CN204253278U - 一种基于变桨距控制原理的s型风力机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于变桨距控制原理的S型风力机，它由S型风轮、导流装置、控制系统组成。不论风向如何，通过导流板的导流作用，风轮叶片的顺风侧始终位于流场的高压区，而风轮叶片的逆风侧始终位于流场的低压区，从而提高了风力机的效率。导流板可绕其轴线自由旋转，当风速低于额定风速时，导流板处于默认位置以保证风力机的最大效率；当风速高于额定风速时，导流板根据风速的大小旋转一定的角度，减小风力机捕获的风能，使风力机的输出功率保持在额定的状态，通过控制导流板可实现风力机的恒功率输出。另外，当风速过大时，导流板旋转到一个特定的角度，使风能不能进入风轮，实现风轮刹车、停车，保护风力机的结构。

Description

一种基于变桨距控制原理的S型风力机

技术领域

本发明涉及一种风力机，一种能适合在任意风向下工作的基于变桨距控制原理的S型风力机。

背景技术

在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天，作为可再生绿色能源的风能成为世界各国普遍重视的能源，风能就是空气的动能，是一种可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的能源，风能的大小决定于风速和空气的密度。全球的风能约为                                                ，其中可利用的风能为，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

欧洲风能发电的总功率占全世界风能发电的70%以上，世界上风能利用最好的是德国，其次为美国、丹麦和荷兰，他们手中掌握着风能发电的许多核心关键技术。他们的风电技术的发展起步较早，风电技术朝着提高单机容量，减轻单位千瓦重量，提高转换效率，提供系统可靠性的方向发展。目前，国际上主流的风力发电机组已达到MW级，平均单机容量也得到大幅度的提升。在已安装的风电机组中，变速恒频和变桨距技术得到快速推广，国外大多数风电机组开发制造厂商都推出了变桨变速风电机组。

中国风力资源十分丰富，根据国家气象局的资料，我国离地10米高的风能资源总储量约，其中可开发和利用的陆地上风能储量有，50米高度的风能资源比10米高度多1倍，约为；近海可开发和利用的风能储量有。我国风电技术与国外有明显的差距，风电机组的增长速度明显不如国外。MW级以下机组多采用定桨距定速恒频技术，运行效率较低，而MW级以上变桨距变速恒频风电机组还处于试运行阶段，其国产化率为70％左右，关键部件的生产还依赖国外。

S型风力机是一种垂直轴阻力型风力机，对于这类风力机有以下特点：其有较大的启动转矩，能在低风速下自启动；其不需要复杂的偏航对风系统，可以实现任意风向下正常运行；该风力机叶片采取两端固定，叶片仅受沿展向的张力，受力简单结构寿命长；发电机安装在风力机底部，便于维护等等。S型风力机的诸多优点使其备受关注，提高其风能利用效率和控制其输出功率成为人们追求的目标。

发明内容

本发明目的针对现有的技术问题，参考大型风力机的变桨距控制原理提供一种S型风力机，该S型风力机采用的并不是传统意义上的变桨距控制，而是通过导流装置上的导流板的角度变化来实现类似于变桨距原理的控制，在提高其效率的同时，控制其输出功率。

本发明其中的一个实施例中，控制系统不仅能实现风力机恒功率输出，而且还可以实现风力机的开关机控制，导流板活动安装于导流端盖上，可绕其轴线自由旋转，导流板、连杆、曲柄和导流端盖就组成一个四杆机构作为控制的执行机构，当风速改变时可以通过伺服电机驱动执行机构联动控制所有导流板旋转一定的角度，改变进入风力机的风能，从而实现恒功率输出控制；另一方面，当风速过大或其它原因需要风力机停机时，可通过控制系统使导流板旋转到特定的角度，将风能与风轮隔开，风轮在未获得风能的情况下便会慢慢停机。

本发明其中的一个实施例中，一种基于变桨距控制原理的S型风力机，其特征在于活动的导流板控制进入风力机风轮的风能。当风速低于额定风速时，导流板处于默认位置（如3图所示），此时风力机能获得最大的风能利用效率；当风速逐渐增大，大于额定风速时，输出功率大于额定功率，此时，控制系统启动，控制由伺服电机驱动曲柄通过连杆联动控制所有导流板旋转，当旋转到一定的角度时，由于减少了进入风力机风轮的风能，因此风力机的输出功率减小到额定功率，从而实现恒功率输出控制；当风速大于风力机所能承受的极限风速时，为保护风力机的结构不被破坏，此时需风力停机，通过控制系统执行机构使导流板旋转到一个特定的角度，风能被导流板阻挡不能进入风轮从而实现风力停机。

本发明其中的一个实施例中，基于变桨距控制原理的S型风力机，其特征在于活动的弧形导流板，其位于风力机风轮的外侧，包围风力机风轮，其弧形方向与风力机的旋转方向如图3所示，导流板的大小和安装角度都得根据不同风力机要求通过理论计算和仿真实验得到。

本发明与现有的技术相比，具有如下显著的优点：本发明提供的垂直轴S型风力机，适用于任意来流风向，导流板优化流场，增大叶片所获得的转矩，从而提高风力机的效率；另外，由于活动导流板可以控制风力机在高于额定风速的情况下工作时始终输出恒定的功率，并且在风速过大的情况下使风力机停机，以保护风力机的结构。

附图说明

图1 是本发明的基于变桨距控制原理的S型风力机的结构示意图。

图2 是图1的俯视图。

图3 是导流板默认位置（导流板末端圆弧切线与叶片中点所在的圆面相切）。

图4 是恒功率控制的控制框图。

具体实施方式

      本发明的一个优选实例是：参见图1、图2，本发明基于变桨距控制原理的S型风力机，由垂直轴的S型风力机风轮、导流装置及控制系统组成。风轮由3个均布的叶片(7)和2个风轮端盖(1)组成，导流装置由6个均布的活动弧形导流板(6)和2个导流端盖(2)组成，控制系统由曲柄(3)、6个连杆(4)和伺服电机(5)组成；风轮作为风力机能量转换的部件，而导流装置不仅增加风力机的利用效率，同时对风力机起到一个控制的作用。在对风力机进行控制之前，需进行大量的计算和仿真实验：在工作风速高于额定风速时，需根据风力机的结构尺寸建模仿真，确定当风力机以恒定功率输出时，风速和导流板旋转角度的关系；该控制系统是通过四杆机构来执行的，因此需要通过机构仿真或计算确定曲柄和导流板旋转角度的关系；该控制系统是以伺服电机驱动曲柄实现控制的，因此得确定两者的关系。通过上述计算和仿真实现，可得到该控制系统输入与输出的关系，从而可以精确控制风力机。在风力机启动阶段，导流板处于默认位置（如图3所示），此时风力机获得最大的启动转矩；在工作风速大于额定风速时，控制系统启动，根据风速的大小对伺服电机施加控制信号，从而实现风力机的恒功率控制；当风速达到风力机工作的极限风速时，控制电机就会得到一个控制风力机停机的信号，驱动使导流板转动一个特定的角度，使风力资源被阻挡在风力机外，实现风力机停机保护。风轮的结构参数包括风轮直径、风轮高度、叶片半径、叶片倾角：风轮直径和风轮高度通过设计功率要求计算得到，通过FLUENT仿真与优化得到风力机效率最大时叶片半径和倾角的值。导流装置的结构参数包括导流板半径、导流板安装角、导流板前后端所在圆面半径之比，这些参数都是通过FLUENT仿真求得最优解得到。控制系统的结构参数包括曲柄、连杆的长度等，其参数值没有特定的要求，但应满足导流板角度控制的精度和行程。

Claims (4)

1.一种基于变桨距控制原理的S型风力机，其特征在于，包括：S型风轮，导流装置，控制系统，所述S型风轮由风轮端盖(1)、S型叶片(7)组成，导流装置由周围均布的弧形导流板(6)、导流端盖(2)组成，控制系统由曲柄(3)、连杆(4)和伺服电机(5)组成。

2.根据权利要求1所述的基于变桨距控制原理的S型风力机，其特征在于：S型风轮捕获风能转化为机械能带动发电机发电，其作为转化能量的装置，其效率对整个系统影响至关重要；导流装置的周围均布的弧形导流板构成进气的收缩气流通道，不论风向如何，风轮叶片的顺风侧始终位于该收缩气流通道下游出的气流高压区，而风轮叶片的逆风侧始终位于导流板下游处的气流低压区，导流板改善气流流场，使叶片获得更大的转矩，提高风力机的效率；控制系统不仅能实现风力机恒功率输出，而且还可以实现风力机的开关机控制，导流板活动安装于导流端盖上，可绕其轴线自由旋转，导流板、连杆、曲柄和导流端盖就组成一个四杆机构作为控制的执行机构，当风速改变时可以通过伺服电机驱动执行机构联动控制所有导流板旋转一定的角度，改变进入风力机的风能，从而实现恒功率输出控制；另一方面，当风速过大或其它原因需要风力机停机时，可通过控制系统使导流板旋转到特定的角度，将风能与风轮隔开，风轮在未获得风能的情况下便会慢慢停机。

3.根据权利要求2所述的基于变桨距控制原理的S型风力机，其特征在于：活动的导流板能控制进入风力机风轮的风能，当风速低于额定风速时，导流板处于默认位置，此时风力机能获得最大的风能利用效率；当风速逐渐增大，大于额定风速时，输出功率大于额定功率，此时，控制系统启动，控制由伺服电机驱动曲柄通过连杆联动控制所有导流板旋转，当旋转到一定的角度时，由于减少了进入风力机风轮的风能，因此风力机的输出功率减小到额定功率，从而实现恒功率输出控制；当风速大于风力机所能承受的极限风速时，为保护风力机的结构不被破坏，此时需风力停机，通过控制系统执行机构使导流板旋转到一个特定的角度，风能被导流板阻挡不能进入风轮从而实现风力停机。

4.根据权利要求3所述基于变桨距控制原理的S型风力机，其特征在于：弧形导流板，其位于风力机风轮的外侧，包围风力机风轮，其弧形方向与风力机的旋转方向密切相关，导流板的大小和安装角度都得根据不同风力机要求通过理论计算和仿真实验得到。