CN109854445A - 一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，包括发电装置主体、底座、支架、摆动安装台、安装架、摆动轴心、安装盘、锥形驱动轴、折叠光伏板、转动发电机、刚度可变弹簧机构和运动转换机构，发电装置主体的底端外壁上设置有底座，所述底座的顶端两侧外壁上分布焊接固定有支架，所述支架的顶端外壁上焊接固定有摆动安装台；该发明，通过运动转换机构把摆副运动转换成旋转运动，更好的匹配现有的发电设备而且提高了效率；通过刚度可变弹簧调整系统的模态，可以使其在不同的风速下都能更好的发电；通过可折叠光伏板的设计，当太阳能发电占主要部分时能够高效的发电，进一步提高了系统的发电效率。

Description

一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置

技术领域

本发明涉及绿色能源发电装置技术领域，具体涉及一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置。

背景技术

传统的风力发电和光伏发电都存在很强的间歇性，如风力发电在没有风的时候无法发电，光伏发电则在夜晚和阴雨天不能发电，而一些将风能和太阳能结合的发电装置也是简单的拼凑组合，比如在一些路灯上加装叶桨和光伏板，但并没有降低成本，而且这种堆砌的结构美观性也差；更重要的几点是：风力发电噪音大，经过叶桨的气流形成乱流会对下一台风力发电机组产生影响，因此两台风机要保持一定的距离，致使土地利用率降低，旋转的叶桨会把鸟类卷入其中，给鸟类的生存带来极大的威胁，在结构上传统的风力发电设备桨叶制造成本高，工艺难度大，这就造成了传统风力发电机需要很长的时间才能收回成本；光伏发电最大的问题就是夜间不能发电和占地面积大，尤其是对于规模化的光伏发电，当然对于分布式光伏可以建在屋顶和一些建筑物墙壁上，但与生俱来的缺陷同样使光伏发电成本收回周期太长。

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街；如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街；1911年，德国科学家冯·卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据；对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即f=Sr(v/d)；Sr是斯特劳哈尔数，它主要与雷诺数有关；当雷诺数为300～3×10^5时，Sr近似于常数值(0.21)；当雷诺数为3×10^5～3×10^6时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3×10^6时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27，出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力；如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏；这样就出现一个启发，既然这种现象可以使物体因为共振出现损坏，那么就意味着物体吸收了能量，只是吸收的能量没有转移出去，在物体中形成累积致使其破坏。

西班牙一家名为Vortex Bladeless的公司就是基于以上的原理提出了一种涡轮机新理念Vortex，取代传统的转动螺旋桨的方式，目的就是想让这个让物体振动的能量变为可生产利用的东西；Vortex的形状看起来怪怪的，像是直冲云霄的烟囱 ，到那时它的形状设计是经过缜密计算以确保其周围能形成涡流；Villarreal解释说：“ 涡流需要聚在一起才能形成很大的能量。”在现已形成的Vortex模型里，它加长版的圆锥体是用玻璃纤维和碳纤维做成的复合材料做的，它能让整根柱子尽可能不受阻挡地振荡(它的重量越大就会导致振动频率降低)；在柱子底部有两圈相斥的磁铁，它们在某种程度上扮演微型电机的作用；当柱子在暴风中歪向一个单一方向时，相斥的磁铁会把它往反方向拉，就像在推动柱子逆风移动；如此产生的动能会在之后通过一个交流发电机转换成电能；而交流发电机会增加Vortex的摇晃频率，提高能量聚集的效率；该公司自称这个设计里面没有齿轮、螺栓或是其他机械的运动部件，而这导致制作、维护Vortex的成本大大降低；Vortex通过振动发电机将风能转换成电能，虽然没有齿轮等传动机构，但振动发电要比转动发电的效率低很多，而且无法匹配现有的发电设备和辅件，在以标准化为主的现代工业中不易推广；Vortex是通过风能产生的振动来发电的，但是整个系统的模态是恒定的，不能根据不同的风速实时进行调控，这样在能效上又降低了很多；Vortex在圆锥形面上铺设光伏板进行风电和光伏结合发电，但由于结构固有的特性只有一半光伏板可以照射到阳光，从而无法充分利用太阳能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，包括发电装置主体、底座、支架、摆动安装台、安装架、摆动轴心、安装盘、锥形驱动轴、折叠光伏板、固定光伏板、转动发电机、刚度可变弹簧机构和运动转换机构，所述发电装置主体的底端外壁上设置有底座，所述底座的顶端两侧外壁上分布焊接固定有支架，所述支架的顶端外壁上焊接固定有摆动安装台，所述摆动安装台的顶端两侧外壁上固定焊有安装架，所述安装架的顶端外壁中心处安装有摆动轴心，所述摆动轴心的顶端外壁上焊接固定有安装盘，所述安装盘的顶端外壁中心处固定安装有锥形驱动轴，所述锥形驱动轴的两侧外壁上配合安装有折叠光伏板，所述摆动安装台位于安装架下方的顶端外壁中心处设置有运动转换机构；

所述运动转换机构包括棘轮、棘爪、转轴、传动臂、移动槽和固定块，所述摆动安装台的底端外壁中心处螺栓固定有转动发电机，所述转动发电机的输入轴一端贯穿于摆动安装台的顶端外壁固定连接有棘轮，所述棘轮的内部分布安装有棘爪，所述棘爪的一端通过转轴转动连接有传动臂，所述传动臂的顶端外壁上贯穿开设有移动槽，所述摆动安装台的顶端外壁上对应移动槽固定安装有固定块，且固定块配合固定在移动槽的内部，所述传动臂的一端与摆动轴心的底端固定连接，所述摆动安装台位于运动转换机构的两侧外壁上设置有刚度可变弹簧机构。

进一步的，所述锥形驱动轴的中部一侧外壁上固定安装有固定光伏板。

进一步的，所述棘轮与棘爪为配合构件，且棘爪的个数为四个。

进一步的，所述移动槽与固定块为滑动配合构件，且移动槽的内部涂有润滑油。

进一步的，所述底座与支架固定焊接，且支架的个数为四个。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该发明，通过运动转换机构把摆副运动转换成旋转运动，更好的匹配现有的发电设备而且提高了效率；通过刚度可变弹簧调整系统的模态，可以使其在不同的风速下都能更好的发电；通过可折叠光伏板的设计，当太阳能发电占主要部分时能够高效的发电，进一步提高了系统的发电效率，综合以上几点可以看出本发明有着较传统新能源发电设备更强的环境适应性、更低的制造成本以及更高的发电能效，随着材料学和生物技术的不断发展该装置甚至可以成为人造树。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体立体结构示意图；

图2是本发明可折叠光伏板合上的主视剖切结构示意图；

图3是本发明可折叠光伏板合上的侧视剖切结构示意图；

图4是本发明发电部分结构原理图；

图5是本发明运动转换机构原理图；

图6是本发明刚度可变弹簧机构软刚度的结构示意图；

图7是本发明刚度可变弹簧机构硬刚度的结构示意图；

图中：1、发电装置主体；2、底座；3、支架；4、摆动安装台；5、安装架；6、摆动轴心；7、安装盘；8、锥形驱动轴；9、折叠光伏板；10、固定光伏板；11、转动发电机；12、刚度可变弹簧机构；13、运动转换机构；131、棘轮；132、棘爪；133、转轴；134、传动臂；135、移动槽；136、固定块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，包括发电装置主体1、底座2、支架3、摆动安装台4、安装架5、摆动轴心6、安装盘7、锥形驱动轴8、折叠光伏板9、固定光伏板10、转动发电机11、刚度可变弹簧机构12和运动转换机构13，发电装置主体1的底端外壁上设置有底座2，底座2的顶端两侧外壁上分布焊接固定有支架3，支架3的顶端外壁上焊接固定有摆动安装台4，摆动安装台4的顶端两侧外壁上固定焊有安装架5，安装架5的顶端外壁中心处安装有摆动轴心6，摆动轴心6的顶端外壁上焊接固定有安装盘7，安装盘7的顶端外壁中心处固定安装有锥形驱动轴8，锥形驱动轴8的两侧外壁上配合安装有折叠光伏板9，摆动安装台4位于安装架5下方的顶端外壁中心处设置有运动转换机构13；

运动转换机构13包括棘轮131、棘爪132、转轴133、传动臂134、移动槽135和固定块136，摆动安装台4的底端外壁中心处螺栓固定有转动发电机11，转动发电机11的输入轴一端贯穿于摆动安装台4的顶端外壁固定连接有棘轮131，棘轮131的内部分布安装有棘爪132，棘爪132的一端通过转轴133转动连接有传动臂134，传动臂134的顶端外壁上贯穿开设有移动槽135，摆动安装台4的顶端外壁上对应移动槽135固定安装有固定块136，且固定块136配合固定在移动槽135的内部，传动臂134的一端与摆动轴心6的底端固定连接，摆动安装台4位于运动转换机构13的两侧外壁上设置有刚度可变弹簧机构12；锥形驱动轴8的中部一侧外壁上固定安装有固定光伏板10，充分的利用采光面积，棘轮131与棘爪132为配合构件，且棘爪132的个数为四个，通过棘轮131与各个棘爪132之间的配合作用，将锥形驱动轴8的摆副运动分解成两个垂直的运动形式转换为旋转运动，驱动转动发电机11发电；移动槽135与固定块136为滑动配合构件，且移动槽135的内部涂有润滑油；通过移动槽135与固定块136之间的滑动配合，实现传动臂134的横向移动；底座2与支架3固定焊接，且支架3的个数为四个，利于后期发电装置的固定放置；该无桨叶风力与光伏结合的发电装置，可以分三部分进行，第一部分是可折叠光伏板9和锥形驱动轴8组成的“桨叶”部分；第二部分是运动转换机构13；第三部分是刚度可变弹簧机构12，第二和第三部分分别对应独立的发明，可以在发布的专利中查看详细的实施措施和结构设计；第一部分：为了使结构更轻，可折叠光伏板9和固定光伏板10采用碳纤维材料做成框架结构，相对于金属材料碳纤维的抗疲劳能力更强，可以适应摆副运动产生的交变应力，抵抗疲劳破坏，锥形驱动轴8可以采用不锈钢薄板制作，能够使结构有较强的刚度，而不至于太“软”，这样就可以将风力产生的振动能量更多的传递给发电装置而不是结构本身，锥形驱动轴8上有拉绳连接点，当其旋转时拉动拉绳带动可折叠光伏板9完成动作，在支架3上安装可调锁紧机构，当可折叠光伏板9打开时，将摆动轴心6锁死并使光伏板朝向太阳；工作原理：当太阳能发电占主导地位时可折叠的光伏板在锥形驱动轴8的作用下可以展开成扇形面，当风力发电占主导地位时在锥形驱动轴8的作用下可以合成圆锥面；在调整成风力发电时，圆锥面在风载荷的作用下摆动，通过运动转换机构13转换成旋转运动，驱动转动发电机11发电，刚度可变弹簧机构12安装在摆动轴心6下方的摆动平面的两个互相垂直的导轨上，通过控制弹簧的刚度来实现系统模态的调整。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，包括发电装置主体（1）、底座（2）、支架（3）、摆动安装台（4）、安装架（5）、摆动轴心（6）、安装盘（7）、锥形驱动轴（8）、折叠光伏板（9）、固定光伏板（10）、转动发电机（11）、刚度可变弹簧机构（12）和运动转换机构（13），其特征在于：所述发电装置主体（1）的底端外壁上设置有底座（2），所述底座（2）的顶端两侧外壁上分布焊接固定有支架（3），所述支架（3）的顶端外壁上焊接固定有摆动安装台（4），所述摆动安装台（4）的顶端两侧外壁上固定焊有安装架（5），所述安装架（5）的顶端外壁中心处安装有摆动轴心（6），所述摆动轴心（6）的顶端外壁上焊接固定有安装盘（7），所述安装盘（7）的顶端外壁中心处固定安装有锥形驱动轴（8），所述锥形驱动轴（8）的两侧外壁上配合安装有折叠光伏板（9），所述摆动安装台（4）位于安装架（5）下方的顶端外壁中心处设置有运动转换机构（13）；

所述运动转换机构（13）包括棘轮（131）、棘爪（132）、转轴（133）、传动臂（134）、移动槽（135）和固定块（136），所述摆动安装台（4）的底端外壁中心处螺栓固定有转动发电机（11），所述转动发电机（11）的输入轴一端贯穿于摆动安装台（4）的顶端外壁固定连接有棘轮（131），所述棘轮（131）的内部分布安装有棘爪（132），所述棘爪（132）的一端通过转轴（133）转动连接有传动臂（134），所述传动臂（134）的顶端外壁上贯穿开设有移动槽（135），所述摆动安装台（4）的顶端外壁上对应移动槽（135）固定安装有固定块（136），且固定块（136）配合固定在移动槽（135）的内部，所述传动臂（134）的一端与摆动轴心（6）的底端固定连接，所述摆动安装台（4）位于运动转换机构（13）的两侧外壁上设置有刚度可变弹簧机构（12）。

2.根据权利要求1所述的一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，其特征在于：所述锥形驱动轴（8）的中部一侧外壁上固定安装有固定光伏板（10）。

3.根据权利要求1所述的一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，其特征在于：所述棘轮（131）与棘爪（132）为配合构件，且棘爪（132）的个数为四个。

4.根据权利要求1所述的一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，其特征在于：所述移动槽（135）与固定块（136）为滑动配合构件，且移动槽（135）的内部涂有润滑油。

5.根据权利要求1所述的一种无桨叶风力与光伏结合的发电装置，其特征在于：所述底座（2）与支架（3）固定焊接，且支架（3）的个数为四个。