CN105096712A - 一种变桨距风力发电教学实训装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变桨距风力发电教学实训装置，包括模拟风机组件、风力发电机组件、风向仪组件、水平连杆和风速仪组件，模拟风机组件包括风机、放置支架，风机安装在放置支架上，放置支架的底部通过水平连杆与风力发电机组件的底座固定连接，放置支架以风力发电机组件的底座为圆心、水平连杆为半径圆周运动改变风机输出的风场，风速仪组件安装在风机的出风筒内，风向仪组件的风向仪正对风机的出风口。本发明通过机械传动机构实现桨叶可转动，来调节桨叶受风角度，可实现始终保持发电功率最大，教学针对性强、功能完善、演示实验众多，便于现场实训教学，占地面积小，方便拆装，安全性能高，具有良好的应用前景。

Description

一种变桨距风力发电教学实训装置

技术领域

本发明涉及一种变桨距风力发电教学实训装置，属于风力发电教学技术领域。

背景技术

目前，在教学领域，针对风力发电的教学实训装置并不多见，市面上已经投入教学的风力发电装置，都是以定桨距风力发电机构为设计模本，功能不够完善，演示实验单一，给教学带来很大困难，而且，并未出现过通过机械传动机构完成变桨距风力发电的教学先例，因此，与真实工业使用的变桨距风力发电装置在结构和功能上存在很大差异，教学针对性不强，不利于现场实训教学。

而且，已投入教学的风力发电实训平台占地面积大，结构复杂，不可拆装，学生无法了解工业风力发电机的内部结构，不便于学习和理解。

发明内容

本发明目的是为了克服现有的风力发电的教学实训装置，功能不够完善，演示实验单一，占地面积大，结构复杂，不可拆装，不便于学习和理解的问题。本发明的变桨距风力发电教学实训装置，通过机械传动机构实现桨叶可转动，来调节桨叶受风角度，可实现始终保持发电功率最大，教学针对性强、功能完善、演示实验众多，便于现场实训教学，占地面积小，方便拆装，安全性能高，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：包括模拟风机组件、风力发电机组件、风向仪组件、水平连杆和风速仪组件，所述模拟风机组件包括风机、放置支架，所述风机安装在放置支架上，所述放置支架底部的四角均设有万向轮，所述放置支架的底部通过水平连杆与风力发电机组件的底座固定连接，所述放置支架以风力发电机组件的底座为圆心、水平连杆为半径圆周运动改变风机输出的风场，所述风速仪组件安装在风机的出风筒内，所述风向仪组件包括风向仪、支撑杆，所述支撑杆固定在底座上，所述风向仪安装在支撑杆顶部，

所述风力发电机组件还包括变桨距风机头组件、发电机支撑座、发电机、导电滑环、罩壳、偏航组件和支撑立柱，所述支撑立柱垂直安装在底座上，所述偏航组件设置在支撑立柱顶部，所述发电机通过发电机支撑座水平安装在偏航组件的上方，所述变桨距风机头组件的输出转轴贯穿发电机支撑座与发电机相连接，用于驱动发电机发电，所述导电滑环设置在发电机的后端，用于输出电能，所述变桨距风机头组件、发电机支撑座、发电机、导电滑环设置在罩壳内，所述变桨距风机头组件的桨叶延伸出罩壳，且正对模拟风机组件的出风口，

所述风向仪的输出信号可控制偏航组件的旋转，所述风速仪组件的输出信号可控制变桨距风机头组件的旋转。

前述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：还包括护栏组件，所述护栏组件围绕在风力发电机组件的周圈。

前述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述风力发电机组件的底座为圆盘形状，且底部等间隔分布的脚垫。

前述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述罩壳采用透明有机玻璃制成。

前述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述变桨距风机头组件包括变桨伺服电机、主传动齿轮、三组从传动齿轮，所述变桨伺服电机的驱动端与主传动齿轮相连接，带动主传动齿轮转动，三组从传动齿轮等间隔啮合在主传动齿轮的周圈，相邻的两组从传动齿轮之间的夹角为120°，所述主传动齿轮带动三组从传动齿轮同步转动，各从传动齿轮均通过第一轴承与蜗杆相连接，并带动蜗杆转动，所述蜗杆的一侧设有与其配套的蜗轮，所述蜗杆转动带动蜗轮旋转，各蜗轮分别通过第二轴承与蜗轮轴传动连接，各蜗杆的端部与桨叶相拧接，所述蜗轮轴带动对应的桨叶以其为轴转动，使各桨叶同时沿同一角度调节受风面，实现变桨距风机头组件的变桨距功能。

前述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述偏航组件包括偏航步进电机，所述偏航步进电机的输入端与风向仪组件的信号输出端相连接，所述偏航组件动力输出端与发电机支撑座相连接，控制发电机支撑座转动，实现变桨距风机头组件根据模拟风机组件输出的风场方向偏航功能。

前述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述放置支架以风力发电机组件的底座为圆心、水平连杆为半径圆周运动角度为±45°。

本发明的有益效果是：本发明的变桨距风力发电教学实训装置，根据风场风速通过机械传动机构实现桨叶可转动，来调节桨叶受风角度，可实现始终保持发电功率最大，而且根据风场方向调节风力发电机组件的偏航方向，以接受最大风场风面，教学针对性强、功能完善、演示实验众多，便于现场实训教学，观察风力发电机组件的内部工作原理，占地面积小，方便拆装，安全性能高，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的变桨距风力发电教学实训装置的结构示意图。

图2是本发明的变桨距风力发电教学实训装置的侧视图。

图3是本发明的风力发电机组件的结构示意图。

图4是本发明的风向仪、风速仪组件的电气连接图。

图5是本发明的变桨距风机头组件的结构示意图。

图6是本发明的变桨距风机头组件的结构示意图。

图7是本发明的主传动齿轮、从传动齿轮的连接示意图。

图8是本发明的变桨伺服控制器、变桨伺服电机的电气连接图。

图9是本发明的偏航步进控制器、偏航步进电机的电气连接图。

附图中标记的含义如下：

1：模拟风机组件；101：风机；102：放置支架；103：万向轮；2：风力发电机组件；201：底座；202：变桨距风机头组件；203：发电机支撑座；204：发电机；205：导电滑环；206：罩壳；207：偏航组件；208：支撑立柱；209：桨叶；211：变桨伺服电机；212：主传动齿轮；213：从传动齿轮：214：第一轴承；205：蜗杆；216：蜗轮；217：第二轴承；218：蜗杆轴；219：偏航步进电机；221：脚垫；3：护栏组件；4：风向仪组件；401：风向仪；402：支撑杆；5：水平连杆；6：风速仪组件。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1及图2所示，本发明的变桨距风力发电教学实训装置，包括模拟风机组件1、风力发电机组件2、风向仪组件4、水平连杆5和风速仪组件6，模拟风机组件1包括风机101、放置支架102，风机101安装在放置支架102上，放置支架102底部的四角均设有万向轮103，万向轮103上设有脚刹，便于运输时候的固定，万向轮103方便移动放置支架102，从而改变风机101输出的风场方向，放置支架102的底部通过水平连杆5与风力发电机组件2的底座201固定连接，放置支架102以风力发电机组件2的底座201为圆心、水平连杆5为半径圆周运动改变风机101输出的风场，风速仪组件6安装在风机101的出风筒内，用于测试风机101的出风速度，风向仪组件4包括风向仪401、支撑杆402，支撑杆402垂直固定在底座201上，风向仪401安装在支撑杆402顶部，风向仪401用于测试风机101的出风方向，所述风向仪401的输出信号可控制偏航组件207的旋转，风速仪组件6的输出信号可控制变桨距风机头组件202的旋转。

如图3所示，所述风力发电机组件2还包括变桨距风机头组件202、发电机支撑座203、发电机204、导电滑环205、罩壳206、偏航组件207和支撑立柱208，所述支撑立柱208垂直安装在底座201上，所述偏航组件207设置在支撑立柱208顶部，所述发电机204通过发电机支撑座203水平安装在偏航组件207的上方，变桨距风机头组件202的输出转轴贯穿发电机支撑座203与发电机204相连接，用于驱动发电机204发电，所述导电滑环205设置在发电机204的后端，用于输出电能，变桨距风机头组件202、发电机支撑座203、发电机204、导电滑环205设置在罩壳206内，变桨距风机头组件202的桨叶209延伸出罩壳206，且正对模拟风机组件1的出风口，

所述风向仪401的信号输出端通过电缆与偏航组件207相连接，在可变风场中，风场方向变化的同时，风向仪401由于其尾舵始终保持与风场方向平行，风向仪401输出相应位置对应的模拟量至主控制器，主控制器控制偏航组件207内偏航步进电机219，偏航步进电机219转动，带动发电机支撑座203转动，发电机支撑座203带动罩壳206转动，实现主动偏航迎风，使发电机204受风面积最大；

所述风速仪组件6的信号输出端通过电缆与变桨距风机头组件202相连接，风速仪组件6用于测试风场的风速，输出相应风速对应的模拟量至变桨距风机头组件202内的变桨伺服控制器处理数据后，结合风速信号和发电功率控制变桨伺服电机211工作，通过两级传动，即第一级的齿轮传动和第二级的蜗轮蜗杆传动，实现桨叶同步转动，来调节风机桨叶受风角度，可实现始终保持发电功率维持在额定发电功率，教学针对性强、功能完善、演示实验众多，便于现场实训教学，零件精密、传动效率高、外形美观、操作方便。

所述风向仪401、风速仪组件6的电气连接图，如4所示。

本发明还包括护栏组件3，所述护栏组件3围绕在风力发电机组件2的周圈，保护教学实训现场，提供安全性能。

所述风力发电机组件2的底座201为圆盘形状，且底部等间隔分布的脚垫208。

所述罩壳206采用透明有机玻璃制成，方便教学过程中学员观察罩壳206内部各部件的工作原理，便于现场教学。

如图5、图6及图7所示，所述变桨距风机头组件202包括变桨伺服电机211、主传动齿轮212、三组从传动齿轮213，所述变桨伺服控制器的输入端与风速仪组件6的信号输出端相连接，所述变桨伺服电机211的输入端与变桨伺服控制器的控制输出相连接，变桨伺服控制器、变桨伺服电机211的电气连接图，如图8所示，所述变桨伺服电机211的驱动端与主传动齿轮212相连接，带动主传动齿轮212转动，三组从传动齿轮213等间隔啮合在主传动齿轮212的周圈，相邻的两组从传动齿轮213之间的夹角为120°，所述主传动齿轮212带动三组从传动齿轮213同步转动，各从传动齿轮213均通过第一轴承214与蜗杆215相连接，并带动蜗杆215转动，所述蜗杆215的一侧设有与其配套的蜗轮216，所述蜗杆215转动带动蜗轮216旋转，各蜗轮216分别通过第二轴承217与蜗杆轴218传动连接，各蜗杆215的端部与桨叶209相拧接，所述蜗杆轴218带动对应的桨叶209以其为轴转动，使各桨叶209同时沿同一角度调节受风面，实现变桨距风机头组件202的变桨距功能，通过上述介绍，变桨距风机头组件202包括两级传动，即第一级的齿轮传动（主传动齿轮212、三组从传动齿轮213）和第二级的蜗轮蜗杆传动（蜗杆215、蜗轮216、蜗杆轴218），实现风机桨叶同步转动，来调节风机桨叶受风角度，图5中的箭头为桨叶209的调节方向，可实现始终保持发电功率最大，教学针对性强、功能完善、演示实验众多，便于现场实训教学。

本发明的变桨距风机头组件是在定桨距风力发电机成功运用的基础上发展起来的机型，它的桨叶角度可以调节，以达到最佳的叶尖速比，使得风力机的风能利用率大大提高。变桨距风机头组件相对于定桨距风力发电机组件的优势是十分明显的，当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，可以使功率输出保持稳定。在风力发电机启动时需要较大的气动扭矩，也需要通过变浆系统的动作以获得足够的气动转矩。变桨距风机头组件相对于定桨距风力发电机组件相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。

所述偏航组件207包括偏航步进电机219，偏航步进电机219的输入端与风速仪组件6的信号输出端相连接，偏航步进电机219的电气连接图，如图9所示，所述偏航组件207的动力输出端与发电机支撑座203相连接，控制发电机支撑座203转动，实现变桨距风机头组件202根据模拟风机组件输出的风场方向偏航功能。

所述放置支架102以风力发电机组件2的底座201为圆心、水平连杆5为半径圆周运动角度为±45°，放置支架102的转动角度达到90°，完全满足教学实训要求。

综上所述，本发明的变桨距风力发电教学实训装置，根据风场风速通过机械传动机构实现桨叶可转动，来调节桨叶受风角度，可实现始终保持发电功率最大，而且根据风场方向调节风力发电机组件的偏航方向，以接受最大风场风面，教学针对性强、功能完善、演示实验众多，便于现场实训教学，观察风力发电机组件的内部工作原理，占地面积小，方便拆装，安全性能高，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：包括模拟风机组件（1）、风力发电机组件（2）、风向仪组件（4）、水平连杆（5）和风速仪组件（6），所述模拟风机组件（1）包括风机（101）、放置支架（102），所述风机（101）安装在放置支架（102）上，所述放置支架（102）底部的四角均设有万向轮（103），所述放置支架（102）的底部通过水平连杆（5）与风力发电机组件（2）的底座（201）固定连接，所述放置支架（102）以风力发电机组件（2）的底座（201）为圆心、水平连杆（5）为半径圆周运动改变风机（101）输出的风场，所述风速仪组件（6）安装在风机（101）的出风筒内，所述风向仪组件（4）包括风向仪（401）、支撑杆（402），所述支撑杆（402）固定在底座（201）上，所述风向仪（401）安装在支撑杆（402）顶部，

所述风力发电机组件（2）还包括变桨距风机头组件（202）、发电机支撑座（203）、发电机（204）、导电滑环（205）、罩壳（206）、偏航组件（207）和支撑立柱（208），所述支撑立柱（208）垂直安装在底座（201）上，所述偏航组件（207）设置在支撑立柱（208）顶部，所述发电机（204）通过发电机支撑座（203）水平安装在偏航组件（207）的上方，所述变桨距风机头组件（202）的输出转轴贯穿发电机支撑座（203）与发电机（204）相连接，用于驱动发电机（204）发电，所述导电滑环（205）设置在发电机（204）的后端，用于输出电能，所述变桨距风机头组件（202）、发电机支撑座（203）、发电机（204）、导电滑环（205）设置在罩壳（206）内，所述变桨距风机头组件（202）的桨叶（209）延伸出罩壳（206），且正对模拟风机组件（1）的出风口，

所述风向仪（401）的输出信号可控制偏航组件（207）的旋转，所述风速仪组件（6）的输出信号可控制变桨距风机头组件（202）的旋转。

2.根据权利要求1所述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：还包括护栏组件（3），所述护栏组件（3）围绕在风力发电机组件（2）的周圈。

3.根据权利要求1所述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述风力发电机组件（2）的底座（201）为圆盘形状，且底部等间隔分布的脚垫（208）。

4.根据权利要求1所述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述罩壳（206）采用透明有机玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述变桨距风机头组件（202）包括变桨伺服电机（211）、主传动齿轮（212）、三组从传动齿轮（213），所述变桨伺服电机（211）的驱动端与主传动齿轮（212）相连接，带动主传动齿轮（212）转动，三组从传动齿轮（213）等间隔啮合在主传动齿轮（212）的周圈，相邻的两组从传动齿轮（213）之间的夹角为120°，所述主传动齿轮（212）带动三组从传动齿轮（213）同步转动，各从传动齿轮（213）均通过第一轴承（214）与蜗杆（215）相连接，并带动蜗杆（215）转动，所述蜗杆（215）的一侧设有与其配套的蜗轮（216），所述蜗杆（215）转动带动蜗轮（216）旋转，各蜗轮（216）分别通过第二轴承（217）与蜗轮轴（218）传动连接，各蜗杆（215）的端部与桨叶（209）相拧接，所述蜗轮轴（218）带动对应的桨叶（209）以其为轴转动，使各桨叶（209）同时沿同一角度调节受风面，实现变桨距风机头组件（202）的变桨距功能。

6.根据权利要求1所述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述偏航组件（207）包括偏航步进电机（219），所述偏航步进电机（219）的输入端与风向仪组件（4）的信号输出端相连接，，所述偏航组件（207）动力输出端与发电机支撑座（203）相连接，控制发电机支撑座（203）转动，实现变桨距风机头组件（202）根据模拟风机组件输出的风场方向偏航功能。

7.根据权利要求1所述的变桨距风力发电教学实训装置，其特征在于：所述放置支架（102）以风力发电机组件（2）的底座（201）为圆心、水平连杆（5）为半径圆周运动角度为±45°。