CN114856911A

CN114856911A - 一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法

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Publication number: CN114856911A
Application number: CN202210369331.7A
Authority: CN
Inventors: 阿润
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2022-08-05

Abstract

本发明公开了一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，包括如下步骤：S1、开机进行自检，检测滑块驱动模块是否异常，检测风向并将风向信号实时传递给滑块控制模块；S2、建立滑块顺序和位置坐标，轨道上设有多个固定点作为基准定位点，处于基准定位点附近的滑块自动根据基准定位点进行定位；S3、滑块控制模块根据各滑块的位置坐标通过控制迎风角电机对各叶片的迎风角进行调整；S4、滑块停止运动时，滑块控制模块根据风向，调整所有叶片保持顺风状态。本发明根据风向控制处于轨道不同位置的叶片改变迎风角度，保持受风或者顺风状态，减少叶片对运动方向的阻力，保持叶片向同一方向运动，提高风力的利用率。

Description

一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法

技术领域

本发明涉及轨道式风动装置的技术领域，具体来说，涉及一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法。

背景技术

轨道式风力发电机是一种新型的风力发电机，区别于水平轴和垂直轴风力发电机，轨道式风力发电机是叶片在滑块的支撑下沿轨道运动，滑块之间用链条或齿条连接，形成链式结构。轨道式风力发电机目前没有大量使用。与传统风力发电设备相比，大型水平轴风力发电机很难在城市中使用，多数集中郊野人口疏散的地方。轨道式风力发电机可以利用城市中高层空气流动形成的风力，在高楼楼顶使用；同时轨道式风力发电机也可以在郊野使用。叶片随着滑块在风力的作用下不断变换位置，在不同的位置，叶片的迎风面的角度不断的变化，为了最大的利用风力，需要在滑块运动的过程中对叶片的角度进行控制。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，能够解决上述问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，包括如下步骤：S1、开机进行自检，检测滑块驱动模块是否异常，检测风向并将风向信号实时传递给滑块控制模块；S2、建立滑块顺序和位置坐标，轨道上设有多个固定点作为基准定位点，处于基准定位点附近的滑块自动根据基准定位点进行定位，滑块控制模块根据风向确定并记录当前定位滑块的位置坐标，滑块控制模块通过所记录的当前定位滑块的位置坐标和整个轨道上所有滑块的位置关系计算并记录其他滑块的位置坐标；S3、滑块控制模块根据各滑块的位置坐标通过控制迎风角电机对各叶片的迎风角进行调整；S4、滑块停止运动时，滑块控制模块根据风向，调整所有叶片保持顺风状态。

进一步的，轨道的周长与叶片的关系为：NL≤S,其中N为滑块的数量，L为叶片的宽度，S为轨道的周长，所有叶片的总宽度不能大于轨道周长，否则叶片将无法正常转动，N个滑块通过链条连接在一起并置于轨道中时，相邻两个滑块间的相位差是已知的，只要定位其中的一个滑块的位置，即可计算出其他滑块相对定位滑块的位置。

进一步的，轨道上设有360个计算点, 相邻两个计算点相对轨道中心的角度均为1，计算滑块在每个计算点位置叶片受到叶片运动方向推力最大力时的最大值迎风角θ，计算点也可以是180个，则相邻两个计算点相对轨道中心的角度均为2，计算点越多则叶片的受力分析越详细。

进一步的，将轨道分成若干分区，对每个分区中计算点的最大值迎风角θ进行归一处理生成对应的θ值变化函数，通过θ值变化函数从而生成每个分区相应的用来控制迎风角电机的控制指令。

进一步的，当滑块运动时，处于顺风状态中的叶片的叶轴角为0度，处于迎风状态中的叶片的叶轴角为15度；当滑块停止运动时，叶片的叶轴角为15度。

进一步的，叶轴角通过叶轴角电机进行调整，叶轴角电机通过滑块控制模块进行控制。

本发明的有益效果：本发明根据风向控制处于轨道不同位置的叶片改变迎风角度，保持受风或者顺风状态，减少叶片对运动方向的阻力，保持叶片向同一方向运动，提高风力的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的一种轨道式风动装置的结构简图；

图2是本发明实施例所述的叶片的下部结构简图；

图3是本发明实施例所述的整个叶片的结构简图；

图4是本发明实施例所述的圆形轨道叶片受力分析简图；

图5是本发明实施例所述的圆形轨道叶片φ、θ、ａ的角度计算表；

图6是本发明实施例所述的圆形轨道叶片受力大小计算分析表；

图7是本发明实施例所述的圆形轨道叶片在轨道指定位置时Fv最大值所对应𝜃值的函数关系图；

图8是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图9是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图10是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B、C区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图11是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B、C、D区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图12是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B、C、D、E区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图13是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B、C、D、E、F区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图14是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B、C、D、E、F、G区控制的迎风角和叶轴角的函数图；

图15是本发明实施例所述的叶片在圆形轨道A、B、C、D、E、F、G、H区控制的迎风角和叶轴角的函数图。

具体实施方式

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的一个实施例中，如图1所示为一种轨道式风动装置的结构简图，中部为圆形轨道，轨道上设有滑块，滑块上下对称设有叶片。

本发明中的一个实施例中，如图2所示为轨道式风动装置的叶片的下部结构简图，可以通过迎风角电机驱动叶片下端的底座旋转带动叶片旋转，从而调整叶片的迎风的角度，在正常情况下，叶片受到风力的影响，会发生轻微的变形和摆动，主动进行叶片的随风摆动，增加叶片的力矩，可以提高风能的利用率。一般情况下，叶片随叶轴的摆动角控制在15度。

本发明中的一个实施例中，如图3所示为轨道式风动装置的整个叶片的结构简图，叶片下端为Y型动端，可通过叶轴角电机驱动Y型动端在叶片平面轴向方向进行一定角度的调整。

本发明中的一个实施例中，如图4所示为叶片在圆形轨道上的受力分析简图，选取轨道上任意点分析，设叶面受到的力为Fn，其沿轨道切线方向的力为Fv（叶片运动方向推力），Fn与Fv夹角为φ。则有Fv= FScosθcosφ，其中F为风力，θ为迎风角，即是F与Fn的夹角，现实情况中，轨道式风力发电机在运行过程中，由于处在第II、III象限内的叶片在风力方向受到了处在第I、IV象限内叶片的阻挡，受力大小会受到影响。但是，考虑到轨道式风力发电机的轨道足够大，这种影响可以通过进一步的分析计算出来，或者忽略不计。

本发明中的一个实施例中，圆形轨道上设有360个计算点，相邻两个计算点相对轨道中心的角度均为1，此处只需对一个叶片的受力进行分析，制作如图5所示的φ、θ、ａ的角度计算表，ａ为叶片的轨道角，例如当叶片的轨道角ａ为1时，当φ从0到89时，θ所对应的值，在第一象限φ+θ+ａ=90^o ，在第二象限φ+θ+ａ=180^o ，在第三象限φ+θ+ａ=270^o ，在第三象限φ +θ+ａ=360^o，通过公式Fv= FScosθcosφ结合图5中的φ、θ、ａ的角度计算表，计算叶片在每个计算点位置时不同φ、θ所对应的Fv的大小，并将其制作如图6所示的圆形轨道中叶片受力大小计算分析表，即可得到叶片在不同计算点位置Fv最大值时θ所对应的值，理论上可以设置360个叶片，当一号滑块位于0度时，那么二号滑块就位于359度，依次类推，通过上述计算，可以通过滑块控制模块对每个角度的迎风角电机进行相应的控制，从而得到最大推力。

本发明中的一个实施例中，如图7所示对图6中每个轨道指定位置Fv最大值和对应的θ值进行函数关系图绘制，其中实现是Fv的变化图线，虚线是对应的θ值对应图线，从图中可以看出，叶片在I，II象限轨道上时，处于顺风运动阶段。叶片受到的推力Fv的大小，从风力F的50%先逐渐增大，逐渐接近风力的100%，变化过程是正弦变化。然后再逐渐减小，逐渐接近风力F的50%，变化过程是正弦变化；叶片在III，IV象限轨道上时，处于逆风运动阶段，需要调整叶片与风力F的角度θ，利用类似帆船逆风行驶时的风帆效果斜向逆风运动。当ａ=180^o时，叶片受到大最大推力为风力F的50%，随着叶片沿着轨道运动，叶片受到的推力Fv逐渐减小，逐渐接近0，变化过程是正弦变化。当ａ=270^o时，叶片受到推力Fv=0，叶片与风力F的最佳角度为θ=90^o。随着叶片沿着轨道运动，ａ角继续增大，叶片与F的角度θ逐渐增大，Fv逐渐增大，逐渐接近风力F的50%，变化过程是正弦变化。

本发明中的一个实施例中，为了使滑块控制模块对叶轴角和迎风角电机的控制简单化，结合图5-7中的受力分析关系，如图4所示将圆形轨道分成A、B、C、D、E、F、G、H八个分区，每个分区45度，对每个分区进行归一处理，如图8所示，当叶片处于A区运动时，对叶片在a点进行受力分析，可以分析得到：随着a从0度变到45度时，叶片迎风角θ需要保持45度不变，即迎风角θ=45，叶片可以以较大的力Fv保持沿轨道运动。所以当叶片在A区运动时，即当0 ≤a ≤ 45，叶片控制函数应该是：θ=45，为了增加叶片的力矩，叶轴角β摆动，使保持在β=15度；如图9所示，当叶片处于B区运动时，对叶片在b点进行受力分析，可以分析得到：随着a从45度变到90度时，叶片迎风角θ需要与a同步减小，直到0度，计算公式为：θ=90-a，45 ≤a≤ 90，所以，当迎风角θ随着轨道角度a逐渐增大不断减小直到为0，叶片沿轨道的力Fv可以不断增大，直到达到最大值，所以当叶片在B区运动时，即当45 ≤a ≤ 90，叶片控制函数应该是：θ=90- a，为了增加叶片的力矩，叶轴角β继续维持在β=15度；如图10所示，当叶片处于C区运动时，对叶片在c点进行受力分析，可以分析得到，随着a从90度变到135度时，叶片迎风角θ需要与a继续同步减小，直到-45度，计算公式为：θ=90- a，90 ≤a ≤ 135，所以，当随着轨道角度a不断增大，迎风角θ需要同步的不断减小直到为-45度，叶片沿轨道的力Fv由最大值变小，继续保持足够大的力，所以当叶片在C区运动时，即当90 ≤a ≤ 135，叶片控制函数应该是：θ=90- a，为了增加叶片的力矩，叶轴角β继续维持在β=15度；如图11所示当叶片处于D区运动时，对叶片在d点进行受力分析，可以分析得到，随着a从135度变到180度时，叶片迎风角θ需要保持-45度不变，计算公式为：θ=-45， 135 ≤a ≤ 180，所以，当随着轨道角度a不断增大，迎风角θ需要保持-45度，叶片沿轨道的力Fv继续保持足够大的力。所以当叶片在D区运动时，即当135 ≤a ≤ 180，叶片控制函数应该是：θ=-45，为了增加叶片的力矩，叶轴角β继续维持在β=15度；如图12所示当叶片处于E区运动时，对叶片在e点进行受力分析，可以分析得到，随着a从180度变到225度时，叶片迎风角θ需要从-45度同步变化成-90度，计算公式为：θ=180- a，180 ≤a ≤225。所以当叶片在E区运动时，即当180 ≤a ≤225，叶片控制函数应该是：θ=180- a，为了增加叶片的力矩，叶轴角β继续维持在β=15度；如图13所示当叶片处于F区运动时，对叶片在f点进行受力分析，可以分析得到，随着a从225度变到270度时，叶片迎风角θ需要与a同步改变，直到变成-90度，这时叶片变成完全顺风状态，阻力最小，计算公式为：θ=180- a， 225 ≤a ≤ 270，所以，当随着轨道角度a不断增大，迎风角θ需要继续同步变化直到-90度，叶片沿轨道的力Fv继续保持足够大的力。所以当叶片在F区运动时，即当225 ≤a ≤ 270，叶片控制函数应该是：θ=180- a，为了增加叶片的力矩，叶轴角β继续维持在β=15度；如图14所示当叶片运动进入G区的时候，需要全面分析一下叶片的旋转情况，叶片由于受到内部结构的限制，不能完整实现360度或者360度以上的旋转，即叶片旋转角度是一种受限状态，归一化的受限角范围为0≤a ≤ 315，所以，叶片在G区需要分两个阶段做两种运动状态：第一阶段让叶片保持顺风状态，减小叶片阻力；第二阶段叶片进行反向旋转，回到0度角，下面分别说明：当叶片处于G区第一阶段运动时，随着a从270度变到295度时，叶片迎风角θ需要始终保持顺风状态，以保持叶片最小阻力状态，即迎风角θ与a同步改变，维持叶面法线与风向-90度的关系，计算公式为θ=180-a，270 ≤a ≤ 295；叶片运动到G区后段时，叶片进入第二阶段开始回0旋转，为了能让叶片到达H区之前可以复位，需要将叶面角θ复位归0旋转，即反向旋转到0度，旋转时间为2-3τ时间。将叶面角重新返回0度，可以进入到下一次循环状态。旋转公式为θ=315-a，295 ≤a ≤ 315，为了减小叶片反向旋转的阻力，需要首先减小叶片的力矩，叶轴角β需要从15度回到0度，使叶片在垂直状态下反向旋转，叶轴角β回0的时间可以记为τ；如图15所示当叶片处于H区运动时，对叶片在h点进行受力分析，可以分析得到，随着a从315度变到360度时，叶片迎风角θ需要重新变化到45度，并且一直保持，让叶片较大的受力，即迎风角θ=45，所以当叶片在H区运动时，叶片控制函数应该是：θ=45，315 ≤a ≤ 360，所以，当随着轨道角度a不断增大，即当315≤a ≤360，迎风角θ需要45度不变，叶片控制函数应该是：θ=45，为了增加叶片的力矩，叶轴角β=15，叶轴角需要重新保持15度，其中叶轴角的β变化时间为τ。

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

1.一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、开机进行自检，检测滑块驱动模块是否异常，检测风向并将风向信号实时传递给滑块控制模块；S2、建立滑块顺序和位置坐标，轨道上设有多个固定点作为基准定位点，处于基准定位点附近的滑块自动根据基准定位点进行定位，滑块控制模块根据风向确定并记录当前定位滑块的位置坐标，滑块控制模块通过所记录的当前定位滑块的位置坐标和整个轨道上所有滑块的位置关系计算并记录其他滑块的位置坐标；S3、滑块控制模块根据各滑块的位置坐标通过控制迎风角电机对各叶片的迎风角进行调整；S4、滑块停止运动时，滑块控制模块根据风向，调整所有叶片保持顺风状态。

2.根据权利要求1所述的一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，其特征在于：轨道的周长与叶片的关系为：NL≤S,其中N为滑块的数量，L为叶片的宽度，S为轨道的周长。

3.根据权利要求2所述的一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，其特征在于：轨道上设有360个计算点，相邻两个计算点相对轨道中心的角度均为1，计算滑块在每个计算点位置叶片受到叶片运动方向推力最大力时的最大值迎风角θ。

4.根据权利要求3所述的一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，其特征在于：将轨道分成若干分区，对每个分区中计算点的最大值迎风角θ进行归一处理生成对应的θ值变化函数，通过θ值变化函数从而生成每个分区相应的用来控制迎风角电机的控制指令。

5.根据权利要求4所述的一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，其特征在于：当滑块运动时，处于顺风状态中的叶片的叶轴角为0度，处于迎风状态中的叶片的叶轴角为15度；当滑块停止运动时，叶片的叶轴角为15度。

6.根据权利要求5所述的一种用于轨道式风动装置叶片角度控制方法，其特征在于：叶轴角通过叶轴角电机进行调整，叶轴角电机通过滑块控制模块进行控制。