CN106382189A - 垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮 - Google Patents

垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮 Download PDF

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CN106382189A CN201611079786.6A CN201611079786A CN106382189A CN 106382189 A CN106382189 A CN 106382189A CN 201611079786 A CN201611079786 A CN 201611079786A CN 106382189 A CN106382189 A CN 106382189A
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刘小兵
张惟斌
华红
罗琨
王志文
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Abstract

本发明提供了一种垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮，属于风力机领域，所述垂直轴风力机风轮包括风轮叶片。其中，所述垂直轴风轮控制装置包括控制模块以及用于连接所述风轮叶片的执行机构，所述控制模块与所述执行机构耦合；所述控制模块，用于获取风速信号以及风向信号；所述控制模块，还用于根据获取的所述风速信号以及风向信号控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角，使得所述风轮叶片的迎角满足最佳风能转换条件，从而使得风轮叶片的迎角始终处于最佳迎角位置，提高了垂直轴风力机的风能利用率，实现了风能的高效利用。

Description

垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮
技术领域
本发明涉及风力机领域，具体而言，涉及一种垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮。
背景技术
随着科学技术的发展，风力机也逐渐运用到许多领域，风力机是利用风产生动力的一种机器。现代风力机多指发电用风力机，亦有用于提水灌溉的。
风能资源是清洁的可再生能源，安全、清洁、资源丰富，取之不竭，是一种永久性的大量存在的本地资源，可为我们提供长期稳定的能源供应。风力发电是新能源领域中技术最成熟、最具规模、开发商业化发展前景的发电方式之一。发展风电对于保障能源安全，调整能源结构，减轻环境污染，实现可持续发展等都具有非常重要的意义。
风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前风车技术，微风便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡。
现有技术中的垂直轴风力机通常是升力型风力机与阻力型风力机以及混合型风轮的垂直轴风力机，混合型风轮的垂直轴风力机也就是升力型风轮与阻力型风轮的组合，虽然这种混合型风轮的垂直轴风力机既有较高的输出功率也有较低的启动风速，但由于将升力型叶片与阻力型叶片组合在一起，使得阻力型叶片在旋转时影响了升力型风轮的内部流场，使得升力型叶片的迎角不能为最佳迎角，导致风能利用率仍然较低，且现有的垂直轴风力机均无法实现真正意义上的调桨控制。
因此，如何有效地控制垂直轴风力机风轮的叶片的迎角，提高风能利用率，是目前急需考虑解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮，其能够有效控制垂直轴风力机风轮的叶片迎角，提高风能利用率。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种垂直轴风轮控制装置，应用于垂直轴风力机风轮，所述垂直轴风力机风轮包括风轮叶片，其特征在于，所述垂直轴风轮控制装置包括控制模块以及用于连接所述风轮叶片的执行机构，所述控制模块与所述执行机构耦合；所述控制模块，用于获取风速信号以及风向信号；所述控制模块，还用于根据获取的所述风速信号以及风向信号控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角，使得所述风轮叶片的迎角满足最佳风能转换条件。
在本发明较佳的实施例中，所述控制模块包括第一控制模块、第二控制模块、功率控制模块以及桨距控制模块，所述功率控制模块分别与所述第一控制模块、所述第二控制模块耦合，所述第一控制模块、所述第二控制模块均与所述桨距控制模块耦合，所述桨距控制模块与所述执行机构耦合，所述功率控制模块用于根据获取的风力机的功率值来切换所述第一控制模块与所述第二控制模块，使得所述第一控制模块在所述风力机的发电机并网前，通过所述桨距控制模块控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角，以及使得所述第二控制模块在所述风力机的发电机并网后，通过所述桨距控制模块控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角。
在本发明较佳的实施例中，所述控制模块为多个，所述执行机构与所述控制模块的数量相同，每个所述控制模块对应连接一个所述执行机构。
在本发明较佳的实施例中，所述最佳风能转换条件为所述风轮叶片的迎角在同一位置为一恒定值。
在本发明较佳的实施例中，所述执行机构为液压执行机构。
第二方面，本发明实施例提供了一种垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述垂直轴风力机风轮包括旋转轴、设置在旋转轴上的风轮组、发电机以及垂直轴风轮控制装置，所述垂直轴风轮控制装置设置在所述旋转轴上，所述发电机与所述旋转轴的一端连接，所述发电机连接蓄电池。
在本发明较佳的实施例中，所述风轮组包括升力型风轮、阻力型风轮，所述旋转轴包括上部、中部、下部，所述上部与所述中部通过法兰连接，所述中部与所述下部通过法兰连接，所述阻力型风轮安装在所述旋转轴的上部与下部，所述升力型风轮通过连杆与所述旋转轴的中部连接。
在本发明较佳的实施例中，所述执行机构的一端连接所述垂直轴风轮控制装置，所述执行机构的另一端连接所述升力型风轮的风轮叶片。
在本发明较佳的实施例中，所述升力型风轮的风轮叶片顶部设有风向标，所述风轮叶片前缘设有传感器，所述风向标与所述传感器耦合，所述传感器与所述垂直轴风轮控制装置耦合，所述风向标用于获取风向信号，所述传感器用于获取风速信号。
在本发明较佳的实施例中，所述升力型风轮的风轮叶片前缘均匀设置有10个所述传感器。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供一种垂直轴风轮控制装置及垂直轴风力机风轮，通过所述执行机构连接垂直轴风力机风轮的所述风轮叶片，从而使得执行机构可用于调节所述风轮叶片的迎角，由于所述控制模块与所述执行机构耦合，从而所述控制模块可以通过控制所述执行机构从而来调节所述风轮叶片的迎角，而风速信号以及风向信号会影响所述风轮叶片的迎角，所以，所述控制模块用于获取所述风速信号以及风向信号，从而根据所述风速信号以及所述风向信号控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角，使得所述风轮叶片的迎角能够满足最佳风轮转换条件，提高了垂直轴风力机的风能利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种垂直轴风轮控制装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种垂直轴风力机风轮的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种风轮在旋转过程中风轮叶片示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种垂直轴风力机风轮的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种升力型风轮的结构示意图。
图标：100-垂直轴风轮控制装置；110-控制模块；112-第一控制模块；114-第二控制模块；116-功率控制模块；118-桨距控制模块；120-执行机构；200-垂直轴风力机风轮；210-发电机；220-旋转轴；230-风轮组；232-阻力型风轮；234-升力型风轮；2341-风轮叶片；240-蓄电池；250-连杆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种垂直轴风轮控制装置100的结构框图，所述垂直轴风轮控制装置100包括控制模块110以及执行机构120，所述控制模块110与所述执行机构120耦合。
所述控制模块110，用于获取风速信号以及风向信号，并且根据获取的所述风速信号以及风向信号控制所述执行机构120来调节所述风轮叶片的迎角，使得所述风轮叶片的迎角满足最佳风能转换条件。
作为一种实施方式，所述最佳风能转换条件为所述风轮叶片的迎角在同一位置为一恒定值。也就是说，不管风轮叶片的旋转到任何位置，所述风轮叶片的迎角始终能保持恒定值，从而具有更高的风能利用率，实现风能的高效利用。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种垂直轴风力机风轮200的结构示意图，所述垂直轴风力机风轮200包括发电机210、旋转轴220、设置在旋转轴220上的风轮组230以及上述的垂直轴风轮控制装置100，所述垂直轴风轮控制装置100设置在所述旋转轴220上，所述发电机210与所述旋转轴220的一端连接，所述发电机210连接蓄电池240。
所述控制模块110包括第一控制模块112、第二控制模块114、功率控制模块116以及桨距控制模块118，所述功率控制模块116分别与所述第一控制模块112、所述第二控制模块114耦合，所述第一控制模块112、所述第二控制模块114均与所述桨距控制模块118耦合，所述桨距控制模块118与所述执行机构120耦合。
所述功率控制模块116用于检测所述垂直轴风力机风轮200的功率，根据获取的风力机的功率值来切换所述第一控制模块112与所述第二控制模块114，在所述发电机210并网前，所述垂直轴风力机风轮200的功率一般会大一些，这时所述功率控制模块116通过所述桨距控制模块118控制所述执行机构120来调节所述风轮叶片的迎角，在所述发电机210并网后，所述垂直轴风力机风轮200的功率一般会小一些，这时所述功率控制模块116通过所述桨距控制模块118控制所述执行机构120来调节所述风轮叶片的迎角。
所述桨距控制模块118用于在所述第一控制模块112或所述第二控制模块114的控制下来控制所述执行机构120。
所述第一控制模块112用于在发电机210并网前，与所述功率控制模块116根据所述发电机210转速的反馈信号与给定信号，来共同控制所述发电机210的转速。所述第一控制模块112获取每个时刻的所述风速信号与所述风向信号，第一控制模块112根据所述每个时刻的所述风速信号与所述风向信号来计算出每个时刻风轮叶片的迎角，当某一时刻风轮叶片的迎角等于该位置处的最佳迎角时，第一控制模块112将这一信号输送到桨距控制模块118，从而调节执行机构120，使得在该时刻风轮叶片的迎角为最佳迎角，也就是满足最佳风轮转换条件。
风力机在一般运行情况下，垂直轴风力机风轮200上的动力来源于气流在叶片翼型上流过产生的升力，由于风轮转速恒定，风速增加，导致风轮叶片的迎角也会随之增加，可能就会导致最后气流在翼型上表面分离而产生脱落，严重影响风力机的风能利用率，那么保证其风轮叶片的迎角始终处于最佳迎角，提供风能利用率尤其重要。其中，风轮叶片任一位置最佳迎角的计算方法为：其中，CL为所述风轮叶片的升力系数，CD为所述风轮叶片的阻力系数，当升力系数与阻力系数之比为最大值时，所述风轮叶片的迎角为最佳迎角；风轮叶片任一位置的瞬时迎角的计算方法为：
W = [ U ( 1 - a ) ] 2 + [ Ω r ( 1 + a ′ ) ] 2 ;
其中，请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种风轮在旋转过程中风轮叶片示意图；W为相对风速，a为风速轴向诱导因子，a'为风速切向诱导因子，Ω为风轮叶片旋转速度，r为风轮半径，U为自由来流速度，风轮叶片的迎角为β为风轮叶片的安装角，为风向角，由此可计算出风轮叶片任一位置的瞬时迎角，通过调节风轮叶片任一位置的瞬时迎角，使得其风轮叶片任一位置的瞬时迎角始终处于最佳迎角，从而可确保其旋转在任何位置，都具有最佳的迎风效果。
根据风轮叶片翼型上的升力和阻力分析，当叶片保持迎角δ时，升力最大，阻力最小，这样可使风力机有更高的功率输出，实现了风能的高效利用。
所述第二控制模块114用于在发电机210并网后，与所述功率控制模块116根据所述发电机210转速的反馈信号与给定信号，来共同控制所述发电机210的转速。所述第二控制模块114获取每个时刻的所述风速信号与所述风向信号，第二控制模块114根据所述每个时刻的所述风速信号与所述风向信号来计算出每个时刻风轮叶片的迎角，当某一时刻风轮叶片的迎角等于该位置处的最佳迎角时，第二控制模块114将这一信号输送到桨距控制模块118，从而调节执行机构120，使得在该时刻风轮叶片的迎角为最佳迎角，也就是满足最佳风轮转换条件。
需要说明的是，所述第一控制模块112与所述第二控制模块114均包括存储器以及处理器，上述风轮叶片的迎角计算方法已经预先存储在存储器中，处理器用于根据存储器存储的计算方法来计算出风轮叶片的迎角，判断某时刻的刻风轮叶片的迎角是否等于该位置处的最佳迎角。
其中，存储器可以存储各种软件程序以及模块，如本发明实施例提供的风轮叶片的迎角计算方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的风轮叶片的迎角计算方法。存储器可以包括但不限于只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EEPROM)等。
处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
请参照图4，图4为本发明实施例提供的另一种垂直轴风力机风轮200的结构示意图，所述执行机构120的一端连接所述控制模块110，所述执行机构120的另一端连接所述升力型风轮234的风轮叶片2341的中部位置；所述风轮组230包括升力型风轮234、阻力型风轮232，所述旋转轴220包括上部、中部、下部，所述上部与所述中部通过法兰连接，所述中部与所述下部通过法兰连接，所述阻力型风轮232安装在所述旋转轴220的上部与下部；所述升力型风轮234通过连杆250的一端与所述旋转轴220的中部连接，可随旋转轴220转动，所述连杆250的另一端分别连接升力型风轮234的风轮叶片2341的上部和下部，这种连接既可使风轮叶片2341保持稳定，又使风轮内气流较为稳定，不会影响风向的测量精度。
作为一种实施方式，所述阻力型风轮232由2个S型叶片组成，2个S型叶片之问夹角为180度，所述升力型风轮234由3个叶片组成，每个叶片之问的夹角为120度。所述阻力型风轮232直径为升力型风轮234直径的1/3，这样既能保证整个风轮组230在低风速下启动，又不会因阻力型风轮232过大而影响整个风轮组230的功率输出。所述升力型风轮234的风轮叶片2341顶部设有风向标，叶片前缘设有传感器，所述风向标与所述传感器耦合，所述传感器与所述垂直轴风轮控制装置100耦合，所述风向标用于获取风向信号，所述传感器用于获取风速信号。
阻力型风轮232内部复杂的流动不会影响升力型风轮234内的流场分布，不会使风能利用率受到限制，从而可使得该风轮具有更好的性能。
作为一种实施方式，所述升力型风轮234的风轮叶片2341前缘均匀设置有10个所述传感器，可以更好的采集风速信号。
其中，所述垂直轴风轮控制装置100可随旋转轴220转动，垂直轴风轮控制装置100内设有多个相互独立的控制模块110，执行机构120也为多个，其中，控制模块110、执行机构120、升力型风轮234的风轮叶片2341的数量一致。所述每个控制模块110对应连接一个执行机构120，执行机构120对应连接一个升力型风轮234的风轮叶片2341。
如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种升力型风轮234的结构示意图，每个控制模块110均为相互独立的，可単独控制与之连接的执行机构120，从而单独控制每个对应升力型风轮234的风轮叶片2341的迎角，与其他控制模块、执行机构、风轮叶片互不影响。
作为一种实施方式，所述执行机构120为液压执行机构，所述液压执行机构具有调向容易，在不改变风轮旋转方向的情况下，可以较方便地实现风轮叶片迎角的调节，其操作控制简单，自动化程度高等优点。
本发明实施例提供的一种垂直轴风轮控制装置100及垂直轴风力机风轮200的工作原理是：
通过所述第一控制模块112与所述第二控制模块114获取所述风向标采集的风向标和传感器采集的风速信号，并根据风向信号和风速信号控制所述桨距控制模块118，所述桨距控制模块118控制所述执行机构120来调节所述升力型风轮234的风轮叶片2341的迎角，从而通过风向标、传感器、执行机构120和控制模块110的共同作用来控制升力型风轮234的风轮叶片2341的迎角始终保持在最佳位置。这样不管升力型风轮234的风轮叶片2341旋转到任何位置，其迎角均能保持在最佳位置，提高风能利用率，从而实现风能的高效利用。
综上所述，本发明实施例提供一种垂直轴风轮控制装置100及垂直轴风力机风轮200，通过所述执行机构120连接垂直轴风力机风轮200的所述风轮叶片2341，从而使得执行机构120可用于调节所述风轮叶片的迎角，由于所述控制模块110与所述执行机构120耦合，从而所述控制模块110可以通过控制所述执行机构120从而来调节所述风轮叶片的迎角，而风速信号以及风向信号会影响所述风轮叶片的迎角，所以，所述控制模块110用于获取所述风速信号以及风向信号，从而根据所述风速信号以及所述风向信号控制所述执行机构120来调节所述风轮叶片的迎角，使得所述风轮叶片的迎角能够满足最佳风轮转换条件，提高了垂直轴风力机的风能利用率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直轴风轮控制装置，应用于垂直轴风力机风轮，所述垂直轴风力机风轮包括风轮叶片，其特征在于，所述垂直轴风轮控制装置包括控制模块以及用于连接所述风轮叶片的执行机构，所述控制模块与所述执行机构耦合；
所述控制模块，用于获取风速信号以及风向信号；
所述控制模块，还用于根据获取的所述风速信号以及风向信号控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角，使得所述风轮叶片的迎角满足最佳风能转换条件。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风轮控制装置，其特征在于，所述控制模块包括第一控制模块、第二控制模块、功率控制模块以及桨距控制模块，所述功率控制模块分别与所述第一控制模块、所述第二控制模块耦合，所述第一控制模块、所述第二控制模块均与所述桨距控制模块耦合，所述桨距控制模块与所述执行机构耦合，所述功率控制模块用于根据获取的风力机的功率值来切换所述第一控制模块与所述第二控制模块，使得所述第一控制模块在所述风力机的发电机并网前，通过所述桨距控制模块控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角，以及使得所述第二控制模块在所述风力机的发电机并网后，通过所述桨距控制模块控制所述执行机构来调节所述风轮叶片的迎角。
3.根据权利要求2所述的垂直轴风轮控制装置，其特征在于，所述控制模块为多个，所述执行机构与所述控制模块的数量相同，每个所述控制模块对应连接一个所述执行机构。
4.根据权利要求1所述的垂直轴风轮控制装置，其特征在于，所述最佳风能转换条件为所述风轮叶片的迎角在同一位置为一恒定值。
5.根据权利要求1所述的垂直轴风轮控制装置，其特征在于，所述执行机构为液压执行机构。
6.一种垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述垂直轴风力机风轮包括旋转轴、设置在旋转轴上的风轮组、发电机以及权利要求1-5任一所述的垂直轴风轮控制装置，所述垂直轴风轮控制装置设置在所述旋转轴上，所述发电机与所述旋转轴的一端连接，所述发电机连接蓄电池。
7.根据权利要求6所述的垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述风轮组包括升力型风轮、阻力型风轮，所述旋转轴包括上部、中部、下部，所述上部与所述中部通过法兰连接，所述中部与所述下部通过法兰连接，所述阻力型风轮安装在所述旋转轴的上部与下部，所述升力型风轮通过连杆与所述旋转轴的中部连接。
8.根据权利要求7所述的垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述执行机构的一端连接所述垂直轴风轮控制装置，所述执行机构的另一端连接所述升力型风轮的风轮叶片。
9.根据权利要求7所述的垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述升力型风轮的风轮叶片顶部设有风向标，所述风轮叶片前缘设有传感器，所述风向标与所述传感器耦合，所述传感器与所述垂直轴风轮控制装置耦合，所述风向标用于获取风向信号，所述传感器用于获取风速信号。
10.根据权利要求9所述的垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述升力型风轮的风轮叶片前缘均匀设置有10个所述传感器。
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