，該控制元件采用三星公司ARM920T內(nèi)核的高性能的32位處理器S3C2440，其主頻高達400MHz，采用5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，具有通用10、ADC、SPI、PWM等多種類型的數(shù)據(jù)接ロ。通過鍵盤輸入和IXD顯示器接ロ所構(gòu)成的人機界面可對風カ發(fā)電裝置控制系統(tǒng)進行工作模式與參數(shù)的設定以及工作狀況的實時監(jiān)控。微處理器37通過電壓電流傳感器40完成對發(fā)電機輸出電壓電流的數(shù)據(jù)采集；溫度傳感器41和風速傳感器42完成外部環(huán)境溫度、風速的數(shù)據(jù)采集；風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器43完成風カ機轉(zhuǎn)速的采集。風速傳感器42的輸出信號為脈沖信號，脈沖個數(shù)與外界風速成線性關系。為了解決在外界風速較大時，風速傳感器42輸出的脈沖高度可能隨外界風速的增大而降低的問題，采用四電壓比較器LM339AN來對輸入的脈沖信號進行調(diào)理，從而可有效避免微處理器37對脈沖的采集誤差。風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器43以電壓信號的形式輸出正弦波，由于輸出的電壓信號幅值較小，因此使用LM324運放集成電路對該電壓信號進行放大。為防止運放飽和弓I起高頻振蕩信號，這里也采用四電壓比較器LM339AN來對所采集的正弦波信號進行調(diào)理，然后再交由微處理器37進行信號處理。微處理器37將所采集的數(shù)據(jù)暫時存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)當中，通過相應的控制算法對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果下達給相應控制部件(如伺服電機驅(qū)動器38、自啟動機構(gòu)電磁離合器26、變徑機構(gòu)電磁離合器27)，從而通過伺服電機24的運轉(zhuǎn)來驅(qū)動完成變徑和自啟動任務。同時微處理器37還要完成對發(fā)電機工作狀態(tài)的監(jiān)控，若無異常則通過LED指示燈顯示正常工作；若發(fā)現(xiàn)有異常存在，則及時對異常做出處理，同時通過報警燈發(fā)出報警并在LCD顯示屏顯示對應的故障。若故障可自行解除，則退出報警，IXD顯示屏顯示正常工作；否則微處理器37下達停車命令，通過風カ機轉(zhuǎn)軸制動器39強制停止風カ發(fā)電的運行，并使喇叭常鳴。微處理器37還與無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器44相連接，用以實現(xiàn)各種監(jiān)控數(shù)據(jù)的無線遠程傳送。無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器44采用Chipcon公司的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)CC2430芯片，支持2. 4GHz IEEE 802. 15. 4/ZigBee協(xié)議。微處理器37通過自帶的同步串行外設接ロ SPI接ロ與CC2430自帶的SPI接ロ相連接，CC2430再通過其內(nèi)部的無線射頻收發(fā)器與外接天線模塊相連接，便可與無線通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，以定時的方式從無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器44向所屬的無線網(wǎng)絡路由器發(fā)送，進而再通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器以及網(wǎng)關在遠程監(jiān)控中心和風カ發(fā)電監(jiān)控對象之間傳遞監(jiān)控數(shù)據(jù)。微控制器外圍還擴展了 FLASH程序存儲器、SDRAM數(shù)據(jù)存儲器等外設以及構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)所必需的電源、晶振電路、復位電路、JTAG接ロ等。本實施例中還公開了智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置中控制器的軟件模塊組成(如圖5)，智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置控制器的軟件基于yC/OS- II實時多任務操作系統(tǒng)52進行設計，以移植到微處理器37后的y C/OS- II為操作平臺對整個系統(tǒng)資源進行管理，并對系統(tǒng)中的各個任務進行調(diào)度?？刂破鬈浖绦蛟O計的關鍵在于對系統(tǒng)的任務劃分。根據(jù)實際控制任務并結(jié)合重要性與實時性的要求，按優(yōu)先級由高到低的順序劃分為11個任務(I)程序監(jiān)視任務(防止程序跑飛)；(2)無線傳感網(wǎng)絡通信任務45 ; (3)變徑機構(gòu)與自啟動機構(gòu)電磁離合器控制任務47 ; (4)步進電機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)角控制任務48 ；(5)數(shù)據(jù)采集任務51 ; (6) IXD顯示管理任務46 ; (7)鍵盤管理任務54 ; (8)參數(shù)管理任務53 ； (9)聲光報警控制任務50 ; (10)制動控制任務49。上述各任務獨立編程，通過任務間的通信和同步機制來保證任務之間的協(xié)調(diào)。通信和同步用到的系統(tǒng)服務有信號量和消息郵 箱。信號量用于控制共享資源的使用權及激發(fā)其它任務的產(chǎn)生，消息郵箱用于通知任務的產(chǎn)生。
權利要求1.ー種智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，其特征在于該風カ發(fā)電裝置包括風輪葉片(I)、風輪主軸(2 )、上變徑幅桿(3 )、底座(4)、下變徑幅桿(8 )、變徑連接座(10 )、變徑齒條軸(12)、風輪主軸豎槽(13)、滑動軸承(15)、螺栓(16)、防護罩(17)、齒輪軸(18)、第一直齒輪(19)、垂直軸錐齒輪(20)、水平軸錐齒輪(21)、主傳動軸(22)、聯(lián)軸器(23)、伺服電機(24)、電機連接座(25)、自啟動機構(gòu)電磁離合器(26)、變徑機構(gòu)電磁離合器(27)、齒輪箱體(28)、第二直齒輪(29)、第三直齒輪(30)、發(fā)電機(31)、從動帶輪(32)、發(fā)電機傳動軸(33)、同步帶(34)、主動帶輪(35)、中間軸(36);上述部件的連接關系如下 風輪主軸(2)上設有風輪主軸豎槽(13)； 風輪葉片(I)上部與上變徑幅桿(3)的一端連接；上變徑幅桿(3)的另一端與風輪主軸(2)的頂端連接； 風輪葉片(I)下部與下變徑幅桿(8)的一端連接，下變徑幅桿(8)的另一端與變徑連接座(10)連接；變徑連接座(10)安裝于變徑齒條軸(12)上，變徑齒條軸(12)安裝于風輪主軸豎槽(13)內(nèi)；滑動軸承(15)安裝于變徑齒條軸(12)和風輪主軸豎槽(13)之間； 風輪主軸(2)、中間軸(36)和防護罩(17)通過螺栓(16)連接在一起；第三直齒輪(30)和主動帶輪(35)套接在中間軸(36)外部；第三直齒輪(30)與第一直齒輪(19)嚙合；第一直齒輪(19)和垂直軸錐齒輪(20)同軸，共同位于齒輪軸(18)上；垂直軸錐齒輪(20)與水平軸錐齒輪(21)嚙合；水平軸錐齒輪(21)和第二直齒輪(29)套在主傳動軸(22)上；第二直齒輪(29)與變徑機構(gòu)電磁離合器(27)連接，并與變徑齒條軸(12)嚙合； 伺服電機(24 )通過聯(lián)軸器(23 )與主傳動軸(22 )連接；主傳動軸(22 )的末端位于齒輪箱體(28)上；自啟動機構(gòu)電磁離合器(26)與水平軸錐齒輪(21)連接； 主動帶輪(35)與同步帶(34) —側(cè)嚙合；同步帶(34)另ー側(cè)與從動帶輪(32)嚙合；從動帶輪(32)下端固定發(fā)電機傳動軸(33)，發(fā)電機傳動軸(33)與發(fā)電機(31)連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，其特征在于所述風輪葉片(I)、下變徑幅桿(8)和變徑連接座(10)的連接方式為風輪葉片(I)的下部通過螺栓(6)與變徑鉸鏈座(9)固定連接，變徑鉸鏈座(9)再通過鉸鏈(7)與下變徑幅桿(8)的一端相連接，下變徑幅桿(8)的另一端通過鉸鏈(14)與變徑連接座(10)相連接。
3.根據(jù)權利要求I所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，其特征在于所述風輪葉片(I)、上變徑幅桿(3)和風輪主軸(2)的連接方式為風輪葉片(I)的上部通過螺栓(6)、變徑鉸鏈座(9)與上變徑幅桿(3)的一端進行連接，上變徑幅桿(3)的另一端則通過固定鉸鏈座(5)與風輪主軸(2)頂端相連接。
4.根據(jù)權利要求I所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，其特征在于所述智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置還包括控制器；所述控制器包括微處理器(37)、伺服電機驅(qū)動器(38)、風カ機轉(zhuǎn)軸制動器(39)、電壓電流傳感器(40)、溫度傳感器(41)、風速傳感器(42)、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器(43)、無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器(44)和LED指示燈；所述微處理器(37)與自啟動機構(gòu)電磁離合器(26)、變徑機構(gòu)電磁離合器(27)、伺服電機驅(qū)動器(38)、風カ機轉(zhuǎn)軸制動器(39)、電壓電流傳感器(40)、溫度傳感器(41)、風速傳感器(42)、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器(43)、無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器(44)和LED指示燈連接；電壓電流傳感器(40)與發(fā)電機(31)連接采集發(fā)電機輸出電壓電流；所述伺服電機驅(qū)動器(38)與伺服電機(24)連接用于控制伺服電機(24)的啟動與關閉；微處理器(37 )通過電壓電流傳感器(40 )完成對發(fā)電機輸出電壓電流的數(shù)據(jù)采集；溫度傳感器(41)和風速傳感器(42)完成外部環(huán)境溫度、風速的數(shù)據(jù)采集；風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器(43)完成風カ機轉(zhuǎn)速的采集；微處理器(37)將所采集的數(shù)據(jù)暫時存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)當中，然后對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果下達給伺服電機驅(qū)動器(38 )、自啟動機構(gòu)電磁離合器(26 )和變徑機構(gòu)電磁離合器(27 )，從而通過伺服電機(24 )的運轉(zhuǎn)來驅(qū)動完成風輪回轉(zhuǎn)半徑的改變以及風カ發(fā)電裝置的自啟動運行；同時微處理器(37)還要完成對發(fā)電機エ作狀態(tài)的監(jiān)控，若無異常則通過LED指示燈顯示正常工作；若發(fā)現(xiàn)有異常存在，則及時對異常做出處理；否則微處理器(37)下達停車命令，通過風カ機轉(zhuǎn)軸制動器(39)強制停止風カ發(fā)電的運行；微處理器(37)還與無線通信網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點控制器(44)相連接，用以實現(xiàn)各種監(jiān)控數(shù)據(jù)的無線遠程傳送。
5.根據(jù)權利要求I所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，其特征在于所述發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機。
6.根據(jù)權利要求4所述的智能變徑自啟動垂直軸風カ發(fā)電裝置，其特征在于所述微處理器(37)為核心控制元件，該控制元件采用三星公司ARM920T內(nèi)核的高性能的32位處理器S3C2440，其主頻高達400MHz，采用5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，具有通用IO、ADC、SPI、PWM多種類型的數(shù)據(jù)接ロ ；所述風速傳感器(42)設有可對所采集的正弦波信號進行調(diào)理的四電壓比較器；所述風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器(43 )與所述微處理器(37 )之間使用運放集成電路對該電壓信號進行放大，采用四電壓比較器LM339AN對所采集的正弦波信號進行調(diào)理。
專利摘要本實用新型公開了一種智能變徑自啟動垂直軸風力發(fā)電裝置，采用垂直軸風力機中的直線翼型結(jié)構(gòu)；通過伺服電機和齒輪齒條的組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了風輪回轉(zhuǎn)半徑大小的控制與調(diào)整，風速低于切入速度時風力發(fā)電裝置自啟動運行與自動切換功能；以及實現(xiàn)了風輪回轉(zhuǎn)半徑大小的智能控制以及風力發(fā)電裝置的自啟動與安全運行監(jiān)控任務。本實用新型從改變垂直軸風力機風輪回轉(zhuǎn)半徑的角度，提出了一種在風速不斷變化的情況下提高垂直軸風輪效率以及風力發(fā)電機輸出功率的有效方法，而且給出了一種當風速低于切入速度時風力發(fā)電裝置自行啟動，當風速超過額定風速時風力發(fā)電裝置能自我保護的有效途徑，適合于風速大、風速和風向變化快的風力發(fā)電應用場合。
文檔編號F03D7/06GK202391652SQ20112044548
公開日2012年8月22日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權日2011年11月11日
發(fā)明者孫兵, 魏建華 申請人:南通紡織職業(yè)技術學院