CN107869424A - 一种基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机 - Google Patents

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修长开
高晨祥
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    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明一种基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机，属于风力发电领域。本发明包括风能采集单元、机械结构单元、发电单元、固定底座；风能采集单元包括迎风桅杆和球面盖板；机械结构单元包括连杆、球铰以及拉压弹簧；拉压弹簧一端安装在迎风桅杆上，另一端安装在桅杆下端处球铰所在水平固定平面上，且拉压弹簧轴线与球铰所在的水平固定平面成45度角；发电结构单元包括一个永磁单元、一个线圈感应单元；永磁单元与球铰形成连接，线圈感应单元固定在固定底座上；风能采集单元采集风能引发振动并传递给连杆，在弹簧的约束下做往复运动，使永磁单元与线圈感应单元产生相对位移，进而产生电能。

Description

一种基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电装置，特别是一种无叶片式的风力发电装置。
背景技术
在传统能源日益衰减的同时，人们对能源的需求却在与日俱增，能源短缺已成为全球性问题。风能以其清洁、来源广泛、取之不尽用之不竭的独特优势，越来越受到人们的关注，其中，利用风能进行发电是利用风能的一种重要方式。
目前，大多数运行中的风力发电机都是水平轴扇叶发电机。这些发电机都几乎有20层楼那么高，并且还带有三个50米左右长的叶片，这些叶片随风旋转产生电能的同时，也存在着需要较大安全距离、噪声大以及叶片旋转给鸟类带来危险等弊端。
传统风机对来风的方向有很大的限制，当来风方向与最佳风向偏离程度较小时，还可以依靠偏航机构进行调整；当偏离程度较大时，偏航机构将失去作用效果，因此，传统风机发电效率不高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机装置，目的是为了有效解决现有技术中发电效率低、占地多、噪音大、对鸟类造成伤害等技术问题。
所述基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机，其包括风能采集单元、机械结构单元、发电单元和固定底座。采集单元包括迎风桅杆和球面盖板；球面盖板固定在迎风桅杆的下端口；机械结构单元包括连杆1、连杆2、球铰1、球铰2、球铰3以及若干拉压弹簧；连杆1的上端与球面盖板配合固定连接，中间经过球铰1，下端通过球铰2与连杆2形成连接，若干拉压弹簧一端安装在迎风桅杆上，另一端安装在球铰1所在的水平固定平面上，且拉压弹簧轴线与球铰1所在的水平固定平面成45度角，起到复位和维持振动连续性的作用；发电结构单元包括一个永磁单元和一个线圈感应单元；永磁单元通过球铰3与连杆2形成连接；线圈感应单元固定在固定底座上；风能采集单元采集风能引发振动并传递给连杆1，连杆1在球铰1和弹簧的约束下做往复运动；
进一步，所述连杆1通过球铰2带动连杆2往复运动；
进一步，所述连杆2通过球铰3带动永磁单元往复运动；
进一步，所述永磁单元与线圈单元之间产生相对位移，产生电能。
优选的，所述迎风桅杆为玻璃纤维或碳纤维材质的锥体。
优选的，所述连杆1和连杆2为具有一定强度的碳纤维杆。
本发明的优点：本发明舍弃原来依靠叶片迎风发电的方式，利用空气动力学中的卡门涡街理论进行发电，具有不受风向限制、空间占地少的优点，使其适应于民用领域，可在路灯、楼宇平台、狭长街道等环境中安装，使用便捷且扩大了风力发电机分布的有效区域；同时可减少噪声污染和对鸟类的危害，符合可持续发展的要求；相比于传统风力发电机，无叶片发电机的发电结构靠近地面，便于维修。本发明将有利于进一步推广新能源利用的社会效益。
附图说明
图1是本发明所述基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机的整体结构示意图。
图2是本发明所述基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机的原理示意图。
具体实施方式
本实施方式所述基于卡门涡街理论的风力发电机，其包括风能采集单元（1）、机械结构单元（2）、发电单元（3）和固定底座（4）。
风能采集单元（1）包括迎风桅杆（1-1）和球面盖板（1-2）。
迎风桅杆（1-1）为锥体结构，且上部锥度较大，下部锥度较小，通过卡门涡街的螺旋脱落效应采集风能，可利用来自不同方向的风能，将风能转化成机械能，其外壁采用玻璃纤维材质覆盖，具有一定的刚度，使其在风力作用下不发生变形。
球面盖板（1-2）为具有与球铰1球面支撑面同心的薄板，固定于迎风桅杆（1-1）的下端口。
机械结构单元（2）包括连杆（2-1-1）、连杆（2-1-2）、球铰（2-2-1）、球铰（2-2-2）、球铰（2-2-3）和若干拉压弹簧（2-3）。
连杆（2-1-1）的上端与球面盖板（1-2）的配合固定连接，中部穿过球铰（2-2-1），下端通过球铰（2-2-2）与连杆（2-1-2）形成连接；球铰（2-2-1）起到限制迎风桅杆（1-1）在风力作用下的大幅度移动，保证系统的平稳性和安全性。
拉压弹簧（2-3）一端安装在迎风桅杆（1-1）上，另一端安装在球铰（2-2-1）所在的水平固定平面上，且各拉压弹簧轴线与球铰（2-2-1）所在的水平固定平面成45度角，起到复位和维持振动连续性的作用。
发电单元（3）包括一个永磁单元（3-1）和一个线圈感应单元（3-2），连杆（2-1-2）通过球铰（2-2-3）与永磁单元（3-1）形成连接，线圈感应单元（3-2）固定在固定底座（4）上，若干拉压弹簧（2-3）具有相同的物理性质，布置在迎风桅杆（1-1）上的一端应处于同一水平面上。
风能采集单元（1）采集风能形成振动并传递给连杆（2-1-1），连杆（2-1-1）在若干拉压弹簧（2-3）和球铰（2-2-1）的约束下做往复运动，连杆（2-1-1）带动连杆（2-1-2）进而带动永磁单元（3-1）上下往复运动，使得永磁单元（3-1）与线圈感应单元（3-2）发生相对位移，进而产生电能。
假定连杆（2-1-1）长度为，连杆（2-1-2）长度为，连杆（2-1-1）偏离竖直方向最大角度为，则连杆（2-1-1）在球铰（2-2-1）中的有效活动宽度为：,永磁单元（3-1）做往复运动的有效长度为：；
迎风桅杆（1-1）属于可变外形，根据不同应用场合的不同工作状况重新计算表面曲度等参数，以便于更好的采集风能；
连杆（2-1-1）和连杆（2-1-2）采用一定强度的碳纤维材质制作；
固定底座（4）承载着整个发电机的重量。

Claims (4)

1.一种基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机，其特征在于，它包括风能采集单元（1）、机械结构单元（2）、发电单元（3）和固定底座（4）；
风能采集单元（1）包括迎风桅杆（1-1）和球面盖板（1-2）；球面盖板（1-2）固定在迎风桅杆（1-1）的下端口；机械结构单元（2）包括连杆（2-1-1）、连杆（2-1-2）、球铰（2-2-1）、球铰（2-2-2）、球铰（2-2-3）和若干弹簧（2-3）；发电单元（3）包括一个永磁单元（3-1）和一个线圈感应单元（3-2）；线圈感应单元（3-2）固定在固定底座（4）上；连杆（2-1-1）的上端与球面盖板（1-2）配合固定连接，中部穿过球铰（2-2-1），下端通过球铰（2-2-2）与连杆（2-1-2）形成连接；连杆（2-1-2）通过球铰（2-2-3）与永磁单元（3-1）形成连接；若干拉压弹簧（2-3）一端安装在迎风桅杆（1-1）上，另一端安装在球铰（2-2-1）所在的水平固定平面上，且各拉压弹簧轴线与球铰（2-2-1）所在的水平固定平面成45度角，起到复位和维持振动连续性的作用；风能采集单元（1）采集风能形成振动并传递给连杆（2-1-1），连杆（2-1-1）在若干弹簧（2-4）和球铰（2-2-1）的约束下做往复运动，连杆（2-1-1）带动连杆（2-1-2）进而带动永磁单元（3-1）上下往复运动，使得永磁单元（3-1）与线圈感应单元（3-2）发生相对位移，进而产生电能。
2.根据权利要求1所述的基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机，其特征在于，迎风桅杆（1-1）的外表面采用玻璃纤维材质覆盖。
3.根据权利要求2所述的基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机，其特征在于，迎风桅杆（1-1）为锥形，且上部锥度较大，下部锥度较小。
4.根据权利要求1所述的基于卡门涡街理论的无叶片风力发电机，其特征在于，连杆（2-1-1）、连杆（2-1-2）采用具有一定强度的碳纤维杆。
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