CN105756858A - 一种智能化可自动变形的风力发电机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化可自动变形的风力发电机系统，确切的说是一种可以通过机械关节装置驱动风力发电机的机头和叶片变形，从而达到在极端天气下将风力发电机的叶片贴近风机塔架，保护风机不受极端恶劣天气影响的风力发电机系统。
Description
技术领域
本发明公开了一种智能化可自动变形的风力发电机系统，确切的说是一种可以通过机械关节装置驱动风力发电机的机头和叶片变形，从而达到在极端天气下将风力发电机的叶片贴近风机塔架，保护风机不受极端恶劣天气影响的风力发电机系统。
背景技术
当今世界风力发电技术虽然发展的如火如荼，但是风力发电机的发展方向一直是以适应风力环境为主旋律！简单的说当今世界的主流风力发电机大多采用削足适履的方式设计风力发电机。风力发电机本质上讲应该是尽可能利用风力转化为电能，但是因为风力环境的不确定性导致传统风力发电机设计上必须留出应对台风等极端天气的余量。因此当今世界的风力发电机往往采用保守设计，对风能的利用率低下。
传统风力发电机按照轴向可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。其中水平轴风力发电机因为其功率大，效率高等原因得到大规模的推广。但是随着风力发电机技术的发展，当今的水平轴风力发电机已经无法满足人们的需求，尤其是海上风场的大规模开发利用导致传统水平轴风力发电机遇到台风等极端天气是很有可能被强风损毁。
发明内容
针对传统水平轴风力发电机容易被强风损毁这一问题，我发明了一种智能化可自动变形的风力发电机系统。我设计这种风力发电机系统的灵感来源于“鱼鹰”运输机。鱼鹰运输机的螺旋桨可以纵向旋转，如果风力发电机的叶片也可以纵向旋转，参考我的发明“一种基于杠杆原理设计的垂直轴风力发电机（专利号ZL2016100018042）”可以设计出一款安全简单，可抗强风的风力发电机系统。
本发明由以下结构组成：机头1、叶片2、发电机3、机械关节装置4、离合装置5、传动轴6、变速器7、叶片固定装置8、智能控制系统9
本发明所述风力发电机主要有三种形态。三种形态分别是水平轴风力发电机结构（见图1）、垂直轴风力发电机结构（见图2）、安全模式（见图3）。上述三种形态和三种形态变形过程中的中间形态为本发明的主要表现模式。
前文所述水平轴风力发电机结构与常见水平轴风力发电机外观基本相同，但发电机可以采用专利“一种大功率低转速水平轴风力发电机（ZL2015106703946）”所述发电机结构或是其他能够满足风力发电机设计的结构。
前文所述垂直轴风力发电机结构与我发明的“一种基于杠杆原理设计的垂直轴风力发电机（专利号ZL2016100018042）”结构类似，本发明可以视为“一种基于杠杆原理设计的垂直轴风力发电机（专利号ZL2016100018042）”发明的改进型发明。
前文所述安全模式为本发明所述风力发电机为了应对台风天气设置的特殊模式。当本发明所述风力发电机接到台风预警后，智能控制系统控制风力发电机自动变形为安全模式。此种模式下，风力发电机叶片被叶片固定装置8锁定，可以抵抗极端天气对风机的影响。
本发明除了可以作为风力发电机结构以外，还可以作为一种大型强制排风系统，用电动机替换发电机后可以安装在人口密集的城市中强制造成空气流动，改善城市空气质量。随着城市巨型化，城市空气污染问题日渐严重。依靠自然风力资源吹散城市雾霾已经慢慢无法满足人们对环境的要求。如果将本发明安装在城市中，平时将风机结构折叠收缩不影响城市景观，遇到空气重污染环境时作为一个巨型风扇强制空气流动，吹散城市中的空气污染物。
本发明中，机头1拥有变形功能。（见图1）图中机械关节装置4可以驱动机头1进行俯仰运动，机头1仰升至与塔架垂直后风机就由水平轴风力发电机转变为垂直轴风力发电机（见图2）。
叶片2可以采用传统水平轴风力发电机常用的翼型结构，也可以采用其他任意一种叶片结构。采用翼型结构可以套用现有空气动力学公式计算优化翼型结构，直接获得可商业化风机。无论采用哪种叶片结构，在叶片2的尾部都装有机械关节装置4。利用机械关节装置4可以让叶片2自由进行俯仰运动。
发电机3可以参考“一种大功率低转速水平轴风力发电机（ZL2015106703946）”中所述的发电机结构。为了应对机头1变形产生的内部结构变化，机头1内部的发电机3的连接结构也要进行一定的改进。主要改进方案有两条；
改进方案1：采用万向联轴器连接风机叶片2与发电机3。此方案技术难度高，但能够保证机头直连发电机3，减少可变部件数量。（见图4）
改进方案2：利用离合装置5连接传动轴6。此方案中，当风机需要进行变形时，离合装置首先断开机头1内部叶片2与传动轴6之间的连接。待到机头1变形完成后，如果需要继续进行风力发电则离合装置5恢复与传动轴6之间的连接。此方案的优势在于结构简单，易于实施。（见图5、图6、图7）。
机械关节装置4是驱动机头1转向的主要设施，其主要作用是驱动机头1完成俯仰动作。同时机械关节装置4也可以驱动机头水平旋转，用以完成风力发电机偏航系统的功能。所谓机械关节的定义是一种能够起到关节作用的机械装置。机械关节的驱动方式多种多样，液压式驱动、齿轮式驱动、电磁式驱动均可。
离合装置5是一种可控的可自动分离、连接的装置。利用离合装置5可以在需要时将风机叶片2与发电机3之间的连接断开。这样能够保证本发明在变形过程中不会受到阻碍。
传动轴6的主要作用是将叶片2的收集风力产生的扭力传递至发电机3。传动轴可以与叶片2、发电机3、机械关节装置4、离合装置5、变速器7相连。
变速器7是一种变速装置。变速器的主要功能是将风机叶片2收集到的低转速大扭力变速为高转速扭力输出。变速器7可以安装在风机扭力传动过程中的任意位置。
叶片固定装置8是一种可控机械臂。当风力发电机处于水平轴风力发电机结构1、垂直轴风力发电机结构2时，叶片固定装置8可以自动隐藏到风力发电机塔架内部。当风力发电机需要切换到安全模式时，通过智能控制系统9控制叶片固定装置8展开。之后利用叶片固定装置8的机械臂固定叶片2。（见图8、图9）。
固定叶片2的方法很多，其主要可以分为定位——连接——收紧。（风力可能会造成叶片2一定程度的变形，机械臂必须能够容纳一定范围的叶片2变形）。
方案1：采用夹具式机械手臂。探测装置通过对叶片2进行定位后引导并控制机械手臂擒抱叶片2，之后收紧并固定从而保护叶片2。
方案2：采用磁力装置配合机械臂，可以利用机械臂末端的电磁装置固定叶片2上的电磁装置，从而达到固定叶片2的目的。
方案3：在叶片2内部安装固定用底座，叶片2表面安装保护罩。当叶片2需要固定时打开保护罩后机械臂插入固定用底座，从而达到固定叶片2的目的。
智能控制系统9是整个风机的控制核心。利用智能控制系统9可以控制风机完成大多数工作。无论是风机叶片的伸展收缩还是风机变形，无论是满功率发电还是弃风限电，无论是风机系统自检还是停机检修，都可以通过智能控制系统9完成。
附图说明
图1为本发明的水平轴风力发电机模式。
图2为本发明的垂直轴风力发电机模式。
图3为本发明的安全模式。
图4为机头内部结构设计图（万向联轴器模式）。
图5为机头内部结构设计图（离合模式-水平轴风力发电机结构连接形态）。
图6为机头内部结构设计图（离合模式-水平轴风力发电机结构断开形态）。
图7为机头内部结构设计图（离合模式-垂直轴风力发电机结构连接形态）。
图8为垂直轴风力发电机结构叶片固定装置8展开模式。
图9为安全模式叶片固定装置8展开后固定风机叶片2。
具体实施方式
方案1
如发明所述风力发电机，安装在海上风场进行发电作业。当风机接到台风预警时，风机机头仰起，风机由水平轴形态转变为垂直轴形态。
当风机变形为垂直轴形态后，叶片固定装置8开始张开。叶片2在机械关节装置4的驱动下向塔架并拢，叶片固定装置8捕获叶片2后将叶片2进行固定。
此时，风机进入安全模式，风阻较低，叶片2受到叶片固定装置8的保护。这种模式下的风机能够抵抗极端天气，防止风机被强风损毁。
当极端天气过后，叶片控制装置8释放叶片2。叶片2张开，恢复垂直轴风力发电机结构。机头1在机械关节装置4的驱动下由垂直轴风力发电机转化为水平轴风力发电机，继续利用风力进行发电。
方案2
在受空气污染困扰的巨型城市中建造若干台风机，其中发电机部位替换为电动机。平时风机收缩折叠处于安全模式，不会对周边环境造成不良影响。遇到雾霾天气，风机叶片展开并切换到适当的角度，叶片开始旋转。
叶片旋转带动空气流动，产生的气流将污染物吹离城市。由多台风机组成一条人工排风带，可以彻底解决城市空气质量差的问题。
Claims (8)
1.一种智能化可自动变形的风力发电机系统，包括：机头1、叶片2、发电机3、机械关节装置4、离合装置5、传动轴6、变速器7、叶片固定装置8、智能控制系统9。
2.如权利要求1所述的一种智能化可自动变形的风力发电机系统可以自由在水平轴风力发电机结构、垂直轴风力发电机结构、安全模式之间自由切换，其中水平轴风力发电机结构和垂直轴风力发电机结构都能根据当前风力环境进行发电。
3.如权利要求1所述机头1拥有变形功能，机头1可以通过机械关节装置4进行俯仰运动完成变形。
4.如权利要求1所述叶片2拥有变形功能，叶片2可以通过机械关节装置4进行俯仰运动完成变形。
5.如权利要求1所述机械关节装置4是一种关节型机械结构，其特征是由一个或一个以上的转动关节组成的机械装置，此装置可以支持机头1、叶片2、叶片固定装置8进行转向运动。
6.如权利要求1所述离合装置5是一种可控的，能够根据需要自动断开或连接的传动装置。
7.如权利要求1所述叶片固定装置8可以在不需要其工作时收缩到风机塔架内部隐藏起来降低风阻，当叶片2收缩时叶片固定装置8可以自动展开并定位叶片2，将叶片2进行固定，从而达到保护叶片2防止其被极端天气损毁。
8.本发明除了可以作为风力发电机结构以外，还可以作为一种大型强制排风设备，用电动机替换发电机后可以安装在人口密集的城市中强制造成空气流动，改善城市空气质量。
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