CN106014855A - 一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置及方法，装置由塔架系统、传动系统、电机和叶轮组成，垂直安放于风场中，并使叶轮处于背风侧，风吹过支撑架主筒时会在其两侧边壁形成边界层，并于主筒后部发生边界层分离，泄放出周期性交替脱落的尾流旋涡，主筒两侧的尾流旋涡旋转方向相反，分别推动两侧叶轮以相反的方向旋转。叶轮旋转后带动主动齿轮旋转，主动齿轮再带动传动齿轮旋转，传动齿轮带动被动齿轮旋转，被动齿轮旋转后带动被动轴旋转，并将转动能传送给电机发电，实现柱体绕流旋涡的风力发电。本发明适用风速范围广，成本低廉。

Description

一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置及方法
技术领域
本发明属于新能源开发利用技术领域，具体涉及一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置及方法。
背景技术
我国是能源消费大国，随着社会经济的高速发展，能源生产增速相对落后于能源消费的增长，成为了制约国民经济发展的瓶颈。传统能源的过度开发和利用，是造成环境污染和气候变化的主要原因。正确处理好能源开发利用与环境保护的关系，是当前迫切需要解决的实际问题。
风能是极具发展前景的新型绿色能源之一，由气压梯度力产生，只要地表存在气压差，即会产生气流运动，因此相比常规能源，风能几乎取之不尽用之不竭。风力发电是指把风的动能转化为机械能，再把机械能转化为电能的发电方式。在我国海洋岛屿、东南沿海、草原牧区、高原开阔地区拥有丰富的风能资源，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆上风能储量约2.53亿kW(以陆上离地10m高度的统计数据估算)，海上风能储量约7.5亿kW。因此，发展风力发电是缓解我国能源危机的重要举措之一。
现有的风力发电装置主要借鉴水力发电的原理，利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转速度提升来进行发电。为了更好的收集风能，风车叶片往往尺寸较大，造价较高，且在低风速下几乎难以运转，影响了风力发电的连续稳定性，造成风能产生的电流难以进国家电网。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对现有风力发电装置及方法存在的不足，提供一种结构简单、性能可靠的利用柱体绕流旋涡的风力发电装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置由塔架系统、传动系统、电机和叶轮组成。塔架系统包括塔柱、支撑架、管帽。塔柱为一空心直立圆柱体，顶端外壁加工有公螺纹，底端连接电机。支撑架主筒为一直立圆筒，顶端封闭，底端内壁加工有母螺纹，支撑架主筒底端母螺纹与塔柱顶端公螺纹衔接固定。支撑架主筒上、下两端分别无缝焊接有两根呈八字形放置的水平圆管，且上、下水平圆管两两对齐，每对上、下水平圆管处于同一垂直平面且相互平行。上端每根水平圆管沿轴向开有两个开口向下的圆孔，且两根水平圆管的开孔在水平面上呈交错布置。下端每根水平圆管沿轴向开有两个开口向上的圆孔，且两根水平圆管的开孔在水平面上呈交错布置，同时上、下对齐的水平圆管的开孔也一一对齐，其圆心处于同一垂线上。水平圆管远离主筒的端部外壁加工有螺纹，并通过螺纹安装端部管帽，实现水平圆管的端部封堵。
叶轮为母线垂直的三叶片柱体，其顶端与底端端面中心加工有内凹的母螺纹，支撑架上、下水平圆管的每对开孔间安设一个叶轮。
传动系统由主动轴、传动轴、被动轴、主动齿轮、传动齿轮、被动齿轮组成。主动轴一端外壁加工有公螺纹，与叶轮端部的母螺纹衔接固定，主动轴另一端设主动齿轮，且主动齿轮所在平面与主动轴垂直，主动轴穿过主动齿轮圆心。主动齿轮与传动齿轮啮合，且主动齿轮所在平面与传动齿轮所在平面垂直。传动齿轮安装于传动轴上，传动轴位于支撑架水平圆管轴线，且传动轴穿过传动齿轮圆心。一根传动轴上安装有三个传动齿轮，除了与同侧两个叶轮端部主动齿轮啮合的两个传动齿轮外，还有一个传动齿轮安装于传动轴伸入支撑架主筒的端部。每两根呈八字形放置的支撑架水平圆筒中传动轴上的传动齿轮与主动齿轮啮合方位呈水平镜像。被动轴位于支撑架主筒轴线，被动轴上安装有两个被动齿轮，被动轴穿过被动齿轮圆心，且与被动齿轮所在平面垂直。两个被动齿轮分别与上、下水平圆管内的传动轴端部传动齿轮啮合，且被动齿轮所在平面与传动齿轮所在平面垂直。被动轴下端穿过塔柱与电机相连。
所述的支撑架八字形放置的水平圆筒之间的夹角为50°～90°。所述的主动齿轮、传动齿轮、被动齿轮均位于支撑架内部。
利用所述的利用柱体绕流旋涡的风力发电装置可以提供一种利用柱体绕流旋涡的风力发电方法，将本发明装置垂直安放于风场中，使叶轮处于背风侧，风吹过支撑架主筒时会在其两侧边壁形成边界层，并于主筒后部发生边界层分离，泄放出周期性交替脱落的尾流旋涡，主筒两侧的尾流旋涡旋转方向相反，分别推动两侧叶轮以相反的方向旋转。叶轮旋转后带动主动齿轮旋转，主动齿轮再带动传动齿轮旋转，由于每两根呈八字形放置的水平圆筒中传动轴上的传动齿轮与主动齿轮啮合方位呈水平镜像，使得两根传动轴上传动齿轮旋转方向相同。传动齿轮带动被动齿轮旋转，被动齿轮旋转后带动被动轴旋转，并将转动能传送给电机发电，实现柱体绕流旋涡的风力发电。
本发明专利由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明利用气流经过圆柱的绕流旋涡推动叶轮旋转，有效利用了尾流动能，适用的风速范围更广，且叶轮尺寸较小，节约了成本。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图
图2为本发明装置支撑架示意图
图3为本发明装置齿轮衔接示意图
图4为本发明装置叶轮与主动轴拆装示意图
图5为本发明装置电机、被动轴与被动齿轮示意图
图6为本发明装置叶轮工作示意图
其中：1、塔柱；2、支撑架；3、电机；4、叶轮；5、管帽；6、主动轴；7、传动轴；8、被动轴；9、主动齿轮；10、传动齿轮；11、被动齿轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示，一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置由塔架系统、传动系统、电机3和叶轮4组成。塔架系统包括塔柱1、支撑架2、管帽5。塔柱1为一空心直立圆柱体，顶端外壁加工有公螺纹，底端连接电机3。支撑架2主筒为一直立圆筒，顶端封闭，底端内壁加工有母螺纹，支撑架2主筒底端母螺纹与塔柱1顶端公螺纹衔接固定。支撑架2主筒上、下两端分别无缝焊接有两根呈八字形放置的水平圆管，且上、下水平圆管两两对齐，每对上、下水平圆管处于同一垂直平面且相互平行。上端每根水平圆管沿轴向开有两个开口向下的圆孔，且两根水平圆管的开孔在水平面上呈交错布置。下端每根水平圆管沿轴向开有两个开口向上的圆孔，且两根水平圆管的开孔在水平面上呈交错布置，同时上、下对齐的水平圆管的开孔也一一对齐，其圆心处于同一垂线上。水平圆管远离主筒的端部外壁加工有螺纹，并通过螺纹安装端部管帽5，实现水平圆管的端部封堵。
叶轮4为母线垂直的三叶片柱体，其顶端与底端端面中心加工有内凹的母螺纹，支撑架2上、下水平圆管的每对开孔间安设一个叶轮4。
传动系统由主动轴6、传动轴7、被动轴8、主动齿轮9、传动齿轮10、被动齿轮11组成。主动轴6一端外壁加工有公螺纹，与叶轮4端部的母螺纹衔接固定，主动轴6另一端设主动齿轮9，且主动齿轮9所在平面与主动轴6垂直，主动轴6穿过主动齿轮9圆心。主动齿轮9与传动齿轮10啮合，且主动齿轮9所在平面与传动齿轮10所在平面垂直。传动齿轮10安装于传动轴7上，传动轴7位于支撑架2水平圆管轴线，且传动轴7穿过传动齿轮10圆心。一根传动轴7上安装有三个传动齿轮10，除了与同侧两个叶轮4端部主动齿轮9啮合的两个传动齿轮10外，还有一个传动齿轮10安装于传动轴7伸入支撑架2主筒的端部。每两根呈八字形放置的支撑架2水平圆筒中传动轴7上的传动齿轮10与主动齿轮9啮合方位呈水平镜像。被动轴8位于支撑架2主筒轴线，被动轴8上安装有两个被动齿轮11，被动轴8穿过被动齿轮11圆心，且与被动齿轮11所在平面垂直。两个被动齿轮11分别与上、下水平圆管内的传动轴7端部传动齿轮10啮合，且被动齿轮11所在平面与传动齿轮10所在平面垂直。被动轴8下端穿过塔柱1与电机3相连。
所述的支撑架2八字形放置的水平圆筒之间的夹角为50°～90°。所述的主动齿轮9、传动齿轮10、被动齿轮11均位于支撑架2内部。
利用所述的利用柱体绕流旋涡的风力发电装置可以提供一种利用柱体绕流旋涡的风力发电方法，将本发明装置垂直安放于风场中，使叶轮4处于背风侧，风吹过支撑架2主筒时会在其两侧边壁形成边界层，并于主筒后部发生边界层分离，泄放出周期性交替脱落的尾流旋涡，主筒两侧的尾流旋涡旋转方向相反，分别推动两侧叶轮4以相反的方向旋转。叶轮4旋转后带动主动齿轮9旋转，主动齿轮9再带动传动齿轮10旋转，由于每两根呈八字形放置的水平圆筒中传动轴7上的传动齿轮10与主动齿轮9啮合方位呈水平镜像，使得两根传动轴7上传动齿轮10旋转方向相同。传动齿轮10带动被动齿轮11旋转，被动齿轮11旋转后带动被动轴8旋转，并将转动能传送给电机3发电，实现柱体绕流旋涡的风力发电。
实施例：
本发明装置安装时，首先将塔柱1与电机3连接，垂直放置。将安设有两个被动齿轮11的被动轴8安装于塔柱1轴线，并使被动轴8下端与电机3连接。然后，将支撑架2安装于塔柱1上端，使支撑架2主筒底端母螺纹与塔柱1顶端公螺纹衔接固定。接着，在叶轮4两端安装主动轴6，主动轴6另一端安设主动齿轮9，在支撑架2上、下水平圆管的每对开孔间安设一个叶轮4，并使主动齿轮9安设于支撑架2的水平圆管内。将安有传动齿轮10的传动轴7伸入支撑架2的水平圆管，使得其端部的传动齿轮10伸入支撑架2主筒，并与支撑架2主筒内的被动齿轮11啮合，另外两个传动齿轮10与主动齿轮9啮合。安装时，每两根呈八字形放置的水平圆筒中传动轴7上的传动齿轮10与主动齿轮9啮合方位呈水平镜像。安放完传动轴7后，在水平圆管端部用管帽5封堵。
装置安装完后，放置于风场，并使叶轮4处于背风侧。风吹过支撑架2主筒时会在其两侧边壁形成边界层，并于主筒后部发生边界层分离，泄放出周期性交替脱落的尾流旋涡，主筒两侧的尾流旋涡旋转方向相反，分别推动两侧叶轮4以相反的方向旋转。叶轮4旋转后带动主动齿轮9旋转，主动齿轮9再带动传动齿轮10旋转，由于每两根呈八字形放置的水平圆筒中传动轴7上的传动齿轮10与主动齿轮9啮合方位呈水平镜像，使得两根传动轴7上传动齿轮10旋转方向相同。传动齿轮10带动被动齿轮11旋转，被动齿轮11旋转后带动被动轴8旋转，并将转动能传送给电机3发电，实现柱体绕流旋涡的风力发电。

Claims (4)

1.一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置，其特征在于：由塔架系统、传动系统、电机(3)和叶轮(4)组成；塔架系统包括塔柱(1)、支撑架(2)、管帽(5)；塔柱(1)为一空心直立圆柱体，顶端外壁加工有公螺纹，底端连接电机(3)；支撑架(2)主筒为一直立圆筒，顶端封闭，底端内壁加工有母螺纹，支撑架(2)主筒底端母螺纹与塔柱(1)顶端公螺纹衔接固定；支撑架(2)主筒上、下两端分别无缝焊接有两根呈八字形放置的水平圆管，且上、下水平圆管两两对齐，每对上、下水平圆管处于同一垂直平面且相互平行；上端每根水平圆管沿轴向开有两个开口向下的圆孔，且两根水平圆管的开孔在水平面上呈交错布置；下端每根水平圆管沿轴向开有两个开口向上的圆孔，且两根水平圆管的开孔在水平面上呈交错布置，同时上、下对齐的水平圆管的开孔也一一对齐，其圆心处于同一垂线上；水平圆管远离主筒的端部外壁加工有螺纹，并通过螺纹安装端部管帽(5)，实现水平圆管的端部封堵；叶轮(4)为母线垂直的三叶片柱体，其顶端与底端端面中心加工有内凹的母螺纹，支撑架(2)上、下水平圆管的每对开孔间安设一个叶轮(4)；传动系统由主动轴(6)、传动轴(7)、被动轴(8)、主动齿轮(9)、传动齿轮(10)、被动齿轮(11)组成；主动轴(6)一端外壁加工有公螺纹，与叶轮(4)端部的母螺纹衔接固定，主动轴(6)另一端设主动齿轮(9)，且主动齿轮(9)所在平面与主动轴(6)垂直，主动轴(6)穿过主动齿轮(9)圆心；主动齿轮(9)与传动齿轮(10)啮合，且主动齿轮(9)所在平面与传动齿轮(10)所在平面垂直；传动齿轮(10)安装于传动轴(7)上，传动轴(7)位于支撑架(2)水平圆管轴线，且传动轴(7)穿过传动齿轮(10)圆心；一根传动轴(7)上安装有三个传动齿轮(10)，除了与同侧两个叶轮(4)端部主动齿轮(9)啮合的两个传动齿轮(10)外，还有一个传动齿轮(10)安装于传动轴(7)伸入支撑架(2)主筒的端部；每两根呈八字形放置的支撑架(2)水平圆筒中传动轴(7)上的传动齿轮(10)与主动齿轮(9)啮合方位呈水平镜像；被动轴(8)位于支撑架(2)主筒轴线，被动轴(8)上安装有两个被动齿轮(11)，被动轴(8)穿过被动齿轮(11)圆心，且与被动齿轮(11)所在平面垂直；两个被动齿轮(11)分别与上、下水平圆管内的传动轴(7)端部传动齿轮(10)啮合，且被动齿轮(11)所在平面与传动齿轮(10)所在平面垂直；被动轴(8)下端穿过塔柱(1)与电机(3)相连。
2.如权利要求1所述的一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置，其特征在于：支撑架(2)八字形放置的水平圆筒之间的夹角为50°～90°。
3.如权利要求1所述的一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置，其特征在于：主动齿轮(9)、传动齿轮(10)、被动齿轮(11)均位于支撑架(2)内部。
4.一种利用柱体绕流旋涡的风力发电方法，采用如权利要求1所述的一种利用柱体绕流旋涡的风力发电装置，其特征在于：将装置垂直安放于风场中，使叶轮(4)处于背风侧，风吹过支撑架(2)主筒时会在其两侧边壁形成边界层，并于主筒后部发生边界层分离，泄放出周期性交替脱落的尾流旋涡，主筒两侧的尾流旋涡旋转方向相反，分别推动两侧叶轮(4)以相反的方向旋转；叶轮(4)旋转后带动主动齿轮(9)旋转，主动齿轮(9)再带动传动齿轮(10)旋转，由于每两根呈八字形放置的水平圆筒中传动轴(7)上的传动齿轮(10)与主动齿轮(9)啮合方位呈水平镜像，使得两根传动轴(7)上传动齿轮(10)旋转方向相同；传动齿轮(10)带动被动齿轮(11)旋转，被动齿轮(11)旋转后带动被动轴(8)旋转，并将转动能传送给电机(3)发电，实现柱体绕流旋涡的风力发电。
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