CN116025507A - 一种垂直轴变翼风力发电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

为了解决风力发电机弱风环境下发电效率低、强风易损坏等问题，本发明提供了一种垂直轴变翼风力发电机及其控制方法，包括塔筒、转动连接于塔筒上方的支架圆盘、连接于支架圆盘侧面的水平变翼叶片、连接于水平变翼叶片外端垂直变翼叶片，支架圆盘上方设置有风向标，水平变翼叶片和垂直变翼叶片上均设置有可开启和关闭的叶片以及用于驱动开启和关闭的驱动装置，另外，还包括PLC控制器、风速传感器以及设置在风向标上的位置传感器，通过风速传感器测得风速大小，来控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片的开启和关闭，从而在弱风环境下提高发电效率，在强风环境下避免叶片失速。

Description

一种垂直轴变翼风力发电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，特别涉及一种垂直轴变翼风力发电机及其控制方法。

背景技术

在碳中和、碳达峰的政策影响下，风力发电机作为绿色环保能源一种，具有重要作用，现有的垂直轴风力发电机发电系统在塔身底部，整体重心低，安装维修方便，无需对风设置，装置噪音小，但是垂直轴风力发电机风轮直径短，产生的力矩小，导致风轮受风面积小，利用率低，而受风面积大的风力发电桨叶在强风环境下易失速造成设备损坏。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种垂直轴变翼风力发电机，采用的技术方案如下：

一种垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，主要包括塔筒、转动连接于塔筒上方的支架圆盘、连接于支架圆盘侧面的水平变翼叶片、连接于水平变翼叶片外端垂直变翼叶片，所述支架圆盘上方固定连接有三脚架，所述三脚架上方设置有风向标，所述风向标上设置有用于检测水平变翼叶片和垂直变翼叶片位置的位置传感器，所述水平变翼叶片由固定连接于支架圆盘侧面的水平翼梁、转动连接于水平翼梁的水平转轴、固定连接于水平转轴的水平叶片组成，所述垂直变翼叶片由固定连接于水平翼梁外端的并沿竖直方向上下分布的垂直翼梁、转动连接于垂直翼梁的垂直转轴、固定连接于垂直转轴的垂直叶片组成，所述水平翼梁和垂直翼梁在长度方向上均连接有导流罩，所述水平叶片和垂直叶片通过导流罩分别将水平翼梁和垂直翼梁包裹形成翼形，所述水平变翼叶片和垂直变翼叶片上设置有用于带动水平叶片和垂直叶片转动的驱动装置，水平翼梁与三脚架之间固定连接有拉力绳，此外，还包括控制系统，包括PLC控制器、风速传感器，所述风速传感器、位置传感器均与PLC控制器信号输入端相连，PLC控制器的信号输出端与驱动装置相连，PLC控制器通过风速传感器、位置传感器信号控制驱动装置驱动水平变翼叶片和垂直变翼叶片的开启状态和开启角度。

优选的，所述水平叶片由第一水平叶片和第二水平叶片组成，第一水平叶片和第二水平叶片通过水平转轴与水平翼梁转动相连，所述垂直叶片由第一垂直叶片和第二垂直叶片组成，第一垂直叶片和第二垂直叶片通过垂直转轴与垂直翼梁转动相连。

优选的，所述垂直变翼叶片还包括挡风板、固定尾翼，所述挡风板位于第一垂直叶片和第二垂直叶片上下两端，挡风板与垂直翼梁固定连接，第二垂直叶片由两矩形叶片和固定叶片组成，两矩形叶片通过固定板与垂直转轴固固定连接，固定叶片与垂直翼梁固定相连并且位于两矩形叶片之间，而且固定叶片高度大于等于第一水平叶片和第二水平叶片完全张开状态下上下两端之间的高度。

优选的，所述驱动装置包括双输出轴电机，所述双输出轴驱动电机的两个输出轴均同轴固定连接有主动锥齿轮，水平转轴和垂直转轴上均同轴固定连接有与主动锥齿轮啮合相连的从动锥齿轮。

优选的，所述水平翼梁和垂直翼梁均设置有多个，并且沿长度方向均固定连接有肋板。

优选的，所述水平变翼叶片沿垂直变翼叶片高度方向设置有多组。

优选的，所述肋板侧面上下两端固定连接有转动套，所述水平转轴和垂直转轴穿过转动套分别与肋板转动相连。

优选的，还包括控制器、风速传感器，所述风速传感器、位置传感器均与PLC控制器信号输入端相连，PLC控制器的信号输出端与驱动装置相连。

利用如上述垂直轴变翼风力发电机的控制方法，所述PLC控制器内预设风速区值，并且根据风速传感器检测大气风速，将风速分为弱风、适中以及强风三种状态，风向标前端转动至来风方向，当测得风速处于弱风状态下，水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标前端正下方位置后，PLC控制器发出信号控制驱动装置将水平变翼叶片和垂直变翼叶片打开，直至该水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标后端正下方位置，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片关闭；在测得风速适中状态下，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片关闭；在测得风力超过扇叶失控风速处于强风的状态下，水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标前端正下方位置时，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片处于关闭状态，直至该水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标后端正下方位置后，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片开始张开，水平变翼叶片和垂直变翼叶片保持开启状态直至转动至风向标前端位置后再由PLC控制器控制关闭。

优选的，所述PLC控制器根据风速传感器测得的风速大小来控制驱动装置，从而控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片上叶片开启角度的大小。

本发明的有益效果在于：

1、水平变翼叶片和垂直变翼叶片配合，二者均设置有可沿长度方向开启或关闭的叶片，通过对水平变翼叶片和垂直变翼叶片在不同风速条件下进行开启和关闭，可实现不同的功能；

2、水平转轴与水平翼梁、垂直转轴与垂直翼梁之间设置轴向限位装置，防止转轴位移；

3、风速较低时，可开启风向所在方向的水平变翼叶片和垂直变翼叶片，通过顺风阻力推动叶片整体转动，提高发电率，风速较大时，可通过开启相反风向所在的水平变翼叶片和垂直变翼叶片以产生阻力，避免设备损坏，而且水平变翼叶片和垂直变翼叶片根据风速大小张开不同角度。

附图说明

图1 为本发明结构主视示意图

图2为水平变翼叶片与垂直变翼叶片连接状态下的俯视示意图

图3为水平变翼叶片与垂直变翼叶片在打开状态下的连接结构示意图

图4为水平变翼叶片关闭状态下结构示意图

图5为水平变翼叶片打开状态下结构示意图

图6为肋板结构示意图

图7为垂直变翼叶片关闭状态下结构示意图

图8为垂直变翼叶片打开状态下结构示意图

图9为驱动装置与水平转轴或垂直转轴连接结构示意图

图10为PLC控制器控制原理示意图

图11为本发明两组水平变翼叶片的结构示意图

其中，1-塔筒，2-支架圆盘，3-三脚架，4-拉力绳，5-水平变翼叶片，501-水平翼梁，502-第一水平叶片，503-第二水平叶片，504-水平转轴，6-垂直变翼叶片，601-垂直翼梁，602-第一垂直叶片，603-第二垂直叶片，6031-矩形叶片，6032-固定叶片，604-垂直转轴，7-驱动装置，701-双输出轴电机，702-第一锥齿轮传动组，703-第二锥齿轮传动组， 8-转动套，9-肋板，10-导流罩，11-风向标，12-位置传感器，13-固定板， 14-PLC控制器，15-挡风板，16-风速传感器，17-翼梁安装孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述发明，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，因此不能理解为对发明的限制。

如图1-3所示的垂直轴变翼风力发电机，主要包括塔筒1、支架圆盘2、三脚架3、风向标11以及水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6，支架圆盘2转动连接于塔筒2上方，三脚架3固定连接于支架圆盘2上方，风向标11转动连接于三脚架3上方，三脚架3与水平变翼叶片5之间连接有拉力绳4。

如图4-5所示，水平变翼叶片5由三根水平翼梁501、固定连接于水平翼梁501的肋板9、转动连接于肋板9的水平叶片以及固定连接于肋板9的导流罩10组成，三根水平翼梁501沿水平方向分布，并且内端与支架圆盘2固定连接，肋板9设置有多组，多组肋板9沿水平翼梁501长度方向均匀分布，肋板9上设置有用于水平翼梁501穿过的三个翼梁安装孔17以及两个转动套8，所述转动套8固定连接于肋板9的侧面上下两端，水平转轴504通过转动套8转动连接于肋板9前侧面的上下两端，水平叶片包括第一水平叶片502和第二水平叶片503，第一水平叶片502为横截面呈弧形的板，第二水平叶片503为矩形板，第一水平叶片502和第二水平叶片503通过固定板13分别与两水平转轴504固定连接，从而分别转动连接于肋板9前侧面的上下两端，第一水平叶片502的弧形面位于水平变翼叶片5的上方位置，第二水平叶片503位于水平变翼叶片5的下方平面位置，第一水平叶片502和第二水平叶片503在关闭状态下与导流罩10共同组成机翼状结构。

如图8-9所示，垂直变翼叶片6主要由三根垂直翼梁601、固定连接于垂直翼梁601上的多个肋板9、垂直叶片以及导流罩10组成，三根垂直翼梁601竖直方向分布并且固定连接于水平翼梁501的外端，多个肋板9沿垂直翼梁601长度方向均匀分布并固定在三根垂直翼梁601之间，肋板9上设置有三个用于垂直翼梁601穿过的翼梁安装孔17，并且肋板9的侧面上下两端固定连接有转动套8，垂直叶片包括第一垂直叶片602、第二垂直叶片603，第一垂直叶片602横截面呈弧形壳体结构，在图8和图9的视图方向上，第一垂直叶片602和第二垂直叶片603的内端均固定连接有垂直转轴604，二者通过垂直转轴604穿过转动套8和肋板9后转动连接在肋板9的左右两侧，而且，在本实施例中，第二垂直叶片603由两块矩形叶片6031以及固定叶片6032组成，两块矩形叶片6031通过固定板13固定连接在垂直转轴604的上下两端，固定叶片6032则固定连接于肋板的前侧面，并且固定叶片6032所在平面与肋板9的内侧面重合，固定叶片6032在高度方向上位于两矩形叶片6031中间，肋板9的外侧还固定连接有弧形结构的导流罩10，垂直变翼叶片6的上下两端的肋板9前端还固定连接有挡风板15，第一垂直叶片602、第二垂直叶片603在关闭状态下与导流罩10以及挡风板15之间形成机翼状结构，第一垂直叶片602弧形面位于垂直变翼叶片6整体结构的外侧，第二垂直叶片603位于垂直变翼叶片6的内侧，另外，需要说明的是，固定叶片6032的高度或者说两巨型叶片6031之间的间隙略大于第一水平叶片502和第二水平叶片503完全张开状态下的高度，从而在在水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6张开状态下，水平变翼叶片5可以完全置于两矩形叶片6031之间。

垂直变翼叶片6上的三根垂直翼梁601分别与水平变翼叶片5上的三根水平翼梁501固定连接，而且，水平转轴504与肋板9之间、垂直转轴604与肋板9之间均设置有轴向限位装置，所述轴向限位装置主要包括轴承，在水平转轴504和垂直转轴604上均同轴固定连接有一轴承，所述轴承通过轴承座与肋板9固定连接，通过轴承以及轴承座对水平转轴504和垂直转轴604进行轴向限位，防止水平叶片和垂直叶片发生偏移。

如图6所示，本实施例中，肋板9上设置有三个左右贯穿分布的翼梁安装孔17，水平翼梁501和垂直翼梁601均通过翼梁安装孔17与肋板固定连接，转动套8在肋板9上位于翼梁安装孔17的前侧，当然，为了使肋板9以及翼梁获得更好的受力效果，转动套8也可固定连接在翼梁安装孔17的后侧位置，使三根翼梁构成较大的支撑面。

如图7所示，在两水平转轴503之间和两垂直转轴604之间均设置有用于驱动转轴转动的驱动装置7，所述驱动装置7由双输出轴电机701、第一锥齿轮传动组702以及第二锥齿轮传动组703组成，第一锥齿轮传动组702和第二锥齿轮传动组703均由啮合相连的主动锥齿轮和从动锥齿轮组成，双输出轴电机701的两输出轴通过两组锥齿轮传动组带动两根水平转轴504或垂直转轴604绕转动套8同步转动。

如图11所示，水平变翼叶片5还可设置成两组，甚至于多组，两组水平变翼叶片5内端通过支架圆盘2与塔筒1转动连接，另一端通过水平翼梁501与垂直变翼叶片6的垂直翼梁601固定连接。

另外，本装置还设置有PLC控制器14、风速传感器16，风向标11头部和尾部下端均设置有位置传感器12的信号发生器，水平翼梁501上的导流罩10上设置有与信号发生器对应分布的信号接收器，风速传感器16、位置传感器12与PLC控制器14信号输入端相连，驱动装置7的双输出轴电机701与PLC控制器14的信号输出端相连，PLC控制器14通过位置传感器12测得风向标11位置信号，从而控制水平叶片和垂直叶片的开启和关闭，通过风速传感器16测得的风速大小来控制水平叶片和垂直叶片开启角度。

具体的，本装置工作原理如下：PLC控制器14内预设有风速区值，根据风速传感器16测得风速，将超过风速区值、位于风速区值内部以及小于风速区值的风力分为强风、适中以及弱风三种状态，风向标11的前端适中处于来风方向，PLC控制器14测得的风速处于弱风状态并时，风向标11前端的信号发生器位于信号接收器正上方位置时，PLC控制器14发出信号控制驱动装置7开始将水平变翼叶片5上的水平叶片和垂直变翼叶片6上的垂直叶片打开，一直到信号接收器转动至风向标11后端信号发生器正下方位置，PLC控制器14控制水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6关闭，即弱风状态下，前半圈开启对应风向下的水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6，通过顺风阻力推动，后半圈关闭水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6，通过迎风升力带动桨叶转动；当测得风速处于适中状态时，达到垂直轴升力风力发电机的最佳状态，PLC控制器14控制所有叶片关闭；当测得风速处于强风状态，风力超过扇叶失控风速，水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6转动至风向标11前端的信号发生器正下方位置时，PLC控制器14控制水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6处于关闭状态，一直转动至水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6位于至风向标11后端的信号发生器正下方位置时，PLC控制器14控制驱动装置7使水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6张开，即前半圈水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6不开启，后半圈水平变翼叶片5、垂直变翼叶片6开启，通过产生迎风阻力降低桨叶转动速度，避免扇叶失速，而且，在弱风以及强风状态下，可根据风速大小来调节水平叶片和垂直叶片的转动角度，以达到更好的效果，提高发电效率。

本装置通过不同的风速情况，控制水平变翼叶片5和垂直变翼叶片6上的分体叶片进行开启、关闭以及开启角度的大小，从而提高风能利用效率，增加了风机运行时间，提高发电效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，主要包括塔筒、转动连接于塔筒上方的支架圆盘、连接于支架圆盘侧面的水平变翼叶片、连接于水平变翼叶片外端的垂直变翼叶片，所述支架圆盘上方固定连接有三脚架，所述三脚架上方设置有风向标，所述风向标前后两端均设置有用于检测水平变翼叶片和垂直变翼叶片位置的位置传感器，所述水平变翼叶片由固定连接于支架圆盘侧面的水平翼梁、转动连接于水平翼梁的水平转轴、固定连接于水平转轴的水平叶片组成，所述垂直变翼叶片由固定连接于水平翼梁外端的并沿竖直方向上下分布的垂直翼梁、转动连接于垂直翼梁的垂直转轴、固定连接于垂直转轴的垂直叶片组成，所述水平翼梁和垂直翼梁在长度方向上均连接有导流罩，所述水平叶片和垂直叶片通过导流罩分别将水平翼梁和垂直翼梁包裹形成翼形，所述水平变翼叶片和垂直变翼叶片上设置有用于带动水平叶片和垂直叶片转动的驱动装置，水平翼梁与三脚架之间固定连接有拉力绳，此外，还包括PLC控制器、风速传感器，所述风速传感器、位置传感器均与PLC控制器信号输入端相连，PLC控制器的信号输出端与驱动装置相连，PLC控制器通过风速传感器、位置传感器信号控制驱动装置驱动水平变翼叶片和垂直变翼叶片的开启状态和开启角度。

2.根据权利要求1所述的垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，所述水平叶片由第一水平叶片和第二水平叶片组成，第一水平叶片和第二水平叶片通过水平转轴与水平翼梁转动相连，所述垂直叶片由第一垂直叶片和第二垂直叶片组成，第一垂直叶片和第二垂直叶片通过垂直转轴与垂直翼梁转动相连。

3.根据权利要求2所述的垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，所述垂直变翼叶片还包括挡风板、固定尾翼，所述挡风板位于第一垂直叶片和第二垂直叶片上下两端，挡风板与垂直翼梁固定连接，第二垂直叶片由两矩形叶片和固定叶片组成，两矩形叶片通过固定板与垂直转轴固固定连接，固定叶片与垂直翼梁固定相连并且位于两矩形叶片之间，而且固定叶片高度大于等于第一水平叶片和第二水平叶片完全张开状态下上下两端之间的高度。

4.根据权利要求1所述的垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，所述驱动装置包括双输出轴电机，所述双输出轴驱动电机的两个输出轴均同轴固定连接有主动锥齿轮，水平转轴和垂直转轴上均同轴固定连接有与主动锥齿轮啮合相连的从动锥齿轮。

5.根据权利要求1所述的垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，所述水平翼梁和垂直翼梁均设置有多个，并且沿长度方向均固定连接有肋板。

6.根据权利要求1所述的垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，所述水平变翼叶片沿垂直变翼叶片高度方向设置有多组。

7.根据权利要求1所述的垂直轴变翼风力发电机，其特征在于，所述肋板侧面固定连接有转动套，所述水平转轴和垂直转轴穿过转动套分别与肋板转动相连。

8.利用如权1-7所述的垂直轴变翼风力发电机的控制方法，其特征在于，所述PLC控制器内预设风速区值，并且根据风速传感器检测大气风速，将风速分为弱风、适中以及强风三种状态，风向标前端转动至来风方向，当测得风速处于弱风状态下，水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标前端正下方位置时，PLC控制器发出信号控制驱动装置将水平变翼叶片和垂直变翼叶片打开，直至该水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标后端正下方位置，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片关闭；在测得风速适中状态下，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片关闭；在测得风力超过扇叶失控风速处于强风的状态下，水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标前端正下方位置时， PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片处于关闭状态，直至该水平变翼叶片和垂直变翼叶片转动至风向标后端正下方位置后，PLC控制器控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片开始张开，水平变翼叶片和垂直变翼叶片保持开启状态直至转动至风向标前端位置后再由PLC控制器控制关闭。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述PLC控制器根据风速传感器测得的风速大小来控制驱动装置，从而控制水平变翼叶片和垂直变翼叶片上叶片开启角度的大小。

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