CN102352818A - 智能变径自启动垂直轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置，采用垂直轴风力机中的直线翼型结构；通过伺服电机和齿轮齿条的组合结构实现了风轮回转半径大小的控制与调整，风速低于切入速度时风力发电装置自启动运行与自动切换功能；以及实现了风轮回转半径大小的智能控制以及风力发电装置的自启动与安全运行监控任务。本发明从改变垂直轴风力机风轮回转半径的角度，不仅提出了一种在风速不断变化的情况下，提高垂直轴风轮效率以及风力发电机输出功率的有效方法，而且给出了一种当风速低于切入速度时风力发电装置自行启动，当风速超过额定风速时风力发电装置能自我保护的有效途径，特别适合于在船舶、海洋工程平台、岛屿等风速大、风速和风向变化快的风力发电应用场合，具有结构紧凑、安装方便、风轮回转半径控制精度高和***稳定性强的优点。

Description

智能变径自启动垂直轴风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，具体为一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置。

背景技术

风能是一种干净、储量极为丰富的可再生能源，本质上是太阳能的一种转化形式。风力机的类型按照风力机风轮转轴与风向的位置，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机可接收任意方向的来风，无需对风装置，风轮和能量转换的其它部件，如齿轮、发电机等，可方便的安装在地面上，因而不需要建立昂贵的塔架，而且便于维护、保养，从而降低了制造和运行费用。因此，垂直轴风力机逐渐成为小型风力发电机的首选，研究垂直轴风力机具有广泛的实际意义和良好的应用前景。

由于风能具有随机性和不确定性，导致风能的利用率不高，风力机的风轮转速随风速变化快，导致输出电压变化大、波动快，给风力机的安全稳定运行以及后续的电能处理带来一定困难。同时，从风力发电最大功率跟踪（MPPT——Maximum Power Point Tracking）的角度出发，由于对于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的机械角速度下，风力机才会获得最大的能量转换效率，因此，针对不同的风速，需要调节风力机转速，使风轮叶片的叶尖线速度与风速之比保持不变，从而达到MPPT控制的目的。对于一般风力机，可以利用发电机转矩控制和偏航***来改变风力机的转速，而对于垂直轴风力机，由于没有偏航***，只能通过调节发电机转矩来控制转速。目前针对发电机转矩调节的研究大多只是立足于对发电机输出电能的后续处理，通过调节DC/DC变换器触发脉冲的占空比来控制发电机的输出电功率，进而控制转矩，实现变速运行，达到风力发电机最大功率点跟踪的目的。即：增加触发脉冲的占空比，则传输到负载上的电功率将增加，发电机输入的机械功率小于输出的电功率，转速将要减小；同理，减小触发脉冲的占空比，则传输到负载上的电功率也将减小，发电机输入的机械功率大于输出的电功率，转速将要升高。

DC/DC变换器触发脉冲占空比的调节变化需要通过控制算法与风力机的输出功率变化相对应，当风速变化较快的时候，风力机风轮转速相应变化加大，导致风力机的输出功率变化快，给占空比的精确分析计算和及时输出控制带来困难。为了确保风力发电装置的安全稳定运行，也为了能更有效地实现MPPT控制，都需要更多更有效的针对发电机转矩的控制方法，使风力机的风轮转速能够根据不断变化的风速尽量稳定在一定的转速区间，尽量保持一定的正比例关系，不致产生突变，从而既避免了风力机各种机械传动零部件的过快磨损，尤其是在风速过大时及时保证设备安全，又能充分发挥MPPT控制算法的最大功效，避免因为风轮转速变化过快导致最大功率点跟踪不及时或控制出错的故障发生。

直线翼型结构的垂直轴风力机的叶片采用飞机的机翼型断面形状，是利用空气升力产生的旋转力矩来工作的，虽然发电效率比利用空气阻力产生旋转力矩的阻力型垂直轴风力机高，但却存在启动困难的不足。为了提高升力型垂直轴风力机的启动性能，目前大多采用升阻复合型叶片结构，通过调节叶片相对于旋转切线的角度，实现升力型与阻力型的转换，导致风轮机构过于复杂，不利于风力机的长期稳定运行。通过外加辅助启动力矩的方法则能够在不改变升力型垂直轴风力机风轮结构的基础上实现风力机的自启动运行，是一种安全有效的方法。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置，能够根据风速大小，实现风轮回转半径的改变以及风力机的自启动运行的装置。

技术方案：为了实现上述目的，本发明所述的一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置，该风力发电装置包括：风轮叶片、风轮主轴、上变径幅杆、底座、下变径幅杆、变径连接座、变径齿条轴、风轮主轴竖槽、滑动轴承、螺栓、防护罩、齿轮轴、第一直齿轮、垂直轴锥齿轮、水平轴锥齿轮、主传动轴、联轴器、伺服电机、电机连接座、自启动机构电磁离合器、变径机构电磁离合器、齿轮箱体、第二直齿轮、第三直齿轮、发电机、从动带轮、发电机传动轴、同步带、主动带轮、中间轴；

上述部件的连接关系如下：

风轮主轴上设有风轮主轴竖槽；风轮叶片上部与上变径幅杆的一端连接；上变径幅杆的另一端与风轮主轴的顶端连接；风轮叶片下部与下变径幅杆的一端连接，下变径幅杆的另一端与变径连接座连接；变径连接座安装于变径齿条轴上，变径齿条轴安装于风轮主轴竖槽内；滑动轴承安装于变径齿条轴和风轮主轴竖槽之间；

风轮主轴、中间轴和防护罩通过螺栓连接在一起；第三直齿轮和主动带轮套接在中间轴外部；第三直齿轮与第一直齿轮啮合；第一直齿轮和垂直轴锥齿轮同轴，共同位于齿轮轴上；垂直轴锥齿轮与水平轴锥齿轮啮合；水平轴锥齿轮和第二直齿轮套在主传动轴上；第二直齿轮与变径机构电磁离合器连接，并与变径齿条轴啮合。

伺服电机通过联轴器与主传动轴连接；主传动轴的末端位于齿轮箱体上；自启动机构电磁离合器与水平轴锥齿轮连接；

主动带轮与同步带一侧啮合；同步带另一侧与从动带轮啮合；从动带轮下端固定发电机传动轴，发电机传动轴与发电机连接。

本发明中所述风轮叶片、下变径幅杆和变径连接座的连接方式优选为：风轮叶片的下部通过螺栓与变径铰链座固定连接，变径铰链座再通过铰链与下变径幅杆的一端相连接，下变径幅杆的另一端通过铰链与变径连接座相连接。

本发明中所述风轮叶片、上变径幅杆和风轮主轴的连接方式优选为：风轮叶片的上部通过螺栓、变径铰链座与上变径幅杆的一端进行连接，上变径幅杆的另一端则通过固定铰链座与风轮主轴顶端相连接。

本发明所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置，还包括：控制器；该控制器包括：微处理器、伺服电机驱动器、风力机转轴制动器、电压电流传感器、温度传感器、风速传感器、风力发电机转速传感器、无线通信网络收发节点控制器和LED指示灯；所述微处理器与自启动机构电磁离合器、变径机构电磁离合器、伺服电机驱动器、风力机转轴制动器、电压电流传感器、温度传感器、风速传感器、风力发电机转速传感器、无线通信网络收发节点控制器和LED指示灯连接；电压电流传感器与发电机连接采集发电机输出电压电流；所述伺服电机驱动器与伺服电机连接用于控制伺服电机的启动与关闭；

微处理器通过电压电流传感器完成对发电机输出电压电流的数据采集；温度传感器和风速传感器完成外部环境温度、风速的数据采集；风力发电机转速传感器完成风力机转速的采集；微处理器将所采集的数据暂时存放在数据缓冲区当中，然后对数据进行处理，并将处理结果下达给伺服电机驱动器、自启动机构电磁离合器和变径机构电磁离合器，从而通过伺服电机的运转来驱动完成风轮回转半径的改变以及风力发电装置的自启动运行；同时微处理器还要完成对发电机工作状态的监控，若无异常则通过LED指示灯显示正常工作；若发现有异常存在，则及时对异常做出处理；否则微处理器下达停车命令，通过风力机转轴制动器强制停止风力发电的运行；微处理器还与无线通信网络收发节点控制器相连接，用以实现各种监控数据的无线远程传送。

本发明中所述微处理器为核心控制元件，该控制元件采用三星公司ARM920T内核的高性能的位处理器S3C2440，其主频高达400MHz，采用5级流水线和哈佛结构，具有通用IO、ADC、SPI、PWM多种类型的数据接口；所述风速传感器设有可对所采集的正弦波信号进行调理的四电压比较器；所述风力发电机转速传感器与所述微处理器之间使用运放集成电路对该电压信号进行放大，采用四电压比较器LM339AN对所采集的正弦波信号进行调理。

本发明中，将所述智能变径自启动垂直轴风力发电装置分成风轮机、变径机构、自启动机构、发电机及其传动机构和控制器五个部分，与传统的风轮转动回转半径不变的垂直轴风力发电装置相比，本发明增加了变径机构、自启动机构和相应的控制器，具体的装置结构组成与技术方案如下。

1、风轮机

风轮机包括：风轮叶片、风轮主轴、上变径幅杆、下变径幅杆、变径铰链座、变径连接座、变径齿条轴、风轮主轴竖槽以及用于各部件连接的固定铰链座、螺栓、螺母、铰链。风轮机采用垂直轴的直线翼型（H型）结构，由2～6枚对称翼型叶片连接而成。直线翼型垂直轴风力机叶片结构简单，加工容易，整机体积小，加工成本低，而且整个叶片都可产生转矩，风轮利用效率较高。本发明中为了实现风轮回转半径的连续可调，在风轮机上优选采用了双铰链装置，即：连接叶片与风力机主轴之间的上连接杆与下连接杆的首尾两端均采用铰链装置，使上、下连接杆可相对于叶片转动。叶片在风力作用下绕风力机主轴旋转，随叶片一并旋转的还有每个叶片对应连接的上、下连接杆。

2、变径机构

变径机构由伺服定位***和包括齿轮齿条机构在内的传动***组成。变径机构包括：底座、滑动轴承、主传动轴、联轴器、伺服电机、电机连接座、变径机构电磁离合器、齿轮箱体、第二直齿轮和变径齿条轴。变径机构位于底座内，当需要改变风轮转动回转半径时，首先由变径机构电磁离合器通过吸合作用，将第二直齿轮与主传动轴连接，然后驱动伺服电机转动相应的角度，通过变径机构电磁离合器将第二直齿轮的转动量传至变径齿条轴，实现转动量到直线位移量的转换。变径齿条轴上齿条的直线运动再推动相应的变径连接座上下直线运动，从而通过与之相连的铰链装置带动风轮叶片的上、下连接杆相对于叶片摆动，实现风轮转动回转半径的改变。由于风轮回转半径的改变只是辅助完成风力发电的最大功率点跟踪控制，因此，实现变径功能的伺服执行元件可以采用开环方式进行控制，既减少了控制***硬件和软件的复杂程度，又有效提高了控制的实时性。在不需要变径操作的时候，就将变径机构电磁离合器断开，从而切除齿轮齿条机构与伺服电机之间的动力传递路线。

3、自启动机构

自启动机构包括螺栓16、防护罩17、齿轮轴18、第一直齿轮19、垂直轴锥齿轮20、水平轴锥齿轮21、主传动轴22、联轴器23、伺服电机24、电机连接座25、自启动机构电磁离合器26、齿轮箱体28和第三直齿轮30，自启动机构实现风速低于切入速度时的风力机自启动运行与自动切换功能。为了解决垂直轴风力发电机启动困难的问题，在风力机启动时，先通过变径机构将风轮回转半径调至最大，再将自启动机构电磁离合器接通吸合，从而把伺服电机的转动输出经水平轴锥齿轮通过垂直轴锥齿轮和第一直齿轮传递到风轮主轴，带动风轮叶片旋转，实现风力机的自启动，待转速达到一定数值后，将自启动机构电磁离合器断开，切除风轮主轴与伺服电机之间的动力传递路线，风轮便能自由地在风力作用下旋转，不再需要伺服电机的辅助启动力矩。

从上述变径机构和自启动机构的技术方案可知，伺服电机在风力发电装置中起到双重驱动作用，一是作为伺服定位执行元件，驱动变径机构运行，实现风轮回转半径的改变；二是作为转动执行元件，驱动自启动机构运行，实现风力机的启动运行。这两种功能的切入是通过分别对变径机构电磁离合器和自启动机构电磁离合器的通断电控制来完成的。

4、发电机及其传动机构

发电机传动机构包括：从动带轮、发电机传动轴、同步带、主动带轮和中间轴。发电机优选采用永磁同步发电机，永磁同步发电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电机无刷化，并且在运行时不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以改善电网的功率因数。发电机传动机构优选采用直接驱动的方式，减少风轮与发电机之间的动力传递线路，从而提高风力发电机组的效率和可靠性，降低设备的维护量，减少噪声污染。

5、控制器

控制器实现风轮回转半径大小的智能控制以及风力发电装置的自启动与安全运行监控任务。控制器硬件方面除了核心的嵌入式***最小***以外，还外部扩展了检测传感、输出控制和远程通信等部分。其中，检测传感部分需要检测外部环境温度、风速、风轮转速、发电机工作状态（包括温度、输出电压、电流等）；输出控制部分涉及伺服电机控制、风力发电装置运行状态指示、制动控制等；远程通信部分是利用无线或有线通信网络实现控制器与风力发电远程监控中心之间的数据双向传输。控制器软件方面采用实时操作***，以多任务的方式实现各种控制任务的程序设计，同时也便于实现控制程序的扩展和移植，以及控制算法的更新，从而达到不断增加控制功能和提高控制效果的目的。

除风轮机外，本发明的其它机构和装置均可安装在地面上，不仅结构合理、稳定性好，而且对风轮机的运行没有任何不利影响。

有益效果：本发明具有如下优点：

1、本发明所述智能变径自启动垂直轴风力发电装置从改变垂直轴风力机风轮回转半径的角度，提出了一种在风速不断变化的情况下，提高了垂直轴风力机的风轮效率以及风力发电机的输出功率。

2、本发明所述智能变径自启动垂直轴风力发电装置能够在风速低于切入速度时风力机时自行启动，风速超过额定风速时风力机实行自我保护，特别适合于在船舶、海洋工程平台、岛屿等风速大、风速和风向变化快的风力发电应用场合，具有结构紧凑、安装方便、风轮回转半径控制精度高和***稳定性强。

3、本发明所述智能变径自启动垂直轴风力发电装置中控制器采用基于ARM架构的32位微处理器为核心控制元件，具有较强的数据处理能力和较多的接口类型，可扩展性强，有利于充分利用各种嵌入式***控制技术和资源，进一步提高垂直轴风力发电装置的自动化程度，便于实现远程自动控制。

 附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是本发明中风力发电装置底座内机械结构示意图。

图4为本发明的风力发电装置中控制器的硬件组成结构图。

图5为本发明的风力发电装置中控制器中软件模块组成结构图。

具体实施方式

实施例

如图1-3所示的一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置，包括：风轮叶片1、风轮主轴2、上变径幅杆3、底座4、固定铰链座5、螺栓6、铰链7、下变径幅杆8、变径铰链座9、变径连接座10、螺母11、变径齿条轴12、风轮主轴竖槽13、铰链14、滑动轴承15、螺栓16、防护罩17、齿轮轴18、第一直齿轮19、垂直轴锥齿轮20、水平轴锥齿轮21、主传动轴22、联轴器23、伺服电机24、电机连接座25、自启动机构电磁离合器26、变径机构电磁离合器27、齿轮箱体28、第二直齿轮29、第三直齿轮30、发电机31、从动带轮32、发电机传动轴33、同步带34、主动带轮35、中间轴36。

本实施例上述部件的连接关系如下：

风轮主轴2上设有风轮主轴竖槽13；风轮叶片1的上部通过螺栓6与变径铰链座9固定连接，变径铰链座9再通过铰链7与上变径幅杆3的一端相连接，上变径幅杆3的另一端则通过铰链7与固定在风轮主轴2顶端的固定铰链座5相连接；风轮叶片1的下部通过螺栓6与变径铰链座9固定连接，变径铰链座9再通过铰链7与下变径幅杆8的一端相连接，下变径幅杆8的另一端通过铰链14与变径连接座10相连接；变径连接座10安装于变径齿条轴12上，变径齿条轴12安装于风轮主轴竖槽13内；滑动轴承15安装于变径齿条轴12和风轮主轴竖槽13之间；风轮主轴2、中间轴36和防护罩17通过螺栓16连接在一起；第三直齿轮30和主动带轮35套接在中间轴36外部；第三直齿轮30与第一直齿轮19啮合；第一直齿轮19和垂直轴锥齿轮20同轴，共同位于齿轮轴18上；垂直轴锥齿轮20与水平轴锥齿轮21啮合；水平轴锥齿轮21和第二直齿轮29套在主传动轴22上；第二直齿轮29与变径机构电磁离合器27连接，并与变径齿条轴12啮合；伺服电机24通过联轴器23与主传动轴22连接；主传动轴22的末端位于齿轮箱体28上；自启动机构电磁离合器26与水平轴锥齿轮21连接；主动带轮35与同步带34一侧啮合；同步带34另一侧与从动带轮32啮合；从动带轮32下端固定发电机传动轴33，发电机传动轴33与发电机31连接。

本实施例中将整个智能变径自启动垂直轴风力发电装置将机械结构分为：风轮机、变径机构、自启动机构和发电机及其传动机构；风轮机构、变径机构、自启动机构、发电机及其传动机构各部分组成及工作原理如下：

风轮机：包括风轮叶片1、风轮主轴2、上变径幅杆3、固定铰链座5、螺栓6、铰链7、下变径幅杆8、变径铰链座9、变径连接座10、螺母11、变径齿条轴12、风轮主轴竖槽13、铰链14。风轮叶片1由2～6枚NACA系列的升阻比较高的对称翼型叶片连接而成。每个风轮叶片的连接方法相同。连接方式为：风轮叶片1的上部通过螺栓6与变径铰链座9固定连接，变径铰链座9再通过铰链7与上变径幅杆3的一端相连接，上变径幅杆3的另一端则通过铰链7与固定在风轮主轴2顶端的固定铰链座5相连接；风轮叶片1的下部通过螺栓6与变径铰链座9固定连接，变径铰链座9再通过铰链7与下变径幅杆8的一端相连接，下变径幅杆8的另一端通过铰链14与变径连接座10相连接；变径连接座10安装于变径齿条轴12上，变径齿条轴12安装于风轮主轴竖槽13内。

上述风轮机的连接方式一方面确保了风轮叶片1在风力作用下可带动风轮主轴2旋转，另一方面也允许变径连接座10可上下运动，从而通过由变径齿条轴12、下变径幅杆8、风轮叶片1、上变径幅杆3构成的四连杆机构能够实现风轮回转半径的改变。

变径机构：包括底座4、变径齿条轴12、滑动轴承15、主传动轴22、联轴器23、伺服电机24、电机连接座25、变径机构电磁离合器27、齿轮箱体28和第二直齿轮29。变径机构位于底座4内，安装在电机连接座25上的伺服电机24经联轴器23带动主传动轴22旋转，当需要改变风轮回转半径时，齿轮箱体28内的变径机构电磁离合器27加电，其端齿吸合后使原空套在主传动轴22上的第二直齿轮29与主传动轴22同步旋转，并经齿轮齿条副将回转运动转化为变径齿条轴12在滑动轴承15导向支承下的上下直线运动，从而推动变径连接座10，通过四连杆机构实现风轮叶片回转半径的变化。

自启动机构：包括螺栓16、防护罩17、齿轮轴18、第一直齿轮19、垂直轴锥齿轮20、水平轴锥齿轮21、主传动轴22、联轴器23、伺服电机24、电机连接座25、自启动机构电磁离合器26、齿轮箱体28、第三直齿轮30。自启动机构位于底座4内，工作时，安装在电机连接座25上的伺服电机24经联轴器23带动主传动轴22旋转，当需要自启动运行时，齿轮箱体28内的自启动机构电磁离合器26加电，其端齿吸合后使原空套在主传动轴22上的水平轴锥齿轮21与主传动轴22同步旋转，并经垂直轴锥齿轮20、水平轴锥齿轮21、第一直齿轮19、第三直齿轮30将回转运动传递至中间轴36带动风轮主轴2以及连接在其上的风轮叶片1旋转。

发电机及其传动机构：发电机及其传动机构也位于底座4内，发电机31优选选用永磁同步发电机。发电机传动机构包括：从动带轮32、发电机传动轴33、同步带34、主动带轮35、中间轴36。为了避免与变径机构和自启动机构之间的干涉，发电机传动机构通过主动带轮35、同步带34和从动带轮32将风轮主轴2的旋转运动传递到发电机传动轴33。主动带轮35通过中间轴36与风轮主轴2连接，将风轮主轴2的旋转运动通过同步带34传至从动带轮32，从动带轮32再通过发电机传动轴33将旋转运动最终传递至发电机31的转子，实现发电运行。这种同步带轮传动方式接近于风力机对发电机的直接驱动方式，不仅提高了风力发电机组的效率和可靠性，而且降低了设备的维护量，减少了噪声污染。

本实施例所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置还包括控制器（如图4）；所述控制器包括：微处理器37、伺服电机驱动器38、风力机转轴制动器39、电压电流传感器40、温度传感器41、风速传感器42、风力发电机转速传感器43、无线通信网络收发节点控制器44和LED指示灯；所述微处理器37与自启动机构电磁离合器26、变径机构电磁离合器27、伺服电机驱动器38、风力机转轴制动器39、电压电流传感器40、温度传感器41、风速传感器42、风力发电机转速传感器43、无线通信网络收发节点控制器44和LED指示灯连接；电压电流传感器40与发电机31连接采集发电机输出电压电流；所述伺服电机驱动器38与伺服电机24连接用于控制伺服电机24的启动与关闭。

控制器硬件设计以微处理器37为核心控制元件，该控制元件采用三星公司ARM920T内核的高性能的32位处理器S3C2440，其主频高达400MHz，采用5级流水线和哈佛结构，具有通用IO、ADC、SPI、PWM等多种类型的数据接口。通过键盘输入和LCD显示器接口所构成的人机界面可对风力发电装置控制***进行工作模式与参数的设定以及工作状况的实时监控。微处理器37通过电压电流传感器40完成对发电机输出电压电流的数据采集；温度传感器41和风速传感器42完成外部环境温度、风速的数据采集；风力发电机转速传感器43完成风力机转速的采集。风速传感器42的输出信号为脉冲信号，脉冲个数与外界风速成线性关系。为了解决在外界风速较大时，风速传感器42输出的脉冲高度可能随外界风速的增大而降低的问题，采用四电压比较器LM339AN来对输入的脉冲信号进行调理，从而可有效避免微处理器37对脉冲的采集误差。风力发电机转速传感器43以电压信号的形式输出正弦波，由于输出的电压信号幅值较小，因此使用LM324运放集成电路对该电压信号进行放大。为防止运放饱和引起高频振荡信号，这里也采用四电压比较器LM339AN来对所采集的正弦波信号进行调理，然后再交由微处理器37进行信号处理。微处理器37将所采集的数据暂时存放在数据缓冲区当中，通过相应的控制算法对数据进行处理，并将处理结果下达给相应控制部件（如：伺服电机驱动器38、自启动机构电磁离合器26、变径机构电磁离合器27），从而通过伺服电机24的运转来驱动完成变径和自启动任务。同时微处理器37还要完成对发电机工作状态的监控，若无异常则通过LED指示灯显示正常工作；若发现有异常存在，则及时对异常做出处理，同时通过报警灯发出报警并在LCD显示屏显示对应的故障。若故障可自行解除，则退出报警，LCD显示屏显示正常工作；否则微处理器37下达停车命令，通过风力机转轴制动器39强制停止风力发电的运行，并使喇叭常鸣。微处理器37还与无线通信网络收发节点控制器44相连接，用以实现各种监控数据的无线远程传送。无线通信网络收发节点控制器44采用Chipcon公司的用来实现嵌入式ZigBee 应用的片上***CC2430芯片，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议。微处理器37通过自带的同步串行外设接口SPI接口与CC2430自带的SPI接口相连接，CC2430再通过其内部的无线射频收发器与外接天线模块相连接，便可与无线通信网络进行数据通信，以定时的方式从无线通信网络收发节点控制器44向所属的无线网络路由器发送，进而再通过网络协调器以及网关在远程监控中心和风力发电监控对象之间传递监控数据。微控制器***还扩展了FLASH程序存储器、SDRAM数据存储器等外设以及构成嵌入式***所必需的电源、晶振电路、复位电路、JTAG接口等。

本实施例中还公开了智能变径自启动垂直轴风力发电装置中控制器的软件模块组成（如图5），智能变径自启动垂直轴风力发电装置控制器的软件基于μC/OS-Ⅱ实时多任务操作***52进行设计，以移植到微处理器37后的μC/OS-Ⅱ为操作平台对整个***资源进行管理，并对***中的各个任务进行调度。控制器软件程序设计的关键在于对***的任务划分。根据实际控制任务并结合重要性与实时性的要求，按优先级由高到低的顺序划分为11个任务：（1）程序监视任务（防止程序跑飞）；（2）无线传感网络通信任务45；（3）变径机构与自启动机构电磁离合器控制任务47；（4）步进电机转向与转角控制任务48；（5）数据采集任务51；（6）LCD显示管理任务46；（7）键盘管理任务54；（8）参数管理任务53；（9）声光报警控制任务50；（10）制动控制任务49。上述各任务独立编程，通过任务间的通信和同步机制来保证任务之间的协调。通信和同步用到的***服务有信号量和消息邮箱。信号量用于控制共享资源的使用权及激发其它任务的产生，消息邮箱用于通知任务的产生。

Claims (6)

1.一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置，其特征在于：该风力发电装置包括：风轮叶片（1）、风轮主轴（2）、上变径幅杆（3）、底座（4）、下变径幅杆（8）、变径连接座（10）、变径齿条轴（12）、风轮主轴竖槽（13）、滑动轴承（15）、螺栓（16）、防护罩（17）、齿轮轴（18）、第一直齿轮（19）、垂直轴锥齿轮（20）、水平轴锥齿轮（21）、主传动轴（22）、联轴器（23）、伺服电机（24）、电机连接座（25）、自启动机构电磁离合器（26）、变径机构电磁离合器（27）、齿轮箱体（28）、第二直齿轮（29）、第三直齿轮（30）、发电机（31）、从动带轮（32）、发电机传动轴（33）、同步带（34）、主动带轮（35）、中间轴（36）；上述部件的连接关系如下：

风轮主轴（2）上设有风轮主轴竖槽（13）；

风轮叶片（1）上部与上变径幅杆（3）的一端连接；上变径幅杆（3）的另一端与风轮主轴（2）的顶端连接；

风轮叶片（1）下部与下变径幅杆（8）的一端连接，下变径幅杆（8）的另一端与变径连接座（10）连接；变径连接座（10）安装于变径齿条轴（12）上，变径齿条轴（12）安装于风轮主轴竖槽（13）内；滑动轴承（15）安装于变径齿条轴（12）和风轮主轴竖槽（13）之间；

风轮主轴（2）、中间轴（36）和防护罩（17）通过螺栓（16）连接在一起；第三直齿轮（30）和主动带轮（35）套接在中间轴（36）外部；第三直齿轮（30）与第一直齿轮（19）啮合；第一直齿轮（19）和垂直轴锥齿轮（20）同轴，共同位于齿轮轴（18）上；垂直轴锥齿轮（20）与水平轴锥齿轮（21）啮合；水平轴锥齿轮（21）和第二直齿轮（29）套在主传动轴（22）上；第二直齿轮（29）与变径机构电磁离合器（27）连接，并与变径齿条轴（12）啮合；

伺服电机（24）通过联轴器（23）与主传动轴（22）连接；主传动轴（22）的末端位于齿轮箱体（28）上；自启动机构电磁离合器（26）与水平轴锥齿轮（21）连接；

主动带轮（35）与同步带（34）一侧啮合；同步带（34）另一侧与从动带轮（32）啮合；从动带轮（32）下端固定发电机传动轴（33），发电机传动轴（33）与发电机（31）连接。

2.根据权利要求1所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述风轮叶片（1）、下变径幅杆（8）和变径连接座（10）的连接方式为：风轮叶片（1）的下部通过螺栓（6）与变径铰链座（9）固定连接，变径铰链座（9）再通过铰链（7）与下变径幅杆（8）的一端相连接，下变径幅杆（8）的另一端通过铰链（14）与变径连接座（10）相连接。

3.根据权利要求1所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述风轮叶片（1）、上变径幅杆（3）和风轮主轴（2）的连接方式为：风轮叶片（1）的上部通过螺栓（6）、变径铰链座（9）与上变径幅杆（3）的一端进行连接，上变径幅杆（3）的另一端则通过固定铰链座（5）与风轮主轴（2）顶端相连接。

4.根据权利要求1所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述智能变径自启动垂直轴风力发电装置还包括：控制器；所述控制器包括：微处理器（37）、伺服电机驱动器（38）、风力机转轴制动器（39）、电压电流传感器（40）、温度传感器（41）、风速传感器（42）、风力发电机转速传感器（43）、无线通信网络收发节点控制器（44）和LED指示灯；所述微处理器（37）与自启动机构电磁离合器（26）、变径机构电磁离合器（27）、伺服电机驱动器（38）、风力机转轴制动器（39）、电压电流传感器（40）、温度传感器（41）、风速传感器（42）、风力发电机转速传感器（43）、无线通信网络收发节点控制器（44）和LED指示灯连接；电压电流传感器（40）与发电机（31）连接采集发电机输出电压电流；所述伺服电机驱动器（38）与伺服电机（24）连接用于控制伺服电机（24）的启动与关闭；

微处理器（37）通过电压电流传感器（40）完成对发电机输出电压电流的数据采集；温度传感器（41）和风速传感器（42）完成外部环境温度、风速的数据采集；风力发电机转速传感器（43）完成风力机转速的采集；微处理器（37）将所采集的数据暂时存放在数据缓冲区当中，然后对数据进行处理，并将处理结果下达给伺服电机驱动器（38）、自启动机构电磁离合器（26）和变径机构电磁离合器（27），从而通过伺服电机（24）的运转来驱动完成风轮回转半径的改变以及风力发电装置的自启动运行；同时微处理器（37）还要完成对发电机工作状态的监控，若无异常则通过LED指示灯显示正常工作；若发现有异常存在，则及时对异常做出处理；否则微处理器（37）下达停车命令，通过风力机转轴制动器（39）强制停止风力发电的运行；微处理器（37）还与无线通信网络收发节点控制器（44）相连接，用以实现各种监控数据的无线远程传送。

5.根据权利要求1所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述发电机采用永磁同步发电机。

6.根据权利要求4所述的智能变径自启动垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述微处理器（37）为核心控制元件，该控制元件采用三星公司ARM920T内核的高性能的（32）位处理器S3C2440，其主频高达400MHz，采用5级流水线和哈佛结构，具有通用IO、ADC、SPI、PWM多种类型的数据接口；所述风速传感器（42）设有可对所采集的正弦波信号进行调理的四电压比较器；所述风力发电机转速传感器（43）与所述微处理器（37）之间使用运放集成电路对该电压信号进行放大，采用四电压比较器LM339AN对所采集的正弦波信号进行调理。

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