CN101956674A - 用于中小风速下的摇摆帆式风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中小风速下的摇摆帆式风力发电装置，涉及一种风力发电装置。本发明的结构是：底座、滑轮和导向装置组成支撑和导向平台，实现装置正面迎风的功能；在底座顶部通过传动轴连接有摇摆式帆架，在摇摆式帆架上部连接有百叶窗式叶片，提供迎风面；传感器安装于摇摆式帆架的底部，提供摇摆式帆架的加速度；传感器、蓄电池及控制系统、控制电机、控制杆和百叶窗式叶片依次连接，实现百叶窗式叶片启闭的功能；摇摆式帆架、传动轴、变速机构和发电机依次连接，实现发电机利用风能往复旋转发电的功能。本发明可以工作于中低风速下；具有较小的启动风速，低至1m/s左右；适用于中小风速下的风力发电。

Description

用于中小风速下的摇摆帆式风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种用于中小风速下的摇摆帆式风力发电装置。

背景技术

鉴于矿石燃料的不断减少，加之矿石燃料的燃烧产生大量污染物，人们纷纷开始研究新型能源作为替代品满足现代化需求，而风能无疑是其中技术较为成熟的新能源之一。风能清洁无污染，属于可再生能源，因而风机取得日新月异的发展。

然而，纵观各种传统风机不难发现，传统风机鉴于启动风速要求较高，因而多应用在边远山区，军事哨所以及沿海等风力条件优越地区；而一些小风和不稳定的风能资源不能得到收集、利用，因此，新型的、适应性更宽的风机将成为传统风机市场的有力补充。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种用于中小风速下的摇摆帆式风力发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

为解决如何将小风收集的问题，本发明从小草在轻风中有节奏地摆动得到灵感，充分利用杠杆放大原理，采用高而窄的帆式结构；本发明与传统水平轴和垂直轴等旋转式风力发电有本质上的区别，充分利用最普遍的现象——物体在风中的摇摆运动来发电，从而使小风得到利用，拓宽现代风机的适用范围。

本发明能够在低至1.0m/s的启动风速下可靠工作。

具体地说，本发明包括底座和安放其上的控制电机、蓄电池及控制系统、滑轮、变速机构、发电机和传感器；

还设置有摇摆式帆架、控制杆、百叶窗式叶片、滑轮和导向装置和传动轴；

底座、滑轮和导向装置组成支撑和导向平台，实现装置以立柱为中心，自适应正面迎风角度定位的功能；

在底座顶部通过传动轴连接有摇摆式帆架，在摇摆式帆架上部连接有百叶窗式叶片，提供迎风面；

传感器安装于摇摆式帆架的底部，提供摇摆式帆架的加速度；

传感器、蓄电池及控制系统、控制电机、控制杆和百叶窗式叶片依次连接，实现百叶窗式叶片启闭的功能；

摇摆式帆架、传动轴、变速机构、发电机依次连接，实现发电机8利用风能往复旋转发电的功能。

本发明的工作原理：

在初始状态下百叶窗式叶片处于闭合位置。

当外界风正面吹来时，摇摆式帆架上的百叶窗式叶片迎风面产生风压力，由杠杆放大原理在摇摆式帆架的转轴上产生较大扭矩力，从而带动摇摆式帆架偏移，风力做功，发电机转动发电。

当摇摆式帆架运动到最大偏移角度时，百叶窗式叶片通过小轴旋转开启，此时由于受风面积减小，摇摆式帆架在配重或弹簧作用下回程。在回程过程中，利用特别设计的“平行四边形”控制结构可使百叶窗式叶片随时处于水平状态，以最大化减小回程的阻力。当摇摆式帆架返回到风力做功的起始位置时，百叶窗式叶片关闭，在风力作用下进行下一周期。

通过“平行四边形”结构，可保证摇摆式帆架在返回行程中受风阻最小，消耗能量较小；百叶窗式叶片通过中心位置的小轴对称安装于摇摆式帆架上，使得控制电机可以以较小的功耗转动百叶窗式叶片；通过变速机构将力矩转化为转速带动发电机单向或双向转动发电；通过摇摆式帆架自身高度、百叶窗式叶片总面积及由传动轴安装位置产生的杠杆效应，可以实现很小风产生较大的力矩，从而实现低启动风速；通过蓄电池及控制系统中的蓄电池可实现控制系统无需外接功率输入；通过传感器及控制系统可实现对摇摆式帆架摆动角度、摆动速度的监控，并根据风能情况智能启闭百叶窗式叶片，达到风能吸收的最大化，并保证安全。

本发明具有下列优点和积极效果：

①可以工作于中低风速下；

②具有较小的启动风速，低至1m/s左右；

③适用于中小风速下的风力发电。。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2.1是做功行程中的百叶窗叶片及控制杆状态；

图2.2是返回行程中的百叶窗叶片及控制杆状态；

图2.3是风向与百叶窗式叶片正面迎风有一定角度状态；

图2.4是风向处于百叶窗式叶片的正面迎风状态；

图3是摇摆式帆架“球拍”形造型图；

图4是摇摆式帆架“曲面门”形造型图；

图5是摇摆式帆架“树叶”形造型图；

图6是控制杆的结构示意图；

图7是控制杆的工作原理图；

图8是控制系统的工作流程图。

1-摇摆式帆架，1.1-配重；

2-控制杆，2.1-长杆，2.2-短杆；

3-控制电机，3.1-转轴；

4-蓄电池及控制系统；4.1-蓄电池，4.2-控制系统；

5-滑轮；

6-百叶窗式叶片，6.1-“四边形”运动示意；

7-变速机构；

8-发电机；

9-底座；

10-传感器；

11-导向装置；11.1-立柱；

12-传动轴；

F-风向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图1，本发明包括底座9和安放其上的控制电机3、蓄电池及控制系统4、变速机构7、发电机8和导向装置11；

还设置有摇摆式帆架1、控制杆2、百叶窗式叶片6、滑轮5、传感器10、导向装置11和传动轴12；

底座9、滑轮5和导向装置11组成支撑和导向平台；

在底座9顶部通过传动轴12连接有摇摆式帆架1，在摇摆式帆架1上部连接有百叶窗式叶片6；

传感器10安装于摇摆式帆架1的底部；

传感器10、蓄电池及控制系统4、控制电机3、控制杆2和百叶窗式叶片6依次连接；

摇摆式帆架1、传动轴12、变速机构7、发电机8依次连接。

二、功能部件

1、摇摆式帆架1

如图1，摇摆式帆架1为一种由铝合金或其它高强度材料制成的框式结构，其上部两侧设置有安装百叶窗式叶片6小轴的穿孔，其中下部设置有安装长轴12的穿孔，其底部设置有配重或弹性元件。

框式结构或为平面“门”字形，如图1；或为“球拍”形，如图3；或为曲面“门”字形，如图4；或为“树叶”形，如图5。

摇摆式帆架1的主要功能是为百叶窗式叶片6提供安装的平台。

2、控制杆2

如图6、7，控制杆2为一种由长杆2.1和短杆2.2连接而成的双节棍，短杆2.2的下端和控制电机3的转轴3.1连接，长杆2.1与百叶窗式叶片6一端的上角点连接。

控制电机3的转轴3.1带动短杆2.2和长杆2.1上下移动，进而带动百叶窗式叶片6产生启闭动作；控制杆2工作时保持“四边形”结构6.1。

3、控制电机3

为常见部件，转速较低，具有一定力矩。

4、蓄电池及控制系统4

蓄电池及控制系统4包括蓄电池4.1和控制系统4.2。

蓄电池为铅蓄电池或其它类型电池，常见部件；

控制系统4.2主要为单片机或PLC电路板等，通过传感器10探测的信号分析获得摇摆式帆架1的摆角、摆速，并发出控制信号给控制电机3。

5、滑轮5

滑轮5为固定方向移动的滑轮，常见部件。

6、百叶窗式叶片6

如图1、3、4、5，百叶窗式叶片6由多片不同形状的轻质板组成，其两端设置有小轴，可绕小轴旋转。

其功能是提供迎风面，由控制杆2控制。

7、变速机构7

变速机构7为常见齿轮或皮带变速传动机构。

8、发电机8

发电机8为常见永磁发电机。

9、底座9

底座9是整个装置的平台，外形稳固、质量较轻。

底座9与导向装置11相连，形成偏心结构。

10、传感器10

传感器10为常见的加速度传感器或重力传感器，安装于摇摆式帆架1的底部，提供摇摆式帆架1的加速度。

11、导向装置11

导向装置11是一种等腰三角形支架，其顶角设置有立柱11.1，其底边与底座9相连，与传动轴12平行。

导向装置11和底座9形成偏心结构，当有风吹来时，可围绕立柱11.1旋转，从而使摇摆式帆架1正面迎风。

12、传动轴12

传动轴12为一种长轴，其功能一是供摇摆式帆架1的和底座9连接用，二是传动摇摆式帆架1的力矩给变速机构7和发电机8。

三、控制系统流程图

如图8，控制系统4.2核心程序的工作流程包括下列步骤：

开始0；

①数据采集1，读取重力加速度传感器信号α；

②积分计算2，通过积分功能，计算摆动角速度和摆动角；

③判断是否正行程3，是则进入步骤⑤，否则进入步骤④；

④判断是否负角度4，是则进入步骤⑧，否则结束11；

⑤判断是否正角度5，是则进入步骤⑥，否则结束11；

⑥判断正角度θ与极限位置角θmax2之差的绝对值是否小于某一值δ6，是则进入步骤⑦，否则结束11；

⑦发出电机正传信号及角度7；

⑧判断正角度θ与极限位置角θmax1之差的绝对值是否小于某一值δ8，是则进入步骤⑨，否则结束11；

⑨发出电机反传信号及角度9

⑩电机执行操作10

结束11。

Claims (5)

1.一种用于中小风速下的摇摆帆式风力发电装置，其特征在于：

包括底座(9)和安放其上的控制电机(3)、蓄电池及控制系统(4)、变速机构(7)和发电机(8)；还设置有摇摆式帆架1、控制杆2、百叶窗式叶片6、滑轮(5)、传感器(10)、导向装置(11)和传动轴(12)；

底座(9)、滑轮(5)和导向装置(11)组成支撑和导向平台，实现装置以立柱(11.1)为中心，自适应正面迎风角度定位的功能；

在底座(9)顶部通过传动轴(12)连接有摇摆式帆架(1)，在摇摆式帆架(1)上部连接有百叶窗式叶片(6)，提供迎风面；

传感器(10)安装于摇摆式帆架(1)的底部，提供摇摆式帆架(1)的加速度；

传感器(10)、蓄电池及控制系统(4)、控制电机(3)、控制杆(2)和百叶窗式叶片(6)依次连接，实现百叶窗式叶片(6)启闭的功能；

摇摆式帆架(1)、传动轴(12)、变速机构(7)和发电机(8)依次连接，实现发电机(8)利用风能往复旋转发电的功能。

2.按权利要求1所述的摇摆帆式风力发电装置，其特征在于：

所述的摇摆式帆架(1)为一种框式结构，其上部两侧设置有安装百叶窗式叶片(6)小轴的穿孔，其中下部设置有安装长轴(12)的穿孔，其底部设置有配重或弹性元件；

框式结构或为平面“门”字形，或为“球拍”形，或为曲面“门”字形，或为“树叶”形。

3.按权利要求1所述的摇摆帆式风力发电装置，其特征在于：

所述的控制杆(2)为一种由长杆(2.1)和短杆(2.2)连接而成的双节棍，短杆(2.2)的下端和控制电机(3)的转轴(3.1)连接，长杆(2.1)与百叶窗式叶片6一端的上角点连接。

4.按权利要求1所述的摇摆帆式风力发电装置，其特征在于：

所述的导向装置(11)是一种等腰三角形支架，其顶角设置有立柱(11.1)，其底边与底座(9)相连，与传动轴(12)平行。

5.按权利要求1所述的摇摆帆式风力发电装置的控制系统工作流程，其特征在于：

开始(0)；

①数据采集(1)，读取重力加速度传感器信号α；

②积分计算(2)，通过积分功能，计算摆动角速度和摆动角；

③判断是否正行程(3)，是则进入步骤⑤，否则进入步骤④；

④判断是否负角度(4)，是则进入步骤⑧，否则结束(11)；

⑤判断是否正角度(5)，是则进入步骤⑥，否则结束(11)；

⑥判断正角度θ与极限位置角θmax2之差的绝对值是否小于某一值δ(6)，是则进入步骤⑦，否则结束(11)；

⑦发出电机正传信号及角度(7)；

⑧判断正角度θ与极限位置角θmax1之差的绝对值是否小于某一值δ(8)，是则进入步骤⑨，否则结束(11)；

⑨发出电机反传信号及角度(9)；

⑩电机执行操作(10)；

结束(11)。

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