一种自适应风向的垂直轴风力机及其控制方法与流程

本发明属于风力发电的领域，尤其涉及一种自适应风向的垂直轴风力机及其控制方法。

背景技术：

作为风能发电的主要构筑物之一，垂直轴风力机面临材料疲劳破坏、无法调节方向和效率不足的问题，严重制约了阻力型垂直轴风力机的发展。

常见的阻力型垂直轴风力机都会面临两个问题，阻力差太小或者无法自适应风向。传统的阻力型垂直轴风力机难以同时解决这两个问题，在增大叶片阻力差的同时，风力机无法自适应风向；而全风向可适应的风力机阻力差太小。升力型的垂直轴风力机则有难以自启动等问题。

因此，本发明公开了一种自适应风向的高阻力差阻力型垂直轴风力机。

技术实现要素：

本发明针对背景技术中提及的不足，提出了一种自适应风向的垂直轴风力机及其控制方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种自适应风向的垂直轴风力机，其中：包括竖直的塔筒结构，塔筒结构上设置水平的转环，转环绕在塔筒结构上并能相对于塔筒结构转动，转环上安装有用于检测转环转动角速度的转速监测器，塔筒结构上设置有若干个垂直轴风力机叶片结构，每个垂直轴风力机叶片结构均包括叶片、连杆以及叶片角度控制装置，叶片为轴风力机叶片，叶片竖直设置，叶片通过连杆与转环连接，转环能带动叶片在水平方向上绕塔筒结构转动，叶片角度控制装置安装在连杆上，叶片通过叶片角度控制装置与连杆连接，叶片角度控制装置能带动叶片绕叶片自身的竖直中轴自转，相邻垂直轴风力机叶片结构的叶片之间具有角度和偏转方向均相同的相对偏角，叶片等弧度布设在塔筒结构四周，塔筒结构顶部安装有风向检测装置，风向检测装置用于检测风向，塔筒结构上安装有信号控制器，信号控制器与转速监测器、风向检测装置以及叶片角度控制装置连接，信号控制器能接收转速监测器检测到的转环转动角速度以及风向检测装置检测到的风向，并根据接收的信息控制叶片角度控制装置带动叶片转动，使其中一个叶片始终垂直于风的来流方向。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的垂直轴风力机叶片结构的数量为四个，相应的，叶片的数量为四个，叶片之间相对偏角为45度。

上述的叶片角度控制装置包括电机、第一齿轮以及第二齿轮，叶片的竖直中轴与第二齿轮的齿轮轴固定连接，电机固定在连杆上，电机的电机轴与第一齿轮的齿轮轴固定连接，第一齿轮和第二齿轮咬合配合，电机的电机轴转动时，能使第一齿轮带动第二齿轮转动，进而使叶片沿其竖直中轴自转。

上述的风向检测装置包括风向标、第三齿轮、第四齿轮以及齿轮转角检测器，第三齿轮和转动地安装在塔筒结构顶部，风向标安装在第三齿轮的上部且风向标的标杆与第三齿轮的齿轮轴固定连接，齿轮转角检测器固定安装在塔筒结构顶部，第四齿轮的齿轮轴与齿轮转角检测器连接，齿轮转角检测器能检测第四齿轮的齿轮轴转角，第三齿轮和第四齿轮咬合配合。

上述的第三齿轮和第四齿轮的尺寸相同。

上述的第一齿轮和第二齿轮的尺寸相同。

上述的信号控制器为单片机，型号为avr单片机。

一种自适应风向的垂直轴风力机的控制方法：信号控制器实时接收转速监测器检测到的转环转动角速度以及风向检测装置检测到的风偏角，首先判断风偏角是否为0，是则信号控制器控制电机输出转动角速度；否则信号控制器控制电机以角速度转动t秒，。

本发明的一种自适应风向的垂直轴风力机，通过实时监测转速和风偏角，利用信号控制器控制电机输出转速，继而控制叶片相对风向的角度，使得有一个叶片始终垂直于风的来流方向，而与该叶片相对的一个叶片则始终平行于风的来流方向，这种结构可使叶片保持在最大阻力差状态，从而最大化利用风能。同时，本发明的垂直轴风力机可以自适应风向旋转，可调节转速、调节方向速率，且构造简单、施工方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是叶片角度控制装置的结构示意图；

图3是风向检测装置的结构示意图。

附图标记为：塔筒结构1、转环11、垂直轴风力机叶片结构2、叶片21、连杆22、叶片角度控制装置3、电机31、第一齿轮32、第二齿轮33、风向检测装置4、风向标41、第三齿轮42、第四齿轮43、齿轮转角检测器44。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的一种自适应风向的垂直轴风力机，其中：包括竖直的塔筒结构1，塔筒结构1上设置水平的转环11，转环11绕在塔筒结构1上并能相对于塔筒结构1转动，转环11上安装有用于检测转环11转动角速度的转速监测器，塔筒结构1上设置有若干个垂直轴风力机叶片结构2，每个垂直轴风力机叶片结构2均包括叶片21、连杆22以及叶片角度控制装置3，叶片21为轴风力机叶片，叶片21竖直设置，叶片21通过连杆22与转环11连接，转环11能带动叶片21在水平方向上绕塔筒结构1转动，叶片角度控制装置3安装在连杆22上，叶片21通过叶片角度控制装置3与连杆22连接，叶片角度控制装置3能带动叶片21绕叶片21自身的竖直中轴自转，相邻垂直轴风力机叶片结构2的叶片21之间具有角度和偏转方向均相同的相对偏角，叶片21等弧度布设在塔筒结构1四周，塔筒结构1顶部安装有风向检测装置4，风向检测装置4用于检测风向，塔筒结构1上安装有信号控制器，信号控制器与转速监测器、风向检测装置4以及叶片角度控制装置3连接，信号控制器能接收转速监测器检测到的转环11转动角速度以及风向检测装置4检测到的风向，并根据接收的信息控制叶片角度控制装置3带动叶片21转动，使其中一个叶片21始终垂直于风的来流方向。

实施例中，垂直轴风力机叶片结构2的数量为四个，相应的，叶片21的数量为四个，叶片21之间相对偏角为45度。

实施例中，叶片角度控制装置3包括电机31、第一齿轮32以及第二齿轮33，叶片21的竖直中轴与第二齿轮33的齿轮轴固定连接，电机31固定在连杆22上，电机31的电机轴与第一齿轮32的齿轮轴固定连接，第一齿轮32和第二齿轮33咬合配合，电机31的电机轴转动时，能使第一齿轮32带动第二齿轮转动，进而使叶片21沿其竖直中轴自转。

实施例中，风向检测装置4包括风向标41、第三齿轮42、第四齿轮43以及齿轮转角检测器44，第三齿轮42和转动地安装在塔筒结构1顶部，风向标41安装在第三齿轮42的上部且风向标41的标杆与第三齿轮42的齿轮轴固定连接，齿轮转角检测器44固定安装在塔筒结构1顶部，第四齿轮43的齿轮轴与齿轮转角检测器44连接，齿轮转角检测器44能检测第四齿轮43的齿轮轴转角，第三齿轮42和第四齿轮43咬合配合。

实施例中，第三齿轮42和第四齿轮43的尺寸相同。

实施例中，第一齿轮32和第二齿轮33的尺寸相同。

实施例中，信号控制器为单片机，型号为avr单片机。

本发明的一种自适应风向的垂直轴风力机，包括矩形的风力机叶片，配备信号控制器的电机，电机用于控制叶片自转角速度，塔筒结构1装有风向检测装置4与转速监测器，塔筒结构1将垂直轴转动角速度和风偏角信息传递给控制叶片转速的信号控制器，从而使风力机可以自适应风向且最大化利用风能。

如图1所示，本发明有四个垂直轴风力机叶片结构2，以图中左上角叶片为第一叶片，左下角叶片为第二叶片，右下角叶片为第三叶片，右上角叶片为第四叶片，在风力机安装时，所述第一叶片与第二叶片相对偏角45度，第二叶片与第三叶片相对偏角45度，第三叶片与第四叶片相对偏角45度，第四叶片与第一叶片相对偏角45度。并假设初始风向垂直于第一叶片,平行于第三叶片。当风力机投入使用时，信号控制器实时接收转速监测器检测到的转环11转动角速度以及风向检测装置4检测到的风偏角，首先判断风偏角是否为0，是则信号控制器控制电机31输出转动角速度；否则信号控制器控制电机31以角速度转动t秒，。转动角速度参数t是可更改设定参数，用来调节第一叶片至第四叶片的偏航调整速率，可根据当天当地气候条件调节参数t大小。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。