CN202718810U - 一种变桨距垂直轴风力机 - Google Patents

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刘小红
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Abstract

本实用新型的目的在于提供一种变桨距垂直轴风力机，包括发电机、塔架、风轮、主轴、叶片、伺服电机、主轴编码器、风向仪、风速仪、变桨距控制系统，主轴和发电机分别安装在塔架上，风轮安装在主轴上并绕主轴旋转，风轮的旋转运动经链传动传递到发电机上，叶片安装在风轮上自转并随风轮绕主轴旋转，伺服电机连接叶片，主轴编码器分别连接主轴和风轮并随风轮转动采集风轮瞬时位置，风向仪和风速仪安装在主轴编码器上方，发电机为变桨距控制系统供电，变桨距控制系统控制叶片桨距角。本实用新型降低了风力机启动风速，提高了启动性能和风能利用率，拓宽了风力机的工作范围，系统灵活性强，应用场合广，经济和社会效益显著。

Description

一种变桨距垂直轴风力机
技术领域
本实用新型涉及的是一种发电装置，具体地说是风力机。
背景技术
风能作为一种清洁可再生能源，是解决能源危机的有效替代能源，风力机的开发与研制已经成为各国研究的焦点。垂直轴风力机凭借安装维护方便，叶片加工容易，噪音低等优势具有了与商用水平轴风力机相媲美的潜力。然而垂直轴风力机启动性能差和风能利用率相比水平轴风力机较低的劣势，限制了垂直轴风力机的发展，不过研究表明变桨距技术是解决风力机启动问题，减少叶片振动和动态失速的发生，提高垂直轴风力机综合性能的有效方法。
针对变桨距技术，人们提出了多种方案，其中以下几种方案最具代表性：1981年美国学者L.Kenyon Liljegren在专利US4430044提出了用弹簧调节叶片变桨距的设想，不过该方案无疑增加了叶片的加工难度，且在大惯量的叶片桨距角控制时显得“力不从心”；2002年新南威尔士大学采用叶片上加平衡锤的变桨距方案，利用离心力作用实现了叶片的自适应变桨距控制；美国马萨诸塞州能源公司利用导杆及凸轮机构成功研制了具有摆线规律的变桨距垂直轴风力机，该风力机效率较高，启动性能良好，但是该变桨距结构较复杂，而且风力机变桨范围受到结构参数的限制。
发明内容
本实用新型的目的在于提供低启动风速、宽工作范围、高输出功率的一种变桨距垂直轴风力机。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型一种变桨距垂直轴风力机，其特征是：包括发电机、塔架、风轮、主轴、叶片、伺服电机、主轴编码器、风向仪、风速仪、变桨距控制系统，主轴和发电机分别安装在塔架上，风轮安装在主轴上并绕主轴旋转，风轮的旋转运动经链传动传递到发电机上，叶片安装在风轮上自转并随风轮绕主轴旋转，伺服电机连接叶片，主轴编码器分别连接主轴和风轮并随风轮转动采集风轮瞬时位置，风向仪和风速仪安装在主轴编码器上方，发电机为变桨距控制系统供电，变桨距控制系统控制叶片桨距角。
本实用新型还可以包括：
1、所述的变桨距控制系统包括单片机，单片机包括A/D模块、中断及I/O模块，风向仪、风速仪信号经A/D模块转化成数字信号，主轴编码器信号经中断及I/O模块转化成数字信号，数字信号经单片机运算后输出PWM信号驱动伺服电机，伺服电机调整叶片桨距角。
2、还包括电力变换系统，电力变换系统包括整流器、DC/DC变换器、逆变器、蓄电池，整流器连接DC/DC变换器，DC/DC变换器分别连接蓄电池和逆变器，蓄电池分别连接变桨距控制系统和直流负载，逆变器连接交流负载，整流器与发电机相连，发电机发出的电通过整流器整流后经过DC/DC变换为直流电为蓄电池充电，蓄电池连接变桨距控制系统。
3、还包括叶片编码器、霍尔传感器、H桥功率放大模块，叶片编码器安装在伺服电机高速端，霍尔传感器安装在叶片的两端，H桥功率放大模块安装在单片机和伺服电机之间，单片机输出的PWM信号经H桥功率放大模块后驱动伺服电机。
本实用新型的优势在于：本实用新型降低了风力机启动风速，提高了启动性能和风能利用率，拓宽了风力机的工作范围，系统灵活性强，应用场合广，经济和社会效益显著。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型电气伺服变桨距垂直轴风力机的系统组成框图；
图3是本实用新型电气伺服变桨距控制系统工作框图；
图4是本实用新型电气伺服变桨距控制系统供电系统框图；
图5是本实用新型电气伺服变桨距系统工作原理图（模式化变桨距控制原理图）；
图6是本实用新型垂直轴风力机各工作模式的电气伺服变桨距控制规律；
图7是本实用新型电气伺服变桨距控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：
结合图1～7，本实用新型的主轴4与塔架1固结，风轮3绕主轴4公转，叶片5采用两端支撑形式并安装在风轮支撑臂上，叶片5转轴通过角接触球轴承与风轮3连接，叶片5与伺服电机6通过联轴器连接，可实现叶片5绕自身转轴转动。主轴编码器8内圈与主轴4固结，外圈与风轮3固结，且随风轮3转动以采集风轮瞬时位置。风向仪9和风速仪10分别采集外部流场的风速大小和风向变化，为控制器提供输入信号。风轮的旋转运动经链传动传递到发电机2，完成风能向电能的转化，发电机2发出的电能进入电力变换系统11。在电力变化过程中，电能经整流器11-1整流后、在经过一级DC/DC变换11-2传递到逆变器11-3，经逆变后的交流电源便可以为交流负载11-4供电。同时经DC/DC变换11-2的直流电可以为蓄电池11-5充电，储存的直流电源可以为直流负载11-6供电，也为风力机的变桨距控制系统12供电，实现风力机系统能量自给。
结合图3，本实用新型的变桨距控制系统以单片机16作为控制核心，风向和风速以及风轮转角作为系统的输入信号，该输入信号经风向仪9和风速仪10和主轴编码器8采集，通过单片机的A/D模块、中断及I/O转化为系统可识别的数字信号，经由单片机内部程序算法输出PWM信号，通过H桥功率放大模块13驱动伺服电机6，伺服电机6通过蜗轮蜗杆减速器14调整叶片桨距角，叶片编码器7安装在伺服电机6高速端以返回叶片桨距角位置信号。叶片两端安装霍尔传感器15，在叶片旋转过程中进行位置标定，已获得叶片转角的绝对位置，同时避免叶片桨距角累计误差的产生。
结合图4，本实用新型的变桨距垂直轴风力机是自给能源系统，即电气伺服变桨距控制系统12的各种能耗都是由风力机发电机2发出的电能提供的。发电机2发出的电能经电力变换系统11转化为稳定的直流电并为24V蓄电池11-5充电，蓄电池11-5输出的直流电主要为电气伺服变桨距控制系统12提供功率电源和数字电源。一方面，24V直流电经DC/DC转换为12V数字电，再经开关电源LM2576-5转为5V电源，为单片机16供电。另一方面，24V直流电经H桥功率放大模块13为伺服电机6供电，实现叶片5的伺服变桨距控制；同时24V直流电还为运算放大器、光电隔离芯片6N137以及IR2112等功率元件供电，最终实现垂直轴风力机的伺服变桨距控制。
结合图5和图6，本实用新型的垂直轴风力机变桨距工作原理是：根据风向仪9和风速仪10采集的风况信息，垂直轴风力机控制器启用不同的工作模式，以实现风力机的最大功率输出。其工作原理如下：当采集风速V低于启动风速Vstart时（启动风速的大小与机械结构的摩擦系数以及发电机的效率有关，本实用新型垂直轴风力机的启动风速为2m/s），风力机控制器启动阻力启动模式，伺服变桨距控制系统利用阻力型风力机的优势，调节叶片桨距角实现最大启动力矩控制，实现风力机的低风速启动，扩展低风速下的工作范围。当采集风速V介于启动风速Vstart和额定运行风速VN之间时，风力机工作在升力运行模式，提高风力机最大风能利用率。当风速超过额定风速且在工作风速范围内时，风力机工作在额定运行状态，风机转速不在随风速变化，而是通过调节负载电流以及叶片桨距角实现风速、转速和负载的最佳匹配，以提高风力机输出功率。当风速超过工作风速时，伺服变桨距控制系统调节叶片桨距角，实现风力机的制动，以保证系统安全。图6给出了阻力启动模式、升力运行模式和额定运行模式的变桨距控制规律。
结合图7，本实用新型电气伺服变桨距控制系统的控制核心器件为单片机，采用PID控制方法实现叶片的变桨距控制。变桨距过程是这样实现的：在初始化阶段首先赋PWM值，驱动叶片5旋转，当叶片5到达标定位置时，叶片位置标志位M_Flag置1，叶片5停止转动，同时叶片位置标志位清零；当风轮3旋转触发主轴编码器8的Z信号时，触发外部中断INT0，风轮位置标志位Z_Flag置1，同时风轮位置清零，初始化结束。桨距角调节过程，首先计算叶片运动给定量，并对给定量进行数据处理实现单位统一；获得给定值后，进入误差计算流程，并进行数据处理以避免叶片位置标记位状态的突变；获得误差值后，进入PID流程，在PID调节后需要对PWM值进行饱和限制，以防止PWM满占空比情况的发生；最后检测叶片5的标定信号，直到定时中断触发，一个采样周期结束。
本实用新型中，垂直轴风力机电气伺服变桨距控制采用分阶段模式化控制，使得控制规律更加适应风力机运行情况，可实现风力机运行模式的自由切换，增加变桨距控制的灵活性；同时模式化变桨距控制实现了风力机连续稳定的运行，避免了水平轴风力机长时间待机状态，增加了垂直轴风力机的发电量。
在风力机启动阶段，电气伺服变桨距系统调节叶片桨距角实现风力机阻力启动模式，降低风力机启动风速，拓宽风力机的低风速工作范围。
风力机由启动阶段向额定运行阶段过渡过程中，风力机采用升力型变桨距控制规律，并进入升力模式时刻调整叶片桨距角，以实现风力机的最大瞬时功率输出，提高风能利用率。
风力机在额定运行模式下，在保证最大功率输出的同时，考虑负载用电情况，通过负载电流以及叶片桨距角的调节，实现风力机转速与风速以及负载的最佳匹配，增加风力机最大功率输出在风力机运行过程中的比重。
在风速大于风力机工作风速时，通过快速调节叶片桨距角使得叶片与风向平行，极大降低叶片所承受的风载，保证系统安全工作；同时在风速小于安全风速时，电气伺服变桨距系统又自动调节桨距角，使叶片实现正常工作。

Claims (5)

1.一种变桨距垂直轴风力机，其特征是：包括发电机、塔架、风轮、主轴、叶片、伺服电机、主轴编码器、风向仪、风速仪、变桨距控制系统，主轴和发电机分别安装在塔架上，风轮安装在主轴上并绕主轴旋转，风轮的旋转运动经链传动传递到发电机上，叶片安装在风轮上自转并随风轮绕主轴旋转，伺服电机连接叶片，主轴编码器分别连接主轴和风轮并随风轮转动采集风轮瞬时位置，风向仪和风速仪安装在主轴编码器上方，发电机为变桨距控制系统供电，变桨距控制系统控制叶片桨距角。
2.根据权利要求1所述的一种变桨距垂直轴风力机，其特征是：所述的变桨距控制系统包括单片机，单片机包括A/D模块、中断及I/O模块，风向仪、风速仪信号经A/D模块转化成数字信号，主轴编码器信号经中断及I/O模块转化成数字信号，数字信号经单片机运算后输出PWM信号驱动伺服电机，伺服电机调整叶片桨距角。
3.根据权利要求1或2所述的一种变桨距垂直轴风力机，其特征是：还包括电力变换系统，电力变换系统包括整流器、DC/DC变换器、逆变器、蓄电池，整流器连接DC/DC变换器，DC/DC变换器分别连接蓄电池和逆变器，蓄电池分别连接变桨距控制系统和直流负载，逆变器连接交流负载，整流器与发电机相连，发电机发出的电通过整流器整流后经过DC/DC变换为直流电为蓄电池充电，蓄电池连接变桨距控制系统。
4.根据权利要求1或2所述的一种变桨距垂直轴风力机，其特征是：还包括叶片编码器、霍尔传感器、H桥功率放大模块，叶片编码器安装在伺服电机高速端，霍尔传感器安装在叶片的两端，H桥功率放大模块安装在单片机和伺服电机之间，单片机输出的PWM信号经H桥功率放大模块后驱动伺服电机。
5.根据权利要求3所述的一种变桨距垂直轴风力机，其特征是：还包括叶片编码器、霍尔传感器、H桥功率放大模块，叶片编码器安装在伺服电机高速端，霍尔传感器安装在叶片的两端，H桥功率放大模块安装在单片机和伺服电机之间，单片机输出的PWM信号经H桥功率放大模块后驱动伺服电机。
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