CN113299167A - 一种小型化风力发电机组偏航系统教具 - Google Patents

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CN113299167A CN202110507183.6A CN202110507183A CN113299167A CN 113299167 A CN113299167 A CN 113299167A CN 202110507183 A CN202110507183 A CN 202110507183A CN 113299167 A CN113299167 A CN 113299167A
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孙守杰
杨涛杰
曾建明
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陈翼飞
李申伟
王茂华
李润良
马少杰
吕学斌
胡祥坡
董建雨
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Abstract

本申请涉及一种小型化风力发电机组偏航系统教具，属于风力发电教学设备的技术领域，其包括控制箱和连接于控制箱上的偏航主机架，控制箱顶部固定连接有固定筒，偏航主机架转动连接于固定筒，偏航主机架可拆卸连接有风向标安装支架，风向标安装支架固定连接有风向传感器；偏航主机架连接有驱动偏航主机架转动的转动组件；固定筒转动连接有安装板，安装板伸出偏航主机架设置，且安装板伸出偏航主机架位置处固定连接有风扇，安装板连接有驱动安装板转动的驱动组件，本发明具有通过可以绕教具中心转动的风扇来模拟自然风，方便学员实际演示的效果。

Description

一种小型化风力发电机组偏航系统教具
技术领域
本发明涉及风力发电教学设备的技术领域，尤其是涉及一种小型化风力发电机组偏航系统教具。
背景技术
目前随着风力发电作为一种绿色清洁能源，在国内外的装机容量的不断增加，从事风力发电的从业人员也越来越多，风力发电在国内快速发展了10多年。风能是一种清洁无公害的的可再生能源，很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等。风是没有公害的能源之一。现在教学用的风力发偏航电机组偏航系统教具，都是模拟风力发电设备的自动偏航系统制作的缩小版教具。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：教具如果模拟风力发偏航电机组偏航系统，那么在实际使用中就需要通过外部设备来模拟自然风的流动，比较麻烦。
发明内容
为了方便用户模拟自然风，本申请提供一种小型化风力发电机组偏航系统教具。
本申请提供的一种小型化风力发电机组偏航系统教具采用如下的技术方案：
一种小型化风力发电机组偏航系统教具，包括控制箱和连接于控制箱上的偏航主机架，控制箱顶部固定连接有固定筒，固定筒远离控制箱一端固定连接有固定盘，偏航主机架转动连接于固定盘，偏航主机架可拆卸连接有风向标安装支架，风向标安装支架固定连接有风向传感器；
偏航主机架连接有驱动偏航主机架转动的转动组件；固定筒转动连接有安装板，安装板伸出偏航主机架设置，且安装板伸出偏航主机架位置处固定连接有风扇，安装板连接有驱动安装板转动的驱动组件。
通过采用上述方案，用户可以通过控制箱来控制转动组件和驱动组件，从而控制偏航主机架和固定板转动，固定板上的风扇随固定板转动而改变对风向传感器的吹风的风向，从而模拟自然风变相时风力发偏航电机组偏航系统的动态场景，达到教学目的。本教具能够方便用户模拟自然风，且能够随意控制风向，方便用户完成教学。
优选的，转动组件包括固定连接于偏航主机架上的偏航轴承，偏航轴承包括可拆卸连接于偏航主机架的偏航内轴承和固定连接于固定盘上的偏航外轴承，偏航外轴承固定连接有偏航齿环，偏航主机架固定连接有第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴穿过偏航主机架设置，第一驱动电机的输出轴固定连接有偏航小齿轮(243)，偏航小齿轮啮合于偏航齿环上。
通过采用上述方案，第一驱动电机带动偏航小齿轮转动，偏航小齿轮沿偏航齿环转动，从而带动偏航主机架转动。
优选的，驱动组件包括固定连接于固定板上的第二驱动电机，偏航齿环固定连接有固定齿环，第二驱动电机的输出轴穿过固定板设施，第二驱动电机的输出轴固定连接有主动齿轮，主动齿轮啮合于固定齿环上。
通过采用上述方案，第二驱动电机带动主动齿轮转动，主动齿轮沿固定齿环转动，从而带动固定板转动，实现调整风扇风向的目的。
优选的，偏航齿环内固定连接有偏航轴承，偏航轴承内侧固定连接于偏航主机架上；固定齿环内固定连接有固定轴承，固定轴承内侧固定连接于固定板上。
通过采用上述方案，偏航轴承和固定轴承能够让偏航主机架和固定板转动更加轻松，有效降低转动摩擦，减少偏航齿环和固定齿环对偏航主机架和固定板的摩擦力。
优选的，偏航主机架上可拆卸连接有风向标安装支撑，风向标安装支架可拆卸连接于风向标安装支撑上。
通过采用上述方案，风向标安装支持用于将风向传感器支撑到偏航主机架上方，防止偏航主机架上的结构影响学生观察风向传感器。
优选的，控制箱连接有控制系统，控制系统包括风向检测模块、风机控制模块、自动偏航模块、扭缆检测模块和扭缆控制模块；
所述风向检测模块连接风向传感器并且接收风向传感器输出的风向信号，并根据风向信号计算偏移角度，风向检测模块将偏移角度传输给自动偏航模块；
所述风机控制模块接收输入的风机参数，并根据风机参数控制驱动组件带动固定板转动，同时控制风扇的启闭和风速；
所述自动偏航模块根据接收的偏移角度控制转动组件带动偏航主机架转动；
所述扭缆检测模块包括可拆卸连接于偏航主机架上的扭缆传感器，扭缆传感器检测转动组件的扭缆圈数，当扭缆圈数超过设定值时向扭缆控制模块发送扭缆信号；
所述扭缆控制模块接收到扭缆信号后控制自动偏航模块停止工作并控制转动组件带动偏航主机架反向旋转。
通过采用上述方案，控制系统能够接收用户输入的风机参数来调整风机位置和风速，控制系统在转动组件扭缆圈数过多时控制转动组件反转，避免教具的电缆扭断。
优选的，风向传感器具体设置为风向检测设备和风速检测设备，所述控制系统还包括风速检测模块和风速优先模块；
所述风速检测模块连接风速检测设备并且接收风速检测设备输出的风速信号，风速检测模块将风速信号发送给风速优先模块；
所述风速优先模块接收到风速信号后将风速信号与预设值进行比较，当风速信号大于预设值时，阻止扭缆控制模块工作。
通过采用上述方案，风速优先模块会在风速达到一定程度后先阻止教具解缆，模拟风车优先发电的情况。
优选的，所述扭缆检测模块还包括固定连接于偏航主机架靠近偏航齿环位置处的接近开关，扭缆检测模块接收接近开关发送的检测信号，并根据检测信号计算扭缆角度，扭缆检测模块根据扭缆角度与扭缆圈数获得扭缆详细数据，扭缆检测将扭缆详细数据与设定值比较。
通过采用上述方案，扭缆检测模块能够通过接近开关计算齿轮旋转角度来获得扭缆详细数据，计算更加准确。
优选的，所述控制系统还包括反馈调整模块，所述反馈调整模块调用风向检测模块的风向信号、风速检测模块的风速信号和风机控制模块的风机参数，反馈调整模块根据风机参数计算预计风速和预计风向，将预计风向和预计风速分别与风向信号和风速信号做差，获得风速差和风向差，若风速差或风向差大于设定范围，则生成错误报告，反馈调整模块根据风速差和风向差计算调整风机参数并将调整风机参数发送给风机控制模块，风机控制模块根据调整风机参数调整风扇的功率并控制第二驱动电机工作。
通过采用上述方案，反馈调整模块根据计算可以检测传感器是否损坏，再通过控制风扇的功率保证实验正常进行。
优选的，控制系统还包括模拟发电模块，所述模拟发电模块存储有发电量计算公式，模拟发电模块调用风向检测模块的偏移角度和风速检测模块的风速信号，并根据发电量计算公式计算应发电量，模拟发电模块向应发电量、偏移角度和风速信号加入时间轴并通过拟合生成发电曲线、偏移曲线和风速曲线，模拟发电模块将发电曲线、偏移曲线和风速曲线整合生成模拟发电曲线图。
通过采用上述方案，模拟发电模块能够模拟实际发电结果，帮助学生更直观地看出偏航系统和发电量的关系。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 用户可以通过控制箱来控制转动组件和驱动组件，从而控制偏航主机架和固定板转动，固定板上的风扇随固定板转动而改变对风向传感器的吹风的风向，从而模拟自然风变相时风力发偏航电机组偏航系统的动态场景，达到教学目的。本教具能够方便用户模拟自然风，且能够随意控制风向，方便用户完成教学。
附图说明
图1是本申请实施例的整体结构示意图；
图2是本申请实施例的固定片、偏航齿环和固定齿环的剖视图；
图3是本申请实施例的转动组件和驱动组件的剖视图；
图4是本申请实施例的控制系统的模块框图。
图中，1、控制箱；11、固定筒；12、固定盘；2、偏航主机架；21、偏航左机架；211、固定片；22、偏航右机架；23、风向标安装支架；231、风向传感器；2311、风向检测设备；2312、风速检测设备；232、风向标安装支撑；24、转动组件；241、偏航齿环；2411、偏航轴承；2412、偏航内轴承；2413、偏航外轴承；242、第一驱动电机；243、偏航小齿轮；25、安装孔；26、配重块；27、模拟风轮；28、模拟发电机；3、安装板；31、风扇；32、驱动组件；321、固定齿环；3211、固定轴承；3212、固定内轴承；3213、固定外轴承；322、第二驱动电机；323、主动齿轮；33、缓冲垫；4、控制系统；41、风向检测模块；42、风机控制模块；43、自动偏航模块；44、扭缆检测模块；441、扭缆传感器；442、接近开关；45、扭缆控制模块；46、风速检测模块；47、风速优先模块；48、反馈调整模块；49、模拟发电模块。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种小型化风力发电机组偏航系统教具，如图1和图2所示，包括控制箱1，控制箱1顶部固定连接有固定筒11，固定筒11远离控制箱1一端固定连接有固定盘12，偏航主机架2转动连接于固定盘12。偏航主机架2包括转动连接于固定盘12上的偏航左机架21和转动连接于固定盘12上的偏航右机架22。偏航左机架21靠近偏航右机架22位置处螺栓连接有固定片211，固定片211另一端螺栓连接于偏航右机架22。偏航主机架2能够分解为偏航左机架21和偏航右机架22，方便用户搬运教具。
如图1所示，偏航左机架21和偏航右机架22均螺栓连接有风向标安装支撑232，风向标安装支撑232顶部共同螺栓连接有风向标安装支架23，风向标安装支架23顶部固定连接有风向传感器231。风向传感器231具体设置为风向检测设备2311和风速检测设备2312。风向标安装支持用于将风向传感器231支撑到偏航主机架2上方，防止偏航主机架2上的结构影响学生观察风向传感器231。
如图1和图3所示，偏航主机架2连接有转动组件24，转动组件24包括固定连接于偏航主机架2上的偏航轴承2411，偏航轴承2411包括螺栓连接于偏航主机架2的偏航内轴承2412和固定连接于固定盘12上的偏航外轴承2413，偏航外轴承2413固定连接有偏航齿环241。偏航左机架21和偏航右机架22均固定连接有第一驱动电机242，第一驱动电机242的输出轴分别穿过偏航左机架21和偏航右机架22设置，第一驱动电机242的输出轴固定连接有偏航小齿轮243，偏航小齿轮243啮合于偏航齿环241上。第一驱动电机242带动偏航小齿轮243转动，偏航小齿轮243沿偏航齿环241转动，从而带动偏航主机架2转动。
如图1和图3所示，固定筒11转动连接有安装板3，安装板3伸出偏航主机架2设置，且安装板3伸出偏航主机架2位置处固定连接有风扇31。安装板3连接有驱动组件32，驱动组件32包括固定连接于固定板上的第二驱动电机322，偏航齿环241固定连接有固定齿环321，固定齿环321内固定连接有固定轴承3211，固定轴承3211包括固定连接于固定齿环321上的固定外轴承3213和固定连接于固定盘12上的固定内轴承3212，固定外轴承3213转动连接于固定内轴承3212外。第二驱动电机322的输出轴穿过固定板设施，第二驱动电机322的输出轴固定连接有主动齿轮323，主动齿轮323啮合于固定齿环321上。第二驱动电机322带动主动齿轮323转动，主动齿轮323沿固定齿环321转动，从而带动固定板转动，实现调整风扇31风向的目的。
如图1所示，安装板3边缘固定连接有具有弹性的缓冲垫33，缓冲垫33包围安装板3边缘。缓冲垫33能够减少人员被安装板3刮伤的可能。
如图1和图2所示，偏航主机架2上开设有多个安装孔25，偏航主机架2对应安装孔25位置处螺栓连接有配重块26。用户通过调整配重块26的位置能够平衡偏航主机架2上各个元件的重量，避免偏航主机架2发生歪斜，保证教具的使用寿命。
如图3所示，偏航主机架2螺栓连接有模拟发电机28和模拟风轮27，模拟风轮27固定连接于模拟发电机28上。模拟风轮27受风扇31吹出的风带动旋转，使模拟发电机28产生电力。
如图4所示，控制箱1连接有控制系统4，控制系统4包括风向检测模块41、风机控制模块42、自动偏航模块43、扭缆检测模块44、扭缆控制模块45、风速检测模块46、风速优先模块47、反馈调整模块48和模拟发电模块49。
如图4所示，风向检测模块41连接风向传感器231并且接收风向传感器231输出的风向信号，并根据风向信号计算偏移角度，风向检测模块41将偏移角度传输给自动偏航模块43。自动偏航模块43根据接收的偏移角度控制转动组件24带动偏航主机架2转动。风机控制模块42接收输入的风机参数，并根据风机参数控制驱动组件32带动固定板转动，同时控制风扇31的启闭和风速。控制系统4能够接收用户输入的风机参数来调整风机位置和风速。教具通过自动偏航模块43进行偏航主机架2的自动偏航。
如图4所示，扭缆检测模块44包括螺栓连接于偏航主机架2上的扭缆传感器441和固定连接于偏航主机架2靠近偏航齿环241位置处的接近开关442，扭缆传感器441检测转动组件24的扭缆圈数，当扭缆圈数超过设定值时向扭缆控制模块45发送扭缆信号。扭缆检测模块44接收接近开关442发送的检测信号，并根据检测信号计算扭缆角度，扭缆检测模块44根据扭缆角度与扭缆圈数获得扭缆详细数据，扭缆检测将扭缆详细数据与设定值比较，当扭缆圈数超过设定值时向扭缆控制模块45发送扭缆信号。扭缆控制模块45接收到扭缆信号后控制自动偏航模块43停止工作并控制转动组件24带动偏航主机架2反向旋转。控制系统4在转动组件24扭缆圈数过多时控制转动组件24反转，避免教具的电缆扭断。扭缆检测模块44能够通过接近开关442计算齿轮旋转角度来获得扭缆详细数据，计算更加准确。
如图4所示，风速检测模块46连接风速检测设备2312并且接收风速检测设备2312输出的风速信号，风速检测模块46将风速信号发送给风速优先模块47。风速优先模块47接收到风速信号后将风速信号与预设值进行比较，当风速信号大于预设值时，阻止扭缆控制模块45工作。风速优先模块47会在风速达到一定程度后先阻止教具解缆，模拟风车优先发电的情况。
如图4所示，反馈调整模块48调用风向检测模块41的风向信号、风速检测模块46的风速信号和风机控制模块42的风机参数。反馈调整模块48根据风机参数计算预计风速和预计风向，将预计风向和预计风速分别与风向信号和风速信号做差，获得风速差和风向差。若风速差或风向差大于设定范围，则生成错误报告。反馈调整模块48根据风速差和风向差计算调整风机参数并将调整风机参数发送给风机控制模块42，风机控制模块42根据调整风机参数调整风扇31的功率并控制第二驱动电机322工作。反馈调整模块48根据计算可以检测传感器是否损坏，再通过控制风扇31的功率保证实验正常进行。
如图4所示，模拟发电模块49存储有发电量计算公式，模拟发电模块49调用风向检测模块41的偏移角度和风速检测模块46的风速信号，并根据发电量计算公式计算应发电量。模拟发电模块49向应发电量、偏移角度和风速信号加入时间轴并通过拟合生成发电曲线、偏移曲线和风速曲线。模拟发电模块49将发电曲线、偏移曲线和风速曲线整合生成模拟发电曲线图。模拟发电模块49能够模拟实际发电结果，帮助学生更直观地看出偏航系统和发电量的关系。模拟发电模块49实时监测模拟发电机28的发电量并生成实际发电曲线图。实际发电曲线图可以和模拟发电曲线图对比判断模拟发电模块49的计算准确度。
本申请实施例一种小型化风力发电机组偏航系统教具的实施原理为：用户可以将教具拆卸开，在需要使用时安装在控制箱1上，方便移动。用户可以通过控制箱1来控制第一驱动电机242和第二驱动电机322转动，使偏航小齿轮243和主动齿轮323转动，从而控制偏航主机架2和固定板转动。固定板上的风扇31随固定板转动而改变对风向传感器231的吹风的风向，从而模拟自然风变相时风力发偏航电机组偏航系统的动态场景，达到教学目的。本教具能够方便用户模拟自然风，且能够随意控制风向，方便用户完成教学。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化风力发电机组偏航系统教具，包括控制箱(1)和连接于控制箱(1)上的偏航主机架(2)，其特征在于：控制箱(1)顶部固定连接有固定筒(11)，固定筒(11)远离控制箱(1)一端固定连接有固定盘(12)，偏航主机架(2)转动连接于固定盘(12)，偏航主机架(2)可拆卸连接有风向标安装支架(23)，风向标安装支架(23)固定连接有风向传感器(231)；
偏航主机架(2)连接有驱动偏航主机架(2)转动的转动组件(24)；固定筒(11)转动连接有安装板(3)，安装板(3)伸出偏航主机架(2)设置，且安装板(3)伸出偏航主机架(2)位置处固定连接有风扇(31)，安装板(3)连接有驱动安装板(3)转动的驱动组件(32)。
2.根据权利要求1所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：转动组件(24)包括固定连接于偏航主机架(2)上的偏航轴承(2411)，偏航轴承(2411)包括可拆卸连接于偏航主机架(2)的偏航内轴承(2412)和固定连接于固定盘(12)上的偏航外轴承(2413)，偏航外轴承(2413)固定连接有偏航齿环(241)，偏航主机架(2)固定连接有第一驱动电机(242)，第一驱动电机(242)的输出轴穿过偏航主机架(2)设置，第一驱动电机(242)的输出轴固定连接有偏航小齿轮(243)，偏航小齿轮(243)啮合于偏航齿环(241)上。
3.根据权利要求2所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：驱动组件(32)包括固定连接于安装板(3)上的第二驱动电机(322)，固定筒(11)转动连接有固定齿环(321)，第二驱动电机(322)的输出轴穿过安装板(3)设置，第二驱动电机(322)的输出轴固定连接有主动齿轮(323)，主动齿轮(323)啮合于固定齿环(321)上。
4.根据权利要求3所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：固定齿环(321)内固定连接有固定轴承(3211)，固定轴承(3211)包括固定连接于固定齿环(321)上的固定外轴承(3213)和固定连接于固定盘(12)上的固定内轴承(3212)，固定外轴承(3213)转动连接于固定内轴承(3212)外。
5.根据权利要求1所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：偏航主机架(2)上可拆卸连接有风向标安装支撑(232)，风向标安装支架(23)可拆卸连接于风向标安装支撑(232)上。
6.根据权利要求4所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：控制箱(1)连接有控制系统(4)，控制系统(4)包括风向检测模块(41)、风机控制模块(42)、自动偏航模块(43)、扭缆检测模块(44)和扭缆控制模块(45)；
所述风向检测模块(41)连接风向传感器(231)并且接收风向传感器(231)输出的风向信号，并根据风向信号计算偏移角度，风向检测模块(41)将偏移角度传输给自动偏航模块(43)；
所述风机控制模块(42)接收输入的风机参数，并根据风机参数控制驱动组件(32)带动固定板转动，同时控制风扇(31)的启闭和风速；
所述自动偏航模块(43)根据接收的偏移角度控制转动组件(24)带动偏航主机架(2)转动；
所述扭缆检测模块(44)包括可拆卸连接于偏航主机架(2)上的扭缆传感器(441)，扭缆传感器(441)检测转动组件(24)的扭缆圈数，当扭缆圈数超过设定值时向扭缆控制模块(45)发送扭缆信号；
所述扭缆控制模块(45)接收到扭缆信号后控制自动偏航模块(43)停止工作并控制转动组件(24)带动偏航主机架(2)反向旋转。
7.根据权利要求6所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：风向传感器(231)具体设置为风向检测设备(2311)和风速检测设备(2312)，所述控制系统(4)还包括风速检测模块(46)和风速优先模块(47)；
所述风速检测模块(46)连接风速检测设备(2312)并且接收风速检测设备(2312)输出的风速信号，风速检测模块(46)将风速信号发送给风速优先模块(47)；
所述风速优先模块(47)接收到风速信号后将风速信号与预设值进行比较，当风速信号大于预设值时，阻止扭缆控制模块(45)工作。
8.根据权利要求6所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：所述扭缆检测模块(44)还包括固定连接于偏航主机架(2)靠近偏航齿环(241)位置处的接近开关(442)，扭缆检测模块(44)接收接近开关(442)发送的检测信号，并根据检测信号计算扭缆角度，扭缆检测模块(44)根据扭缆角度与扭缆圈数获得扭缆详细数据，扭缆检测将扭缆详细数据与设定值比较。
9.根据权利要求7所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：所述控制系统(4)还包括反馈调整模块(48)，所述反馈调整模块(48)调用风向检测模块(41)的风向信号、风速检测模块(46)的风速信号和风机控制模块(42)的风机参数，反馈调整模块(48)根据风机参数计算预计风速和预计风向，将预计风向和预计风速分别与风向信号和风速信号做差，获得风速差和风向差，若风速差或风向差大于设定范围，则生成错误报告，反馈调整模块(48)根据风速差和风向差计算调整风机参数并将调整风机参数发送给风机控制模块(42)，风机控制模块(42)根据调整风机参数调整风扇(31)的功率并控制第二驱动电机(322)工作。
10.根据权利要求7所述的小型化风力发电机组偏航系统教具，其特征在于：控制系统(4)还包括模拟发电模块(49)，所述模拟发电模块(49)存储有发电量计算公式，模拟发电模块(49)调用风向检测模块(41)的偏移角度和风速检测模块(46)的风速信号，并根据发电量计算公式计算应发电量，模拟发电模块(49)向应发电量、偏移角度和风速信号加入时间轴并通过拟合生成发电曲线、偏移曲线和风速曲线，模拟发电模块(49)将发电曲线、偏移曲线和风速曲线整合生成模拟发电曲线图。
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