风力发电机叶轮方向控制装置，属于风力发电机叶轮主动迎风装置，解决现有主动迎风装置存在的不能全方位迎风问题。本发明包括支杆、机架、水平电位器、竖直电位器、水平直流电机、竖直直流电机、水平风向传感器、竖直风向传感器和PLC控制器；机架安置在支杆上端，机架上固接有支架，支架上装配有导杆，导杆左端用于固接风力发电机；机架侧面固接安装座，水平直流电机和竖直直流电机分别装于安装座上，支杆上还固接横杆，横杆两端分别悬挂水平风向传感器和竖直风向传感器，PLC控制器固定于支杆下部。本发明灵敏度高、稳定性好、可实现水平和竖直方向的转动，对于提高中小型风力发电机的风能利用效率、延长风力发电机寿命具有重要的意义。
1.一种风力发电机叶轮方向控制装置，包括支杆(1)、机架(2)、水平电位器(3)、竖直电位器(4)、水平直流电机(5)、竖直直流电机(6)、水平风向传感器(7)、竖直风向传感器(8)和PLC控制器(9)，其特征在于：
所述支杆(1)的杆身上固接有齿轮圈(12)，所述机架(2)通过推力轴承(11)安置在支杆(1)上端并与支杆(1)转动配合，所述机架(2)上固接有支架(13)，导杆(14)中部通过转轴(10)和两个滚动轴承(15)与支架(13)转动配合，导杆(14)左端用于固接风力发电机(20)；水平电位器(3)外壳和竖直电位器(4)外壳固定在支架(13)上，水平电位器(3)的外伸轴为竖直方向，穿过机架(2)顶面通孔固定在支杆(1)顶端中心；竖直电位器(4)的外伸轴为水平方向，与所述转轴(10)固接并同轴；
所述机架(2)侧面固接有安装座(16)，所述水平直流电机(5)和竖直直流电机(6)分别装于安装座(16)上，水平直流电机(5)的电机轴为竖直方向，竖直直流电机(6)的电机轴为水平方向，传动齿轮(17)固接在水平直流电机(5)的外伸电机轴上并与齿轮圈(12)啮合构成行星齿轮结构；竖直直流电机(6)的外伸电机轴与摇杆(18)一端垂直固接，摇杆(18)另一端通过销轴和连杆(19)下端转动连接，连杆(19)上端通过销轴和导杆(14)右端转动连接；
所述齿轮圈(12)下方的支杆(1)上垂直固接有横杆(21)，横杆(21)两端分别悬挂水平风向传感器(7)和竖直风向传感器(8)，所述水平风向传感器(7)和竖直风向传感器(8)结构相同，各自均包括外框架、松紧螺钉(22)、感风片(23)、旋转轴(24)、平衡螺钉(25)、电刷片(26)、环形电阻圈(27)，所述外框架由顶点呈矩形分布的四根平行支撑杆(28)和顶板(29)、隔板(30)、底板(31)组成层架结构，底板(31)上表面中心具有凹槽(32)，环形电阻圈(27)围绕所述凹槽(32)固接在底板上表面，两端呈圆锥形的旋转轴(24)穿过隔板中心透孔，旋转轴底端顶在所述底板的凹槽(32)内，旋转轴顶端由与顶板(29)螺纹配合的松紧螺钉(22)顶住，所述隔板上方的旋转轴固接有感风片(23)，所述隔板下方的旋转轴自上而下依序固接有平衡螺钉(25)和电刷片(26)，电刷片(26)的端部和所述环形电阻圈(27)滑动接触；所述水平风向传感器(7)的旋转轴和竖直风向传感器(8)的旋转轴互相正交；所述水平风向传感器(7)和竖直风向传感器(8)中，各自环形电阻圈(27)的两端分别通过导线连接电源正负极，各自松紧螺钉(22)通过一根导线输出电压；
所述PLC控制器(9)固定于所述支杆(1)下部，所述水平风向传感器(7)和水平电位器(3)的输出电压分别由导线接入PLC控制器(9)的两个输入接口进行电压比较，PLC控制器(9)的两个输出接口分别连接两个继电器，控制这两个继电器的开合从而控制水平直流电机(5)的正转和反转；竖直风向传感器(8)和竖直电位器(4)的输出电压分别由导线接入PLC控制器(9)的另外两个输入接口进行电压比较，同时PLC的另外两个输出接口分别连接另外两个继电器，控制这两个继电器的开合从而控制竖直直流电机(6)的正转和反转。
风力发电机叶轮方向控制装置
技术领域
[0001] 本发明属于风力发电机叶轮主动迎风装置，具体涉及一种风力发电机叶轮方向控制装置，可用于中小型风力发电机。
背景技术
[0002] 欧洲风能开发利用一直走在世界前列，占全球风电总装机容量的60.4％。我国风电场于1986年始建，截止至2011年居全球第五位。由于风力发电起步较晚，虽然整体装机容量较大，但实际风能利用系数只有25％，与世界先进水平40％相比还有一定的差距。现今我国风力发电机的发电效率只有52％左右，主要有两个损失，一是风能转化为叶轮的转动机械能的损耗，二是发电机将叶轮机械能转化为电能的损耗。而在我国大型发电机组风能利用率较高，且装机容量也较大。但其受平行风场和地势的影响，使得其选址大大受限。分析我国地势分布和气象报告可知，大型风力发电机组很难在我国得到广泛的推广，由此小型风力发电机就走进人们的视线。现有的中小型风力发电机多用于公路旁，江河湖泊旁，山区，渔船和家用等。这些应用场所风向多变且不稳定，为了最大化地利用风能，风力发电机要紧随风向变化不断调整叶轮平面，使风力发电机处于迎风状态。调整叶轮平面迎风有两类装置：一种为被动迎风装置，即在风力作用下驱使舵轮(其旋转平面与叶轮旋转平面相垂直)旋转，并通过一套齿轮传动系统使叶轮偏转对风，因风向具有离散性，被动迎风会导致叶轮平面频繁摆动，对调向机构的寿命产生影响；另一种是主动迎风装置，由直流电机构成控制系统，来调整叶轮使其对准风向，主动迎风装置的迎风过程具有高度的灵活性和可控性，应用愈加广泛，但不能全方位迎风，见徐德，诸静：“风力发电机风向随动控制系统”，太阳能学报，2000，21(2)：186-191。
发明内容
[0003] 本发明提供一种风力发电机叶轮方向控制装置，解决现有主动迎风装置存在的不能全方位迎风问题。
[0004] 本发明所提供的一种风力发电机叶轮方向控制装置，包括支杆、机架、水平电位器、竖直电位器、水平直流电机、竖直直流电机、水平风向传感器、竖直风向传感器和PLC控制器，其特征在于：
[0005] 所述支杆的杆身上固接有齿轮圈，所述机架通过推力轴承安置在支杆上端并与支杆转动配合，所述机架上固接有支架，导杆中部通过转轴和两个滚动轴承与支架转动配合，导杆左端用于固接风力发电机；水平电位器外壳和竖直电位器外壳固定在支架上，水平电位器的外伸轴为竖直方向，穿过机架顶面通孔固定在支杆顶端中心；竖直电位器的外伸轴为水平方向，与所述转轴固接并同轴；
[0006] 所述机架侧面固接有安装座，所述水平直流电机和竖直直流电机分别装于安装座上，水平直流电机的电机轴为竖直方向，竖直直流电机的电机轴为水平方向，传动齿轮固接在水平直流电机的外伸电机轴上并与齿轮圈啮合构成行星齿轮结构；竖直直流电机的外伸电机轴与摇杆一端垂直固接，摇杆另一端通过销轴和连杆下端转动连接，连杆上端通过销轴和导杆右端转动连接；
[0007] 所述齿轮圈下方的支杆上垂直固接有横杆，横杆两端分别悬挂水平风向传感器和竖直风向传感器，所述水平风向传感器和竖直风向传感器结构相同，各自均包括外框架、松紧螺钉、感风片、旋转轴、平衡螺钉、电刷片、环形电阻圈，所述外框架由顶点呈矩形分布的四根平行支撑杆和顶板、隔板、底板组成层架结构，底板上表面中心具有凹槽，环形电阻圈围绕所述凹槽固接在底板上表面，两端呈圆锥形的旋转轴穿过隔板中心透孔，旋转轴底端顶在所述底板的凹槽内，旋转轴顶端由与顶板螺纹配合的松紧螺钉顶住，所述隔板上方的旋转轴固接有感风片，所述隔板下方的旋转轴自上而下依序固接有平衡螺钉和电刷片，电刷片的端部和所述环形电阻圈滑动接触；所述水平风向传感器的旋转轴和竖直风向传感器的旋转轴互相正交；所述水平风向传感器和竖直风向传感器中，各自环形电阻圈的两端分别通过导线连接电源正负极，各自松紧螺钉通过一根导线输出电压；
[0008] 所述PLC控制器固定于所述支杆下部，所述水平风向传感器和水平电位器的输出电压分别由导线接入PLC控制器的两个输入接口进行电压比较，PLC控制器的两个输出接口分别连接两个继电器，控制这两个继电器的开合从而控制水平直流电机的正转和反转；竖直风向传感器和竖直电位器的输出电压分别由导线接入PLC控制器的另外两个输入接口进行电压比较，同时PLC的另外两个输出接口分别连接另外两个继电器，控制这两个继电器的开合从而控制竖直直流电机的正转和反转。
[0009] 本发明使用两个正交布置的传感器，水平风向传感器捕捉周向面内的风向信息，竖直风向传感器捕捉俯仰面的风向信息，可以在球面内实现感风，将外界风向信号转换为电控信号，输入PLC控制器，与风力发电机机架上的对应的电位器的电压信号比较，根据比较结果产生输出信号，控制驱动执行机构，直至两个电压信号的偏差在阈值范围内。
[0010] 水平直流电机的转动带动传动齿轮的转动，传动齿轮与齿轮圈啮合转动，即可实现传动齿轮绕支杆转动，风力发电机就可在水平面内转动到来流风速最大的方向，同时在机架上的水平电位器的外伸轴固定在支杆上，外壳固定在风力发电机导杆的支架上，其输出电压随风力发电机在水平面内的转动角度而变化；通过竖直直流电机转动使得与其相连的摇杆摆动一定角度，经连杆带动风力发电机的导杆摆动，风力发电机就可在竖直平面内转动到来流风速最大的方向，竖直电位器的外伸轴固定在导杆的转轴上并同轴，外壳固定在风力发电机导杆的支架上，其输出电压随风力发电机在竖直方向的摆角而变化。两个直流电机的联合驱动即可实现风力发电机在球面内的转动。
[0011] 本发明灵敏度高、稳定性好、可实现水平和竖直方向的转动，对于提高中小型风力发电机的风能利用效率、延长风力发电机寿命具有重要的意义。
附图说明
[0012] 图1为本发明整体结构示意图；
[0013] 图2水平风向传感器结构示意图。
具体实施方式
[0014] 以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。
[0015] 如图1所示，本发明实施例，包括支杆1、机架2、水平电位器3、竖直电位器4、水平直流电机5、竖直直流电机6、水平风向传感器7、竖直风向传感器8和PLC控制器9；
[0016] 所述支杆1的杆身上固接有齿轮圈12，所述机架2通过推力轴承11安置在支杆1上端并与支杆1转动配合，所述机架2上固接有支架13，导杆14中部通过转轴10和两个滚动轴承15与支架13转动配合，导杆14左端用于固接风力发电机20；水平电位器3外壳和竖直电位器4外壳固定在支架13上，水平电位器3的外伸轴为竖直方向，穿过机架2顶面通孔固定在支杆1顶端中心；竖直电位器4的外伸轴为水平方向，与所述转轴10固接并同轴；
[0017] 所述机架2侧面固接有安装座16，所述水平直流电机5和竖直直流电机6分别装于安装座16上，水平直流电机5的电机轴为竖直方向，竖直直流电机6的电机轴为水平方向，传动齿轮17固接在水平直流电机5的外伸电机轴上并与齿轮圈12啮合构成行星齿轮结构；竖直直流电机6的外伸电机轴与摇杆18一端垂直固接，摇杆18另一端通过销轴和连杆19下端转动连接，连杆19上端通过销轴和导杆14右端转动连接；
[0018] 所述齿轮圈12下方的支杆1上垂直固接有横杆21，横杆21两端分别悬挂水平风向传感器7和竖直风向传感器8，所述PLC控制器9固定于所述支杆1下部。
[0019] 所述水平风向传感器7和竖直风向传感器8结构相同，以水平风向传感器为例，如图2所示，包括外框架、松紧螺钉22、感风片23、旋转轴24、平衡螺钉25、电刷片26、环形电阻圈27，所述外框架由顶点呈矩形分布的四根平行支撑杆28和顶板29、隔板30、底板31组成层架结构，底板31上表面中心具有凹槽32，环形电阻圈27围绕所述凹槽32固接在底板上表面，两端呈圆锥形的旋转轴24穿过隔板中心透孔，旋转轴底端顶在所述底板的凹槽32内，旋转轴顶端由与顶板29螺纹配合的松紧螺钉22顶住，所述隔板上方的旋转轴固接有感风片23，所述隔板下方的旋转轴自上而下依序固接有平衡螺钉25和电刷片26，电刷片26的端部和所述环形电阻圈27滑动接触；所述水平风向传感器7的旋转轴和竖直风向传感器8的旋转轴互相正交；所述水平风向传感器7和竖直风向传感器8中，各自环形电阻圈27的两端分别通过导线连接电源正负极，各自松紧螺钉22通过一根导线输出电压。
[0020] 水平风向传感器7和竖直风向传感器8工作原理为，风从某个角度吹来，作用在感风片23上，感风片23发生旋转，由于其重力已由平衡螺钉25平衡，故可以消除重力的影响。感风片带动旋转轴24旋转，使与主轴相连的电刷片26在电位器的环形电阻圈27上划动，电刷位置决定电阻大小，在环形电阻圈的两端输入10V的电压，从松紧螺钉22输出电压信号。当感风片23旋转到与风向平行的位置时，垂直于叶面方向的力减小到零，感风片23平衡。此时电位器的输出电压就与感风片23转动的角度即与风向相对应。另外松紧螺钉22的松紧可调整旋转轴24的转动灵敏度。
[0021] PLC控制器选用三菱PLC FX2N控制器，PLC控制器水平方向控制(0-360°)：从风力发电机机架上水平电位器引出电压信号FV，从水平风向传感器引出电压信号CV，分别输入PLC控制器的两个输入接口，PLC控制器比较两者大小；设定一个死区ε(ε＞0)，若|FV-CV|≤ε，则PLC不输出信号，两个继电器都不接通，即不接通水平直流电机电源；若FV-CV＞ε，则PLC输出信号接通其中一个继电器，即正向接通水平直流电机电源，通过行星轮带动风力发电机顺时针转动，每20ms比较一次电压，若仍是FV-CV＞ε，则水平直流电机继续顺时针转动，直至|FV-CV|≤ε时，PLC停止输出信号，断开继电器，即断开水平直流电机电源；若CV-FV＞ε，则PLC输出信号接通另外一个继电器，即反向接通水平直流电机电源，通过行星轮带动风力发电机逆时针转动，每20ms比较一次电压，若仍是CV-FV＞ε，则水平直流电机继续逆时针转动，直至|FV-CV|≤ε，PLC停止输出信号，断开继电器，即断开水平直流电机电源。竖直方向控制(0-90°)与水平方向控制基本相同，区别仅在于，由PLC控制器从水平风向传感器和竖直电位器得到输入电压，PLC控制器经比较后，确定输出信号，控制是否接通另外两个继电器，即确定正向还是反向接通竖直直流电机电源，从而使得竖直直流电机通过四杆机构带动风力发电机上下摆动。通过水平、竖直直流电机的正转或反转，带动风力发电机在球面内转动。
