一種中低速用h型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)，包括風(fēng)壓傳感器、支撐桿、風(fēng)輪主軸、葉片、集電環(huán)、電動推桿、變頻電機(jī)、葉片安裝箍以及控制器和繼電器，所述支撐桿設(shè)置有五個，均勻分布在風(fēng)輪主軸的圓周位置上，每個支撐桿上均連接一個葉片，所述葉片與支撐桿之間采用葉片安裝箍連接；每個支撐桿上都安裝有一個風(fēng)壓傳感器，使其通過感應(yīng)風(fēng)壓來檢測風(fēng)輪所在的位置；在每個葉片安裝箍及其后面相鄰葉片對應(yīng)的支撐桿之間安裝一個電動推桿，使其根據(jù)風(fēng)壓傳感器檢測到的葉片位置信號，推動葉片安裝箍繞支撐桿支點(diǎn)轉(zhuǎn)動一定的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)調(diào)整每個葉片攻角的目的。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、便于安裝和維護(hù)，穩(wěn)定性好。
【專利說明】—種中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)，屬于風(fēng)力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]能源作為社會生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本需求，越來越受到國家的重視。風(fēng)能作為一種無污染的可再生綠色能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。風(fēng)能的利用主要是水平軸及垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。目前的垂直軸風(fēng)力機(jī)具備能接收來自任何方向的風(fēng)，無須對風(fēng)，無增速齒輪箱及發(fā)電機(jī)能安裝在地面上，維修方便等優(yōu)點(diǎn)而逐步被重視，應(yīng)用也越來越廣泛。但目前在通常風(fēng)速下風(fēng)輪大都是固定葉片攻角，只有當(dāng)風(fēng)速超過極限風(fēng)速時，為了避免風(fēng)輪損壞，采用變攻角限速。因風(fēng)在吹動H型垂直軸風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)過程中，風(fēng)輪一半在做正功，而另一半是在做負(fù)功，因此風(fēng)能利用率低，同時也存在自動啟動能力差，速度控制困難等問題。鑒于此，如果在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中使做正功的風(fēng)輪與風(fēng)的接觸面積盡量的大，做負(fù)功的風(fēng)輪與風(fēng)的接觸面積盡量的小，這樣就會大大增加風(fēng)能利用率，此時就需要調(diào)整相應(yīng)葉片攻角來實現(xiàn)。
[0003]目前，在《垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片攻角調(diào)節(jié)裝置》(申請?zhí)?200610023892.2)專利中，公開了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尤指一種通過調(diào)節(jié)葉片攻角從而有效降低垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速及提高其風(fēng)能利用率的葉片攻角調(diào)節(jié)裝置，包括垂直方向的旋轉(zhuǎn)軸、固定在旋轉(zhuǎn)軸上的可旋轉(zhuǎn)懸臂支持翼、安裝在懸臂支持翼上的復(fù)數(shù)個葉片組成的風(fēng)輪，沿上述旋轉(zhuǎn)軸軸向設(shè)置至少一個凸輪，凸輪的軸向與旋轉(zhuǎn)軸平行，該凸輪輪廓線上的任意一點(diǎn)的攻角δ =方位角β_轉(zhuǎn)角α，各個葉片相對于其連接的懸臂支持翼可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以傳動裝置連接凸輪與葉片。
[0004]上述專利雖然能改變?nèi)~片的攻角，但其使用了凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)部件復(fù)雜，安裝相對困難。更為重要的是，專利所提出的每10度變換一次攻角或?qū)崟r變攻角，在實際操作過程中，尤其是風(fēng)速大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高時根本無法實現(xiàn)。因為通常而言機(jī)械傳動件比電氣元器件的動態(tài)響應(yīng)時間要大幾個數(shù)量級。如目前3kw垂直軸風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速為110r/min時，10度變換一次攻角需要的時間約為0.016s,由于包括凸輪和連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)的傳動機(jī)構(gòu)的響應(yīng)滯后性及風(fēng)輪的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，在這么短的時間內(nèi)，很難完成葉片攻角的改變。
[0005]鑒于上述情況，本系統(tǒng)采用電動推桿來實現(xiàn)變化葉片的攻角，電動推桿體積小、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，安裝方便。同時，針對上述專利控制攻角變化的滯后性，該專利提出在低穩(wěn)定風(fēng)速下，風(fēng)輪每轉(zhuǎn)動45度角，葉片轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動一次。尤其突出的是保證葉片在每個方位角下所做的功為正功，或者在無法改變其做負(fù)功的情況下，通過改變?nèi)~片攻角使其在所在方位處所做的負(fù)功最小，從而使風(fēng)輪整體獲得較大的驅(qū)動力，提高風(fēng)能利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可以通過電動推桿實時控制垂直軸風(fēng)輪葉片變攻角的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)為在每個支撐桿安裝一風(fēng)壓傳感器，將風(fēng)壓傳感器檢測到的壓力信號傳給控制器，控制器根據(jù)壓力信號判斷葉片所在位置；同時在每個葉片安裝箍及其后面相鄰葉片對應(yīng)的支撐桿之間安裝一電動推桿，控制器判斷葉片所在位置后，控制器輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號給相應(yīng)的電動推桿，電動推桿推動葉片繞支撐桿支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使葉片轉(zhuǎn)角發(fā)生相應(yīng)變化，從而實現(xiàn)葉片做正功或做負(fù)功最小，提聞風(fēng)能利用率。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0008]一種中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)，包括風(fēng)壓傳感器、支撐桿、風(fēng)輪主軸、葉片、集電環(huán)、電動推桿、變頻電機(jī)、葉片安裝箍、控制器和繼電器，其中，支撐桿設(shè)置有五個，均勻分布在風(fēng)輪主軸的圓周位置上，每個支撐桿上均連接一個葉片，葉片與支撐桿之間采用葉片安裝箍連接；每個支撐桿上都安裝有一個風(fēng)壓傳感器，使其通過感應(yīng)風(fēng)壓來檢測風(fēng)輪所在的位置；在每個葉片安裝箍及其后面相鄰葉片對應(yīng)的支撐桿之間安裝一個電動推桿，電動推桿上連接有變頻電機(jī)，使其根據(jù)風(fēng)壓傳感器檢測到的葉片位置信號，推動葉片安裝箍繞支撐桿支點(diǎn)轉(zhuǎn)動一定的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)調(diào)整每個葉片攻角的目的，使其達(dá)到最佳出力角度；控制器內(nèi)設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換器。
[0009]進(jìn)一步地，風(fēng)輪主軸為中空軸，其上端安裝有集電環(huán)，風(fēng)壓傳感器和電動推桿上設(shè)置有導(dǎo)線接入集電環(huán)，該導(dǎo)線經(jīng)過集電環(huán)后，從風(fēng)輪主軸的底端引出接入設(shè)置在風(fēng)輪主軸外側(cè)的控制器上。
[0010]上述整個系統(tǒng)具體的控制流程如下:風(fēng)壓傳感器將接收到的風(fēng)壓信號輸出為
0-5v的電壓信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號發(fā)送給控制器，控制器判斷出葉片位置，并根據(jù)已設(shè)置好的葉片在此方位下的轉(zhuǎn)角，計算得出電動推桿需調(diào)整的直線長度。電機(jī)變頻控制器根據(jù)已設(shè)定好的某方位下葉片轉(zhuǎn)動時間計算出相應(yīng)的控制頻率，進(jìn)而在此頻率下變頻電機(jī)帶動電動推桿推動葉片轉(zhuǎn)動。
[0011]該發(fā)明的有益效果在于:該發(fā)明系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:
[0012]I)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、便于安裝和維護(hù)，穩(wěn)定性好。
[0013]2)從系統(tǒng)響應(yīng)時間來看，該系統(tǒng)適合于3kW?IOkW的小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，特別適合于IOkW以上的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這主要是因為，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的增加，其對應(yīng)風(fēng)速下相應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速會降低。如常見3kW垂直軸風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約為70r/min，葉輪每轉(zhuǎn)動45度角，控制葉片轉(zhuǎn)角的時間約為0.1s。而對于IOkW垂直軸風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速為3m/s?25m/s,對應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為12r/min?68r/min,因此當(dāng)風(fēng)輪每轉(zhuǎn)動45度角，控制葉片轉(zhuǎn)角的時間均會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.ls，可以覆蓋整個風(fēng)輪所利用的風(fēng)速。
[0014]3)該系統(tǒng)所用電動推桿市場品種較多，防護(hù)等級可滿足戶外使用，無需定制，因而總體成本較低。
[0015]4)該系統(tǒng)采用反饋-輸出閉環(huán)控制方式，根據(jù)反饋信號可以實時控制葉片的攻角變化，系統(tǒng)可控性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例中垂直軸風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實施例中的系統(tǒng)控制流程圖。
[0018]圖3是本發(fā)明實施例中的葉片攻角圖。
[0019]圖4是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為0°時的速度、受力分析圖。[0020]圖5是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為45°時的速度、受力分析圖。
[0021]圖6是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為90°時的速度、受力分析圖。
[0022]圖7是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為135°時的速度、受力分析圖。
[0023]圖8是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為180°時的速度、受力分析圖。
[0024]圖9是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為225°時的速度、受力分析圖。
[0025]圖10是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為270°時的速度、受力分析圖。
[0026]圖11是本發(fā)明實施例中葉片在方位角為315°時的速度、受力分析圖。
[0027]圖中標(biāo)記說明:1_1、風(fēng)壓傳感器；1_2、支撐桿；1_3、風(fēng)輪主軸；1_4、葉片；1_5、集電環(huán)；1_6、電動推桿；1_7、變頻電機(jī)；1_8、葉片安裝箍；1_9、控制器；1_10、繼電器；v:表示風(fēng)速；u:表示葉片速度；w:表示相對風(fēng)速；a:表示攻角；b:表示葉片方位角；c:表示葉片旋轉(zhuǎn)角山:表示升力。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。
[0029]實施例
[0030]如圖1所示，該發(fā)明實施例中的中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片可控變攻角裝置包括風(fēng)壓傳感器1-1、支撐桿1-2、風(fēng)輪主軸1-3、葉片1-4、集電環(huán)1-5、電動推桿1-6、變頻電機(jī)1-7、葉片安裝箍1-8、控制器1-9、繼電器1-10，其中，支撐桿1_2設(shè)置有五個，均勻分布在風(fēng)輪主軸1-3的圓周位置上，每個支撐桿1-2上均連接一個葉片1-4，葉片1-4與支撐桿1-2之間采用葉片安裝箍1-8安裝連接?？刂破?-9內(nèi)設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換器。[0031 ] 在圖1中的每個支撐桿1-2上都安裝有一個風(fēng)壓傳感器1-1，使其通過感應(yīng)風(fēng)壓來檢測風(fēng)輪所在的位置；在每個葉片安裝箍1-8及其后面相鄰葉片1-4對應(yīng)的支撐桿1-2之間安裝一個電動推桿1-6，電動推桿1-6上連接有變頻電機(jī)1-7 ;使其根據(jù)風(fēng)壓傳感器1-1檢測到的葉片1-4位置信號，推動葉片安裝箍1-8繞支撐桿1-2支點(diǎn)轉(zhuǎn)動一定的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)調(diào)整每個葉片攻角的目的，使其達(dá)到最佳出力角度。
[0032]風(fēng)輪主軸1-3為中空軸，其上端安裝有集電環(huán)1-5，風(fēng)壓傳感器1-1和電動推桿
1-6上設(shè)置有導(dǎo)線接入集電環(huán)1-5，該導(dǎo)線經(jīng)過集電環(huán)，從風(fēng)輪主軸1-3的底端引出接入設(shè)置在風(fēng)輪主軸1-3外側(cè)的控制器上。
[0033]整個系統(tǒng)具體的控制流程如圖2所示。其中，風(fēng)壓傳感器將接收到的風(fēng)壓信號輸出為0-5v的電壓信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號發(fā)送給控制器，控制器判斷出葉片位置，并根據(jù)已設(shè)置好的葉片在此方位下的轉(zhuǎn)角，計算得出電動推桿需調(diào)整的直線長度。電機(jī)變頻控制器根據(jù)已設(shè)定好的某方位下葉片轉(zhuǎn)動時間計算出相應(yīng)的控制頻率，進(jìn)而在此頻率下變頻電機(jī)帶動電動推桿推動葉片轉(zhuǎn)動。
[0034]圖3為葉片攻角圖。根據(jù)葉片攻角圖來計算每個葉片在旋轉(zhuǎn)過程中的攻角。由空氣動力學(xué)可知，葉片前、后緣的連線稱為葉片的弦線，弦線與圓周上某一位置切線的夾角稱為葉片的轉(zhuǎn)角，即圖3所示的c角。當(dāng)弦線與切線平行時，設(shè)c角為O度；當(dāng)葉片按回轉(zhuǎn)中心順時針轉(zhuǎn)時，設(shè)c角為正；當(dāng)葉片按回轉(zhuǎn)中心逆時針旋轉(zhuǎn)時，設(shè)c角為負(fù)。弦線與相對風(fēng)速之間的夾角稱為葉片的攻角，即圖3所示a角。圖3所示的b角為葉片的方位角，即旋轉(zhuǎn)中心與葉片氣動中心的連線與O度線間的夾角(在后面的分析中設(shè)葉片的方位角近似等于葉片支撐桿的方位角)。
[0035]根據(jù)計算公式
【權(quán)利要求】
1.一種中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)，其特征在于:包括風(fēng)壓傳感器、支撐桿、風(fēng)輪主軸、葉片、集電環(huán)、電動推桿、變頻電機(jī)、葉片安裝箍、控制器和繼電器，所述支撐桿設(shè)置有五個，均勻分布在風(fēng)輪主軸的圓周位置上，每個支撐桿上均連接一個葉片，所述葉片與支撐桿之間采用葉片安裝箍連接；每個支撐桿上都安裝有一個風(fēng)壓傳感器，使其通過感應(yīng)風(fēng)壓來檢測風(fēng)輪所在的位置；在每個葉片安裝箍及其后面相鄰葉片對應(yīng)的支撐桿之間安裝一個電動推桿，電動推桿上連接有變頻電機(jī)，使其根據(jù)風(fēng)壓傳感器檢測到的葉片位置信號，推動葉片安裝箍繞支撐桿支點(diǎn)轉(zhuǎn)動一定的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)調(diào)整每個葉片攻角的目的；控制器內(nèi)設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)，其特征在于:所述風(fēng)輪主軸為中空軸，其上端安裝有集電環(huán)，所述風(fēng)壓傳感器和電動推桿上設(shè)置有導(dǎo)線接入集電環(huán)，該導(dǎo)線經(jīng)過集電環(huán)后，從風(fēng)輪主軸的底端引出接入設(shè)置在風(fēng)輪主軸外側(cè)的控制器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中低速用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可控變攻角系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)具體的控制流程如下:所述風(fēng)壓傳感器將接收到的風(fēng)壓信號輸出為0-5v的電壓信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號發(fā)送給控制器，控制器判斷出葉片位置，并根據(jù)已設(shè)置好的葉片在此方位下的轉(zhuǎn)角，計算得出電動推桿需調(diào)整的直線長度；電機(jī)變頻控制器根據(jù)已設(shè)定好的某方位下葉片轉(zhuǎn)動時間計算出相應(yīng)的控制頻率，進(jìn)而在此頻率下變頻電機(jī)帶動電動推桿推動葉片轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】F03D7/06GK104005911SQ201410283504
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】張立軍, 孫明剛, 張明明, 劉華 申請人:中國石油大學(xué)(華東)