CN109538416A - 一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置，其特征在于，所述风力发电装置包括底座、风能捕获装置、支撑风能捕获装置的弹性支撑杆、所述弹性支撑杆表面安装柔性压电材料，所述弹性支撑杆与底座连接处安装转动装置，使弹性支撑杆在底座上进行[‑90°,90°]转动。该装置相比于圆形截面杆能更有效地捕获风能，可以根据使用需求实现振动状态的快速调节，并利用压电材料将能量最终转化为电能。

Description

一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置。

背景技术

在一定条件下，流体流过物体时，在物体两侧会形成周期性脱落的反向旋转涡对，流体力学上称之为“卡门涡街”，一旦涡街强度足够大，可能导致物体结构振动响应。日常生活中，水流经过桥墩，风吹过高塔和高层建筑，海浪对深海油井的导管等均会形成结构响应，设计中一般研究如何抑制该类振动的影响。而杆状风力发电装置是充分利用卡门涡街的周期性，将涡街强度最大化并进行机械能量的捕获，进而利用该机械能进行发电。

目前，在国际上已出现杆状风力发电装置的实际应用，一般采用锥柱杆形式，杆的截面形状为圆形。但圆形截面杆存在各向同性的特征，即只要风速适合，无论风向如何变化，圆杆均可在“卡门涡街”作用下产生振动。从实际应用的角度，圆形并非涡激振动特性效果最佳的截面形状，风能捕获效率仍存在提高空间。此外，发电装置的工作状态应具备灵活转换的能力，根据需求使其振动或抑制其振动，便于使用维护。基于上述原因，对椭圆截面杆的卡门涡街特性进行了研究，获取了不同风向“卡门涡街”特性的变化规律，提高了风能捕获效率，并实现了振动特性的快速调节。在此基础上，采用压电材料将振动能转换为电能，从而实现了将风能向电能转化的风力发电装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置，该装置相比于圆形截面杆能更有效地捕获风能，可以根据使用需求实现振动状态的快速调节，并利用压电材料将能量最终转化为电能。

一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置，包括底座、风能捕获装置、支撑风能捕获装置的弹性支撑杆、压电材料，所述压电材料贴附于弹性支撑杆上，当风能捕获装置将风能转化为振动能后，弹性支撑杆上的压电材料反复拉伸弯曲，将振动能转化为电能，所述弹性支撑杆与底座连接处安装转动装置，使弹性支撑杆在底座上进行θ∈[-90°,90°]转动。

所述风能捕获装置是椭圆截面杆。

进一步的，所述椭圆截面杆采用锥柱形式。

进一步的，所述椭圆截面杆上端椭圆长轴与圆形截面杆上端圆直径相等。

所述θ＝0°时，弹性支撑杆的振动变形最大；θ＝90°时，弹性支撑杆的振动变形最小，利用转动装置调整θ，当需要进行发电时，可在各来流方向上最大程度地捕获风能，当不需要发电时，也可使装置保持静止，便于维护。。

本发明的有益效果如下：

本发明给出了一种基于椭圆截面杆的风力发电装置，获得了相比于圆形截面杆更有效的风能捕获效率；该装置可根据使用需求，通过调整椭圆截面长轴、短轴与风向的相对角度，快速改变杆的“卡门涡街”特性，实现振动与抑制振动两种状态的快速转换；该装置利用椭圆截面杆的振动产生的变形，通过压电材料实现了风能向电能的转化。

附图说明

图1是本发明的示意图；

其中，1-风能捕获装置2-弹性支撑杆3-压电材料4-转动装置5-底座

图2是本发明本发明简图及坐标系定义，并给出攻角θ定义。x-O-y为风轴系，这个坐标系固定不变，x₀-O-y₀为体轴系，这个坐标系随着模型攻角变化而改变。对于振动幅值的讨论与分析都是在风轴系下，两个坐标系的变换关系如图；

图3是圆形截面杆模型与椭圆截面杆不同风速下振动幅值对比图；

图4是椭圆形截面模型不同风速下振动位移变化规律图，攻角θ分别为0°、30°、60°、90°。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

如图1所示，本发明装置包括风能捕获装置、弹性支撑杆、压电材料、转动装置以及底座，风能捕获装置采用椭圆截面杆，用于捕获风能，利用卡门涡街特性将风能转换为风能捕获装置的振动能；

弹性支撑杆用于支撑风能捕获装置，弹性支撑杆表面安装柔性压电材料，该材料有产生电势的能力。当风能捕获装置产生卡门涡街现象而发生振动时，弹性支撑杆将自身的振动变形传递给柔性压电材料，压电材料被反复挤压和拉伸而输出电能，通过能量采集电路将其转换成供电设备需要的形式，并存储在电容或电池中，以供使用；

在弹性支撑杆与底座连接处，安装转动装置，该装置可使弹性支撑杆在底座上进行θ∈[-90°,90°]转动，调整风向与椭圆截面的角度关系；

底座安装于地面，用于整个装置的固定。

根据椭圆方程在某一长轴a不变的情况下改变短轴b，得到不同离心率的椭圆截面，然后采用数值模拟方法进行非定常仿真，由此可获取固定长轴a条件下不同离心率的椭圆截面在不同来流方向上的“卡门涡街”特性变化规律。圆截面时，a＝b，离心率为0。根据数值模拟结果，在长轴a不变的情况下某一短轴b对应的作用力振动幅值会大于圆截面(半径为a)产生的作用力幅值，且该椭圆的长轴与来流夹角为90°时(θ＝90°)基本无“卡门涡街”现象，当长轴与来流夹角为0°时(θ＝0°)，“卡门涡街”现象显著，即椭圆截面涡激振动特性与来流方向相关，可利用此特性实现振动状态与振动抑制的快速转变。根据数值模拟结果，开展风洞试验验证，获取了椭圆截面杆的涡激振动规律，杆采用锥柱形式。根据图4结果，随着风向与椭圆截面杆的相对角度θ由0°增加为90°，杆的最大位移逐渐减小，可利用这一规律实现“振动与抑制振动”的快速调整。如图3所示，相比于杆截面为圆形情况(杆上端圆直径与椭圆杆上端椭圆长轴相等)，θ＝0°时椭圆截面杆振动位移大于圆截面杆，椭圆截面杆获得了更好的涡激振动特性。

将上述选定的椭圆杆特征参数(长轴a、短轴b)作为风力发电装置的特征截面，用于将捕获的风能转化为装置的振动能，在椭圆截面杆下端安装弹性支撑杆，该弹性支撑杆刚度相对较低，当椭圆截面杆发生涡激振动时，弹性支撑杆发生弯曲变形，继而压电材料被反复挤压和拉伸而输出电能，通过能量采集电路将其转换成供电设备需要的形式，并存储在电容或电池中，以保证持续稳定的电源供应。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专利技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (5)

1.一种基于椭圆截面杆涡激振动特性的风力发电装置，其特征在于，所述风力发电装置包括底座、风能捕获装置、支撑风能捕获装置的弹性支撑杆、压电材料，所述压电材料贴附于弹性支撑杆上，所述弹性支撑杆与底座连接处安装转动装置，使弹性支撑杆在底座上进行θ∈[-90°,90°]转动。

2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述风能捕获装置是椭圆截面杆。

3.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述椭圆截面杆采用锥柱形式。

4.根据权利要求3所述的风力发电装置，其特征在于，所述椭圆截面杆上端椭圆长轴与圆形截面杆上端圆直径相等。

5.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述θ＝0°时，弹性支撑杆的振动变形最大；θ＝90°时，弹性支撑杆的振动变形最小。