專利名稱：一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電機技術領域，具體地說，涉及一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置。
背景技術：
如今的社會已經是電氣化時代，電力對于我們現(xiàn)在的生活來說，已經到了不可缺
少的地步，就日常生活來說，電磁爐、電燒壺、電飯鍋、電冰箱......，以及人們日常飲用的
自來水，如果沒有電，一切與電有關的設備都將無法運轉。由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人們對環(huán) 境保護的重視，電力系統(tǒng)正面臨著巨大變革，分布式發(fā)電將成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。 太陽能、地熱能、風能、海洋能、核能以及生物質能等存在于自然界中的能源被稱作“可再生 能源”，由于這些能源對環(huán)境危害較少，因此又叫做“綠色能源”。開發(fā)綠色能源是解決能源 危機的重要途徑。其中，風力發(fā)電以其獨特的優(yōu)點，被公認為是技術含量高、最有發(fā)展前途 的技術之一。風力發(fā)電模擬裝置是基于目前大型風力發(fā)電機組的原理制作的適用于教學的試 驗裝置，然而如何模擬得到自然風，使得試驗裝置能夠根據風向變化及時調整，以期得到最 大的發(fā)電效率，同時對產品的定性和設計無法提供科學的試驗測試手段，很難生產出高質 量的風力發(fā)電機組與國外的風力發(fā)電機組制造廠商競爭，目前還沒有實際模擬風輪輸出特 性的設備和實驗室的試驗裝置，本發(fā)明彌補了風力發(fā)電模擬裝置的空白，提出了一種帶有 風向跟蹤裝置的風力發(fā)電模擬裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置，可以解決現(xiàn)有技術存在的缺少用 于試驗教學的風力發(fā)電試驗裝置的問題。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置，包括由控制系統(tǒng)控制的風力發(fā)電系統(tǒng)和風源系 統(tǒng)，所述風力發(fā)電系統(tǒng)包括一個固定立柱，立柱上面設有可繞所述立柱旋轉的橫梁，所述橫 梁上設有由葉輪和發(fā)電機組成的發(fā)電機組；所述風源系統(tǒng)包括風車和風機，風車帶動風機 繞所述風力發(fā)電系統(tǒng)旋轉。為了實現(xiàn)風車繞所述風力發(fā)電系統(tǒng)的旋轉運動，在本發(fā)明的技術方案中，還具有 以下技術特征所述風車通過連桿連接立柱，所述連桿一端與所述風車固定，另一端通過套 環(huán)套裝在所述的立柱上，在所述套環(huán)內設有旋轉軸承。進一步地，為了使得風機吹出的風更接近自然風，將風機吹出的旋轉風轉變?yōu)榻?近自然風的直風，在所述風機的出風口上安裝有導風板，所述導風板的左右兩側為喇叭口 狀側板，中間為豎直平行排列的隔板。在風車帶動風機繞所述風力發(fā)電系統(tǒng)旋轉的過程中，風機和電機上的電線會在連 桿以及立柱上發(fā)生纏繞現(xiàn)象，會影響風車的旋轉，為避免上述現(xiàn)象，在所述立柱上設置有限位器，所述限位器限制所述連桿繞所述立柱旋轉的角度在0° 330°之間。在本發(fā)明的上述技術方案中，還具有以下技術特征所述風車包括一個支架，所述 支架上部設有風機，下部為底座，底座上設置有驅動輪和從動輪，以及驅動所述驅動輪和從 動輪旋轉以帶動風車行走，進而改變風向的電機。進一步地，所述驅動輪包括一個，設置在所述底座底部的一側；所述從動輪包括兩 個，設置在所述底座底部的另外一側。進一步地，為增強風車和立柱之間的連接，防止風車支架在轉動的過程中左右搖 晃，所述支架和立柱之間還設有支撐桿，所述支撐桿一端連接所述支架的上端，另一端連接 所述連桿安裝套環(huán)的一端，所述連桿通過套環(huán)套裝在立柱的下端。為了使得風源系統(tǒng)吹出的風得到最大效率的利用，需要對橫梁上的葉輪進行風向 跟蹤，因此在所述橫梁的一端設置有風向標，風向標連接編碼器，通過編碼器輸出檢測信號 至所述的控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)根據編碼器輸出的檢測信號判斷風源方向，進而輸出控 制指令至安裝于橫梁上的驅動電機，進而通過所述驅動電機帶動橫梁跟隨風源轉動。 為了實現(xiàn)橫梁繞所述立柱的旋轉，在所述驅動電機的輸出軸上安裝有小齒輪，所 述立柱上固定安裝有大齒輪，所述小齒輪和大齒輪相嚙合，控制系統(tǒng)給出控制系統(tǒng)信號，驅 動電機旋轉，帶動小齒輪繞大齒輪旋轉，從而帶動驅動電機所在的橫梁繞所述立柱旋轉。橫梁旋轉過程中由于慣性的緣故，在風源系統(tǒng)停止旋轉時，橫梁會越過當前的限 位值位置，在所述橫梁底面上設有液壓剎車系統(tǒng)，包括液壓缸和由其控制的抱緊器；在所述 立柱上設有對橫梁旋轉角度進行檢測的限位開關，所述限位開關輸出檢測信號到所述的控 制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在檢測到橫梁到達限位值時輸出控制系統(tǒng)信號至液壓缸，通過液壓缸驅 動抱緊器抱緊立柱。進一步地，在所述橫梁上還設有風速風向儀，能實時測量風速、風向并顯示在控制臺上。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明所述的風力發(fā)電模擬裝置主要是通過實驗室裝置來研究風力發(fā)電的原理 組成，運行過程和如何更高效率地提高發(fā)電的效率，因而引入了風向跟蹤裝置。它可以實時 檢測風吹來的方向，并根據現(xiàn)有的風向自動調節(jié)發(fā)電葉片迎風面的方向，使之始終朝著風 吹來的方向，最大限度地將現(xiàn)有風能轉化為電能。填補了市場的空白，1、采用風車帶動風機繞立柱旋轉的方式，節(jié)約了空間，而且能夠更精確的模擬實 際風力發(fā)電模擬裝置；對應的風力發(fā)電系統(tǒng)跟隨風源系統(tǒng)旋轉，最大效率的將風能轉化為 電能。2.嵌入了風速風向儀，能實時測量風速、風向并顯示在控制臺上，直觀、形象；3.采用了變頻器啟動變成柔性啟動，對電網及系統(tǒng)無沖擊，延長了設備的使用壽 命，節(jié)約維修費用和減少維修量；實現(xiàn)了無級調速，調速范圍寬，特性曲線好，控制精度高， 節(jié)能效果好；4.能實時跟蹤風向，能最大限度地利用資源，具有生產意義；5.具有剎車功能，可防止動作過限，速度過快；系統(tǒng)采用比較流行的液壓剎車系 統(tǒng)對系統(tǒng)進行剎車控制，使之更接近工業(yè)實際應用系統(tǒng)。采用液壓油泵作為剎車驅動器，液 壓油缸作為剎車執(zhí)行器，具有噪音小，效果佳，成本低的特點，同時還能讓學生學習液壓傳動的原理、組成及在實際應用中的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)配有自動剎車和手動剎車兩種模式，便于 學生進階學習，同時也豐富了實訓內容；6.性價比高，特別適合戶用系統(tǒng)。驅動電機采用380V交流電機，效率高，驅動能力強，易于控制。PLC主機選用德國 西門子S7-314C-2DP能夠完成較為復雜的控制要求，并有模擬量輸入輸出功能。特別地， PLC的I/O 口在面板上都有對應的插線端子，方便靈活組合應用，進行第二次開發(fā)。7、風力發(fā)電機整機配置優(yōu)良，性能可靠，堅固耐用，美觀大方。


圖1是本發(fā)明所述的風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置的結構示意圖； 圖2是整個控制系統(tǒng)的組成示意圖；圖中的符號及其說明10、風力發(fā)電系統(tǒng)；11、立柱；12、橫梁；13、葉輪；13_1、風速風向儀；14、發(fā)電機； 15、風向標；16、編碼器；17、驅動電機；18、小齒輪；19、大齒輪；20、風源系統(tǒng)；21、風機；22、風車；23、導風板；23_1、側板；23_2、隔板；24、風車支 架；25、底座；26、電機；27、驅動輪；28、從動輪；30、連桿；31、支撐桿；32、套環(huán)；33、旋轉軸承；34、限位器；40、液壓剎車系統(tǒng)；41、液壓缸；42、抱緊器；43、限位開關。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。如圖1所示，一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置，包括由控制系統(tǒng)(圖上未示出)控 制的風力發(fā)電系統(tǒng)10和風源系統(tǒng)20，風力發(fā)電系統(tǒng)10包括一個固定立柱11，立柱11上面 設有可繞所述立柱11旋轉的橫梁12，所述橫梁12 —端設有葉輪13，橫梁12中部設有發(fā)電 機14，葉輪13和發(fā)電機14組成發(fā)電機組；風源系統(tǒng)20包括風機21和風車22，風車22帶動風機21繞所述風力發(fā)電系統(tǒng)10旋轉。上述風源系統(tǒng)20繞風力發(fā)電系統(tǒng)10旋轉，形成一種用于試驗教學的風力發(fā)電試
驗裝置。具體連接關系如下所述風車22包括一個支架23，所述支架23上部安裝固定所 述風機21，支架23下部為底座25，底座25上設置有電機26，底座25底部的一側設有一個 驅動輪27，所述底座底部的另外一側設置兩個從動輪28，電機26驅動所述驅動輪27和從 動輪28旋轉以帶動風車22行走，進而帶動風機21旋轉，從而改變風向。為了吹出較為接近的自然風，更好的模擬實際的風力發(fā)電裝置，在所述風機21的 出風口上安裝有導風板23，所述導風板23的左右兩側為喇叭口狀側板23-1，中間為豎直平 行排列的隔板23-2，從而使得風機21吹出的旋轉風轉變?yōu)橹憋L，以更為接近自然風。風車22通過連桿30連接立柱11，連桿30 —端與所述風車支架24的底座25固 定，另一端通過套環(huán)32套裝在所述的立柱11的底端，在所述套環(huán)32內設有旋轉軸承33。 為增強風車22和立柱11之間的連接，防止風車支架24在轉動的過程中左右搖晃，所述支架24和立柱11之間還設有支撐桿31，所述支撐桿31 —端連接所述支架的上端，另一端連 接所述連桿30安裝套環(huán)32的一端。在所述立柱11的底座上設置有限位器34，所述限位器34包括兩個限位開關，在 風車22的旋轉過程中，限位器感應連桿30旋轉的角度位置，輸出感應信號到控制系統(tǒng)，控 制系統(tǒng)根據檢測信號輸出指令來控制風車22中的電機26的運轉，限位器34限制所述連桿 30繞所述立柱11旋轉的角度在0° 330°之間，防止在360°旋轉過程中發(fā)生電線纏繞 的現(xiàn)象。在所述橫梁12上設置驅動電機17，所述驅動電機17的輸出軸朝下，并安裝有小齒 輪18，所述立柱11上固定安裝有大齒輪19，所述小齒輪18和大齒輪19相嚙合；在所述橫 梁12的一端設置有風向標15，風向標15連接編碼器16，通過編碼器16輸出檢測信號至所 述的控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)根據編碼器16輸出的檢測信號判斷風源方向，進而輸出控制 指令至安裝于橫梁12上的驅動電機17，進而通過所述驅動電機17帶動橫梁12跟隨風源轉 動?？刂葡到y(tǒng)給出控制系統(tǒng)信號，驅動電機17旋轉，帶動小齒輪18繞大齒輪19旋轉，從而 帶動驅動電機17所在的橫梁12繞所述立柱11旋轉。在所述橫梁12底面上設有液壓剎車系統(tǒng)40，包括液壓缸41和由其控制的抱緊器 42 ；在所述立柱11上設有對橫梁12旋轉角度進行檢測的限位開關43，所述限位開關43輸 出檢測信號到所述的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在檢測到橫梁到達限位值時輸出控制系統(tǒng)信號至 液壓缸41，通過液壓缸41驅動抱緊器42抱緊立柱11。在所述橫梁12上還設有風速風向儀13-1，能實時測量風速、風向并顯示在控制臺上。具體控制原理如下本系統(tǒng)中利用西門子S7-314C-D2P作為控制核心，它帶有A/D、D/A模塊，具有模擬 量輸入/輸出功能。利用模擬量作為變頻器的輸入信號來調節(jié)電機轉速，可改變風的方向， 風的大小和發(fā)電機葉片的朝向。風向標和一光電編碼器同軸相連，可實時檢測風的方向，并 傳輸?shù)絇LC中，經PLC運算，確定隨動電機的運轉方向和速度。實現(xiàn)對風向的跟蹤。系統(tǒng)中嵌入了風速風向儀，可精確測量當前的風速方向，并顯示在儀表盤上。系統(tǒng)組成本系統(tǒng)分為控制桌和被控對象兩部分組成。信息的處理、控制信號的發(fā)出、控制參 數(shù)的變更全部由控制桌部分完成，系統(tǒng)各個動作的完成、信息的采集由被控對象完成。組成 示意圖如圖2所示?？刂谱乐饕蒔LC、變頻器(3個)、風速風向儀、電壓表、組成。風速風向儀風速風向儀用于測量瞬時風速風向和平均風速風向，具有顯示、自動、實時時鐘、 超限報警和數(shù)據通訊等功能。PH風速風向儀由WC-I風速傳感器和風向傳感器、PH氣象數(shù) 據采集儀、PH計算機氣象軟件三部分組成。WC-I風杯采用碳纖維材料，強度高，起動好，符 合國家氣象計量標準；PH氣象數(shù)據采集儀采集并記錄風速風向測量數(shù)據，采用漢字液晶數(shù) 據顯示，人機界面友好，具有設定參數(shù)掉電保護和風速風向歷史數(shù)據掉電保護功能，可靠性 高。PH氣象數(shù)據采集儀與計算機之間的通訊方式有有線和GPRS無線通訊2種方式，采用 GPRS無線通訊方式可選用PH1000 GPRS無線數(shù)據通訊終端。該風速風向儀具有技術先進，測量精度高，數(shù)據容量大，遙測距離遠，人機界面友好，可靠性高的優(yōu)點，廣泛用于氣象、海 洋、環(huán)境、機場、港口、工農業(yè)及交通等領域。風速傳感器的感應元件是三杯風組件，由三個碳纖維風杯和杯架組成。轉換器為 多齒轉杯和狹縫光耦。當風杯受水平風力作用而旋轉時，通過軸轉杯在狹縫光耦中的轉動， 輸出頻率的信號。風向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉動時，通過軸帶 動碼盤在光電組件縫隙中的轉動。產生的光電信號對應當時風向的格雷碼輸出。傳感器的 變換器可采用精密導電塑料電位器，從而在電位器活動端產生變化的電壓信號輸出。西門子S7-314C-2DP PLCS7-300是模塊式中小型PLC，在工業(yè)控制中廣泛應用，具有多種通信方式，可以靈 活的組成MPI、PR0FIBUS和工業(yè)以太網等。
S7-300的CPU模塊(簡稱為CPU)都有一個編程用的RS-485接口，有的有 PR0FIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，可以建立一個MPI (多點接口 )網絡或DP網絡。S7-300的基本構造與組成1.電源模塊2.后備電池3.24VDC連接器4.模式開關5.狀態(tài)和故障指示 燈6.存儲器卡(CPU 313以上)7. MPI多點接口 8.前連接器9.前蓋300系列PLC的功能最強的CPU的RAM為512KB，最大8192個存儲器位，512個定 時器和512個計數(shù)器，數(shù)字量最大65536，模擬量通道最大為4096。有350多條指令。計數(shù) 器的計數(shù)范圍為1 999，定時器的定時范圍為IOms 9990s。本實驗系統(tǒng)中選用的CPU型號是314C-2DP，帶MPI和PR0FIBUS接口，可以靈活的 組成MPI網絡或者I3ROFIBUS網絡進行通信。被控對象主要由風機、風車與隨動系統(tǒng)組成。風機主要部分為JGF低噪音風機，采用220V供電，通過變頻器調節(jié)其轉速，額定 轉速為1420r. p. m,風量為5300m7m。風車主要由底部裝有可改變風向的電機以及支持風機的支架，電機驅動3個萬向 輪帶動風機轉動，可自由改變風的風向。隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)上裝有發(fā)電機組、隨動電機、風速風向標、液壓剎車系統(tǒng)、限位 保護系統(tǒng)等組成。發(fā)電機組主要由迎風葉片和發(fā)電機組成，風吹動葉片帶動發(fā)電機發(fā)電。隨動系統(tǒng) 由隨動電機驅動，來跟蹤風向的變化，隨動電機為200V帶減速箱電機，由變頻器調節(jié)其轉 速。風速風向表用來采集信息，并轉化為電信號，傳到風速風向儀中和PLC中。液壓剎車系 統(tǒng)主要由油箱、液壓泵、電磁閥、油管和油缸組成。限位保護系統(tǒng)由四個電磁限位開關組成， 防止風車和隨動系統(tǒng)動作過限。系統(tǒng)原理本系統(tǒng)主要實現(xiàn)風力發(fā)電、風向跟蹤、液壓剎車，涵蓋了 PLC控制、變頻控制、PLC 與變頻器通信、A/D、D/A轉換、液壓傳動技術、PLC在液壓傳動中的應用等技術，實訓內容豐
ffi ο我們把風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電能，這就是風力發(fā)電。風力發(fā)電所需要的裝置，稱作風力發(fā)電機組。這種風力發(fā)電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發(fā)電機和鐵塔三部分。風輪是把風的動能轉變?yōu)闄C械能的重要部件，它由兩只(或更多只)螺旋槳形的 葉輪組成。當風吹向漿葉時，槳葉上產生氣動力驅動風輪轉動。槳葉的材料要求強度高、重 量輕，目前多用玻璃鋼或其它復合材料(如碳纖維)來制造。在風向上裝有同軸的光電編碼器，能夠準確檢測風向并轉化為電信號傳送到PLC 中，PLC根據風向確定隨動系統(tǒng)的移動方向和速度，以使發(fā)電機葉片的迎風面正對風車，最 大限度地利用風能。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任 何熟悉本專業(yè)的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等 效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案內容，依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所 作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。
權利要求
一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于包括由控制系統(tǒng)控制的風力發(fā)電系統(tǒng)和風源系統(tǒng)，所述風力發(fā)電系統(tǒng)包括一個固定立柱，立柱上面設有可繞所述立柱旋轉的橫梁，所述橫梁上設有由葉輪和發(fā)電機組成的發(fā)電機組；所述風源系統(tǒng)包括風車和風機，風車帶動風機繞所述風力發(fā)電系統(tǒng)旋轉。
2.根據權利要求1所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于所述風車通過連桿連接立 柱，所述連桿一端與所述風車固定，另一端通過套環(huán)套裝在所述的立柱上，在所述套環(huán)內設 有旋轉軸承。
3.根據權利要求1所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于在所述風機的出風口上安 裝有導風板，所述導風板的左右兩側為喇叭口狀側板，中間為豎直平行排列的隔板。
4.根據權利要求1所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于在所述立柱上設置有限位 器，所述限位器限制所述連桿繞所述立柱旋轉的角度在0° 330°之間。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于所述風車包 括一個支架，所述支架上部設有風機，下部為底座，底座上設置有驅動輪和從動輪，以及驅 動所述驅動輪和從動輪旋轉以帶動風車行走，進而改變風向的電機。
6.根據權利要求5所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于所述驅動輪包括一個，設置 在所述底座底部的一側；所述從動輪包括兩個，設置在所述底座底部的另外一側。
7.根據權利要求5所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于所述支架和立柱之間還設 有支撐桿，所述支撐桿一端連接所述支架的上端，另一端連接所述連桿安裝套環(huán)的一端，所 述連桿通過套環(huán)套裝在立柱的下端。
8.根據權利要求1至4中任一項所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于在所述橫梁 的一端設置有風向標，風向標連接編碼器，通過編碼器輸出檢測信號至所述的控制系統(tǒng)；所 述控制系統(tǒng)根據編碼器輸出的檢測信號判斷風源方向，進而輸出控制指令至安裝于橫梁上 的驅動電機，進而通過所述驅動電機帶動橫梁跟隨風源轉動。
9.根據權利要求8所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于在所述驅動電機的輸出軸 上安裝有小齒輪，所述立柱上固定安裝有大齒輪，所述小齒輪和大齒輪相嚙合。
10.根據權利要求8所述的風力發(fā)電模擬裝置，其特征在于在所述橫梁底面上設有液 壓剎車系統(tǒng)，包括液壓缸和由其控制的抱緊器；在所述立柱上設有對橫梁旋轉角度進行檢 測的限位開關，所述限位開關輸出檢測信號到所述的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在檢測到橫梁到 達限位值時輸出控制系統(tǒng)信號至液壓缸，通過液壓缸驅動抱緊器抱緊立柱。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置，可以解決現(xiàn)有技術存在的缺少用于試驗教學的風力發(fā)電試驗裝置的問題。技術方案是一種風向跟蹤風力發(fā)電模擬裝置，包括由控制系統(tǒng)控制的風力發(fā)電系統(tǒng)和風源系統(tǒng)，所述風力發(fā)電系統(tǒng)包括一個固定立柱，立柱上面設有可繞所述立柱旋轉的橫梁，所述橫梁上設有由葉輪和發(fā)電機組成的發(fā)電機組；所述風源系統(tǒng)包括風車和風機，風車帶動風機繞所述風力發(fā)電系統(tǒng)旋轉。本發(fā)明通過實驗室裝置來模擬實際的風力發(fā)電裝置，可以實時檢測風吹來的方向，并根據現(xiàn)有的風向自動調節(jié)發(fā)電葉片迎風面的方向，使之始終朝著風吹來的方向，最大限度地將現(xiàn)有風能轉化為電能，作為教學儀器使用，填補了市場的空白。
文檔編號F03D9/00GK101839220SQ201010145068
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權日2010年4月8日
發(fā)明者金元郁 申請人:金鋼