CN107061170A - 无叶片风力发电机 - Google Patents

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何聂
谢桂兰
王晓雅
王丹青
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Abstract

一种无叶片风力发电机。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。其技术方案要点是包括锥形风塔（1）、连接盘（2）、永久磁铁上盘（3）、永久磁铁盘（4）、连接支撑（9）、能量转换装置（8）、增速器（5）、发电机（6）和支座（7）；所述锥形风塔（1）一端固定连接连接盘（2），通过连接盘（2）与连接盘（2）上的永久磁铁上盘（3）连接形成一个整体，所述支座（7）上设有发电机（6），增速器（5）一端连接发电机（6），另一端连接能量转换装置（8），所述能量转换装置（8）通过连接支撑（9）与锥形风塔（1）连接。本发明结构简单，制造维护方便，制造成本低，无噪音，能保护自然的生态环境等优点。

Description

无叶片风力发电机
技术领域
本发明属于风能发电技术领域，特别是涉及一种没有叶片的风力发电机。
背景技术
风能是一种可再生的、无污染的自然能源，其蕴量巨大，已受到世界各国的高度重视，如2002-2015年间，全球风电装机容量从17.4GW 发展到432.9GW，增加约23倍。风力发电的基本原理是利用风力带动风轮叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提升，然后促使发电机发电。
风力发电所需要的装置，称为风力发电机组，其主要包括风轮、发电机、铁塔，以及尾舵等，根据风轮旋转轴的安装方式可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，其中水平轴风力发电机的叶片一般为2-4片，且随着风力发电机输出功率的增大，叶片的尺寸也会相应地增大，如1.5MW风力发电机的叶片长度约为35-40米，其风轮直径则达到80-100米，其铁塔的高度也要达到80-100米左右，因此水平轴风力机的土地占地率高。
由于风力发电机一般安装在山顶或宽敞的平原、山林等风力比较大的区域，这些区域往往也是鸟类聚集或候鸟迁徙的地方，因此安装的风力发电机会影响到鸟类的迁徙，对自然生态环境具有较大的影响。同时由于风力发电机的安装需要用到大型长臂的机械吊装设备，则在其安装过程中，会破坏当地的植被、局部改变地形地貌，甚至严重时会造成水土流失等。
为了捕捉到更大的风能，需要增大风力发电机的叶片尺寸，而叶片尺寸的增大会给其运输、安装带来更大的困难，目前风力发电机叶片的成本约占其总成本的25-30%，如2MW风力机叶片的成本约为1100万元左右。同时目前制造叶片的材料一般采用玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂等，当叶片退役后，若处理不当则会给环境造成二次污染。
为了得到平稳的风速，风力发电机的铁塔高度一般均大于10米以上，且随着风力发电机输出功率的增大，其铁塔的高度也会增大，约为风轮直径的3／4左右，有时会接近1:1，同时风力发电机的运转部分一般均安装在铁塔的顶部，这意味着对风力发电机的维修也是非常不方便。
发明内容
为了克服风力发电机因使用叶片所带来的问题，本发明提供了一种结构简单且无叶片的风力发电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括锥形风塔1、连接盘2、永久磁铁上盘3、永久磁铁盘4、连接支撑9、能量转换装置8、增速器5、发电机6和支座7；所述锥形风塔1一端固定连接连接盘2，通过连接盘2与连接盘2上的永久磁铁上盘3连接形成一个整体，所述支座7上设有发电机6，增速器5一端连接发电机6，另一端连接能量转换装置8，所述能量转换装置8上设有永久磁铁盘4，所述永久磁铁上盘3通过连接支撑9与永久磁铁盘4连接，且永久磁铁上盘3与永久磁铁盘4相对面的磁极相斥。
本发明的锥形风塔1、连接支撑9和能量转换装置8连接在一起形成一个整体；当风作用在锥形风塔1时，由于卡门涡街原理，会对锥形风塔1产生一个周期性的交变横向力，从而引起锥形风塔1产生周期性的振动，锥形风塔1得到的振动频率和振幅通过连接支撑9传递到能量转换装置8，从而实现锥形风塔1所获取风能的传递与转变。
本发明的永久磁铁上盘3固定在连接盘2上，永久磁铁盘4固定在能量转换装置8的外端，永久磁铁上盘3和永久磁铁盘4相对的平面保持平行，且永久磁铁上盘3与永久磁铁盘4相对平面的磁极相斥；当锥形风塔1在风的作用下产生偏转时，永久磁铁上盘3相应地也产生偏转，而永久磁铁盘4保持不动，因此永久磁铁上盘3和永久磁铁盘4相对的平面之间不再保持平行，距离短的一侧产生的斥力会大于距离大的一侧，迫使永久磁铁上盘3恢复与永久磁铁盘4之间的平行状态，从而带动锥形风塔1向相反方向摆动，从而使锥形风塔1在风的作用下产生一个周期性的振动；同时两者之间斥力的存在，也可确保锥形风塔1产生共振时，其振幅不能无限地叠加增大。
本发明的锥形风塔1为一个锥形中空结构，锥形风塔1的固有频率会随着风速所产生的交变横向作用力的频率变化而变化，且锥形风塔1的固定频率与交变作用力的频率接近，从而使锥形风塔1能够获取更大的机械能。
本发明的能量转换装置8一端连接连接支撑9，另一端连接增速器5，所述能量转换装置8为液压式机械能转换装置；能量转换装置8的作用是将锥形风塔1获取的机械能通过连接支撑9传递给能量转换装置8后，并将获取的机械能转换成动能，然后再传递给增速器。
本发明的增速器5一端连接能量转换装置8，另一端连接发电机6；当能量转换装置8将锥形风塔1获取的机械能转变成动能后，增速器5将能量转换装置8输出的旋转速度进行增速，并传送给发电机发电。
本发明的发电机6的上端连接增速器5，其下端连接支座7，并通过支座7固定在地面上，所述发电机5接收增速器5输出的旋转速度，实现其发电的功能。
本发明的有益效果是：采用本文发明的无叶片风力发电机，由于采用锥形风塔了取代了传统风力发电机中的叶片来获取风能，且锥形风塔属于细长杆结构，从而使风力发电机的土地占用率大大地降低，对其安装区域的植被破坏少，不会影响到候鸟的迁徙和聚集，也不会对周边产生噪声污染。
本文所述的无叶片风力发电机，由于其增速器和发电机安装在风力发电机的下端且接近地面处，且锥形风塔为一个轻质的薄壁圆锥形结构，因此在其安装时不需要用到大型长臂的吊装设备；同时因为其运动零部件均安装在下端，也给运动零部件的维修与维护带来便利。
另一方面，锥形风塔的振动频率与风速成正比，且其振幅也会随风速的增加而增大，这在很大程度上扩宽了风力发电机的运行风速范围，从而有利于提高风能的利用效率和发电量。
最后由于本文所述的无叶片风力发电机的结构简单，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是本发明的结构示意图。
图中1-锥形风塔，2-连接盘，3-永久磁铁上盘，4-永久磁铁盘，5-前增速器，6-发电机，7-支座，8-能量转换装置，9-连接支撑。
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，本发明包括锥形风塔1、连接盘2、永久磁铁上盘3、永久磁铁盘4、连接支撑9、能量转换装置8、增速器5、发电机6和支座7；所述锥形风塔1一端固定连接连接盘2，通过连接盘2与连接盘2上的永久磁铁上盘3连接形成一个整体，所述支座7上设有发电机6，增速器5一端连接发电机6，另一端连接能量转换装置8，所述能量转换装置8上设有永久磁铁盘4，所述永久磁铁上盘3通过连接支撑9与永久磁铁盘4连接，且永久磁铁上盘3与永久磁铁盘4相对面的磁极相斥。参阅图1。
实施例2，本发明的锥形风塔1、连接支撑9和能量转换装置8连接在一起形成一个整体；当风作用在锥形风塔1时，由于卡门涡街原理，会对锥形风塔1产生一个周期性的交变横向力，从而引起锥形风塔1产生周期性的振动，锥形风塔1得到的振动频率和振幅通过连接支撑9传递到能量转换装置8，从而实现锥形风塔1所获取风能的传递与转变。参阅图1，其余同实施例1。
实施例3，本发明的永久磁铁上盘3固定在连接盘2上，永久磁铁盘4固定在能量转换装置8的外端，永久磁铁上盘3和永久磁铁盘4相对的平面保持平行，且永久磁铁上盘3与永久磁铁盘4相对平面的磁极相斥；当锥形风塔1在风的作用下产生偏转时，永久磁铁上盘3相应地也产生偏转，而永久磁铁盘4保持不动，因此永久磁铁上盘3和永久磁铁盘4相对的平面之间不再保持平行，距离短的一侧产生的斥力会大于距离大的一侧，迫使永久磁铁上盘3恢复与永久磁铁盘4之间的平行状态，从而带动锥形风塔1向相反方向摆动，从而使锥形风塔1在风的作用下产生一个周期性的振动；同时两者之间斥力的存在，也可确保锥形风塔1产生共振时，其振幅不能无限地叠加增大。参阅图1，其余同上述实施例。
实施例4，本发明的锥形风塔1为一个锥形中空结构，锥形风塔1的固有频率会随着风速所产生的交变横向作用力的频率变化而变化，且锥形风塔1的固定频率与交变作用力的频率接近，从而使锥形风塔1能够获取更大的机械能。参阅图1，其余同上述实施例。
实施例5，本发明的能量转换装置8一端连接连接支撑9，另一端连接增速器5，所述能量转换装置8为液压式机械能转换装置；能量转换装置8的作用是将锥形风塔1获取的机械能通过连接支撑9传递给能量转换装置8后，并将获取的机械能转换成动能，然后再传递给增速器。参阅图1，其余同上述实施例。
实施例6，本发明的增速器5一端连接能量转换装置8，另一端连接发电机6；当能量转换装置8将锥形风塔1获取的机械能转变成动能后，增速器5将能量转换装置8输出的旋转速度进行增速，并传送给发电机发电。参阅图1，其余同上述实施例。
实施例7，本发明的发电机6的上端连接增速器5，其下端连接支座7，并通过支座7固定在地面上，所述发电机5接收增速器5输出的旋转速度，实现其发电的功能。参阅图1，其余同上述实施例。
实施例8，本发明的无叶片风力发电机的工作过程如下：当满足一定条件的定常风绕过锥形风塔1时，在锥形风塔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涡街，当涡街出现后，风会对锥形风塔1产生一个周期性的交变横向作用力，当作用力的频率与锥形风塔1的固有频率接近时，引起锥形风塔1产生共振，从而使锥形风塔1产生最大的振幅，即锥形风塔1获取到了最大的机械能；当锥形风塔1获取的机械能通过连接盘1、连接支撑9传递到能量转换装置8时，能量转换装置8中的液压式机械能转换器将机械能转换成动能，再传递给增速器5；当增速器5把得到的旋转速度增大后，再传递给发电机6，从而通过发电机6发电并输出到电网或储能装置。参阅图1，其余同本上述实施例。
实施例9，对于圆柱绕流，由于涡街的单涡频率与风速成正比，即风速越大，则锥形风塔1获取到的频率也会增大。当锥形风塔1的固有频率具有自动调节特性时，即风速增大时，锥形风塔1的固有频率也会相应的增大，从而保证当风速变化时，锥形风塔1能够最大限度地获取到最大的机械能，以提高发电量。参阅图1，其余同上述实施例。
实施例10，为了保证振动中心始终位于整个风力发电机的轴线上，将永久磁铁上盘3和永久磁铁盘4之间相对平面的磁极安装成相斥形式，即若永久磁铁上盘3的下端面为Ｎ极，则永久磁铁盘4的上端面也为Ｎ极，并确保两个端面之间平行；当风作用到锥形风塔1时，会引起锥形风塔1产生一个偏转角，带动永久磁铁上盘3的下端面也往相同方向产生一个相同的偏转角，而永久磁铁盘4处于固定状态，此时在永久磁铁上盘3和永久磁铁盘4之间会产生一个斥力，这个斥力会促使永久磁铁上盘3向相反方向偏转，并带动锥形风塔1也向相反方向偏转，如此反复，即可保证锥形风塔1的振动轴心保持不变，从而也使锥形风塔1在共振时，其振幅不会无限地叠加增大而造成破坏。参阅图1，其余同上述实施例。

Claims (7)

1.一种无叶片风力发电机，其特征是：包括锥形风塔（1）、连接盘（2）、永久磁铁上盘（3）、永久磁铁盘（4）、连接支撑（9）、能量转换装置（8）、增速器（5）、发电机（6）和支座（7）；所述锥形风塔（1）一端固定连接连接盘（2），通过连接盘（2）与连接盘（2）上的永久磁铁上盘（3）连接形成一个整体，所述支座（7）上设有发电机（6），增速器（5）一端连接发电机（6），另一端连接能量转换装置（8），所述能量转换装置（8）上设有永久磁铁盘（4），所述永久磁铁上盘（3）通过连接支撑（9）与永久磁铁盘（4）连接，且永久磁铁上盘（3）与永久磁铁盘（4）相对面的磁极相斥。
2.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机，其特征是：所述锥形风塔（1）、连接支撑（9）和能量转换装置（8）连接在一起形成一个整体；当风作用在锥形风塔（1）时，由于卡门涡街原理，会对锥形风塔（1）产生一个周期性的交变横向力，从而引起锥形风塔（1）产生周期性的振动，锥形风塔（1）得到的振动频率和振幅通过连接支撑（9）传递到能量转换装置（8），从而实现锥形风塔（1）所获取风能的传递与转变。
3.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机，其特征是：所述永久磁铁上盘（3）固定在连接盘（2）上，永久磁铁盘（4）固定在能量转换装置（8）的外端，永久磁铁上盘（3）和永久磁铁盘（4）相对的平面保持平行，且永久磁铁上盘（3）与永久磁铁盘（4）相对平面的磁极相斥。
4.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机，其特征是：所述锥形风塔（1）为一个锥形中空结构，锥形风塔（1）的固有频率会随着风速所产生的交变横向作用力的频率变化而变化，且锥形风塔（1）的固定频率与交变作用力的频率接近。
5.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机，其特征是：所述能量转换装置（8）为液压式机械能转换装置。
6.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机，其特征是：增速器（5）一端连接能量转换装置（8），另一端连接发电机（6）；当能量转换装置（8）将锥形风塔（1）获取的机械能转变成动能后，增速器（5）将能量转换装置（8）输出的旋转速度进行增速，并传送给发电机（6）发电。
7.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机，其特征是：发电机（6）的上端连接增速器（5），其下端连接支座（7），并通过支座（7）固定在地面上，所述发电机（5）接收增速器（5）输出的旋转速度，实现其发电的功能。
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