CN112943541A - 基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置 - Google Patents

基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，包括上支架、可转动柱体、下支架、永磁同步发电机；所述的可转动柱体轴线垂直于地面安装，所述的可转动柱体的上端通过深沟球轴承与上支架连接，可转动柱体的下端通过推力调心滚子轴承与下支架连接，保证可转动柱体只具备绕其转动轴线转动的单一自由度；可转动柱体通过齿轮箱与永磁同步发电机连接；永磁同步发电机依次通过连接整流器、直流环节、逆变器并入电网。本发明装置制造安装成本低，结构简单，重量轻，易于输运，运行稳定，可充分利用自然界中各向风进行发电，极大的提高了风能的利用效率。

Description

基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体是一种基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置。
背景技术
随着世界能源消耗速度的快速增长以及不可再生能源的储量不断减少，创新技术来提高可再生能源的利用效率变得愈发重要。现阶段随着风力发电厂的大量建立，风力发电在可再生能源发电中所占比重不断增长。然而目前普遍应用的叶片式风力发电机的单位产能已经达到瓶颈，如果希望进一步提高风电产能，则需要建立更多的风力发电装置。但是，现行风力发电设备普遍存在结构复杂，制造安装成本高，以及叶片质量大且形状不规则引起输运困难等一系列难以解决的问题。
同时，传统风力发电装置只有将叶片组正对自然风，才能够最有效地利用风能进行发电，然而自然界中风的波动性、不确定性很强，其速度及方向均是时刻变化的，需要根据风向不断调节叶片组的朝向，但一方面，叶片组朝向的调节范围有限；另一方面，根据风向调节叶片组存在一定的滞后，因此不可避免地导致大部分风能难以得到有效利用。
当空气来流作用在刚性物体上时，物体后方会出现交替脱落的涡，使得物体受到横向及流向的脉动压力，进而引起刚性物体发生运动，同时，物体运动又会反过来改变尾流结构。这种流固耦合现象常见于各类实际应用。
发明内容
针对传统风力发电设备结构复杂，制造安装成本高以及仅能利用一定方向范围内的风能进行发电的缺点，本发明提供一种基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其优点在于装置制造安装成本低，结构简单，重量轻，易于输运，运行稳定，可充分利用自然界中各向风进行发电，极大的提高了风能的利用效率。
本发明提供的一种基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置的技术方案如下所述：
基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，包括上支架、可转动柱体、下支架、永磁同步发电机；所述的可转动柱体轴线垂直于地面安装，所述的可转动柱体的上端与上支架转动连接，可转动柱体的下端与下支架转动连接，保证可转动柱体只具备绕其转动轴线转动的单一自由度；可转动柱体与永磁同步发电机连接；永磁同步发电机依次通过连接整流器、直流环节、逆变器并入电网。
具体的，所述的可转动柱体的上端通过深沟球轴承与上支架连接，可转动柱体的下端通过推力调心滚子轴承与下支架连接，保证可转动柱体只具备绕其轴线转动的单一自由度。
所述的深沟球轴承，连接可转动柱体及其上支架，为可转动柱体提供径向支撑，也可以根据具体需求选用其他支撑结构。
所述的推力调心滚子轴承，连接可转动柱体及其下支架，为可转动柱体提供轴向支撑，也可以根据具体需求选用其他支撑结构。
所述的可转动柱体，其本体可选为椭圆柱、方形柱、三角柱或者其他多边形截面的柱体结构。
所述的可转动柱体可选为空心封闭壳体，壳体可选用钢等强度及刚度较大的材料。同时空心壳体的设计可适当降低可转动柱体的转动惯量，达到较好的发电效果，可转动柱体也可以根据实际需要设置为实心或半实心结构。
所述的可转动柱体轴线垂直于地面安装，可以选择合理的安装高度避免空气来流受到其他物体阻碍，同时自身结构保证了全部方向的自然风均可作用于可转动柱体，实现全风向激励的发电。
所述的可转动柱体转动轴线可位于可转动柱体中心，也可以设置为偏心轴形式。
所述的上支架、下支架可选用钢等强度较大的材料，在保障可靠性的前提下，可以选用较小的支架体积以减轻对空气来流的影响。
所述的可转动柱体通过齿轮箱与永磁同步发电机连接。所述的齿轮箱内部包括齿轮传动装置，其作用是：将可转动柱体传递进来的较低转速提升至永磁同步发电机所需要的较高转速，并传递给永磁同步发电机，同时可以根据实际需要调整转动方向，将转动方向由绕柱体轴线的转动调整为绕永磁同步发电机主轴的转动。
所述的齿轮箱可根据实际情况选用，也可以将可转动柱体的转动动能直接传递给永磁同步发电机。
所述的永磁同步发电机内通过金属线圈切割磁感线，将转动动能转换为电能，同时向外界输出频率与可转动柱体转动速度相关的三相交流电。
所述的整流器，将任意频率的三相电流整流为直流电。
所述的直流环节，采用电容器和电感器实现稳压与滤波。
所述的逆变器，将直流电转换为三相60Hz的交流电，同时将其并入电网。
所述的推力调心滚子轴承、齿轮箱、永磁同步发电机、整流器、逆变器均安装在风力发电装置低部的封闭容器内部。
所述的风力发电装置可以单独安装使用，也可以将数个发电装置呈阵列排布，协同发电。
本发明提供的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，，首先将风能转换为柱体的转动动能，随后利用转动动能进行发电。可转动柱体在不同的风速以及不同的自身转动惯量下，能够呈现出多种不同的定向或非定向转动状态。因此，在不同的地区，可以通过合理设置可转动柱体的尺寸以及材料，使得本发明所述风力发电装置的发电效率达到最高。
与现有风力发电设备相比，本发明具有以下突出优势：装置制造安装成本低，结构简单，重量轻，易于输运，运行稳定，可充分利用自然界中各向风进行发电，极大的提高了风能的利用效率。
附图说明
图1为全风向发电装置三维示意图；
图中：1上支架，2深沟球轴承，3可转动柱体，4推力调心滚子轴承，5下支架，6齿轮箱，7永磁同步发电机，8整流器，9直流环节，10逆变器。
图2为可转动柱体截面结构示意图；
具体实施方式
为了能够更加清楚地介绍本发明的技术方案，突出本发明的优势，下面会结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
如图1所示，基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，包括上支架1、可转动柱体3、下支架5、永磁同步发电机7；
本实施例中，所述的可转动柱体3轴线垂直于地面安装，所述的可转动柱体3的上端通过深沟球轴承2与上支架1连接，可转动柱体3的下端通过推力调心滚子轴承4与下支架5连接，保证可转动柱体3只具备绕其转动轴线转动的单一自由度；
可转动柱体3通过齿轮箱6与永磁同步发电机7连接；
永磁同步发电机7依次通过连接整流器8、直流环节9、逆变器10并入电网。
如图2所示，所述的可转动柱体3，其本体可选为椭圆柱、方形柱、三角柱或者其他多边形截面的柱体结构。可转动柱体3可设置为空心封闭壳体，壳体可选用钢等强度及刚度比较大的材料。同时空心壳体的设计可适当降低可转动柱体的转动惯量，达到较好的发电效果，可转动柱体也可以根据实际需要设置为实心或半实心结构。
所述的可转动柱体3轴线垂直于地面安装，可以选择合理的安装高度避免空气来流受到其他物体阻碍，同时自身结构保证了全部方向的自然风均可作用于可转动柱体3，实现全风向激励的发电。
所述的可转动柱体3在不同的风速以及不同的自身转动惯量下，能够呈现出多种不同的定向或非定向转动状态。因此，在不同的地区，可以通过合理设置可转动柱体的尺寸以及材料，使得本发明所述风力发电装置的发电效率达到最高。
所述的可转动柱体3的上下两端分别通过侧深沟球轴承2及推力调心滚子轴承4与上支架1及下支架5连接，保证可转动柱体3只具备绕其轴线转动的单一自由度。
所述的可转动柱体3轴线可位于可转动柱体3的中心，也可以设置为偏心轴形式。
所述的深沟球轴承2，连接可转动柱体3及其上支架1，为可转动柱体3提供径向支撑，也可以根据具体需求选用其他支撑结构。
所述的推力调心滚子轴承4，连接可转动柱体3及其下支架5，为可转动柱体3提供轴向支撑，也可以根据具体需求选用其他支撑结构。
所述的上支架1，下支架5可选用钢等强度较大的材料，在保障可靠性的前提下，可以选用较小的支架体积以减轻对空气来流的影响。
所述的可转动柱体3的综合当量直径，
Figure BDA0002966747830000041
其中：A表示可转动柱体3外截面的面积，P为该截面的周长，一般介于十几厘米到数十米之间，可根据当地具体风力情况选定。
当自然风作用在可转动柱体3的表面时，可转动柱体3会在上支架1，深沟球轴承2，下支架5，推力调心滚子轴承4的支撑和约束下，基于流固耦合现象，产生绕其轴线的转动。
可转动柱体3的转动速度通过低速轴传递给齿轮箱6，齿轮箱6利用内部齿轮结构将较低的转动速度提升至永磁同步发电机7所需要的高转速，同时可以根据实际需要调整转动方向，将转动方向由绕可转动柱体3轴线的转动调整为绕永磁同步发电机7主轴的转动。
齿轮箱6可根据实际情况选用，也可以将可转动柱体3的转动动能直接传递给永磁同步发电机7。
永磁同步发电机7通过高速轴接受齿轮箱6输出的高转速转动动能，通过内部转动的金属线圈切割磁感线，将转动动能转换为电能。此时永磁同步发电机7输出的三相交流电频率和电压与可转动柱体3的转动速度直接相关。
通过整流器8将永磁同步发电机7输出的频率和电压随机的三相交流电整流为直流电，随后在直流环节9，利用电容器和电感器对直流电进行稳压和滤波，最后，利用逆变器10将直流电转换为三相60Hz的交流电，并将其并入电网。
该无叶片风力发电装置可以单独安装使用，也可以将数个无叶片风力发电装置呈阵列排布，协同发电。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，包括上支架(1)、可转动柱体(3)、下支架(5)、发电装置(7)；
所述的可转动柱体(3)轴线垂直于地面安装，所述的可转动柱体(3)与支架(1)(5)转动连接，保证可转动柱体(3)只具备绕其转动轴线转动的单一自由度；
可转动柱体(3)与发电装置(7)连接；
发电装置(7)依次通过连接整流器(8)、直流环节(9)、逆变器(10)将电能并入电网。
当空气来流作用于可转动柱体时，基于流固耦合现象，柱体会将一部分风能转换为自身转动动能，并通过发电装置将转动动能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的可转动柱体(3)的上端通过深沟球轴承(2)与上支架(1)连接，可转动柱体(3)的下端通过推力调心滚子轴承(4)与下支架(5)连接。
3.根据权利要求1所述的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的可转动柱体(3)通过齿轮箱(6)与永磁同步发电机(7)连接。
4.根据权利要求1所述的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的可转动柱体(3)为椭圆柱，或者多边形截面的柱体结构。
5.根据权利要求1所述的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的可转动柱体(3)为空心封闭结构，或者为实心、半实心结构。
6.根据权利要求1所述的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的可转动柱体(3)的转动轴线位于可转动柱体(3)中心轴线处或者设置为偏心轴形式。
7.根据权利要求1所述的基于流固耦合现象下柱体转动的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的无叶片风力发电装置单独安装使用，或者数个无叶片风力发电装置呈阵列排布，协同发电。
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