外推式半径可调垂直轴风力发电机及控制方法与流程

本发明涉及风力发电及控制系统，特别是涉及垂直轴风力发电机可折叠结构及扫掠面积控制和收纳控制方法。

背景技术：

近年来，风力发电得到了广泛的应用，但是风力发电机由于体积较大，因此不太适合移动实用。但是边远地区应用、例如农牧区、边防哨卡、地质勘探、考古等不仅需要大量的电力供应，而且经常需要移动。所以能够方便移动和便携的风力发电系统受到了很多应用的关注。

中国专利cn103423088a公开了一种车载折叠式风力发电机，可以方便拆装，但是该发明新型由于其可伸缩支撑杆由定位螺钉固定，尽管结构简单，但是需要使用者手动折叠，费时费力，并且仅能够升降风力发电机，无法折叠桨叶，因此非常不便于携带。

中国专利cn204559466u公开了一种野外便携式发电装置，该风力发电机的支架与风机叶片采用自锁合页连接，可以在工作时与放置时保持叶片的稳定状态，但是该实用新型不能自动控制风力发电机叶片的折叠与展开，需要使用者手动展开，由于风机塔杆比较高，因此难以手动操作。而且如果风机在旋转时也无法操作。

中国专利cn110242506a公开了一种折叠式垂直轴风力发电机，该风力发电机利用电机使控制叶片支撑臂的滑套轴向运动，从而实现风机叶片的折叠，但是该发明需要轴向滑动同时周向转动，对立柱的光洁度要求高，此外“滑套”和立柱之间的间隙会引起振动。由于“支撑臂”和“拉杆”在“第二连杆”上的作用力臂较小，需要较大的推动力；如果要增加力臂则需要驱动器有较长的滑动范围，增加了该发明机构的成本。此外该发明的机构太复杂，暴露在风沙较大的环境中无法长期运行，可靠性和寿命都会受到影响。

中国专利cn104481810b公开了一种自伸展式垂直轴风力发电机，其风力发电机及所有机构均在电机上方旋转，因此结构复杂，转动惯量大，微风起动困难，对微风条件下发电不利；该发明的调节靠纯机械结构完成，无法完成所需控制要求，例如，如果空载时无法控制停机，仅靠飞锤控制，转速和功率不可按照特定需求灵活调节；此外该装置无法实现便携式可折叠需求。

中国专利cn109630350a公开了一种可折叠式φ形垂直轴风力发电机，折叠后横向尺寸变得更宽，占用更多的横向空间，因此不适合便携。

综上所述，现有技术所有涉及到可折叠式的垂直轴风力发电机无法同时满足可折叠的便携要求以及可自动连续调节扫掠面积的发电控制要求，而且活动部件较多，可靠性、安全性、经济性等方面都不能达到要求，特别是现有技术用于控制的转动、滑动轮毂和调节支杆不直接连接到叶片，并不能提高叶片的支撑强度。此外，现有垂直轴风机很难安装机械刹车系统，因此在超出安全风速，或者在风机故障时，很难实现快速停车，利用电磁制动会产生大量的热量消耗在发电机和控制器中，会对风机和控制器的寿命造成影响。目前技术最大问题是尽管能够改变叶片的半径，但是多数无法同时改变叶片高度。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种外推式半径可调垂直轴风力发电机及控制方法，与现有技术相比，叶片能展开到最大半径进行微风起动，也可以通过自动控制，调节叶片的扫掠半径和面积，以及叶片高度，从而调节风机转速和吸收风能的功率，适应从微风到额定风速的所有风速范围的最大功率控制。当超过安全风速或者正常停机时，可以通过收起叶片和降低叶片高度，不再吸收风能；在遇到风机故障时，通过折叠状态，结合电磁刹车可以快速实现制动。当需要搬运时，通过折叠状态，使叶片降到最低状态，叶片组件折叠到立柱周围，以实现便携功能。更重要的是本发明的所有叶片支杆均能够承受叶片的受力，有效提供了折叠装置的强度、可靠性、安全性，以及使用寿命。

本发明采取的技术方案为：

为了达到上述目的，本发明的外推式半径可调垂直轴风力发电机，包括立柱组件，叶片组件，发电机组件；所述立柱组件顶端的安装法兰与发电机组件下端的定子法兰相连；所述叶片组件的上支杆、平行支杆、下支杆分别与发电机组件的上支杆盘、平行支杆盘，以及立柱组件上安装的下支杆盘相连；随着伸缩机构伸出，带动下转盘和叶片组件伸出展开，直到伸缩机构伸出到最大值，使下支杆与立柱之间的夹角θ小于设定值90°；随着伸缩机构缩回，带动下转盘和叶片组件收起；当伸缩机构缩回到下限位点时，叶片组件收缩折叠到立柱四周。

所述立柱组件包括立柱，伸缩机构，下转盘，安装法兰；所述伸缩机构内的伸缩杆与下转盘的滑动套相连，并能将下转盘顶起和收回；所述安装法兰在立柱顶端，下转盘套在立柱上可以在伸缩杆的驱动下上下滑动，伸缩机构固定在立柱侧面。

所述叶片组件包括叶片，上支座，平行支座，下支座，上支杆，平行支杆，下支杆；所述叶片组件安装在柱组件和发电机组件上，使叶片与立柱保持平行，与上支杆和平行支杆一起成为平行四连杆结构；所述上支座，平行支座，下支座安装在叶片上分别与上支杆，平行支杆，下支杆相连，并能自由转动。

所述发电机组件包括定子法兰，定子轴，发电机轴承，外转子，平行支杆盘，上支杆盘；所述发电机采用外转子结构，定子轴下端是定子法兰，上支杆盘安装在外转子的顶端，平行支杆盘安装在外转子的下端，外转子通过发电机轴承与定子轴配合安装；所述平行支杆盘与上支杆盘安装的角度方向一致。

所述下转盘包括固定套，盘轴承，转套，下支杆盘；所述固定套固定在立柱外，并且可以调整上下高度，转套通过盘轴承安装在固定套外部自由转动，下支杆盘安装在转套上并能跟随其自由转动。

所述上平行支杆盘和下支杆盘中间均有圆孔，在外缘均匀对称分布用于安装风机支杆的支杆座，所述上支杆盘在外缘由相同均匀对称分布用于安装风机支杆的支杆座。

所述伸缩机构驱动下转盘可以实现沿立柱的上下滑动，同时下转盘上安装的下支杆盘1034及所连接的下支杆能够围绕立柱旋转，并为叶片提供抵消重力影响的支撑力。

所述下支杆直接连接叶片，并与上支杆和平行支杆一起，始终保持等腰梯形四连杆机构形态，并且使叶片与立柱始终保持平行。

所述叶片组件中的叶片在展开时升起，增加高度，在收缩折叠时落下，降低高度；以便能够在微风时获得更大的风能吸收作用。

所述的可折叠垂直轴风力发电机的控制方法，其特征在于，系统状态控制策略的实现步骤如下：

步骤a-1：控制伸缩机构的伸缩杆伸出带动下转盘上升，使叶片组件高度升高并展开增大旋转半径，使下支杆与立柱之间的夹角θ不大于90°，同时叶片处于与立柱平行状态，如果有风，系统开始起动；

步骤a-2：如果风速大于设定值，或者需要风机输出功率降低，或者需要降低风机转速时，控制伸缩机构的伸缩杆缩回并向下将下转盘收回，所有叶片在重力作用下向下收起，下支杆与立柱之间的夹角θ逐渐减小，进一步将叶片距离立柱的半径减小，同时使叶片的高度下降；

步骤a-3：如果需要微风发电，或者需要风机输出功率提高，或者需要升高风机转速时，控制伸缩机构的伸缩杆伸出带动下转盘上升，所有叶片受下支杆的支撑作用和离心力作用向上、向外扩展，使叶片组件展开，在控制过程中需要保持下支杆与立柱之间的夹角到达不大于85°的设定值，从而增加叶片距离立柱的半径，提高叶片的高度；

步骤a-4：如果风机发生故障，或者需要风机停机时，控制伸缩机构的伸缩杆缩回并向下将下转盘收回，所有叶片在重力作用下向下收起，下支杆与立柱之间的夹角θ逐渐减小，进一步将叶片距离立柱的半径减小，同时使叶片的高度下降，直到叶片完全折叠到立柱四周并伸出收起，使叶片不再吸收风能，再控制发电机电磁制动，使风机能够快速刹车。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，叶片可以完全展开，也可以完全收起贴合在立柱周围，体积达到最小，便于移动；展开和折叠收起可以通过自动控制系统连续完成。

本发明的一个效果在于，叶片可以在展开时提升高度，在收起时降低高度，有利于提高系统的风能吸收效率，并能够提高适应的风速范围。

本发明的一个效果在于，风力发电机仅需滚动轴承固定，结构简单，节约系统成本。

本发明的一个效果在于，如果风机发生故障，或者需要风机停机时，将风机折叠，停止吸收能量，再利用发电机电磁制动，可以快速将风机制动停车，这种停车方式发电机和控制器均发热很小，有利于延长使用寿命。

本发明的一个效果在于，本发明没有专门半径调节支杆，所有叶片支杆均能够承受叶片的受力，有效提供了折叠装置的强度、可靠性、安全性，以及使用寿命。

附图说明

图1是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机展开状态示意图；

图2是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机折叠状态示意图；

图3是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的立柱组件示意图；

图4是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片组件示意图；

图5是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的发电机组件示意图；

图6是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节过程及折叠过程示意图一；

图7是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节过程及折叠过程示意图二；

图8是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节过程及折叠过程示意图三；

图9是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的下转盘及剖视图；

图10是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的上支杆盘零件图；

图11是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的平行支杆盘和下支杆盘零件图；

图12是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节与支杆角度关系图。

附图中，各标号所代表的部件：

1、立柱组件，2、叶片组件，3、发电机组件，101、立柱，102、伸缩机构，103、下转盘，104、安装法兰，201、叶片，202、上支座，203、平行支座，204、下支座，205、上支杆，206、平行支杆，207、下支杆，301、定子法兰，302、定子轴，303、发电机轴承，304、外转子，305、平行支杆盘，306、上支杆盘，1021、伸缩杆，1031、滑动套，1032、盘轴承，1033、转套，1034、下支杆盘，1035、伸缩杆座，3051、支杆座，3061、上支杆座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

图1是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机展开状态示意图，外推式半径可调垂直轴风力发电机包括立柱组件1、叶片组件2、发电机组件3。

图3是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的立柱组件示意图，其中立柱组件1包括立柱101，伸缩机构102，下转盘103，安装法兰104。

本实施例采用电动推杆实现伸缩机构102的控制功能。

在一个实施例中，伸缩机构102可以由液压缸、气动缸、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠等机械装置来实现。

安装法兰104在立柱101顶端用于安装发电机组件3。伸缩机构102的伸缩杆1021与下转盘103上的伸缩杆座1035相连，并能将下转盘103升起和收回。下转盘103套在立柱101上，可以沿着立柱101上下滑动，为叶片组件2提供旋转支点。

图4是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片组件示意图，其中叶片组件2包括叶片201，上支座202，平行支座203，下支座204，上支杆205，平行支杆206，下支杆207。

本实施例中，叶片201由复合材料的桁架结构制成，在中间加入大梁和翼肋进行加强，并在大梁适当位置安装上上支座202，平行支座203，下支座204。

在一个实施例中，叶片201可以铝合金型材、铝合金的钣金件铆接方法制成。

图12是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节与支杆角度关系图，叶片组件2安装在柱组件1和发电机组件3上，使叶片201与立柱101保持平行，与上支杆205和平行支杆206一起成为平行四连杆结构。下支杆207可以与上支杆205和平行支杆206构成等腰梯形四连杆机构。由于等腰梯形四连杆机构是稳定结构，因此可以控制四边形的两个腰和底边的角度θ，来调节四边形的高，从而调节叶片201的旋转半径和扫掠面积，以及叶片201的高度，从而来调节风机吸收风能的效率。

所述外推式半径可调垂直轴风力发电机展开状态下，如图1所示，风机的叶片201与立柱101平行，且距离立柱101的半径达到最大，同时叶片升到最高，使得风机能够产生最大转矩驱动发电机发电。因此该状态下适合风力发电机的起动以及微风条件下的风能收集和发电控制。此时，下支杆207与立柱101之间的夹角θ不大于90°，进一步，为了使下支杆207给叶片组件2提供向上的力以便平衡叶片组件2的重力，优选地可以将该夹角θ设定为75°～85°左右，见图12。

但是该状态下，由于叶片201扫掠半径较大，因此不适合便携和移动，特别是在野外不同地点安装时，运输非常不便，不仅容易损坏风机，而且占用较大的运输空间。

图2是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机折叠状态示意图，为了便于运输，做成可移动式风力发电系统，可以自动将叶片组件2收起折叠在立柱101的周围，减小体积，而且便于在运输和移动过程中对叶片201的保护。如图2所示的折叠状态，其特点是伸缩机构102的伸缩杆1021完全收回。主要用于风力发电机叶片201收纳转移运输期间，可以是整个系统的高度和横向尺寸都达到最低状态；其次用于停机状态。

在外推式半径可调垂直轴风力发电机折叠时，伸缩机构102的伸缩杆1021带动下转盘103沿立柱101向下滑动，并带动下支杆207将叶片201拉至立柱101周围，这个过程从图8至图7，最终到达图6的折叠状态。整个折叠过程，由于上支杆205和平行支杆206与立柱组件1和叶片201形成平行四边形的四连杆结构，因此叶片201与立柱组件1始终保持平行。

当叶片组件2折叠到位后，可以将立柱组件1放到水平状态，更加便于移动和运输。

此外，当风机处于发电状态时，见图8，如果风机发生故障，或者需要风机停机，伸缩机构102的伸缩杆1021带动下转盘103沿立柱101向下滑动，并带动下支杆207将叶片201拉至立柱101周围，并到达图6的折叠状态。叶片组件2收起完全折叠到立柱101四周，使叶片201不再吸收风能，再控制发电机电磁制动，使风机能够快速刹车。这种停车方式，由于风机不再吸收风能，而且折叠后的风机因半径减小，其转动惯量变小很多，因此发电机进行电磁制动时，仅需输出较小的转矩，即可将风机制动停车，所以发电机和控制器消耗的能量较小，发热很小，有利于延长使用寿命。

图5是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的发电机组件示意图，本实施例中，发电机采用外转子。其中，发电机组件3包括定子法兰301，定子轴302，发电机轴承303，外转子304，平行支杆盘305，上支杆盘306。

其中发电机采用外转子结构，定子轴302下端是定子法兰301，上支杆盘306安装在外转子304的顶端，平行支杆盘305安装在外转子304的下端，外转子304通过发电机轴承303与定子轴302配合安装。所述平行支杆盘305与上支杆盘306的外形尺寸一样，而且其上支杆座3061和支杆座3051的安装的角度方向一致，在一条垂线上。

在一个实施例中，发电机采用内转子结构，将定子外壳安装在升降立柱105顶端的安装法兰104上，转子输出轴垂直向上。然后在转子输出轴上制作一个与外转子304相同的转接盘即可。上支杆盘306安装在转接盘上面，平行支杆盘305安装在接盘下面，并与上支杆盘306完全平行一致。

图9是外推式半径可调垂直轴风力发电机的下转盘103及剖视图，其中，下转盘103包括滑动套1031，盘轴承1032，转套1033，下支杆盘1034。

本实施例中，平行支杆盘305与下支杆盘1034的结构完全相同。

在一个实施例中，上支杆盘306与下支杆盘1034的外形尺寸完全相同。

本实施例中，滑动套1031直接套在立柱101上，并且可以沿立柱101上下滑动。滑动套1031外侧安装有盘轴承1032，盘轴承1032上安装转套1033。转套1033能够绕滑动套1031和立柱101自由旋转。在转套1033上面安装下支杆盘1034。

图10是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的上支杆盘零件图，图11是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的平行支杆盘和下支杆盘零件图。本实施例中，为了使系统零件可以互换通用，设计的上支杆盘306零件图与平行支杆盘305和下支杆盘1034零件图的外形尺寸完全一样，保证上支杆盘306、平行支杆盘305、下支杆盘1034与叶片组件2连接的点(即上支杆座3061和支杆座3051)的连线与水平面垂直。上支杆盘306、平行支杆盘305、下支杆盘1034上均设置有对称均匀分布的支杆座(即上支杆座3061和支杆座3051)，分别用于连接上支杆206、平行支杆206和下支杆207。

图6是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节过程及折叠过程示意图一，图7是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节过程及折叠过程示意图二，图8是本发明中外推式半径可调垂直轴风力发电机的叶片半径调节过程及折叠过程示意图三。

在一个实施例中，风力发电机起动之前处于图6的折叠状态。这时下转盘103因伸缩机构102收缩到最低点，使得上支杆206、平行支杆206和下支杆207完全张开，叶片201紧贴在立柱101的四周。因此叶片201无法吸收风能，所以不会旋转，也就无法发电。

在一个实施例中，伸缩机构102向上伸出，使得上支杆206、平行支杆206和下支杆207形成等边梯形结构，见图7、图8这时，叶片201的旋转半径rf等于

rf＝lsinθ+r

其中为l下支杆207的长度，θ为下支杆207与立柱101之间的夹角，见图12，r为下支杆盘1034的半径。

通过调节伸缩机构102伸缩的距离，就可以调节θ角，从而调节叶片201的旋转半径rf。通过调节叶片201的旋转半径和高度，即可以调节风机吸收风能的功率大小，以便在较为宽的风速范围内获得最大的发电功率。

在一个实施例中，正常工作时，下支杆207与立柱101之间的夹角θ变化范围是[0°～90°)。在此范围内，下支杆207对叶片201提供向上的支撑力。

在一个实施例中，行风力发电机的折叠和展开的控制方法分为5个部分，实现步骤如下：

步骤1：将外推式半径可调垂直轴风力发电机直立于选定场所，确认发电机组件3以及伸缩机构102可以正常运转，并且确认在风力发电机展开后叶片201不会碰触到周围环境中的物体，避免叶片201受损。

步骤2：控制伸缩机构102的伸缩杆1021伸出，使叶片组件2展开，使下支杆207与立柱101之间的夹角不大于85°，同时叶片201处于与立柱101平行状态，如果有风，系统开始起动。

步骤3：如果风速大于设定值，或者需要风机输出功率降低，或者需要降低风机转速时，控制伸缩机构102的伸缩杆1021缩回，通过下支杆275和叶片201的重量向下收起，下支杆207与立柱101之间的夹角θ逐渐减小，进一步将叶片201距离立柱101的半径减小，并使叶片201高度下降。

步骤4：如果需要微风发电，或者需要风机输出功率提高，或者需要升高风机转速时，控制伸缩机构102的伸缩杆1021伸出，所有叶片201通过下支杆207的支撑作用向上运动，使叶片组件2展开，在控制过程中需要保持下支杆207与立柱101之间的夹角到达不大于85°的设定值，从而增加叶片201距离立柱101的半径，和高度。

步骤5：如果风机发生故障，或者需要风机停机时，控制伸缩机构102的伸缩杆1021缩回，，通过下支杆275和叶片201的重量向下收起，下支杆207与立柱101之间的夹角θ逐渐减小，直到叶片201完全折叠到立柱101四周并收起，使叶片201不再吸收风能，再控制发电机电磁制动，使风机能够快速刹车。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。