CN104005911B - 一种中低速用h型垂直轴风力发电机叶片可控变攻角系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中低速用H型垂直轴风力发电机叶片可控变攻角系统，包括风压传感器、支撑杆、风轮主轴、叶片、集电环、电动推杆、变频电机、叶片安装箍以及控制器和继电器，所述支撑杆设置有五个，均匀分布在风轮主轴的圆周位置上，每个支撑杆上均连接一个叶片，所述叶片与支撑杆之间采用叶片安装箍连接；每个支撑杆上都安装有一个风压传感器，使其通过感应风压来检测风轮所在的位置；在每个叶片安装箍及其后面相邻叶片对应的支撑杆之间安装一个电动推杆，使其根据风压传感器检测到的叶片位置信号，推动叶片安装箍绕支撑杆支点转动一定的转角，从而实现调整每个叶片攻角的目的。该系统结构简单、重量轻、便于安装和维护，稳定性好。

Description

一种中低速用H型垂直轴风力发电机叶片可控变攻角系统

技术领域

本发明涉及一种中低速用H型垂直轴风力发电机叶片可控变攻角系统，属于风力发电技术领域。

背景技术

能源作为社会生存和经济发展的基本需求，越来越受到国家的重视。风能作为一种无污染的可再生绿色能源，具有广阔的应用前景。风能的利用主要是水平轴及垂直轴风力发电系统。目前的垂直轴风力机具备能接收来自任何方向的风，无须对风，无增速齿轮箱及发电机能安装在地面上，维修方便等优点而逐步被重视，应用也越来越广泛。但目前在通常风速下风轮大都是固定叶片攻角，只有当风速超过极限风速时，为了避免风轮损坏，采用变攻角限速。因风在吹动H型垂直轴风轮叶片旋转过程中，风轮一半在做正功，而另一半是在做负功，因此风能利用率低，同时也存在自动启动能力差，速度控制困难等问题。鉴于此，如果在风轮旋转过程中使做正功的风轮与风的接触面积尽量的大，做负功的风轮与风的接触面积尽量的小，这样就会大大增加风能利用率，此时就需要调整相应叶片攻角来实现。

目前，在《垂直轴风力发电机叶片攻角调节装置》(申请号：200610023892.2)专利中，公开了垂直轴风力发电机，尤指一种通过调节叶片攻角从而有效降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其风能利用率的叶片攻角调节装置，包括垂直方向的旋转轴、固定在旋转轴上的可旋转悬臂支持翼、安装在悬臂支持翼上的复数个叶片组成的风轮，沿上述旋转轴轴向设置至少一个凸轮，凸轮的轴向与旋转轴平行，该凸轮轮廓线上的任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α，各个叶片相对于其连接的悬臂支持翼可做旋转运动，以传动装置连接凸轮与叶片。

上述专利虽然能改变叶片的攻角，但其使用了凸轮机构和曲柄滑块机构，结构部件复杂，安装相对困难。更为重要的是，专利所提出的每10度变换一次攻角或实时变攻角，在实际操作过程中，尤其是风速大风轮转速高时根本无法实现。因为通常而言机械传动件比电气元器件的动态响应时间要大几个数量级。如目前3kW垂直轴风轮的额定转速为110r/min时，10度变换一次攻角需要的时间约为0.016s，由于包括凸轮和连杆机构在内的传动机构的响应滞后性及风轮的持续旋转，在这么短的时间内，很难完成叶片攻角的改变。

鉴于上述情况，本系统采用电动推杆来实现变化叶片的攻角，电动推杆体积小、结构简单，重量轻，安装方便。同时，针对上述专利控制攻角变化的滞后性，该专利提出在低稳定风速下，风轮每转动45度角，叶片转角转动一次。尤其突出的是保证叶片在每个方位角下所做的功为正功，或者在无法改变其做负功的情况下，通过改变叶片攻角使其在所在方位处所做的负功最小，从而使风轮整体获得较大的驱动力，提高风能利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以通过电动推杆实时控制垂直轴风轮叶片变攻角的机构，该机构为在每个支撑杆安装一风压传感器，将风压传感器检测到的压力信号传给控制器，控制器根据压力信号判断叶片所在位置；同时在每个叶片安装箍及其后面相邻叶片对应的支撑杆之间安装一电动推杆，控制器判断叶片所在位置后，控制器输出相应的驱动信号给相应的电动推杆，电动推杆推动叶片绕支撑杆支点转动，使叶片转角发生相应变化，从而实现叶片做正功或做负功最小，提高风能利用率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种中低速用H型垂直轴风力发电机叶片可控变攻角系统，包括风压传感器、支撑杆、风轮主轴、叶片、集电环、电动推杆、变频电机、叶片安装箍、控制器和继电器，其中，支撑杆设置有五个，均匀分布在风轮主轴的圆周位置上，每个支撑杆上均连接一个叶片，叶片与支撑杆之间采用叶片安装箍连接；每个支撑杆上都安装有一个风压传感器，使其通过感应风压来检测风轮所在的位置；在每个叶片安装箍及其后面相邻叶片对应的支撑杆之间安装一个电动推杆，电动推杆上连接有变频电机，使其根据风压传感器检测到的叶片位置信号，推动叶片安装箍绕支撑杆支点转动一定的转角，从而实现调整每个叶片攻角的目的，使其达到最佳出力角度；控制器内设置有A/D转换器。

进一步地，风轮主轴为中空轴，其上端安装有集电环，风压传感器和电动推杆上设置有导线接入集电环，该导线经过集电环后，从风轮主轴的底端引出接入设置在风轮主轴外侧的控制器上。

上述整个系统具体的控制流程如下：风压传感器将接收到的风压信号输出为0-5v的电压信号，然后经过A/D转换器将电压信号转换为数字信号，并将该数字信号发送给控制器，控制器判断出叶片位置，并根据已设置好的叶片在此方位下的转角，计算得出电动推杆需调整的直线长度。电机变频控制器根据已设定好的某方位下叶片转动时间计算出相应的控制频率，进而在此频率下变频电机带动电动推杆推动叶片转动。

该发明的有益效果在于：该发明系统具有如下优势：

1)该系统结构简单、重量轻、便于安装和维护，稳定性好。

2)从系统响应时间来看，该系统适合于3kW～10kW的小型垂直轴风力发电机，特别适合于10kW以上的垂直轴风力发电机。这主要是因为，随着风力发电机功率的增加，其对应风速下相应的风轮转速会降低。如常见3kW垂直轴风轮，当风速为8m/s时，风轮转速约为70r/min，叶轮每转动45度角，控制叶片转角的时间约为0.1s。而对于10kW垂直轴风轮，当风速为3m/s～25m/s，对应的风轮转速为12r/min～68r/min，因此当风轮每转动45度角，控制叶片转角的时间均会远远大于0.1s，可以覆盖整个风轮所利用的风速。

3)该系统所用电动推杆市场品种较多，防护等级可满足户外使用，无需定制，因而总体成本较低。

4)该系统采用反馈-输出闭环控制方式，根据反馈信号可以实时控制叶片的攻角变化，系统可控性好。

附图说明

图1是本发明实施例中垂直轴风力发电风机叶片可控变攻角系统结构示意图。

图2是本发明实施例中的系统控制流程图。

图3是本发明实施例中的叶片攻角图。

图4是本发明实施例中叶片在方位角为0°时的速度、受力分析图。

图5是本发明实施例中叶片在方位角为45°时的速度、受力分析图。

图6是本发明实施例中叶片在方位角为90°时的速度、受力分析图。

图7是本发明实施例中叶片在方位角为135°时的速度、受力分析图。

图8是本发明实施例中叶片在方位角为180°时的速度、受力分析图。

图9是本发明实施例中叶片在方位角为225°时的速度、受力分析图。

图10是本发明实施例中叶片在方位角为270°时的速度、受力分析图。

图11是本发明实施例中叶片在方位角为315°时的速度、受力分析图。

图中标记说明：1-1、风压传感器；1-2、支撑杆；1-3、风轮主轴；1-4、叶片；1-5、集电环；1-6、电动推杆；1-7、变频电机；1-8、叶片安装箍；1-9、控制器；1-10、继电器；v：表示风速；u：表示叶片速度；w：表示相对风速；a：表示攻角；b：表示叶片方位角；c：表示叶片旋转角；L：表示升力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。

实施例

如图1所示，该发明实施例中的中低速用H型垂直轴风力发电风机叶片可控变攻角装置包括风压传感器1-1、支撑杆1-2、风轮主轴1-3、叶片1-4、集电环1-5、电动推杆1-6、变频电机1-7、叶片安装箍1-8、控制器1-9、继电器1-10，其中，支撑杆1-2设置有五个，均匀分布在风轮主轴1-3的圆周位置上，每个支撑杆1-2上均连接一个叶片1-4，叶片1-4与支撑杆1-2之间采用叶片安装箍1-8安装连接。控制器1-9内设置有A/D转换器。

在图1中的每个支撑杆1-2上都安装有一个风压传感器1-1，使其通过感应风压来检测风轮所在的位置；在每个叶片安装箍1-8及其后面相邻叶片1-4对应的支撑杆1-2之间安装一个电动推杆1-6，电动推杆1-6上连接有变频电机1-7；使其根据风压传感器1-1检测到的叶片1-4位置信号，推动叶片安装箍1-8绕支撑杆1-2支点转动一定的转角，从而实现调整每个叶片攻角的目的，使其达到最佳出力角度。

风轮主轴1-3为中空轴，其上端安装有集电环1-5，风压传感器1-1和电动推杆1-6上设置有导线接入集电环1-5，该导线经过集电环，从风轮主轴1-3的底端引出接入设置在风轮主轴1-3外侧的控制器上。

整个系统具体的控制流程如图2所示。其中，风压传感器将接收到的风压信号输出为0-5v的电压信号，然后经过A/D转换器将电压信号转换为数字信号，并将该数字信号发送给控制器，控制器判断出叶片位置，并根据已设置好的叶片在此方位下的转角，计算得出电动推杆需调整的直线长度。电机变频控制器根据已设定好的某方位下叶片转动时间计算出相应的控制频率，进而在此频率下变频电机带动电动推杆推动叶片转动。

图3为叶片攻角图。根据叶片攻角图来计算每个叶片在旋转过程中的攻角。由空气动力学可知，叶片前、后缘的连线称为叶片的弦线，弦线与圆周上某一位置切线的夹角称为叶片的转角，即图3所示的c角。当弦线与切线平行时，设c角为0度；当叶片按回转中心顺时针转时，设c角为正；当叶片按回转中心逆时针旋转时，设c角为负。弦线与相对风速之间的夹角称为叶片的攻角，即图3所示a角。图3所示的b角为叶片的方位角，即旋转中心与叶片气动中心的连线与0度线间的夹角(在后面的分析中设叶片的方位角近似等于叶片支撑杆的方位角)。

根据计算公式

$\tan (b+a-c)=\frac{x+v}{y}=\frac{u\sin b+v}{u\cos b}$

计算得出叶片的攻角：

$a=\arctan \frac{u\sin b+v}{u\cos b}+c-b$

由上述公式可以看出，在风速一定、叶片处于一定方位时，要想通过人为因素来实现叶片攻角的变化，可以通过改变叶片的转角来实现。而利用电动推杆通过图2的控制流程便可实现叶片转角的变化，从而达到实现叶片攻角变化的目的。

由于风压传感器安装在叶片支撑杆上，因此其随叶片的转动而转动，这样就会使得风压传感器与风的接触面发生不断的变化，从而风压传感器所接收的风压信号也随时发生变化。风压传感器将此压力信号通过导线传递给控制器，控制器根据采集到的压力信号执行相应程序可以较具体地判断出叶片所在的位置，同时执行相应输出程序，将输出信号经继电器放大，并通过导线传递给相应的变频电机，变频电机带动电动推杆推动相应的叶片安装箍使叶片转动，从而实现调整叶片攻角的目的。

图4至图11所示为风轮叶片在八个不同方位下的速度和受力分析图。设定风轮的叶尖速比为4，这对于常见的垂直轴风轮是比较理想的。可以看出，叶片在不同方位下有做负功的也有做正功的，为使叶片在所有方位下都能做正功或者做负功达到最小，确定的叶片转角如表1所示。

表1 叶片在不同方位下的转角、做功及变频电机的工作频率情况

根据H型垂直轴风轮结构，叶片的转角范围为-10～14度，叶片初始转角为14度。在风速为4m/s～12m/s的情况下，针对某一叶片的八个不同方位进行详细分析。得知，叶片在0～45度方位下，由于处在背风处，叶片所受的风阻较大，做负功，因此为保证其所做负功最小，调整叶片转角，使之与风的接触面积减小，故当风压传感器获取风压信号通过导线传递给控制器，使其得知叶片转动到0～45度方位下时，控制器按设置的最优转角14度，发出信号给变频电机，因14度为叶片的初始转角，故叶片无需转动。当通过风压传感器感知到叶片转动到图45～90度方位下时，为使叶片做正功，控制器按设置的最优转角范围-10～11度，并根据已设定好的某方位下叶片转动时间，计算出变频电机所需控制频率，使其控制电动推杆推动叶片达到设定的转角范围内，以保证叶片做正功。以此类推，我们可以根据表1分析叶片在其他方位下的情况。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种中低速用H型垂直轴风力发电机叶片可控变攻角系统，其特征在于：包括风压传感器、支撑杆、风轮主轴、叶片、集电环、电动推杆、变频电机、叶片安装箍、控制器和继电器，所述支撑杆设置有五个，均匀分布在风轮主轴的圆周位置上，每个支撑杆上均连接一个叶片，所述叶片与支撑杆之间采用叶片安装箍连接；每个支撑杆上都安装有一个风压传感器，使其通过感应风压来检测风轮所在的位置；在每个叶片安装箍及其后面相邻叶片对应的支撑杆之间安装一个电动推杆，电动推杆上连接有变频电机，使其根据风压传感器检测到的叶片位置信号，推动叶片安装箍绕支撑杆支点转动一定的转角；控制器内设置有A/D转换器；所述风轮主轴为中空轴，其上端安装有集电环，所述风压传感器和电动推杆上设置有导线接入集电环，该导线经过集电环后，从风轮主轴的底端引出接入设置在风轮主轴外侧的控制器上；所述系统具体的控制流程如下：所述风压传感器将接收到的风压信号输出为0-5v的电压信号，然后经过A/D转换器将电压信号转换为数字信号，并将该数字信号发送给控制器，控制器判断出叶片位置，并根据已设置好的叶片在此方位下的转角，计算得出电动推杆需调整的直线长度；电机变频控制器根据已设定好的某方位下叶片转动时间计算出相应的控制频率。