CN109763940A - 一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，包括：双叶轮风力发电机和无线充电装置；所述双叶轮风力发电机包括塔架、机舱以及位于机舱两端的两个叶轮；所述无线充电装置设置在双叶轮风力发电机上。上述带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机简化了风电机的结构、降低了维护成本、提高了风能利用效率，另一方面通过其上设置的无线充电装置能为巡检无人机提供更加安全有效的充电场所。

Description

一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机

【技术领域】

本发明涉及风电领域，尤其涉及一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机。

【背景技术】

现有的风力发电机普遍为单叶轮风力发电机，发电效率较低，且通常只能通过调节叶片的倾斜角度、叶轮大小来间接调整发电效率。然而，双叶轮的风机结构，可以根据风速做叶轮的选择和调整，间接提高了风能利用率，其实用程度也越来越高，大有取代单叶轮风力发电机的趋势。

但是双叶轮的风机结构相对于单叶轮风力发电机在某些方面也存在着劣势，例如结构复杂、成本较高、维修率较高等等。特别是风电领域越来越多的使用无人机进行巡检和雷击测试，由于风电场遥控无人机作业是在野外，不方便携带无人机的充电设备，往往需要在风电机的机舱上设置充电设备为无人机充电，对于单叶轮风机而言，无人机可以从一侧切入降落，不会受到叶轮旋转的影响，但是双叶轮风机两侧均很难切入降落，如果采用从天而降的降落方式，两个叶轮之间的距离又不算开阔，也容易导致无人机与桨叶的碰撞。因此急需设计一种结构更加合理、风能利用效率更高且方便巡检无人机降落充电的双叶轮风力发电机。

【发明内容】

有鉴于此，本发明实施例提供了一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，用以解决现有技术中的上述技术问题。

本发明第一方面提供了一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，包括：

双叶轮风力发电机和无线充电装置；

所述双叶轮风力发电机包括塔架、机舱以及位于机舱两端的两个叶轮；

所述无线充电装置设置在双叶轮风力发电机上。

进一步的，

所述无线充电装置包括充电平台、无线充电单元和供电系统；其中，

所述充电平台为水平设置的圆盘，该圆盘设置于风力发电机的桨叶下方，其中心被塔架穿过；

所述充电平台上设置有多个均匀分布的无线充电单元，每个所述无线充电单元包括充电板，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接；所述充电板的四周设置有第一磁性元件，该第一磁性元件用于吸引无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固。

进一步的，

所述供电系统包括太阳能电池板和蓄电池，蓄电池一端连接太阳能电池板，另一端通过功率控制模块与所述送电线圈连接。

进一步的，

还包括护栏控制系统，所述护栏控制系统包括主控制器、设置于充电平台与塔架连接处的多个激光发射装置、以及设置于每个无线充电单元的激光接收装置，所述每个激光发射装置与每个激光接收装置一一对应；

当无人机降落在无线充电单元上进行充电时，激光发射装置发出的激光被阻挡，使得激光接收装置无法接收到激光信号，主控制器控制护栏从水平状态变为竖起状态；当充电平台上没有无人机时，全部所述激光接收装置均可以接收到激光信号，所述主控制器控制护栏从竖起状态变为水平状态。

进一步的，所述供电系统为护栏控制系统供电。

进一步的，所述每个无线充电单元的周围设置有多个LED灯。

进一步的，所述主控制器在第一预定时间开启所述LED灯，在第二预定时间关闭所述LED灯。

进一步的，所述供电系统具有备用电源，所述备用电源为小型风力发电机。

进一步的，所述双叶轮风力发电机包括一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴。

进一步的，

当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。

本发明提供了一种新型结构的双叶轮风力发电机，其一方面简化了风电机的结构、降低了维护成本、提高了风能利用效率，另一方面通过其上设置的无线充电装置能为巡检无人机提供更加安全有效的充电场所。

【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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例中提供的双叶轮风力发电机结构图；

图2是本发明一个实施例中提供的双叶轮风力发电机的叶轮转速合并机构的原理图；

图3是本发明另一实施例中提供的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机的结构图；

图4是本发明另一实施例中提供的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机的侧视图；

图5是本发明另一实施例中提供的护栏竖起状态的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机的效果图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

参考图1、2，本发明在一个实施例中提供了一种双叶轮风力发电机，包括：一级叶轮1、二级叶轮2和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴31、第二输入轴32、第一输出轴41和第二输出轴42，所述一级叶轮1与所述第一输入轴31驱动连接，所述二级叶轮2与所述第二输入轴32驱动连接，所述第一输出轴41通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴42通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接。

所述一级叶轮1与所述二级叶轮2同轴连接，所述一级叶轮1的叶片长度大于所述二级叶轮2的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮1位于所述二级叶轮2的前方。

工作时，气流先通过一级叶轮1，再通过二级叶轮2，二级叶轮2的直径小于一级叶轮1，因此，二级叶轮2工作所需的最低风速也小于一级叶轮1。为了增加机头工作时的稳定性，一级叶轮1与二级叶轮2的转动方向相反，从而抵消扭矩。

其中，叶轮转速合并机构能够将一级叶轮1和二级叶轮2的转速合并，从而获得更大的输出转速，驱动发电机工作，从而有效利用剩余风能，提高发电效率。

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮51、齿圈52和行星架53，所述行星架53上设有多个行星轮54，所述齿圈52设有内齿和外齿，所述行星轮54啮合在所述齿圈52的内齿和所述太阳轮51之间，所述第一输入轴31设有驱动齿轮55，所述驱动齿轮55与所述齿圈52的外齿啮合，所述第二输入轴32与所述太阳轮51的转轴连接，所述行星架53的转轴通过中间轴6与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴41，另一端形成所述第二输出轴42。

例如，太阳轮51的转速为n1，齿圈52的转速为n2，行星架53的转速为n3，齿圈52内齿和太阳轮51的齿数比值为a，n3＝(n1+a*n2)/(1+a)。从而实现转速和力矩的叠加。

本实施例中，一级叶轮的叶片长度75m，二级叶轮的叶片长度35m。在一个发电机工作的情况下，且当仅有一级叶轮工作时，风机的启动风速4m/s，额定风速15m/s，安全风速25m/s，额定功率3MW，当仅有二级叶轮工作时，风机的启动风速3m/s，额定风速10m/s，安全风速25m/s，额定功率1.5MW。

由于低风速工作中，第一叶轮工作中的能量损耗较大，且功率低，为了使该风力发电机能够适应较大范围的风速，有效利用风资源，上述风力发电机的控制中涉及两个阈值，第一阈值为6m/s，第二阈值为10m/s。

具体控制方法如下：获得风速，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1停止发电状态，二级叶轮2处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态。从而在低风速时启动风机进行发电，并减小风机发电过程中的内耗，提高发电效率。

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而通过第一叶轮进行高功率发电，并通过第二叶轮有效利用剩余风能。在该模式下，风机的最大功率能够达到4MW。

当风速大于第二阈值时，一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。风速较大超过单台发电机所需的额定风速10m/s时，利用两台发电机同时发电，可达到最大发电功率为8MW，能够有效利用风能，提高发电功率，且不会增加叶轮的直径，避免叶片太长，增加制造、运输、和安装维护成本。

由于一级叶轮1的直径较大，当风力小于第一阈值时无法驱动一级叶轮1转动，因此调节一级叶轮1的桨叶，减小迎风面积，使气流经过一级叶轮1，直接驱动二级叶轮2转动，且为了减小启动风速，第二离合器处于分离状态，仅第一发电机工作。

当风力增大到第一阈值和第二阈值时，第一叶轮也开始转动，并通过第二叶轮有效利用剩余风能，第一叶轮和第二叶轮的转速经叶轮转速合并机构叠加后驱动第一发电机工作。

当风力继续增大到大于第二阈值后，由于叶轮的转速不能无限提升，但驱动力提高，将第二离合器啮合，同时驱动第一发电机和第二发电机发电，提高发电效率。

参考图3，本发明在另一实施例中提供了一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，包括：双叶轮风力发电机和无线充电装置，其中双叶轮风力发电机的结构参照上一实施例，所述无线充电装置设置在双叶轮风力发电机上。

所述无线充电装置包括充电平台100、无线充电单元101和供电系统，所述充电平台100为水平设置的圆盘，该圆盘设置于风力发电机的桨叶下方，圆盘和最长桨叶之间的距离大于2米，以避免维修人员与桨叶的磕碰，保证安全，圆盘的中心被塔架104穿过，圆盘直径可以根据巡检无人机的大小进行设置，通常要保证无人机降落区域的无干扰面积不小于1.5m×1.5m。

所述充电平台100上设置有多个均匀分布的无线充电单元101，无人机降落时可以通过机载摄像机识别平台上空置的无线充电单元101，降落其上进行充电。由于风电场中的瞬时风速较高，降落后的无人机容易收到大风的影响而导致其不能稳定的位于充电单元上，因此需要对无人机进行锚固。优选的，在所述充电板的四周设置第一磁性元件，并在无人机的起落架上设置第二磁性元件，无人机降落时，起落架正好位于第一磁性元件区域，该第一磁性元件牢牢的吸引住无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固。进一步的，为了便于无人机降落时将起落架更准确的对准第一磁性元件，可以将第一磁性元件区域设置为较大的面区域，以保证无人机大概率的降落于第一磁性元件上。

每个所述无线充电单元101包括充电板，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接，以产生交变磁场，无人机降落后通过下腹部的接收线圈感应交变磁场，从而产生感应电流为无人机的蓄电池充电。

由于风电场一般位于中高海拔地区，具有天然的光伏能量优势，为了简化后续维护，降低成本，可以将供电系统设置为太阳能供电系统，其包括太阳能电池板106和蓄电池，蓄电池一端连接太阳能电池板106，另一端通过功率控制模块与所述送电线圈连接，由于无线充电原理属于公知常识，这里不再赘述具体的无线充电电路。此外，考虑到连续阴雨天气会导致太阳能装置失效，供电终端，因此在所述供电系统中设置备用电源，所述备用电源为小型风力发电机。

参考图4-5，优选的，所述带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机还包括护栏105控制系统，以进一步保护无人机不会跌落充电平台100。所述护栏105控制系统包括主控制器、设置于充电平台100与塔架104连接处的多个激光发射装置102、以及设置于每个无线充电单元101的激光接收装置103，所述每个激光发射装置102与每个激光接收装置103一一对应；当无人机降落在无线充电单元101上进行充电时，激光发射装置102发出的激光被阻挡，使得激光接收装置103无法接收到激光信号，主控制器控制护栏105从水平状态变为竖起状态；当充电平台100上没有无人机时，全部所述激光接收装置103均可以接收到激光信号，所述主控制器控制护栏105从竖起状态变为水平状态。

优选的，所述供电系统为护栏105控制系统供电。

优选的，所述每个无线充电单元101的周围设置有多个LED灯107，在黄昏时，主控制器可以点亮无线充电单元101周围的LED灯107，以便于无人机在视线不佳时可以降落，在黎明时，主控制器可以关闭所述无线充电单元101周围的LED灯107，以节省电能。除了白天黑夜之前，一些极端天气下无人机操作者也很难看清充电平台100，此时可以通过光线传感器来探测周围亮度，以控制LED灯107的打开和关闭。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于包括：

双叶轮风力发电机和无线充电装置；

所述双叶轮风力发电机包括塔架、机舱以及位于机舱两端的两个叶轮；

所述无线充电装置设置在双叶轮风力发电机上。

2.根据权利要求1所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

所述无线充电装置包括充电平台、无线充电单元和供电系统；其中，

所述充电平台为水平设置的圆盘，该圆盘设置于风力发电机的桨叶下方，其中心被塔架穿过；

所述充电平台上设置有多个均匀分布的无线充电单元，每个所述无线充电单元包括充电板，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接；所述充电板的四周设置有第一磁性元件，该第一磁性元件用于吸引无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固。

3.根据权利要求2所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

所述供电系统包括太阳能电池板和蓄电池，蓄电池一端连接太阳能电池板，另一端通过功率控制模块与所述送电线圈连接。

4.根据权利要求2所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

还包括护栏控制系统，所述护栏控制系统包括主控制器、设置于充电平台与塔架连接处的多个激光发射装置、以及设置于每个无线充电单元的激光接收装置，所述每个激光发射装置与每个激光接收装置一一对应；

当无人机降落在无线充电单元上进行充电时，激光发射装置发出的激光被阻挡，使得激光接收装置无法接收到激光信号，主控制器控制护栏从水平状态变为竖起状态；当充电平台上没有无人机时，全部所述激光接收装置均可以接收到激光信号，所述主控制器控制护栏从竖起状态变为水平状态。

5.根据权利要求4所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：所述供电系统为护栏控制系统供电。

6.根据权利要求4所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

所述每个无线充电单元的周围设置有多个LED灯。

7.根据权利要求6所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

所述主控制器在第一预定时间开启所述LED灯，在第二预定时间关闭所述LED灯。

8.根据权利要求3所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

所述供电系统具有备用电源，所述备用电源为小型风力发电机。

9.根据权利要求2-8任意一项所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

所述双叶轮风力发电机包括一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴。

10.根据权利要求9所述的带有无人机无线充电装置的双叶轮风力发电机，其特征在于：

当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。