CN106907299B - 一种无叶片的风力发电机装置 - Google Patents

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Abstract

一种无叶片的风力发电机装置。它主要是解决现有风力发电机因使用叶片所带来的影响等技术问题。其技术方案要点是所述风塔（1）通过球形铰接Ⅰ（2）固定在上支座（3）上，动磁铁盘（4）固定在风塔（1）上，定磁铁盘（5）固定在中支座（6）上与动磁铁盘（4）表面相对，且定磁铁盘（5）与动磁铁盘（4）相对表面的磁极相同；风塔（1）通过球形铰接Ⅱ（7）与连杆（8）相连接，连杆（8）通过球形铰接Ⅲ（9）与动子（10）相连，定子（11）固定在下支座（12）上，动子（10）仅能在定子（11）中上下移动。本发明结构简单、紧凑，无噪音，无视觉污染，制造维护方便，性价比高，占地面积小等优点。

Description

一种无叶片的风力发电机装置
技术领域
本发明属于风能发电技术领域，特别是涉及一种无叶片的风力发电机装置。
背景技术
风能作为一种可再生且无污染的能源，已受到世界各国的高度重视。利用风能进行发电是目前风能利用的主要方式，传统风能发电的基本原理是风力作用在风轮的叶片上，从而带动风轮旋转，再通过增速器将旋转速度提升，然后驱动发电机发电。
对于传统风力发电机来说，叶片是风力机的关键核心部件，其中水平轴风力机的叶片一般为2至4片。风力机发电量的多少很大程度上取决于叶片的尺寸，叶片尺寸越大，则风力机接收到的风能就越多，其发电量也就相应地增大，如1.5MW风力机叶片的长度约为35-40米，其风轮直径则可达到80米左右，因此传统风力发电机的土地占用率非常高。
风力机一般安装在山顶或宽敞的平原、山林等风速比较大的区域，而这些区域往往也是鸟类聚集或候鸟迁徙的地方，当风轮旋转时，风轮叶片所扫过的面积将直接影响到鸟类的飞行，甚至会造成鸟类死亡，因此传统风力发电机会给自然生态环境带来很大的影响。
由于风力机叶片与其机舱均安装在铁塔的顶端，而铁塔的高度约为风轮直径的3/4甚至为1:1，这意味着叶片及其机舱的安装需要启用大型机械吊装设备，为了使大型机械吊装设备能够进入到风力机的安装现场，有时需要修建辅路，因此传统风力发电机的安装会破坏风力机安装地的植被、局部改变地形地貌，甚至严重时会造成水土流失等，同时铁塔的高度太高，也会给风力机的维修保养带来很多不便。
同时因叶片的旋转和增速器的使用，会给传统风力发电机安装地造成噪音和视觉污染，不便于在生活区安装。
另一方面，目前风力充足的大型风场基本上已被传统风力发电机所占用，而对于中小型风力的风场，因传统风力发电机的造价成本太高而没有使用，相比大型风场来说，中小型风力的风场区域更广阔，如何利用好中小型风场的风力资源，对于风力发电机来说是一个新的挑战。
基于上述原因，本发明提供一种无叶片的风力发电机装置，它能够克服传统风力发电机的缺点，并能很好地利用风力资源，为风力发电机的安装和开发提供一条新的思路。
发明内容
为了克服传统风力发电机因使用叶片所带来的问题，本发明提供一种结构简单且无叶片的风力发电机装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括风塔1、球形铰接Ⅰ2、上支座3、动磁铁盘4、定磁铁盘5、中支座6、球形铰接Ⅱ7、连杆8、球形铰接Ⅲ9、动子10、定子11和下支座12；所述风塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上支座3上，且风塔1仅能绕上支座3偏转而不能绕风塔1的纵向轴线旋转；动磁铁盘4固定在风塔1上，且能随风塔1发生偏转；定磁铁盘5固定在中支座6上与动磁铁盘4表面相对，且定磁铁盘5与动磁铁盘4相对表面的磁极相同；风塔1通过球形铰接Ⅱ7与连杆8相连接，连杆8只能绕球形铰接Ⅱ7偏转而不能绕连杆8本身的纵向轴线旋转；连杆8通过球形铰接Ⅲ9与动子10相连，动子10只能绕球形铰接Ⅲ9发生偏转而不能绕动子10本身的纵向轴线旋转；定子11固定在下支座12上，动子10仅能在定子11中上下移动。
风塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上支座3上，当风塔1在风力和周期性卡门涡街横向交变力作用下发生周期性偏转时，通过连杆8带动动子10在定子11中上下运动，实现磁力线的切割，从而进行发电，使风塔1获取到的风能转换成了电能。风塔1周期性偏转的频率决定了动子10在定子11中上下运动的快慢即磁力线切割的快慢，风塔1偏转的角度决定着动子10上下运动的移动量磁力线切割的多少，因此当风力增大时，风塔1发生周期性偏转的频率和角度均会增大，带动动子10上下运动的频率和移动量均增大即磁力线切割增快、磁力线切割的量增大，从而使发电量也就增大。
在风力和周期性卡门涡街横向交变力的作用下，使风塔1产生一定频率的振动，由于风塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上支座3上，当风塔1振动时，风塔1只能绕上支座3发生偏转，如从其位置O偏转到位置R，再从位置R返回到位置O；然后再从位置O偏转到位置L，又从位置L返回到位置O，如此循环往复下去。风塔1振动的频率决定着风塔1偏转的快慢；风塔1振动的幅值决定着风塔1发生偏转时的角度。
风塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上支座3上，又通过球形铰接Ⅱ7与连杆8相连，连杆8再通过球形铰接Ⅲ9与定子10相连，其中球形铰接连接的零部件结构均只能发生偏转，而不能绕其自身纵向轴线旋转，使用球形铰接连通相关零部件结构的目的，就是当本发明所述的风力发电装置在安装后，风塔1能够接收到来自任何方向的风力，并在与风力相对应的方向发生偏转，也就是说本发明所述的风力发电机装置没有安装方位的限制。
由风塔1、动磁铁盘4、定磁铁盘5构成了本发明中的风能接收装置，且风塔1为轻质细长的圆锥筒形结构；由动子10和定子11构成了本发明中的发电装置，同时本发明中的风能接收装置通过连杆8与本发明所述发电装置相连，其目的就是为了简化风能向电能转换过程中的中间环节，有利于减少能量转换过程中的能量损耗，提高能量转换效率。
动磁铁盘4直接固定在风塔1上，能够随风塔1的偏转而发生相对应的偏转；定磁铁盘5固定在中支座6上，动磁铁盘4与定磁铁盘5相对表面之间处于平行状态，且其相对表面的磁极相同、外径也相同，其目的是一方面当动磁铁盘4随风塔1发生一定角度的偏转时，打破了动磁铁盘4与定磁铁盘5相对表面之间的平行状态，使得动磁铁盘4与定磁铁盘5相对表面之间一侧的距离缩短，另一侧的距离增大，从而引起距离缩短一侧的排斥力增大，迫使动磁铁盘4向相反方向偏转，即迫使风塔1恢复到其原来的位置；另一方面风塔1的偏转角度会随风速的增加而增大，然而动磁铁盘4与定磁铁盘5之间的距离和外径会限制动磁铁盘4发生偏转的最大偏转角，也就是限制了风塔1发生偏转时的最大偏转角度，这意味着在风塔1结构尺寸一定的情况下，也就限制了本发明所述风力发电机装置所能承受的最大风速；动磁铁盘4与定磁铁盘5之间相对表面的磁极相同，它能够保证风塔1的振动中心始终位于本发明所述风力发电机装置的中心轴线上。
定子11固定在下支座12上，动子10可在定子11的中间上下运动，其中动子10和定子11均为圆柱形结构，通过动子10在定子11中的上下运动，使磁力线进行切割，实现动子10与定子11所构成直线型发电装置的发电。
当风作用在风塔1时，由于卡门涡街原理，会对风塔1产生一个周期性的交变横向力，使风塔1产生一定频率的振动，风塔1的固有频率会随风速一定范围内的变化而变化，并使风塔1固有频率与周期性卡门涡街横向作用力的频率相接近，其目的在于一方面周期性卡门涡街横向作用力的频率与风速成正比，另一方面当风塔1的固有频率与周期性卡门涡街横向作用力的频率接近时，会使风塔1产生共振，即风塔1在给定风速下可产生最大的偏转角，并驱使动子10在定子11中上下运动的移动量也达到最大，即磁力线切割的量也增大，从而使本发明中所述发电装置的发电量也达到最大值。
风塔1通过连杆8直接驱动动子10在定子11中上下运动，当风塔1从位置O转向位置R时，动子10从其最下端上升到最高极限位置，当风塔1从位置R返回到位置O时，动子10也从其最高极限位置回到其下端，即动子10在定子11中完成一个上下运动循环；当风塔1继续从位置O转向位置L时，动子10又从其下端提升到最高的极限位置，当风塔1又从位置L返回到位置O时，动子10再从其最高极限位置回到其下端位置，即动子10在定子11又完成一个上下运动循环，因此当风塔1完成一个周期的振动，动子10在定子11要完成上下运动两次，即本发明所述的风力发电机装置能够对风塔1的振动频率起到放大两倍的作用，有利于提高风能向电能转换的效率。
本发明的有益效果是：采用本文发明的一种无叶片的风力发电机装置，由于采用风塔取代了传统风力发电机中的叶片来获取风能，且风塔是一个轻质细长圆锥筒形结构，从而使本发明所述的风力发电机的土地占用率大大地降低，不需要采用大型的机械吊装设备，因此其对安装区域的植被不会破坏。
由于没有旋转的叶轮和增速器，不会对其周边产生噪声和视觉污染，更不会影响到候鸟的迁徙和聚集，能够安装在生活区或人口聚集的区域。
由于无齿轮传动等运动部件，其结构简单、紧凑，且其主要的零部件均安装在装置的下端，从而给整体风力发电机装置的维修、保养和养护带来便利。
在风塔振动一次即完成偏转的一个周期内，动子在定子内要上下运动两次，从而可以对风塔的振动频率起到放大两倍的作用。
所述的一种无叶片的风力发电机装置的结构简单、零部件少，从而可以大大地降低风力发电机的制造和安装成本，其性价比得到提高。
附图说明
图1是本发明的风塔位于位置O时机构示意图。
图2是风塔位于位置R时的结构示意图。
图3是风塔位于位置L时的结构示意图。
图中1-风塔，2-球形铰接Ⅰ，3-上支座，4-动磁铁盘，5-定磁铁盘，6-中支座，7-球形铰接Ⅱ，8-连杆，9-球形铰接Ⅲ，10-动子，11-定子，12-下支座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1，本发明包括风塔1、球形铰接Ⅰ2、上支座3、动磁铁盘4、定磁铁盘5、中支座6、球形铰接Ⅱ7、连杆8、球形铰接Ⅲ9、动子10、定子11和下支座12；所述风塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上支座3上，且风塔1仅能绕上支座3偏转而不能绕风塔1的纵向轴线旋转；动磁铁盘4固定在风塔1上，且能随风塔1发生偏转；定磁铁盘5固定在中支座6上与动磁铁盘4表面相对，且定磁铁盘5与动磁铁盘4相对表面的磁极相同；风塔1通过球形铰接Ⅱ7与连杆8相连接，连杆8只能绕球形铰接Ⅱ7偏转而不能绕连杆8本身的纵向轴线旋转；连杆8通过球形铰接Ⅲ9与动子10相连，动子10只能绕球形铰接Ⅲ9发生偏转而不能绕动子10本身的纵向轴线旋转；定子11固定在下支座12上，动子10仅能在定子11中上下移动而不能绕其自身的纵向轴线旋转。参阅图1至图3。
实施例2，由风塔1、动磁铁盘4、定磁铁盘5构成了本发明中的风能接收装置，且风塔1为轻质细长的圆锥筒形结构；由动子10和定子11构成了本发明中的发电装置，同时本发明中的风能接收装置通过连杆8与本发明所述发电装置相连。参阅图1至图3，其余同实施例1。
实施例3，动磁铁盘4直接固定在风塔1上，能够随风塔1的偏转而发生相对应的偏转；定磁铁盘5固定在中支座6上，动磁铁盘4与定磁铁盘5相对表面之间处于平行状态，且其相对表面的磁极相同、外径也相同。参阅图1至图3，其余同上述实施例。
实施例4，定子11固定在下支座12上，动子10可在定子11的中间上下运动，其中动子10和定子11均为圆柱形结构，通过动子10在定子11中的上下运动，使磁力线进行切割，实现动子10与定子11所构成直线型发电装置的发电。参阅图1至图3，其余同上述实施例。
实施例5，当风作用在风塔1时，由于卡门涡街原理，会对风塔1产生一个周期性的交变横向力，使风塔1产生一定频率的振动，风塔1的固有频率会随风速一定范围内的变化而变化，并使风塔1固有频率与周期性卡门涡街横向作用力的频率相接近。参阅图1至图3，其余同上述实施例。
实施例6，风塔1通过连杆8直接驱动动子10在定子11中上下运动，当风塔1从位置O转向位置R时，动子10从其最下端上升到最高极限位置，当风塔1从位置R返回到位置O时，动子10也从其最高极限位置回到其下端，即动子10在定子11中完成一个上下运动循环；当风塔1继续从位置O转向位置L时，动子10又从其下端提升到最高的极限位置，当风塔1又从位置L返回到位置O时，动子10再从其最高极限位置回到其下端位置，即动子10在定子11又完成一个上下运动循环，因此当风塔1完成一个周期的振动，动子10在定子11要完成上下运动两次。参阅图1至图3，其余同上述实施例。
实施例7，本发明的工作过程如下：当满足一定条件的定常风绕过风塔1时，在风塔1两侧会周期性脱落出旋转方向相反、并排成有规则的双列线涡即卡门涡街，当卡门涡街出现后，风会对风塔1产生一个周期性的交变横向作用力，当作用力的频率与风塔1的固有频率接近时，引起风塔1产生共振，并使风塔1产生最大的振幅即最大的偏转角，从而使风塔1获取到了最大的机械能。当风塔1获取到的机械能通过连杆8传递到动子10时，带动动子10在定子11中上下运动，实现磁力线的切割，从而完成风能向电能的转换。风塔1的振动频率决定着动子10在定子11中上下运动的快慢，风塔1的振动幅值即偏转角决定着动子10在定子11中上下运动的移动量，且风塔1完成一个周期的振动，动子10在定子11中要完成两次上下运动，即动子10的上下运动频率是风塔1振动频率的两倍，如图2、图3所示。
由于风塔1是一个轻质细长的圆锥筒形结构，依据流体力学理论，对于圆柱绕流，因卡门涡街的单涡频率与风速成正比，即风速越大，则风塔1获取到的频率也会增大。因风塔1具有自动调节其固有频率特性，当风速增大时，风塔1自身的固有频率也会相应在进行调整，并使风塔1发生共振，确保风塔1的振幅最大化即产生最大的偏转角，从而保证当风速变化时，风塔1能够最大限度地获取到最大的机械能，实现发电量的最大化。
如图2所示，在风力和卡门涡街横向交变作用力的作用下，风塔1产生偏转，即从位置O偏转到其右侧的最大位置即位置R，风塔1通过连杆8带动动子10上升到其最大的极限位置，此时因风塔1的偏转带动动磁铁盘4也相应地发生偏转，使得动磁铁盘4与定磁铁盘5之间相对表面在右侧的距离缩短、左侧的距离增大，因动磁铁盘4与定磁铁盘5之间相对表面的磁极相同，其右侧距离的缩短会增大磁极之间的排斥力，迫使动磁铁盘4向相反方向偏转，带动风塔1从其位置R返回到位置O，相应地动子10也回到了其最初的状态，其相反的情况即从位置O转向位置L、又从位置L返回到位置O的情况如图3所示。因动磁铁盘4与定磁铁盘5之间相对表面的磁极相同，它一方面可以保证风塔1的振动中心始终位于本发明所述风力发电机装置的中心轴线上，另一方面当风塔1在风力作用下产生共振时，可以保证风塔1仅在一个周期内产生共振，而不会使风塔1产生共振时最大振幅在周期之间的叠加，确保了本发明所述风力发电机装置的使用安全。参阅图1至图3，其余同上述实施例。

Claims (6)

1.一种无叶片的风力发电机装置，其特征是：包括风塔（1）、球形铰接Ⅰ（2）、上支座（3）、动磁铁盘（4）、定磁铁盘（5）、中支座（6）、球形铰接Ⅱ（7）、连杆（8）、球形铰接Ⅲ（9）、动子（10）、定子（11）和下支座（12）；所述风塔（1）通过球形铰接Ⅰ（2）固定在上支座（3）上，且风塔（1）仅能绕上支座（3）偏转而不能绕风塔（1）的纵向轴线旋转；动磁铁盘（4）固定在风塔（1）上，且能随风塔（1）发生偏转；定磁铁盘（5）固定在中支座（6）上与动磁铁盘（4）表面相对，且定磁铁盘（5）与动磁铁盘（4）相对表面的磁极相同；风塔（1）通过球形铰接Ⅱ（7）与连杆（8）相连接，连杆（8）只能绕球形铰接Ⅱ（7）偏转而不能绕连杆（8）本身的纵向轴线旋转；连杆（8）通过球形铰接Ⅲ（9）与动子（10）相连，动子（10）只能绕球形铰接Ⅲ（9）发生偏转而不能绕动子（10）本身的纵向轴线旋转；定子（11）固定在下支座（12）上，动子（10）仅能在定子（11）中上下移动。
2.根据权利要求1所述的无叶片的风力发电机装置，其特征是：由风塔（1）、动磁铁盘（4）、定磁铁盘（5）构成了本发明中的风能接收装置，且风塔（1）为轻质细长的圆锥筒形结构；由动子（10）和定子（11）构成了本发明中的发电装置，同时本发明中的风能接收装置通过连杆（8）与本发明所述发电装置相连。
3.根据权利要求1所述的无叶片的风力发电机装置，其特征是：动磁铁盘（4）直接固定在风塔（1）上，能够随风塔（1）的偏转而发生相对应的偏转；定磁铁盘（5）固定在中支座（6）上，动磁铁盘（4）与定磁铁盘（5）相对表面之间处于平行状态，且其相对表面的磁极相同、外径也相同。
4.根据权利要求1所述的无叶片的风力发电机装置，其特征是：定子（11）固定在下支座（12）上，动子（10）可在定子（11）的中间上下运动，其中动子（10）和定子（11）均为圆柱形结构，通过动子（10）在定子（11）中的上下运动，使磁力线进行切割，实现动子（10）与定子（11）所构成直线型发电装置的发电。
5.根据权利要求1所述的无叶片的风力发电机装置，其特征是：当风作用在风塔（1）时，由于卡门涡街原理，会对风塔（1）产生一个周期性的交变横向力，使风塔（1）产生一定频率的振动，风塔（1）的固有频率会随风速一定范围内的变化而变化，并使风塔（1）固有频率与周期性卡门涡街横向作用力的频率相接近。
6.根据权利要求1所述的无叶片的风力发电机装置，其特征是：风塔（1）通过连杆（8）直接驱动动子（10）在定子（11）中上下运动，当风塔（1）从位置O转向位置R时，动子（10）从其最下端上升到最高极限位置，当风塔（1）从位置R返回到位置O时，动子（10）也从其最高极限位置回到其下端，即动子（10）在定子（11）中完成一个上下运动循环；当风塔（1）继续从位置O转向位置L时，动子（10）又从其下端提升到最高的极限位置，当风塔（1）又从位置L返回到位置O时，动子（10）再从其最高极限位置回到其下端位置，即动子（10）在定子（11）又完成一个上下运动循环，因此当风塔（1）完成一个周期的振动，动子（10）在定子（11）要完成上下运动两次。
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