CN114542371A - 一种利用涡激振动的风能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用涡激振动的风能发电装置，属于风力发电技术领域，所述的装置包括风能收集发电机构以及固定支撑机构；所述的固定支撑机构包括外圆筒和支撑圆底座；所述的风能收集发电机构包括集能板、弹性板、运动转换装置、立板、连接支座、连接板、齿轮轴、大齿轮、驱动齿轮、棘轮、支撑板、压电发电机和电磁发电机。本发明利用风激励集能板振动将风能转化为机械能，再使用电磁式和压电式俘能方法将机械能转化为电能。本发明的发电装置具有体积较小、成本较低、使用寿命长、后期维护也较为方便的特点，而且该发电装置基建周期短、装机规模灵活。

Description

一种利用涡激振动的风能发电装置
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种利用卡门涡激励集能板振动的风能发电装置。
背景技术
随着人们的环保意识提升，风电、太阳能等为代表的新能源逐渐得到关注。目前的风力发电技术主要是叶片旋转带动发电机发电。
叶片是叶片风力发电机中最基础和最关键的部件。叶片风力发电机要在恶劣的环境下，长期不停地运转，这就对叶片的性能提出了很高的要求。叶片要密度轻且要具有最佳的抗疲劳强度和力学性能等。与此同时，叶片风力发电机整体体积巨大占用大片土地，影响鸟类飞行，还有噪音污染，后期维护成本巨大等的缺点。因此，其他形式的风力发电技术应运而生。
发明内容
本发明针对现有技术中存在问题，公开了一种利用涡激振动的风能发电装置，该装置为利用风激励集能板振动结合使用电磁式和压电式俘能方法，收集风能的发电装置，本发明的风力发电装置体积较小、成本较低、使用寿命长，后期维护也较为方便。
本发明是这样实现的：
一种利用涡激振动的风能发电装置，所述的装置包括风能收集发电机构以及固定支撑机构；所述的固定支撑机构包括外圆筒和支撑圆底座；所述的风能收集发电机构包括集能板、弹性板、运动转换装置、立板、连接支座、连接板、齿轮轴、大齿轮、驱动齿轮、棘轮、支撑板、压电发电机和电磁发电机；
所述的集能板的底端与运动转换装置相连接，所述的运动转换装置自上而下依次包括上接头、转轴、连接座、下摆臂；所述的上接头与集能板的底端连接，所述的转轴位于连接座的两端；转轴的两端与立板连接，且转轴的两端部伸入在立板的轴孔中。
立板支撑在连接支座上；所述的连接支座与外圆筒固接，因此，运动转换装置和集能板也间接固定在外圆筒上；所述的运动转换装置能围绕着轴的中心线进行旋转；所述的弹性板从连接座的中心方孔穿过，与转轴的轴线垂直，用于在集能板振动时提供支反力，其两端的上下侧各放置了一个压电发电，压电发电机中的压电材料受到压力时进而发电。
进一步，所述的运动转换装置的下摆臂的下端为一个圆弧形齿条，齿轮轴与下摆臂的圆弧形齿条内啮合，齿轮轴左右各连接了一个大齿轮；齿轮轴两侧固定在支撑板上，驱动齿轮也固定在支撑板上；连接板与支撑板固接，并且连接板通过立板固定在连接支座上；所述的大齿轮与驱动齿轮外啮合，驱动齿轮与棘轮同轴连接，所述的电磁发电机位于棘轮旁边，电磁发电机固定在连接板上；棘轮连接于电磁发电机的线圈，带动线圈在磁场中转动，以此来发电。
进一步，所述的压电发电机利用压电材料将机械能转换成电能的发电机；设置四个压电发电机，分别紧贴弹性板两端的上下两侧；压电发电机的另一侧与连接支座固接。
进一步，所述的风能收集发电机构与连接支座(7)相连，风能发电机构就是通过连接支座与固定机构相连，连接支座通过螺栓固定在外圆筒上；支撑圆底座主体是一个圆筒，将整个装置的高度提高，底部与地面连接固定整个装置；外圆筒与支撑圆底座相连，所述的外圆筒能够360°旋转，使集能板方向始终平行于风向。
本发明利用涡激振动的风能发电装置的工作过程为：
集能板在风场中，风吹过集能板时因卡门涡街效应，在集能板上形成脱落涡，脱落涡的频率与集能板的固有频率一致时,将诱发集能板发生共振，使其围绕着轴线摆动。如此，利用涡激振动的原理，集能板将风能接收，并转化为机械能。集能板与运动转换装置相连接，集能板的摆动传递到运动转换装置，使整个运动转换装置开始绕着轴的中心线进行来回摆动，同时带动了下半部的摆臂来回摆动和弹性板振动。弹性板两端的上下侧各放置了一个压电发电机。弹性板的振动，其两端的压电发电机中的压电材料受到压力时，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，进而发电。
集能板振动时带动运动转换装置的下摆臂运动，摆臂的下端是一个圆弧形齿条，其与大齿轮轴内啮合，大齿轮轴左右各连接了一个大齿轮。大齿轮轴固定在支撑板上，驱动齿轮也固定在支撑板上。连接板与支撑板固接，并且通过立板固定在连接支座上。大齿轮与驱动齿轮外啮合，驱动齿轮与棘轮同轴连接，棘轮旁边是电磁发电机。棘轮连接的是电磁发电机的线圈，带动线圈在磁场中转动，以此来发电。
整个运动转换装置会因为集能板的涡激振动绕着轴的中心来回摆动，从而带动下摆臂来回摆动。与下摆臂啮合的齿轮轴随之来回转动，大齿轮也转动，再传动至驱动齿轮和棘轮。由棘轮来带动电磁发电机中位于磁场中的线圈转动，线圈切割磁感线就可以进行发电。
运动转换装置的下半部分的下摆臂和其他部件的主要目的是：将摆动幅度放大从而提高线圈转速；将不断地来回往复的摆动转换成间歇式单方向的转动。
第一点，调整摆臂和齿轮轴、大齿轮和驱动齿轮之间的传动比，就可以使线圈的转速提高。第二点，由于下摆臂的运动是来回往复的，因此整个机构的转动也是来回往复的，所以利用棘轮的特性来带动电磁发电机的线圈转动，并且设置了左右两边各一个发电装置，来保证可以收集到摆臂来回摆动带来的机械能，也就是当摆臂前摆的时候，左半部分的棘轮转动，可以进行发电，而右半部分的棘轮固定不动，不进行发电；当摆臂后摆的时候，左半部分的棘轮固定不动，不进行发电，而右半部分的棘轮转动，可以进行发电。以此，将不断地来回往复的摆动转换成间歇式单方向的转动。
风能收集发电部分的装置与连接支座相连，连接支座通过螺栓固定在外圆筒上。支撑圆底座主体时一个圆筒，将整个装置的高度提高，底部与地面连接固定整个装置。圆筒与支撑圆底座相连，可以做到圆筒360°旋转，使集能板方向始终平行于风向，收集风能发电，提高对风能的利用率。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明是一种利用涡激振动的风能发电装置，该发电装置利用风激励集能板振动将风能转化为机械能，再使用电磁式和压电式俘能方法将机械能转化为电能。本发明的发电装置具有体积较小、成本较低、使用寿命长、后期维护也较为方便的特点，而且该发电装置基建周期短、装机规模灵活。
本发明的发电装置体积小，将不用占用过多的土地资源，也不会影响到鸟类的活动。本发明的发电装置制造成本和后期维护成本低，而且建造时间缩短了很多，装机规模更加灵活，使用寿命延长。本发明的发电装置可用于偏远，人迹罕至的地方，为小功率电器和仪器供电。
附图说明
图1是本发明一种利用涡激振动的风能发电装置的整体外观；1(a)是本发明装置的主视图；1(b)是在风场中，卡门涡脱落的示意图；
图2是本发明一种利用涡激振动的风能发电装置中弹性板、运动转换装置与压电发电机的位置关系示意图；
图3是本发明一种利用涡激振动的风能发电装置中电磁发电机构的示意图；3(a)是本发明中电磁发电机构的主视图；3(b)是本发明中电磁发电机构的大摆轮与齿轮轴的啮合关系示意图；3(c)是本发明中电磁发电机构的棘轮示意图。
其中，1-集能板，2-外圆筒，3-支撑圆底座，4-运动转换装置，4.1-上接头，4.2-转轴，4.3-连接座，4.4-下摆臂，5-弹性板，6-压电发电机，7-连接支座，8-立板，9-连接板，10-棘轮，11-驱动齿轮，12-支撑板，13-齿轮轴，14-大齿轮，15-电磁发电机的线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～3所示，本发明装置包括风能收集发电机构以及固定支撑机构；所述的固定支撑机构包括外圆筒2和支撑圆底座3；所述的风能收集发电机构包括集能板1、弹性板5、运动转换装置4、立板8、连接支座7、连接板9、齿轮轴13、大齿轮14、驱动齿轮11、棘轮10、支撑板12、压电发电机6和电磁发电机。
所述的集能板1的底端与运动转换装置4相连接，所述的运动转换装置4自上而下依次包括上接头4.1、转轴4.2、连接座4.3、下摆臂4.4；所述的上接头4.1与集能板1的底端连接，所述的转轴4.2位于连接座4.3的两端；转轴4.2的两端与立板8连接，且转轴4.2的两端部伸入在立板8的轴孔中；立板8支撑在连接支座7上；所述的连接支座7与外圆筒2固接，运动转换装置4和集能板1间接固定在外圆筒2上；所述的运动转换装置4能围绕着轴的中心线进行旋转。所述的弹性板5从连接座4.3的中心方孔穿过，与转轴4.2的轴线垂直，用于在集能板1振动时提供支反力，其两端的上下侧各放置了一个压电发电机6。
所述的运动转换装置4的下摆臂4.4的下端为一个圆弧形齿条，齿轮轴13与下摆臂4.4的圆弧形齿条内啮合，齿轮轴13左右各连接了一个大齿轮14；齿轮轴13两侧固定在支撑板12上，驱动齿轮11也固定在支撑板上；连接板9与支撑板12固接，并且连接板9通过立板8固定在连接支座7上。所述的大齿轮14与驱动齿轮11外啮合，驱动齿轮11与棘轮10同轴连接，所述的电磁发电机位于棘轮10旁边，电磁发电机固定在连接板9上；棘轮10连接于电磁发电机的线圈15，带动线圈在磁场中转动，以此来发电
下面结合附图、数据进一步详细介绍本发明实施例中的技术方案。
将本发明的发电装置安置到常年有风的地方，无论风从哪个方向吹过来，发电装置可以通过底部的支撑圆底座转动，使得集能板平行风向，以此更好地使集能板发生涡激振动。
某地平均风速为4.8m/s，依据卡门涡的脱离频率经验公式
Figure BDA0003509351700000051
(其中V是风速，d是集能板的厚度，Sr是斯特劳哈数，在雷诺数大于1000时，为常数，Sr＝0.21)，集能板的厚度初步设计为60mm，可以得到集能板在风场中的卡门涡的脱落频率大致为16.8Hz。然后，设计一块集能板，使集能板的第二阶弯曲频率与卡门涡的脱落频率大致相等。当集能板的弯曲频率与卡门涡的脱落频率相当时，集能板容易引起共振，产生涡激振动。
整个运动转换装置开始绕着轴的中心线进行来回摆动，同时带动了运动转换装置下半部分的摆臂来回摆动和在轴中心的弹性板振动。弹性板振动在弹性板端部产生压力，压到压电发电机(如图2所示)。压电发电机受到弹性板的压力，其压电材料因压力在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，进而发电。
运动转换装置的来回转动带动了摆臂来回摆动(如图3(a))，摆臂摆动的角度为±10°，臂长为250mm。与摆臂内啮合的齿轮半径为100mm，其随摆臂的来回摆动而来回转动50°(如图3(b))，齿轮轴左右两边的大齿轮也随之来回转动50°。驱动齿轮与大齿轮外啮合，与外面的棘轮(如图3(c))同轴。大齿轮的半径为200mm，驱动齿轮半径为40mm。因此，驱动齿轮来回转动250°，棘轮能随之转动250°。与棘轮连接的电磁发电机的线圈开始转动，在磁场中切割磁感线发电。
本发明的发电装置，首先集能板利用卡门涡街效应把风能转换成机械能，然后利用压电式和电磁式的俘能方法将机械能转换成电能，再加上装置底部的支撑圆座的随风向转动，实现了对风能的高效收集。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的装置包括风能收集发电机构以及固定支撑机构；所述的固定支撑机构包括外圆筒（2）和支撑圆底座（3）；
所述的风能收集发电机构包括集能板（1）、弹性板（5）、运动转换装置（4）、立板（8）、连接支座（7）、连接板（9）、齿轮轴（13）、大齿轮（14）、驱动齿轮（11）、棘轮（10）、支撑板（12）、压电发电机（6）和电磁发电机；
所述的集能板（1）的底端与运动转换装置（4）相连接，所述的运动转换装置（4）自上而下依次包括上接头（4.1）、转轴（4.2）、连接座（4.3）、下摆臂（4.4）；所述的上接头（4.1）与集能板（1）的底端连接，所述的转轴（4.2）位于连接座（4.3）的两端；转轴（4.2）的两端与立板（8）连接，且转轴（4.2）的两端部伸入在立板（8）的轴孔中；
立板（8）支撑在连接支座（7）上；所述的连接支座（7）与外圆筒（2）固接，运动转换装置（4）和集能板（1）间接固定在外圆筒（2）上；所述的运动转换装置（4）能围绕着轴的中心线进行旋转；
所述的弹性板（5）从连接座（4.3）的中心方孔穿过，与转轴（4.2）的轴线垂直，用于在集能板（1）振动时提供支反力，其两端的上下侧各放置了一个压电发电机（6），压电发电机中的压电材料受到压力时进而发电。
2.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的运动转换装置（4）的下摆臂（4.4）的下端为一个圆弧形齿条，齿轮轴（13）与下摆臂（4.4）的圆弧形齿条内啮合，齿轮轴（13）左右各连接了一个大齿轮（14）；齿轮轴（13）两侧固定在支撑板（12）上，驱动齿轮（11）也固定在支撑板上；连接板（9）与支撑板（12）固接，并且连接板（9）通过立板（8）固定在连接支座（7）上；
所述的大齿轮（14）与驱动齿轮（11）外啮合，驱动齿轮（11）与棘轮（10）同轴连接，所述的电磁发电机位于棘轮（10）旁边，电磁发电机固定在连接板（9）上；棘轮（10）连接于电磁发电机的线圈（15），带动线圈在磁场中转动，以此来发电。
3.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的压电发电机（6）利用压电材料将机械能转换成电能的发电机；设置四个压电发电机（6），分别紧贴弹性板两端的上下两侧；压电发电机的另一侧与连接支座（7）固接。
4.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的风能收集发电机构与连接支座（7）相连，连接支座通过螺栓固定在外圆筒（2）上；支撑圆底座主体是一个圆筒，将整个装置的高度提高，底部与地面连接固定整个装置；外圆筒（2）与支撑圆底座（3）相连，所述的外圆筒（2）能够360°旋转，使集能板（1）方向始终平行于风向。
5.一种如权利要求1所述的利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的装置的工作过程为：
集能板（1）在风场中，风吹过集能板（1）时因卡门涡街效应，在集能板（1）上形成脱落涡，脱落涡的频率与集能板（1）的固有频率一致时, 将诱发集能板（1）发生共振，使其围绕着轴线摆动；集能板（1）将风能接收，并转化为机械能；
集能板（1）与运动转换装置（4）相连接，集能板（1）的摆动传递到运动转换装置（4），使整个运动转换装置开始绕着轴的中心线进行来回摆动，同时带动了下摆臂（4.4）来回摆动和弹性板（5）振动；
弹性板（5）振动，其两端的压电发电机中的压电材料受到压力时，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷进而发电。
6.根据权利要求5所述的一种利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的运动转换装置（4）因集能板的涡激振动绕着轴的中心来回摆动，从而带动下摆臂（4.4）来回摆动；与下摆臂（4.4）啮合的齿轮轴（13）随之来回转动，大齿轮（14）也转动，再传动至驱动齿轮（11）和棘轮（10）；由棘轮（10）来带动电磁发电机中位于磁场中的线圈（15）转动，线圈切割磁感线进行发电。
7.根据权利要求6所述的一种利用涡激振动的风能发电装置，其特征在于，所述的下摆臂（4.4）的运动是来回往复的，进而整个风能收集发电机构的转动也是来回往复的，利用棘轮（10）带动电磁发电机的线圈转动，并且设置了左右两边各一个发电装置，保证可以收集到下摆臂（4.4）来回摆动带来的机械能；
当下摆臂（4.4）前摆的时候，左半部分的棘轮转动，可以进行发电，而右半部分的棘轮固定不动，不进行发电；当下摆臂（4.4）后摆的时候，左半部分的棘轮固定不动，不进行发电，而右半部分的棘轮转动，进行发电；以此，将不断地来回往复的摆动转换成间歇式单方向的转动。
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CN117189471A (zh) * 2023-09-06 2023-12-08 日照坤仑智能科技有限公司 主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置及其控制方法

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