一种变实度的垂直轴风力机及其运行控制方法

1.本发明提供的一种变实度垂直轴风力机装置及其运行控制方法，涉及在传统的垂直轴风力机上进行变实度的技术。


背景技术：

2.近年来，风力发电技术进入快速发展时期，垂直轴风力机越来越受到关注，但垂直轴风力机受风速影响很大，尤其影响其低风速下的启动性能。众多学者研究发现可以通过改变风力机实度，减小风速对风力机性能的影响，因此发明设计了许多垂直轴风力机变实度装置。
3.中国专利cn104074677a公开了一种变实度垂直轴风力发电机风轮，其通过改变叶片弦长实现风力机的变实度控制，但难以运用到实际中且所适用场合受限。
4.中国专利cn102606401b公开了一种垂直轴风力发电机的回转半径调节机构，其通过改变风力机回转半径实现风力机变实度控制，该设计利用套管机构的伸缩拉动风力机叶片沿径向运动，实现风力机变回转半径，但该装置无法将叶片收紧贴近风力机转轴，变实度程度受限。
5.中国专利cn109322786a公开了一种可变高径比的垂直轴风力机叶轮连杆，其通过改变风轮半径实现变实度控制，但该设计利用弹簧的弹性力和叶片旋转产生的离心力的相互作用实现风轮变半径，受风速影响较大，无法人为控制风轮半径。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的缺陷，提供一种变实度的垂直轴风力机装置。该装置根据风速能控制风力机的实度大小，使风力机达到最佳启动性能和最佳运行性能；能收紧风力机叶片贴近风力机转轴，实现优异的变实度效果。
7.为实现上述目的，本发明采用了步进电机转动带动风力机叶片沿导杆水平运动的技术方案。一种变实度的垂直轴风力机，其包括垂直轴风力机、拉绳器和控制器。所述垂直轴风力机包括底座、直线轴承连杆机构和转轴，用于将风能转化为电能；所述底座位于所述转轴的底部，底座内布置有发电机；所述直线轴承连杆机构由风力机叶片、直线轴承和导杆构成，用于解决收紧风力机叶片时无法贴近转轴的技术问题；所述拉绳器由步进电机、线轮、定位轴承和壳体构成，所述拉绳器固定在所述转轴上，用于拉动所述风力机叶片沿所述导杆运动；所述线轮绕有拉绳，拉绳末端固定在所述风力机叶片中心位置处；控制器由电源和plc编码器组成，用于控制所述拉绳器拉动所述风力机叶片的移动距离。通过所述直线轴承连杆机构、所述拉绳器和控制器的共同作用，可以调整所述垂直轴风力机的风轮半径大小，从而实现风力机的变实度控制。
8.此外，本发明还提供以下技术方案：
9.在一定的风速下，所述垂直轴风力机的最佳启动性能和最佳运行性能对应的实度不同，通过调节风力机的实度大小，使垂直轴风力机以最短时间进行启动，达到最佳启动性
能；也能使风力机以最大输出功率进行运行，达到最佳运行性能；所述垂直轴风力机通过所述拉伸器拉动所述风力机叶片运动，控制风力机风轮半径，以此调节风力机实度大小；在风力机启动前，通过所述拉绳器将所述风力机叶片拉动到风力机启动的最佳实度位置处，并锁死所述步进电机，使所述垂直轴风力机以最短时间启动，达到最佳启动性能；在所述垂直风力机启动后，所述风力机叶片旋转，产生沿所述导杆向外的离心力，根据此时的风速，控制所述拉绳器放伸拉绳，该离心力将推动所述风力机叶片沿所述导杆向外运动，使所述风力机叶片运动到风力机运行的最佳实度位置处，锁死所述步进电机，风力机以最大输出功率进行运行，达到最佳运行性能。
10.所述导杆末端设有挡块，即使拉绳器损坏不工作，所述风力机叶片也不会从所述导杆上脱落。
11.所述拉绳器通过所述步进电机拉动所述风力机叶片运动，在特殊情况下，所述垂直轴风力机不适合进行发电时，也可收紧所述风力机叶片贴近风力机转轴，避免所述垂直轴风力机造成损坏。
12.与现有技术相比，本发明优势在于：
13.1.本发明能够人为调节风力机的风轮半径，实现风力机的变实度控制；根据实际情况，利用本发明在风力机启动时，调节实度大小使风力机以最短时间进行启动，达到最佳启动性能；在风力机启动后，调节风力机实度使风力机以最大输出功率进行运行，达到最佳运行性能。
14.2.本发明利用直线轴承连杆机构实现风力机叶片沿导杆运动，风力机叶片可以收紧贴近风力机转轴，变实度效果更为明显；另外，在垂直轴风力机不适合发电的特殊情况下，可以利用该装置将风力机叶片收紧贴近风力机转轴，避免风力机因恶劣环境造成损坏，提高装置的使用寿命。
15.3. 本发明不受限于风力机叶片数量，可以通过改变拉绳器数量满足多叶片要求。
附图说明
16.图1是本发明一种变实度的垂直轴风力机结构示意图。
17.图2是本发明的拉绳器结构示意图。
18.图3是本发明的直线轴承连杆结构示意图。
19.附图中各符号说明：1-直线轴承连杆机构；2-拉绳器；3-控制器；4-转轴；5-底座；2-1步进电机；2-2线轮；2-3壳体；2-4定位轴承；2-5拉绳；1-1直线轴承；1-2挡块；1-3风力机叶片；1-4导杆。
具体实施方式
20.以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
21.参照图1，一种变实度的垂直轴风力机包括：垂直轴风力机、拉绳器2和控制器3。垂直轴风力机由直线轴承连杆机构1、转轴4和底座5组成；底座5位于转轴4的底部，且内部布置有发电机。拉绳器2固定于转轴4与风力机叶片1-3中心水平面相交的位置处，其伸出的拉绳2-5固定在风力机叶片1-3的中部位置。控制器3固定在转轴4上，且位于拉绳器2的下方。
22.参照图2，拉绳器2包括步进电机2-1、线轮2-2、壳体2-3和定位轴承2-4。步进电机
2-1和线轮2-2通过两个定位轴承2-4同轴安装在壳体2-3内，线轮2-2上绕有拉绳2-5。当步进电机2-1转动时，其会带动线轮2-2转动，实现拉绳2-5的收放。
23.参照图3，每个风力机叶片都会布置有两套直线轴承连杆机构1，直线轴承连杆机构1包括直线轴承1-1、挡块1-2、风力机叶片1-3和导杆1-4，其中风力机叶片1-3以轴心为对称的上、下两端位置处均预留有孔位，直线轴承1-2固定在风力机叶片1-3的预留孔位内，导杆1-4水平贯穿直线轴承1-1，其一端固定在转轴4上，另一端设有挡块1-2。
24.本发明提供的一种变实度的垂直轴风力机，通过改变风力机实度，控制风力机以最短时间进行启动和维持最大输出功率进行运行，以达到其最佳启动性能和最佳运行性能。据目前研究，在一定风速下，垂直轴风力机达到最佳启动性能和最佳运行性能对应的实度不同，启动的最佳实度往往小于运行的最佳实度。当风力机要启动时，通过本发明将当前位置（如上一次运行后停止处）的风力机叶片拉动到启动的最佳实度位置处并加以固定，使风力机以最短时间启动，具体操作：当要启动风力机时，根据风速改变控制器3的输出电信号，控制步进电机2-1反转，使拉绳2-5向内收缩，进而拉动风力机叶片1-3沿导杆1-4向内运动，使风力机叶片1-3运动到风力机启动的最佳实度位置处，锁死步进电机2-1，风力机叶片1-3固定。在风力机启动后，通过风力机叶片旋转产生的离心力和本发明装置的共同作用，推动风力机叶片运动到风力机运行的最佳实度位置处并加以固定，使风力机以最大输出功率进行运行，具体操作：风力机启动后，风力机叶片1-3旋转产生沿导杆1-4向外的离心力，根据风速，改变控制器3的输出电信号，控制步进电机2-1正转，使拉绳2-5向外放伸，在离心力的作用下风力机叶片1-3将沿导杆1-4向外运动，使风力机叶片1-3运动到风力机运行的最佳实度位置处，锁死步进电机2-1，风力机叶片1-3固定。
25.特殊工作状态下：当特殊环境产生不适合风力机发电的情况时，可以控制拉绳器2拉动风力机叶片1-3向内收紧并贴近转轴4，以此避免风力机造成损坏，提高装置的使用寿命。
26.需要指出的是，本文所述垂直轴风力机实例采用五叶片设计，但本发明不受限于风力机叶片数量，可以调整拉绳器的数量满足多叶片要求。本文所用实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种变实度的垂直轴风力机，其特征在于：包括垂直轴风力机和拉绳器，其中，所述垂直轴风力机包括直线轴承连杆机构、转轴和底座；所述直线轴承连杆机构由风力机叶片、直线轴承和导杆构成；所述拉绳器由步进电机、线轮、定位轴承和壳体构成，所述拉绳器固定在所述转轴上。2.根据权利要求1，所述风力机叶片的上、下两端对称位置处预留有孔位；所述直线轴承固定在所述风力机叶片预留的孔位内；所述导杆水平贯穿所述直线轴承，所述导杆一端固定在所述转轴上，另一端设有挡块。3.根据权利要求1，每个所述风力机叶片上固定有两个所述直线轴承，以所述风力机叶片中心水平面为对称布置；每个所述风力机叶片上有两个所述导杆水平贯穿所述直线轴承，以所述风力机叶片中心水平面为对称布置。4.根据权利要求1，所述拉绳器固定于所述转轴与所述风力机叶片中心水平面相交的位置处；其中，所述步进电机和所述线轮通过所述定位轴承同轴安装在所述壳体内部；所述线轮上绕有拉绳，所述拉绳是软结构，所述拉绳末端固定在所述风力机叶片的中心位置处。5.根据权利要求1，该装置使垂直轴风力机依据不同的来流风速以最佳的实度进行启动及运行，控制方法如下：垂直轴风力机要启动时，根据实际风速，通过拉绳器将风力机叶片拉动到启动的最佳实度位置，锁死步进电机，垂直轴风力机以最短时间启动，达到最佳启动性能；垂直轴风力机启动后，根据实际风速，通过拉绳器放伸拉绳，使风力机叶片离心运动到运行的最佳实度位置处，锁死步进电机，垂直轴风力机以最大输出功率进行运行，达到最佳运行性能。

技术总结
本发明提供一种变实度的垂直轴风力机装置，涉及在传统的垂直轴风力机上进行变实度的问题。该装置由垂直轴风力机、拉绳器和控制器构成；垂直轴风力机包括直线轴承连杆机构、转轴和底座，其中，直线轴承连杆机构由直线轴承、导杆和风力机叶片构成；拉绳器安装在风力机转轴上，由步进电机、线轮、定位轴承和壳体构成，线轮上绕有拉绳，拉绳末端固定在风力机叶片中部；控制器安装在风力机转轴上，由电源和PLC编码器构成。在直线轴承连杆机构、拉绳器和控制器共同作用下，使风力机叶片沿导杆收缩或放伸，以此改变垂直轴风力机的风轮半径，实现垂直轴风力机的变实度控制，达到控制垂直轴风力机的启动时间最短及维持最大输出功率进行运行的目的。整个装置结构简单，占用空间小，变实度效果良好，能优化垂直轴风力机在不同风速下的启动性能，保证垂直轴风力机在不同风速下以最大输出功率进行运行；此外在暴风或者其他恶劣天气等不适合进行发电时，利用该装置将风力机叶片收紧贴近风力机转轴，避免装置损坏，提高其使用寿命。高其使用寿命。


技术研发人员：黄惠兰 方启蒙 李刚 李一典
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/20