CN1858438A - 垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种应用于垂直轴风力发电机的叶片转角自动控制系统。其包括发电机、复数个叶片组成的风轮、测风仪、中央处理器、集电环、编码器、伺服电机；其中，所述的叶片安装于叶片支架上组成风轮，叶片回转中心设有转轴，叶片可绕该转轴转动，以传动装置连接该转轴与伺服电机；所述的中央处理器根据测风仪和编码器传输的信号向伺服电机发出指令，根据该指令，伺服电机将叶片转角转动到适当的角度，使风轮在旋转时，每个叶片在不同位置都获得最佳的叶片转角。

Description

垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统
技术领域
本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种应用于垂直轴风力发电机的叶片转角自动控制系统。
技术背景
为了更好的利用风能，长期以来，人们设计了多种结构形式的风力发电装置，依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同，划分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机。
垂直轴风力发电机的风轮采用具有一定翼形的直叶片，叶片的轴线和回转中心的轴线平行，这些叶片一般被固定在绕回转中心旋转的叶片支架上。当一定强度的风吹在这些具有一定翼形，并和旋转轴的切线形成一定角度的直叶片上时，就在这些叶片上产生了升力和阻力。当升力大于阻力时，就产生了绕垂直轴转动的力矩使整个风轮转动，但由于叶片在转动过程中与风向的转角始终都在变化，因此升力和阻力的大小、方向也都在不断的变化，即叶片在不同位置时产生力矩的大小和方向也是不断变化的。在一些位置产生的力矩为正、而在另一些位置产生的力矩为负，这就降低了垂直轴风力发电机的风能利用率。
对此，人们设计了各种不同的方法，通过改变叶片在不同位置时叶片与风向的夹角，即通过改变叶片的“攻角”，使叶片在不同位置时叶片产生的力矩方向保持一致，以期提高垂直轴风力发电机的风能利用率。例如，中国专利申请号200610023892.2，美国专利申请号第4,299,537和韩国专利申请号10-0490683分别提出了不同的装置，使风轮在旋转过程中，通过叶片在不同位置时与风向转角的变化，提高风能利用率。
但无论采取上述或已有的其它改变叶片转角的方法，都分别存在下述的缺陷。
上述美国专利申请号第4,299,537和韩国专利申请号10-0490683所提出的技术方案中都采用偏心圆来控制叶片的转角，此类方法不仅无法最大限度的提高风轮在旋转过程中叶片处于不同位置时的同向力矩，且以偏心圆来控制叶片在不同位置时的转角的方法，仅在叶片处于方位角90°和270°位置时才可获得最佳叶片转角，在其他位置叶片都不能获得最佳的叶片转角，因此无法最大限度提高在某一固定风速下垂直轴风力发电机的效率。而且采取上述方法都只适合垂直轴中心设有旋转轴的风轮，并且上述方法都不适宜将风轮直径做的很大，如此便限制了大型和超大型垂直轴风力发电机的应用。
中国专利申请号200610023892.2的方法虽可使风轮在转动过程中，叶片在某一固定风速时叶片在风轮任一方位角都获得最佳叶片转角，但由于风轮在转动过程中，叶片在不同方位角时的最佳叶片转角不仅与叶片所处的位置有关，而且还和来流速度(也就是风速)有关，即叶片在相同的位置、不同的风速条件下，叶片具有的最佳转角是不同的。
综上，采用上述方法都不能使在风速条件发生较大变化的情况下获得最佳的叶片转角。
发明内容
针对上述现有垂直轴风力发电机叶片转角控制方式上所存在的技术问题，本发明的目的是，建立一种垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，从而不仅满足在某一固定风速情况下，控制每个叶片在任一方位角时都能获得最佳的叶片转角，而且还能满足在风速发生较大变化的情况下，仍可控制叶片在不同位置都获得相应最佳的叶片转角，从而最大限度地提高垂直轴风力发电机在自然环境下的风能利用率。此外，为实现垂直轴风力发电机的大型化和超大型化方向的发展目标，还可省去垂直轴风力发电机的中心轴。
首先，对本发明垂直轴风力发电机给出如下定义：如图1所示，叶片前、后缘的连线被称为“弦线”，叶片的弦线与叶片旋转过程中圆周上某一位置的切线夹角称为叶片“转角”，并设为α。当叶片的弦线与切线平行时α为零度，当叶片按其回转中心顺时针方向旋转时，α设为正；如图1所示，当叶片按其回转中心逆时针方向旋转时α设为负。叶片在旋转过程中所处的不同位置定义为“方位角”，并设为β。叶片在不同位置时叶片与风向的夹角，定义为“攻角”，并设为δ。
本发明具体的技术方案如下：
本发明垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，包括发电机1、复数个叶片2组成的风轮、测风仪、中央处理器、集电环31、编码器4、伺服电机5；其中，所述的叶片2安装于叶片支架21上组成风轮，叶片回转中心设有转轴22，叶片2可绕该转轴22转动，以传动装置连接该转轴22与伺服电机5；所述的中央处理器根据测风仪和编码器4传输的信号向伺服电机5发出指令，伺服电机5根据该指令将叶片转角转动到设定的角度，使风轮在旋转时，各叶片2在不同位置均获得所设定的叶片转角。
上述连接转轴22与伺服电机5的传动装置是以转轴22通过齿轮23和伺服电机5的转轴51啮合而成的。
上述中央处理器根据测风仪和编码器4传输的信号向伺服电机5发出的指令是在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
上述伺服电机5接收到的指令是控制叶片转轴22的旋转角度，是在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
上述中央处理器发出的指令是通过另一个集电环32将指令传输至伺服电机5，以控制叶片的转角。
上述中央处理器发出的指令是通过无线信号传输装置6传输至伺服电机5，以控制叶片的转角。
上述集电环31安装在发电机的回转中心上，集电环31分A、B、C三级，每一级通过导线分别和伺服电机5的三个电极相接，当风轮转动时带动集电环31转动，通过集电环31向伺服电机5供电。如图6所示。
上述编码器4安装在风轮的回转中心处，如图6所示，编码器4根据测风仪提供的风向信号，向中央处理器提供叶片的方位，由中央处理器确定在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
上述发电机为外转子的发电机，外转子发电机的内腔为空心。
本发明将在下面结合附图及具体实施方式进行描述。
附图说明
图1是本发明叶片转角示意图；
图2是本发明在风向发生变化后叶片转角示意图；
图3是本发明结构示意图；
图4是俯视本发明的结构示意图；
图5是本发明伺服电机、叶片转轴结构连接局部放大示意图；
图6是本发明无线信号传输装置、集电环、编码器结构连接示意图；
图7是本发明集电环、编码器结构连接示意图。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
实施例1：
如图3所示，本实施例以外转子的发电机可安装在三个均匀分布的立柱7上，以保持风力发电机的稳定，外转子发电机的内腔可为空心，内置本发明的中央处理器、编码器4等控制装置。将复数个(本实施例选用6个)叶片支架21均匀安装在外转子发电机的上、下二个端面上。即，本发明省去了垂直轴风力发电机的中心轴，从而实现了垂直轴风力发电机的大型化和超大型化。
如图5所示，将叶片2安装在发电机的外转子上，在叶片2的回转中心位置，设置一可传递旋转动力的转轴22，转轴22通过齿轮23与伺服电机5的齿轮51啮合。
如图1所示，在风速、风向没有变化时，可由风向仪和编码器4的风速、方位信号，设定叶片在转动过程中不同位置时的叶片转角。方位角的初始位置可设置为0度。
当某一固定风速的风吹在叶片上时，在叶片上产生升力和阻力，产生了绕回转中心旋转的力矩使风轮转动，当风速发生变化后，叶片能够根据测风仪的风速、风向信号和编码器的方位信号，重新设定风轮在转动过程中，叶片在不同位置时的叶片转角。
如图2所示，在额定风速内风向发生变化后，相当于方位角发生了变化，中央处理器可以根据测风仪和编码器4的信号向伺服电机5发出指令，如图7所示，该指令是通过另一个集电环32将指令传输至伺服电机5，以控制叶片的转角。使叶片转角改变至该叶片在此方位角时所设定的理想角度。即，风轮与风向的相对方向始终保持不变。
如图6、7所示，上述集电环31安装在发电机的回转中心上，集电环31分A、B、C三级，每一级通过导线分别和伺服电机5的三个电极相接，当风轮转动时带动集电环31转动，通过集电环31向伺服电机5供电。
如图6、7所示，上述编码器4安装在风轮的回转中心处，编码器4根据测风仪提供的风向信号，向中央处理器提供叶片的方位，由中央处理器确定在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
当风速超过额定风速后，为了保持恒定的功率输出，需降低风轮的输出功率，即，降低每个叶片的输出力矩。此时可根据风速的大小重新设定叶片转角，使风轮获得的能量减少，这样即可保持风轮的输出功率恒定。
例如，当叶片在方位角0度时，风向朝逆时针方向发生了30度的改变，此时叶片的转角马上由-4度改变到8度；而当叶片在方位角30度时，风向继续朝逆时针方向改变了20度，此时叶片的转角马上由8度改变到12度；反之，如果叶片在方位角300度时，风朝顺时针方向发生了30度的改变，叶片转角保持-30度不变，如果叶片在方位角300度时风向朝逆时针方向发生30度的变化，叶片转角马上由-30度改变到-15度，以此类推，周而复始。
当风速在超过了预先设定的额定风速、达到某一风速后，叶片再次重新设定新的转角。
当风速在超过了预先设定的额定风速、风向并且发生改变后，叶片再次重新设定新的转角。
以方位角在60度时为例，当风速分别在2米、8米、12米、20米时，采用本发明的自动控制系统，可将对应的叶片转角分别调整至较为理想的50度、21度、12度和4度。而若不采用本发明的自动控制系统，仅采用现有技术的技术手段，是无法达到在风速条件发生较大变化的情况下获得最佳、最有效的叶片转角的。
实施例2：
如图6所示，中央处理器发出的指令是通过无线信号传输装置6传输至伺服电机5，以控制叶片的转角。其它与实施例1相同。
由上述实施例可表明，本发明不仅满足在某一固定风速情况下，控制每个叶片在任一方位角时都能获得最佳的叶片转角，而且还能满足在风速发生较大变化的情况下，仍可控制叶片在不同位置都获得相应最佳的叶片转角，从而最大限度地提高垂直轴风力发电机在自然环境下的风能利用率。
尽管对本发明已经作了详细的说明并引证了一些具体实施例，但对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明人的设计思路和范围也可作各种变化和修正是显然的。

Claims (9)

1、一种垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，包括发电机、复数个叶片组成的风轮、测风仪、中央处理器、集电环、编码器、伺服电机；其中，所述的叶片安装于叶片支架上组成风轮，叶片回转中心设有转轴，叶片可绕该转轴转动，以传动装置连接该转轴与伺服电机；所述的中央处理器根据测风仪和编码器传输的信号向伺服电机发出指令，伺服电机根据该指令将叶片转角转动到设定的角度，使风轮在旋转时，各叶片在不同位置均获得所设定的叶片转角。
2、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述连接转轴与伺服电机的传动装置是以转轴通过齿轮和伺服电机的转轴啮合而成的。
3、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述中央处理器根据测风仪和编码器传输的信号向伺服电机发出的指令是在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
4、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述伺服电机接收到的指令是控制叶片转轴的旋转角度，是在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
5、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述中央处理器发出的指令是通过另一个集电环将指令传输至伺服电机，以控制叶片的转角。
6、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述中央处理器发出的指令是通过无线信号传输装置传输至伺服电机，以控制叶片的转角。
7、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述集电环安装在发电机的回转中心上，集电环分A、B、C三级，每一级通过导线分别和伺服电机的三个电极相接，当风轮转动时带动集电环转动，通过集电环向伺服电机供电。
8、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述编码器安装在风轮的回转中心处，编码器根据测风仪提供的风向信号，向中央处理器提供叶片的方位，由中央处理器确定在不同风向、不同风速条件下设定叶片相应的叶片转角。
9、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片转角自动控制系统，其特征在于，所述发电机为外转子的发电机，外转子发电机的内腔为空心。
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