CN107191331A - 一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统，包括中央处理模块、变桨执行机构、风速风向仪和转速传感器；所述中央处理模块安装在风机底座上；所述转速传感器安装于风机主轴旁侧，与中央处理模块通过有线连接；所述变桨执行机构包括光伏供电薄膜、驱动模块和变桨电机；所述光伏供电薄膜安装在叶片表面；所述光伏薄膜与驱动模块中的蓄电池连接，通过光照产生电能给蓄电池充电；所述驱动模块与变桨电机连接；所述驱动模块的无线通信模块与中央处理模块的通信模块连接；所述变桨电机安装在叶片支撑杆与叶片连接的旋转轴处；所述风速风向仪安装在垂直轴风机的顶部空旷位置，其通过内部的无线通信模块与中央处理模块的通信模块连接。

Description

一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体是一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统。

背景技术

风能作为清洁能源，是新能源重要的发展方向，风力发电技术也成为发展应用较为成熟的能源技术。作为捕获风能的风机根据风轮轴与地面的相对位置分为水平轴风机和垂直轴(立轴)风机两类，相对于发展较为完善的水平轴风机，垂直轴风机在风能利用中具有无需对风、噪音小、投资少、安装维护方便、使用时间长以及翼型制造容易等优点，越来越受人们的关注。

但是，垂直轴风机也存在一些需要克服的问题，主要有风能利用率普遍较低，自启动性能差，定桨距时风机在下游性能较差，有效做功范围较小。所以如何提高风机的风能利用率，增加风机有效做功范围一直是研究重点。在垂直轴风机运行过程中，经计算优化的叶片最佳桨距角曲线随着叶尖速比的变化而有所变化，因此需要在叶片运行过程中根据实际情况进行变桨控制，以增加风机启动性能，同时在高风速下能够降低风机转速或者进行风机制动保证风机安全。

从垂直轴风机变桨控制发展现状来看，垂直轴风机变桨控制绝大部分都是定桨距或者被动变桨距控制。定桨距垂直轴风机由于不能根据实际运行情况进行实时变桨，使得垂直轴风机启动性能差，旋转一圈叶片切向力有效作用范围较小，从而转速较低、风能利用率较低，转轴必须加装增速齿轮箱带动发电机运行；被动变桨垂直轴风机依靠机械结构以被动形式进行变桨，叶片不能随着风速变化实时有效的跟踪最优桨距角变化，可控性能差；现已实现的少量主动变桨距垂直轴风机控制系统连接复杂，变桨执行装置需要与垂直轴风机底部连接进行供电，控制系统对叶片多为联动控制，对单个叶片控制能力不足，不能针对上风向及下风向两种状态下的叶片分别调整，高风速下仅能进行自锁，叶片不能进行规避有效控制风机转速。申请号201610315785.0公开了一种垂直轴风力发电机闭环控制系统，所述控制系统各部件之间信息通信通过有线连接，导致整个系统只能安装在叶片附近或者轮毂处，否则会导致线缆随着风机旋转扭转，并且没有解决系统跟随旋转供电线缆连接问题，维护安装困难有局限性，同时所述控制系统变桨时使用的执行机构带有曲柄机构，没有对单个叶片进行控制且控制不够精确，可靠性不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统。本变桨系统中的各个部分之间的信息交换使用无线通信模块连接，从而使得变桨系统没有复杂的线路连接部分，解决了垂直轴风机变桨系统内部连接复杂和放置安装不当导致的电缆扭转问题，同时使得中央处理模块可以安装在垂直轴风机底部，降低运维成本，简化变桨系统结构，安装更加简单并提高了整个系统的可靠性。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统，其特征在于所述变桨系统包括中央处理模块、变桨执行机构、风速风向仪和转速传感器；变桨执行机构与垂直轴风机中的叶片个数相同；

所述中央处理模块包括微控制器、供电模块和通信模块，安装在风机底座上；所述中央处理模块的供电模块为中央处理模块供电；中央处理模块的通信模块分别与变桨执行机构、风速风向仪和转速传感器连接；所述转速传感器安装于风机主轴旁侧，与中央处理模块通过有线连接；所述变桨执行机构包括光伏供电薄膜、驱动模块和变桨电机；所述驱动模块包括蓄电池、无线通信模块和微控制器；所述光伏供电薄膜安装在叶片表面；所述光伏薄膜与驱动模块中的蓄电池连接，通过光照产生电能给蓄电池充电；所述驱动模块与变桨电机连接；驱动模块的蓄电池作为整个变桨执行机构的电源；所述驱动模块的无线通信模块与中央处理模块的通信模块连接；驱动模块的微控制器用于处理中央处理模块发出的指令和变桨电机的反馈信息并发出控制指令，控制变桨电机执行变桨；所述变桨电机安装在叶片支撑杆与叶片连接的旋转轴处；所述风速风向仪安装在垂直轴风机的顶部空旷位置，其通过内部的无线通信模块与中央处理模块的通信模块连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本变桨系统中的各个部分之间的信息交换使用无线通信模块连接，从而使得变桨系统没有复杂的线路连接部分，解决了垂直轴风机变桨系统内部连接复杂和放置安装不当导致的电缆扭转问题，同时使得中央处理模块可以安装在垂直轴风机底部，降低运维成本，简化变桨系统结构，安装更加简单并提高了整个系统的可靠性。

(2)本变桨系统中的变桨执行机构依靠光伏供电薄膜和蓄电池组进行供电，不需要从底部电源向各个叶片接入电源线，无需滑环、曲柄等增加系统不可靠性的连接结构，增加了系统可靠性，解决了垂直轴风机旋转时线缆扭转问题，节约了电能成本的同时简化了系统结构。

(3)本变桨执行机构变桨电机为带有断电自锁的伺服电机，当系统故障或者切除时，伺服电机自锁叶片将被固定，同时变桨系统停止运行时也会将叶片自锁于制动(顺桨)状态，保障风机安全。

(4)每个叶片对应一个变桨执行机构，提高了叶片的可控性，针对实时风向风速的不同和风机运行状况，可以实时控制每个叶片的桨距角，获得最佳风能捕获，同时在大风情况下可以对部分叶片进行制动(顺桨)，有效规避风险，提高可运行风速范围。

(5)通过四种不同变桨模式的切换，可以更加灵活和准确的调控风机转速和功率在额定值附近，同时在较高风速下，切换变桨模式后本变桨系统可以把部分叶片进行制动(顺桨)，部分叶片正常运行，使得风机在较高风速下也能有保持额定转速能力，扩宽了风机运行风速范围，解决了垂直轴风机应对不同风况下的优化运行问题，提高了垂直轴风机的自启动能力和风能利用率，同时又保障了风机在高风速下的安全问题。

(6)本变桨系统通过对系统控制参数的修改，适用于不同大小的风机，同时可以主动控制风机运行状态，未安装风速风向仪也可以作为垂直轴风机制动装置使用，应用广泛。

综上所述，本发明不仅可以根据不同垂直轴风机类型，控制风机叶片在最佳角度运行，同时通过叶片单独变桨模式，可以扩宽风机运行风速范围，提高了风机的效率，同时解决了以往变桨系统连接和供电问题，节约了资源。

附图说明

图1为本发明光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统一种实施例的变桨系统在垂直轴风机上的安装轴测示意图；

图2为本发明光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统一种实施例的变桨系统在垂直轴风机上的安装俯视示意图；

图3为本发明光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统一种实施例的垂直轴风机叶片桨距角变化示意图；

图4为本发明光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统一种实施例的变桨系统运行流程图；

图5为本发明光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统一种实施例的变桨系统停机流程图；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统(参见图1-2，简称变桨系统)，其特征在于所述变桨系统包括中央处理模块1、变桨执行机构2、风速风向仪3和转速传感器4；所述垂直轴风机主要包括风机底座5、风机发电机6、风机主轴7、风机轮毂8、叶片支撑杆9和叶片10；所述风机发电机6固定于风机底座5上，其输出端与风机主轴7的一端连接；所述叶片支撑杆9的一端通过风机轮毂8安装在风机主轴7上，另一端安装有叶片10；变桨执行机构2与垂直轴风机中的叶片10个数相同；

所述中央处理模块1包括微控制器、供电模块和通信模块，安装在风机底座5上；所述中央处理模块1的供电模块为中央处理模块1供电；中央处理模块1的通信模块为通信主站，分别与变桨执行机构2、风速风向仪3和转速传感器4进行信息交换，并发出指令控制变桨执行机构2执行启动、变桨、减速和停机等动作；所述转速传感器4安装于风机主轴7旁侧，与中央处理模块1通过有线连接，用于测量风机主轴7的实时转速并传递给中央处理模块1；所述变桨执行机构2包括光伏供电薄膜11、驱动模块12和变桨电机13；所述驱动模块12包括蓄电池、无线通信模块和微控制器；所述光伏供电薄膜11安装在叶片10表面；所述光伏供电薄膜11与驱动模块12中的蓄电池连接，通过光照产生电能给蓄电池充电；所述驱动模块12与变桨电机13连接，驱动模块12根据收到的中央处理模块1指令，确认变桨电机13反馈的状态后，控制变桨电机13执行变桨；驱动模块12的蓄电池作为整个变桨执行机构2的电源；所述驱动模块12的无线通信模块与中央处理模块1的通信模块连接通信并接收指令；驱动模块12的微控制器用于处理中央处理模块1发出的指令和变桨电机13的反馈信息并发出控制指令，控制变桨电机13执行变桨；所述变桨电机13为带断电自锁的伺服电机或步进电机，安装在叶片支撑杆9与叶片10连接的旋转轴处，驱动旋转轴的轴承转动；所述风速风向仪3安装在垂直轴风机的顶部空旷位置，其通过内部的无线通信模块与中央处理模块1的通信模块连接传输信息，测量实时风速风向信息通过传输给中央处理模块1。

所述中央处理模块1中的微控制器的型号是PLCs-200。

本发明光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统的工作原理和工作流程是：

工作原理如图3所示，图中来流风速为V，叶片旋转切线速度为U，两个速度的矢量和得到叶片受到的相对风速为W，α为攻角，β为桨距角。垂直轴风机虽然无需对风，但叶片旋转的一周内，叶片与相对风向的夹角α(即攻角)时刻都在发生变化，而叶片翼型和大小固定后，叶片会对应一个最佳的攻角值α，使叶片能够获得最大的切向力，因此，在可操作情况下通过调节叶片弦线与其旋转线速度的夹角β(即桨距角)，使得叶片旋转中保持最佳攻角α，可以让垂直轴风机获得最佳运行效率。同时，由于垂直轴风机前后风向风速的变化，需要对叶片的桨距角β进行实时不同角度的调整。所以，通过对来流风速风向和风机转速的监测，处理后计算出实时的最佳桨距角变化函数Δβ(θ,λ)，根据变桨执行机构对当前叶片和变桨电机状态的反馈，控制变桨执行机构进行变桨，以逼近并维持风机在额定功率下运行。当风速超过可运行风速时，通过控制叶片进行制动(即顺桨β＝90°)，使得叶片产生气动阻力，阻碍风机旋转，降低风机转速，保护风机不受损害。

工作流程如图4，当变桨系统接收到启动命令后，风速风向仪3监测周围风速风向情况，转速传感器4监测风机转速情况，并将实时数据无线传输给中央处理模块1，当风速达到风机启动风速范围，中央处理模块1发出指令给变桨执行机构2，变桨执行机构2反馈实时叶片10的方位及变桨电机13的位置，根据中央处理模块1指令驱动模块12驱动变桨电机13控制叶片10进行变桨，此时风机叶片桨距角控制在较大角度，使风机获得较大启动力矩，此时变桨系统为启动模式；当风机开始旋转，转速加快后，中央处理模块1通过处理接收到的风速风向信息及风机主轴7的实时转速信息，控制根据所控制风机的最佳桨距角变化函数Δβ(θ,λ)(θ为风机方位角，λ为叶尖速比)控制每个叶片10实时跟随风速风向变化，使风机获得最佳功效，此时变桨系统为额定功率模式；当风速超过额定风速或者转速超过额定转速时，中央处理模块1会发出指令，减少变桨动作，将桨距角保持在较小角度运行，保持风机在额定转速附近运行，若风速继续增大，中央处理模块1将根据风速、转速信息发出指令，控制部分的叶片10变桨进入制动状态，其他叶片仍然继续保持运行角度，以降低风机气动力矩，维持风机转速，此时风机仍可继续工作，此时变桨系统为超额定风速模式；当风速上升超过可运行风速时，中央处理模块1在判断无法继续运行后，会发出指令逐一控制叶片10制动，并切断变桨电机13电源，使叶片10自锁保障风机安全，此时变桨系统为制动保护模式。各个不同运行模式根据风机实际状态可以互相切换。

停机时流程如图5，当变桨系统接收到停机指令后，中央处理模块1发出指令给变桨执行机构2，变桨执行机构2内的无线通信模块收到指令后，根据指令控制各个叶片10进入制动状态，即发出指令给驱动模块12驱动变桨电机13使叶片10进行顺桨动作(桨距角β变为90°)，之后驱动模块2关闭变桨电机13使其自锁，然后驱动模块12自行关闭，变桨执行机构2内的无线通信模块检测到驱动模块12和变桨电机13都关闭后，反馈中央处理模块1，中央处理模块1收到反馈后发出指令关闭风速风向仪3和转速传感器4，最后关闭整个变桨系统。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统，其特征在于所述变桨系统包括中央处理模块、变桨执行机构、风速风向仪和转速传感器；变桨执行机构与垂直轴风机中的叶片个数相同；

所述中央处理模块包括微控制器、供电模块和通信模块，安装在风机底座上；所述中央处理模块的供电模块为中央处理模块供电；中央处理模块的通信模块分别与变桨执行机构、风速风向仪和转速传感器连接；所述转速传感器安装于风机主轴旁侧，与中央处理模块通过有线连接；所述变桨执行机构包括光伏供电薄膜、驱动模块和变桨电机；所述驱动模块包括蓄电池、无线通信模块和微控制器；所述光伏供电薄膜安装在叶片表面；所述光伏薄膜与驱动模块中的蓄电池连接，通过光照产生电能给蓄电池充电；所述驱动模块与变桨电机连接；驱动模块的蓄电池作为整个变桨执行机构的电源；所述驱动模块的无线通信模块与中央处理模块的通信模块连接；驱动模块的微控制器用于处理中央处理模块发出的指令和变桨电机的反馈信息并发出控制指令，控制变桨电机执行变桨；所述变桨电机安装在叶片支撑杆与叶片连接的旋转轴处；所述风速风向仪安装在垂直轴风机的顶部空旷位置，其通过内部的无线通信模块与中央处理模块的通信模块连接。

2.根据权利要求1所述的光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统，其特征在于所述变桨电机为带断电自锁的伺服电机或步进电机。

3.根据权利要求1所述的光伏供电的垂直轴风机无线变桨系统，其特征在于所述中央处理模块中的微控制器的型号是PLCs7-200。