CN101975144A - 智能垂直风力发电机叶片调节装置及调节方法 - Google Patents

智能垂直风力发电机叶片调节装置及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能垂直风力发电机叶片调节装置及调节方法。由于风的方向和速度不断发生变化，为使风力发电装置的效率更高，风轮的叶片就要不断调整到最佳迎风角的位置；本发明装置的叶片迎风角调节装置包括感应器、风轮控制计算机和伺服步进装置，感应器实时测出风的方向和速度参数、风叶的位置和旋转速度参数，所有参数传输到风轮控制计算机，风轮控制计算机根据接收的参数计算出风叶的最佳迎风角度，并驱动伺服步进装置将风叶旋转到相应角度，通过引入计算机调控叶片最佳迎风角，能够使叶片更加精确、迅速的调整到最佳迎风位置，从而提高发电机的发电效率，整个风力发电机的结构也更加紧凑，体积更小，便于设计、制造、安装和维护。

Description

智能垂直风力发电机叶片调节装置及调节方法
技术领域
本发明涉及风力发电装置领域，特别是一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，本发明还涉及一种用计算机控制叶片迎风角的方法。
背景技术
水能和风能都是一种丰富、可再生、清洁的能源，利用风力和水力给人类带来的好处是非常明显的。比起燃烧木头、煤炭、石油发电，越来越多的利用风能和水能发电能够减少二氧化碳以及其他严重危害空气质量、导致酸雨、温室效应、全球变暖的污染物产生，有利于改善环境质量。
风和水都是比较缓慢的流体，但这些流体中存在的能量却是巨大的，缓慢流体的“能量密度”较小，因此，利用这类流体产生电能的发电机要足够大。另外，因为风和海洋流的方向和速度不断发生变化，发电机要能对这种变化作出迅速的反应，并相应调整，才能使发电机达到更高的发电效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，通过感应器对风的流速和方向的变化作出感应，再通过计算机快速准确算出风叶对这种变化所需做出的调整量，并指挥相应装置驱动发电机风叶作出相应调整；本发明还提供一种计算机调节叶片的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，包括垂直中心轴、风轮、发电机、叶片迎风角调节装置；所述风轮包括上风叶支撑臂、下风叶支撑臂和风叶，所述的叶片迎风角调节装置包括感应器、风轮控制计算机和伺服步进装置，所述的上风叶支撑臂和下风叶支撑臂分别安装在所述的垂直中心轴的上下两端，所述风叶通过其中部的轴安装在上风叶支撑臂和下风叶支撑臂之间，并绕轴自转，所述的轴与垂直中心轴平行；所述风轮控制计算机安装在垂直中心轴顶端，其上有感应器，所述伺服步进装置安装在上风叶支撑臂和风叶之间或者下风叶支撑臂和风叶之间，所述伺服步进装置包括伺服步进电机和与电机连接的传动齿轮，所述垂直中心轴下部设有传动齿轮，所述传动齿轮与发电机连接。
所述的感应器至少由一个感应器组成。
所述的风叶至少有三个；风叶的叶片水平布置或垂直布置。
所述风轮控制计算机与所述感应器和伺服步进装置通过导线或无线连接。
一种智能垂直风力发电机叶片调节装置的调节方法，包括如下步骤：
(1)风轮控制计算机数据初始化；
(2)读取感应器传递的风向、风速数据；
(3)读取感应器传递的风轮旋转速度；
(4)读取感应器传递的风叶的叶片迎风角；
(5)风轮控制计算机根据接受的数据计算出叶片最佳迎风角度，并与叶片实际迎风角比较，算出叶片控制角；
(6)控制伺服步进装置旋转叶片至控制角；
(7)重复步骤(4)～(6)调整其他叶片；
(8)所有叶片调整完后，重复上述步骤(2)-(7)，进行下一轮叶片调节。
所述的风轮控制计算机控制风轮转速和风速的关系为：当风速为4m/s-7m/s时，转速为65-110rpm的变速；当风速大于8m/s时，转速为125rpm的恒速运转。
本发明装置有至少三片风叶，这些叶片以一定旋转速度绕中心轴旋转，每片风叶都具有一定的长度和自身的轴，该轴平行于自身的长边以及中心轴，每片风叶都能够绕着自身的轴旋转。由于风或水等流体的方向和速度不断发生变化，风叶根据流体的变化，绕自身轴旋转，以达到最佳迎风角以及绕中心轴最佳的旋转速度，从而使风叶能够提供绕中心轴旋转速度方向最大的力矩，从而提高发电装置的效率。
本发明通过计算机控制风叶做自身调整，计算机包括一条输入通道和一条输出通道，输入通道用来接收传感器测得的流体的速度和方向，风叶的角位置以及风叶绕中心轴旋转速度的信号，输出通道用来发送调整风叶到最佳迎风角的信号，通过安装在每片风叶上方的伺服步进装置调整风叶到最佳位置。流体的速度和方向总是不断变化，通过计算机控制能够使本发电装置更准确，迅速对这种变化作出反应。
风力发电装置的叶片可以水平布置，也可以垂直布置，本发明的叶片采用垂直布置。通常风或水等流体都是平行于地面或液面运动的，叶片垂直于地面或液面布置，能够更全方位的接触流体，从而对流体的变化更迅速、有效的作出适应性调整，更好的提高发电装置的效率。
有益效果
本发明的有益效果是，通过引入计算机调控叶片最佳迎风角，能够使叶片更加精确、迅速的调整到最佳迎风位置，从而更好的提高发电机的发电效率；使整个风力发电机的结构更加紧凑，体积更小，便于设计、制造、安装和维护。
附图说明
图1是伺服步进装置在上部的本发明整体结构示意图。
图2是伺服步进装置在下部的本发明整体结构示意图。
图3是在某一时刻本发明叶片处于不同位置角的俯视图。
图4为本发明的叶片调节方法流程图。
其中：1-垂直中心轴；2-上风叶支撑臂；3-下风叶支撑臂；4-风叶；6-传动齿轮；7-发电机；8-感应器；9-风轮控制计算机；10-伺服步进装置；11-迎风角；12-控制角；13-位置角。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如附图1和附图2所示，一种智能垂直风力发电装置，包括垂直中心轴、风轮、发电机、叶片迎风角调节装置；所述风轮绕垂直中心轴1旋转，所述风轮包括上风叶支撑臂2、下风叶支撑臂3、风叶4，所述上风叶支撑臂2和下风叶支撑臂3安装在所述垂直中心轴1上，所述风叶4通过其中部的轴5安装在所述上风叶支撑臂2和下风叶支撑臂3之间，所述风叶4能够绕该轴5自转，所述风叶4至少有三个；所述轴5与垂直中心轴1平行；所述垂直中心轴1下部设有传动齿轮6，所述传动齿轮6与发电机7连接；所述叶片迎风角调节装置包括感应器8、风轮控制计算机9和伺服步进装置10，所述伺服步进装置10由伺服步进电机和传动齿轮组成，所述风轮控制计算机9安装在垂直中心轴1顶端，其上有感应器8，所述伺服步进装置10安装在上风叶支撑臂2和风叶4之间或者下风叶支撑臂3和和风叶4之间。
传感器由一个或多种感应器组成能测量风的速度，风向，叶片的转速和叶片的位置。
所述风轮控制计算机9与所述感应器8和伺服步进装置10通过导线或无线连接。
垂直旋转的风轮通过传动齿轮6驱动底部发电机7，发电机7产生电能，该电能可通过转换电路供电器设备使用或用蓄电池储能。
该发电机上安装的感应器8，实时测出风的方向和速度参数，风叶4的处于某一位置时的迎风角度和旋转速度参数(如图3所示)，所有参数通过导线或无线传输到风轮控制计算机9；
风轮控制计算机9根据接收的参数计算出风叶4的最佳迎风角度，并驱动伺服步进装置10将风叶4旋转到相应角度；
依次调整每一片风叶4到最佳迎风角，等所有的风叶4都调整完毕，重复下一轮的风叶4调整(风叶调节流程如图4所示)。
垂直旋转的风轮通过传动齿轮6驱动底部发电机7，发电机7产生电能，该电能可通过转换电路供电器设备使用或用蓄电池储能。
为保证风力发电的最佳功率系数，控制计算机将控制风轮转速和风速的关系，使风轮在不同风速下作变速或恒速运转。关系表如下：风轮机转速和风速的关系
  风速m/s  转速rpm
  4   65
  5   80
  6   95
  7   110
  8   125
  9   125
  10   125
  11～25   125
在特定的风速和转速下，控制计算机根据所需要的最佳功率系数，控制叶片在不同的位置的迎风角度，举例如下(风向位置在0度)：
风轮在额定风速10m/s，125rpm转速时的迎风角的调整
Figure BDA0000032763340000041
Figure BDA0000032763340000051
Figure BDA0000032763340000061

Claims (6)

1.一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，包括垂直中心轴(1)、风轮、发电机(7)、叶片迎风角调节装置；所述风轮包括上风叶支撑臂(2)、下风叶支撑臂(3)和风叶(4)，所述的叶片迎风角调节装置包括感应器(8)、风轮控制计算机(9)和伺服步进装置(10)，其特征在于：所述的上风叶支撑臂(2)和下风叶支撑臂(3)分别安装在所述的垂直中心轴(1)的上下两端，所述风叶(4)通过其中部的轴(5)安装在上风叶支撑臂(2)和下风叶支撑臂(3)之间，并绕轴(5)自转，所述的轴(5)与垂直中心轴(1)平行；所述风轮控制计算机(9)安装在垂直中心轴(1)顶端，其上有感应器(8)，所述伺服步进装置(10)安装在上风叶支撑臂(2)和风叶(4)之间或者下风叶支撑臂(3)和风叶(4)之间，所述伺服步进装置(10)包括伺服步进电机和与电机连接的传动齿轮，所述垂直中心轴(1)下部设有传动齿轮(6)，所述传动齿轮(6)与发电机(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，其特征在于：所述的感应器(8)至少由一个感应器组成。
3.根据权利要求1所述的一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，其特征在于：所述的风叶(4)至少有三个；风叶(4)的叶片水平布置或垂直布置。
4.根据权利要求1所述的一种智能垂直风力发电机叶片调节装置，其特征在于：所述风轮控制计算机(9)与所述感应器(8)和伺服步进装置(10)通过导线或无线连接。
5.一种使用权利要求1所述智能垂直风力发电机叶片调节装置的调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)风轮控制计算机数据初始化；
(2)读取感应器传递的风向、风速数据；
(3)读取感应器传递的风轮旋转速度；
(4)读取感应器传递的风叶的叶片迎风角；
(5)风轮控制计算机根据接受的数据计算出叶片最佳迎风角度，并与叶片实际迎风角比较，算出叶片控制角；
(6)控制伺服步进装置旋转叶片至控制角；
(7)重复步骤(4)～(6)调整其他叶片；
(8)所有叶片调整完后，重复上述步骤(2)-(7)，进行下一轮叶片调节。
6.根据权利要求5所述的一种使用权利要求1所述智能垂直风力发电机叶片调节装置的调节方法，其特征在于：所述的风轮控制计算机控制风轮转速和风速的关系为：当风速为4m/s-7m/s时，转速为65-110rpm的变速；当风速大于8m/s时，转速为125rpm的恒速运转。
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