CN105024586A - 一种振动型风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种振动型风力发电系统，目前的旋转风轮风力机对生物和环境不友好、风能利用效率接近于极限、结构复杂、制造和维护成本高。本发明提供了一种振动型风力发电系统，由振动发生器、阻尼片组、弹性支撑结构体、压电材料模块、合成纤维绳索和弹簧阻尼稳定器组成，其特征在于：振动发生器为空心壳体，阻尼片组固定在振动发生器的内壁面，弹性支撑结构体位于振动发生器下方，为振动发生器提供支撑，压电材料模块紧固并包围着弹性支撑结构体的外壁面，合成纤维绳索上端固定在振动发生器上，下端与弹簧阻尼稳定器连接，且留有一定的长度余量。本发明避免了旋转风轮对生物和环境的影响、风能利用效率高、实施简单、适合于在人口稠密地区使用。

Description

一种振动型风力发电系统
技术领域
本发明涉及一种振动型风力发电系统，属于风力发电机设计和应用领域。
背景技术
风力发电是一种清洁的可再生能源，储量非常巨大，在未来世界能源格局中将占有重要的位置。当前大型水平轴风力机在商业上被广泛接受，也日趋发展完善，其工作原理是：气流作用于风轮上，产生空气动力载荷驱动风轮旋转，带动发电机产生电流。但是水平轴风力机构造较为复杂，旋转风轮尺寸大，发电机组放置塔架顶端，导致机组的倾覆力矩大，且随着机组的大型化发展，对机舱、塔架和偏航机构的要求也越来越高，导致发电成本较高，性能提升也接近于极限，难以在与火电、核电等传统能源的竞争中取得优势，严重制约了风电可持续发展。此外，水平轴风力机对生物和环境也带来诸多不利影响，据统计每年大约有60万只鸟类死于风力机的旋转风轮之下，噪声和视觉污染也带来了极大困扰，风电场附近居民对风力机产生大噪声烦扰、光影闪动、视觉疲劳等的投诉和申告也越来越多，极大地制约了此类系统在人口稠密地区的推广使用。因此，作为目前水平轴风力机的补充或替代，研究并提出新型的风力发电系统的原理和构型，致力于降低发电成本、减轻对生物和环境影响、降低制造和维护成本，是目前风力机研究的重要方向。
围绕降低风力发电成本和提升风力机性能的目标，国内外学者开展了一列卓有成效的研究工作，提出了众多的大型风力发电系统的新原理和新构型，典型方案包括：阻力式垂直轴风力机、达里厄式垂直轴风力机、马格努斯效应风力机、双风轮或多风轮风力机、风能/太阳能集成式风力机等多个类型，还存在众多的交叉和延伸设计方案，但这些风力机系统依然保有传统的旋转风轮，难以大幅提升风力机的效能，也无法从根本上克服对环境和生物的影响。对于无风轮风力发电系统，荷兰代尔夫特大学提出了格栅风力发电机，它依赖静电转换技术，当风中的正电荷粒子穿过格栅导线便会产生电流，但是由于空气密度相对较小，效率很低。美国专利“Wind turbine for generation of electric power”美国专利号：US7695242将旋转风轮隐藏，通过设置了多层相互独立且带有众多小翼的圆盘，气流推动圆盘旋转带动发电机发电，但考虑到流体的边界层效应，气流通过如此复杂结构的效率较低。振动型发电系统近来也得到了较多关注，Arms等人提出一种为无线发射器供电的微型发电装置，该系统是由质量块和双压电片悬臂梁组成，悬臂梁的自由端质量块能确保与环境振动处于共振状态，由材料压电效应产生电力。美国德克萨斯州大学的电子工程师发明了一种微型风力发电系统，风车周长大约为10cm，它附在一个凸轮上，当凸轮旋转时可使压电晶体变形发电，微风时便可以产生7.5mW的电能。
综上所述，振动型发电机系统目前仅在微小型发电系统中得到应用，但其结构简单，效率较高，通过与高效的风力收集装置合理整合，将有广阔的应用前景。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
目前主流的旋转风轮风力机对生物和环境不友好、风能利用效率接近极限、结构复杂、制造和维护成本高等缺点。
2、技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种振动型风力发电系统，由振动发生器、阻尼片组、弹性支撑结构体、压电材料模块、合成纤维绳索和弹簧阻尼稳定器组成，其特征在于：振动发生器为空心壳体，阻尼片组固定在振动发生器的内壁面，弹性支撑结构体位于振动发生器下方，为振动发生器提供支撑，压电材料模块紧固并包围着弹性支撑结构体的外壁面，合成纤维绳索上端固定在振动发生器上，下端与弹簧阻尼稳定器连接，且留有一定的长度余量。
所述振动发生器振幅在允许的最大偏离角范围内为小阻尼运动，最大偏离角为30度，偏离角的定义为振动发生器中线与铅垂方向的夹角。
所述振动发生器为圆台形的刚性空心壳体。
弹性支撑结构体为复合材料的圆柱体结构。
所述压电材料模块的高度为整个弹性支撑结构体的60％～90％。
所述压电材料模块垂直方向上位于弹性支撑结构体的中间。
所述阻尼片组是由十六个块状阻尼片构成的矩阵，在水平方向上分为四列，在垂直方向上布置为等距的四层。
所述阻尼片组的阻尼片在水平方向上按90°方位角间隔均匀布置在振动发生器1内壁面上。
所述弹簧阻尼稳定器是由单个或多个高强度弹簧组成。
3、有益效果：
与目前的水平轴大型风力发电机以及其他新构型风力发电系统相比，本发明的风力发电系统避免了旋转风轮对生物和环境的影响、风能利用效率高、实施简单、适合于在人口稠密地区使用。同时本发明的技术原理清晰，有可靠科学理论支撑，且随着压电材料的性能改进，有更加明显的技术优势和广阔的发展前景。
附图说明
图1是振动型风力发电系统的结构示意图。
图2是图1中AA剖面的俯视示意图。
图3是图1中BB剖面的俯视示意图。
其中1.振动发生器；2.阻尼片组；3.弹性支撑结构体；4.压电材料模块；6.变流器；7.合成纤维绳索；8.弹簧阻尼稳定器。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的振动电力发电系统的结构，由振动发生器1、阻尼片组2、弹性支撑结构体3、压电材料模块4、合成纤维绳索7和弹簧阻尼稳定器8组成。
依据气流对柱体作用的空气动力学原理，使振动发生器1产生周期性振动，并采用阻尼片组2对振动实施有效控制，由此带压电材料模块4变形运动，由材料的压电效应产生电流，再经由变流传后传递给电网或储能设备。同时，为了保证系统在极端情况下的安全性，采用合成纤维绳索7和弹簧阻尼稳定器8来组成的安全保障装置。
如图2所示，所述阻尼片组2是由十六个块状阻尼片构成的矩阵，在水平方向上分为四列，在垂直方向上布置为等距的四层。所述阻尼片组2的阻尼片在水平方向上按90°方位角间隔均匀布置在振动发生器1内壁面上。其作用是控制振动发生器与外界激励频率最佳匹配，实现对振幅和频率控制；同时，系统上层结构的振动也带动了弹性结构体和压电材料模块发生大幅度的变形运动。
弹性支撑结构体3为复合材料的圆柱体结构，为上部分结构提供支撑。
如图3所示，压电材料模块4同样为柔性部件，紧固并包围着弹性支撑结构体3的外壁面，高度为整个弹性支撑结构体3的60％～90％，垂直方向上位于弹性支撑结构体3的中间，由压电材料的压电效应产生电流，再经由变流器6变流传后传递给电网或储能设备。
系统的安全和稳定性保障装置是由合成纤维绳索7和弹簧阻尼稳定器8构成，合成纤维绳索7上端固定在振动发生器1上，下端与弹簧阻尼稳定器8连接，且留有一定的长度余量。以保证振动发生器振幅在允许的最大偏离角范围内为小阻尼运动；最大偏离角为30°，偏离角定义为振动发生器1中线与铅垂方向的夹角。
弹簧阻尼稳定器8是由单个或多个高强度弹簧组成，在振动发生器振幅大于最大偏离角时，急剧增大阻尼，保证系统在极端倾覆力矩下的安全性。
本发明的振动型风力发电系统与目前的水平轴大型风力发电机以及其他新构型风力发电系统相比，避免了旋转风轮对生物和环境的影响、风能利用效率高、实施简单、适合于在人口稠密地区使用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (9)

1.一种振动型风力发电系统，由振动发生器(1)、阻尼片组(2)、弹性支撑结构体(3)、压电材料模块(4)、合成纤维绳索(7)和弹簧阻尼稳定器(8)组成，其特征在于：振动发生器(1)为空心壳体，阻尼片组(2)固定在振动发生器(1)的内壁面，弹性支撑结构体(3)位于振动发生器(1)下方，为振动发生器(1)提供支撑，压电材料模块(4)紧固并包围着弹性支撑结构体的外壁面，合成纤维绳索(7)上端固定在振动发生器(1)上，下端与弹簧阻尼稳定器(8)连接，且留有一定的长度余量。
2.如权利要求1所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述振动发生器为圆台形的刚性空心壳体。
3.如权利要求1所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述振动发生器(1)振幅在允许的最大偏离角范围内为小阻尼运动，最大偏离角为30°，偏离角的定义为振动发生器中线与铅垂方向的夹角。
4.如权利要求1所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述弹性支撑结构体(3)为复合材料的圆柱体结构。
5.如权利要求1-4任一权利要求所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述压电材料模块(4)的高度为整个弹性支撑结构体(3)的60％～90％。
6.如权利要求5所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述压电材料模块垂直方向上位于弹性支撑结构体(3)的中间。
7.如权利要求1-4任一权利要求所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述阻尼片组(2)是由十六个块状阻尼片构成的矩阵，在水平方向上分为四列，在垂直方向上布置为等距的四层。
8.如权利要求7所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述阻尼片组(2)的阻尼片在水平方向上按90°方位角间隔均匀布置在振动发生器(1)内壁面上。
9.如权利要求1-4任一权利要求所述的振动型风力发电系统，其特征在于：所述弹簧阻尼稳定器(8)是由单个或多个高强度弹簧组成。
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