CN118548181A - 基于涡激振动的杆式风力发电装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于涡激振动的杆式风力发电装置及其工作方法，该装置包括受风杆、底座、支撑杆、线圈、磁铁和弹簧，通过螺栓固定在地面上。当有一定风速的气流流经此装置时，其会在受风杆后方形成卡门涡街，并周期性地脱落旋转方向相反、排列规则的双列线涡，使受风杆受到一定横向的力和力矩作用，诱导受风杆发生转动运动。弹簧为受风杆在振动运动过程中提供恢复力，使受风杆做往复运动。磁铁在受风杆的带动下运动，使得支撑杆内的线圈切割磁感线发电，其产生的电可以通过导线连接到其他集电装置。该装置体积较小，结构简单，维护容易，对外界环境影响较小，且可以采集各风向流体的能量，具有较大的的应用前景。

Description

基于涡激振动的杆式风力发电装置及其工作方法

技术领域

本发明主要应用流体力学，涉及发电领域，具体指一种基于涡激振动的杆式风力发电装置及其工作方法。

背景技术

近年来，随着能源问题的凸显，可再生能源越来越受到广泛的关注。其中，风力发电已成为解决世界能源短缺的重要途径。但对于传统风力发电设备来说，其装配扇叶的发电方式，会占用较大的空间，也会导致噪音和高昂的维护费用等问题。因此需要整体结构简单，只需要较少的维护，且对环境友好的新型风力发电装置。

基于传统风力发电机的一些不足，可以开发出各种新型风力发电装置。在空气动力学中，当物体的自然频率与空气流过物体产生涡的脱落频率相近时，空气可以诱导物体发生振荡运动，这种漩涡引起的振动被称为涡激振动，也被称为共振现象。共振现象通常是作为一个问题出现，但其也可以构成新型风力发电技术的基础。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种结构简单，性能可靠，现场安装方便，并能各风向的基于涡激振动的杆式风力发电装置及其工作方法。该装置利用空气流经物体时产生的涡激振动现象，极大地提高气流能量的利用效率，为新型风力发电提供良好的技术基础。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于涡激振动的杆式风力发电装置，包括运动部件、固定部件和底座。固定部件固定在底座上，运动部件放置在底座与固定部件之间，其与底座无相对约束。

所述运动部件由受风杆和磁铁组成。受风杆为一上宽下窄的中空圆台，其顶部有封盖；磁铁固定在受风杆下半部分，其形状也为上宽下窄的中空圆台，其沿上下方向的长度根据使用情况决定。运动部件底部为圆环结构，外径比底座内径小，圆环底端倒圆角。

固定部件由固定杆、线圈和弹簧组成，其固定在底座上，插入半球状凸起内部。固定杆为一中空圆柱，其内部装有线圈，线圈的两端通过导线与集电装置连接。弹簧一端连接在固定杆上端，另一端连接在受风杆内测，其位置较磁铁上方。底座为一种法兰，其上部有一圆筒，圆筒内有装有一个半球状凸起。半球状凸起中心钻有一深孔，其直径等于支撑杆直径，支撑杆穿过受风杆和磁铁内部中空部位，插在在底座的半球状凸起上。

本发明还提供了一种基于涡激振动的杆式风力发电装置的工作方法，包括以下步骤：

1）组装如权利要求1所述基于涡激振动的杆式风力发电装置；

2）当有一定风速的气流流经此装置时，在受风杆后方形成卡门涡街，周期性的脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，在与风向垂直方向受到一定的力和力矩作用，在横向竖直平面上，空气诱导受风杆发生转动往复运动；磁铁与受风杆固连，因此受风杆带动磁铁一起作振荡运动；

3）运动部件此时简化为双自由度受迫振动模型，其在任意风向流体的作用下绕受风杆底端为支点进行往复转动运动；

4）支撑杆与底座固连，并且空心支撑杆内部为线圈，弹簧为受风杆在振荡运动过程中提供恢复力，当磁铁随着受风杆往复运动时，线圈切割磁感线生成电，产生的电通过导线连接到其它集电装置。

步骤1）所述组装过程具体如下：

1.1）在平整地面上通过螺栓使底座与地面固定；

1.2）将内部带有线圈的固定杆插入到底座的半球状凸起上固定，线圈两端接入导线，导线拉出与集电装置连接；

1.3）将磁铁安装在受风杆内部，然后将二者较窄的一头穿过固定杆，放在底座的半球状凸起上；

1.4）打开受风杆的顶盖，用工具将弹簧一端安装在固定杆上部的外侧，另一端安装在受风杆的内侧，最后盖上受风杆顶盖。

本发明原理如下：当有一定风速的气流流经此装置时，会在受风杆后方形成卡门涡街，会周期性的脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，在与风向垂直方向（横向）会受到一定的力和力矩作用，在横向竖直平面上，空气可以诱导受风杆发生转动往复运动，磁铁与受风杆固连，因此受风杆带动磁铁一起作振荡运动。此时，运动部件可以简化为双自由度受迫振动模型，其在任意风向流体的作用下绕支点（受风杆底端）进行往复转动运动。支撑杆与底座固连，并且空心支撑杆内部为线圈，弹簧为受风杆在振荡运动过程中提供恢复力，所以当磁铁随着受风杆往复运动时，线圈切割磁感线生成电，产生的电可以通过导线连接到其它集电装置。

本发明有益效果在于：

本发明受风杆可以随不同风向流体运动而发生振动，适用于流向频繁变化的环境，充分利用气体动能；

2、本发明的杆体可由塑料制成，不易腐蚀损坏，成本较低；

3、本发明可根据现场实际情况，调整受风杆的直径和长度、线圈匝数、弹簧刚度系数等参数，使能量利用效率达到最大；

4、本发明根据涡激振动原理进行发电，对风力风速要求较低，可在较低空布置，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明固定部件示意图；

图3为本发明受风杆运动模型示意图；

图4为本发明工作原理示意图；

图5为本发明受风杆转动角度在不同风速下的时间曲线；

其中：1、受风杆；2、线圈；3、支撑杆；4、弹簧；5、磁铁；6、底座；7、地面；8、半球状凸起。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明由多个基本单元组合而成，如图1所示，所述的基本单元包括运动部件和固定部件（如图2所示）两部分。

如图1所示，运动部件由受风杆1和磁铁5组成。受风杆1由塑料材料制成，其外形为一上宽下窄形状的圆台型外壳，其顶部有封盖。磁铁5形状与受风杆1的相似，为一环形的、上宽下窄形状，外侧紧紧贴合于受风杆1的内表面。

如图2所示，固定部件由线圈2、支撑杆3、弹簧4、底座6和半球状凸起8组成。支撑杆3为一中空圆柱，其外径小于磁铁内径。支撑杆3内部固定有线圈2。线圈2两端接导线，导线延伸至集电装置。底座6为一种法兰，其上部有一圆筒，其高度大于受风杆长度的1/4，内径大于受风杆顶部直径。圆筒内有装有一个半球状凸起。半球状凸起中心钻有一深孔，其直径等于支撑杆直径。底座6下部是一圆形底面，钻有6个通孔。弹簧4由相同的2到4个（图1和图2展示2个时的情况）弹簧组成，其一端固定在支撑杆3上部，另一端固定在受风杆1内侧。安装时，弹簧4处于拉伸状态，长度比正常状态长。

如图3所示，运动部件的运动受弹簧4的弹力以及线圈2切割磁感线产生的反作用阻尼力约束，构成双自由度受迫振动模型。其绕支点O进行双自由度的转动，即绕与风向平行和垂直的两个转轴进行转动。

如图4所示，当有来流时，气流流经受风杆1，并在其后方形成涡流。脱落的涡流将给受风杆1施加如图4所示的与风向垂直的横向周期力，使受风杆1发生横向周期性振动。此时，线圈2在运动的磁铁5所产生的运动磁场中切割磁感线发电。

如图5所示，在有来流的情况下，受风杆1发生振动。图5展示了其他条件相同的情况下，不同风速对受风杆1振动曲线的影响。从图5可以看出，两种风速造成的振动幅值几乎一致，但风速较大时受风杆1的振动频率变大，这意味着更大的力矩，更有利于受风杆1获取气流中的能量。

具体实施例

根据实际需求设计装置大小，数量，以及合理的基本单元间距，计算所需基本单元个数。以下是一基本单元的安装方法：

首先在坚实平整的地面7上打上若干深孔，其直径与底座6底面的通孔直径相等。将底座6放置在地面上，使底座6底面的通孔与刚打上的深孔一一对应，再通过螺栓固定。将半球状凸起8凸面朝上放入到底座6的圆筒内部，然后将内部装有线圈2的支撑杆插入到半球状凸起8中间的深孔处，如图2所示。将磁铁5装在受风杆1内部，使磁铁5窄端与受风杆1窄端对应。此时，因为上宽下窄的形状，磁铁5将卡在受风杆1的下部而无法从下面滑出。然后将磁铁5和受风杆1组成的运动部件以窄端穿过支撑杆3，并放在半球状凸起8上。打开受风杆1的顶盖，通过较长的镊子或其他工具将弹簧4连接起支撑杆3外侧以及受风杆1的内侧，设计弹簧长度使弹簧安装好后呈拉伸状态。最后装好受风杆1的顶盖。

安装完毕后，当有来流流经发电杆式风力发电装置时，气流将在受风杆1后方形成漩涡。漩涡周期性脱落使受风杆1受到与来流方向垂直的横向作用力，进而发生横向振动。磁铁5在受风杆1的带动下运动，此时线圈2在运动的磁场中切割磁感线，进而达到发电的效果。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于涡激振动的杆式风力发电装置，其特征在于：包括运动部件和固定部件，所述运动部件包括受风杆（1）和磁铁（5），受风杆（1）为顶部具有封盖的中空结构，受风杆（1）侧面母线与地面呈一定角度，受风杆下半部固定有磁铁（5）；所述固定部件包括支撑杆（3）、线圈（2）、弹簧（4）和底座（6），所述底座（6）装有半球状凸起（8），支撑杆（3）穿过受风杆（1）和磁铁（5）内部中空部位，插在在底座（6）的半球状凸起上；所述支撑杆（3）为一中空的圆柱形杆件，内部装有环形的线圈（2），线圈（2）两端通过导线连接到集电装置；所述弹簧（4）位于磁铁（5）上方，弹簧（4）一端与支撑杆（3）外侧连接，另一端与受风杆（1）内侧连接。

2.根据权利要求1所述的基于涡激振动的杆式风力发电装置，其特征在于：所述受风杆（1）和磁铁（5）均为上宽下窄的圆台结构。

3.根据权利要求1所述的基于涡激振动的杆式风力发电装置，其特征在于：所述运动部件底部为圆环结构，外径比底座（6）内径小，圆环底端倒圆角。

4.根据权利要求1所述的基于涡激振动的杆式风力发电装置，其特征在于：所述运动部件底部与半球状凸起（8）直接接触，与底座之间无相对约束。

5.一种基于涡激振动的杆式风力发电装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

1）组装如权利要求1所述基于涡激振动的杆式风力发电装置；

2）当有一定风速的气流流经此装置时，在受风杆后方形成卡门涡街，周期性的脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，在与风向垂直方向受到一定的力和力矩作用，在横向竖直平面上，空气诱导受风杆发生转动往复运动；磁铁与受风杆固连，因此受风杆带动磁铁一起作振荡运动；

3）运动部件此时简化为双自由度受迫振动模型，其在任意风向流体的作用下绕受风杆底端为支点进行往复转动运动；

4）支撑杆与底座固连，并且空心支撑杆内部为线圈，弹簧为受风杆在振荡运动过程中提供恢复力，当磁铁随着受风杆往复运动时，线圈切割磁感线生成电，产生的电通过导线连接到其它集电装置。

6.根据权利要求5所述的基于涡激振动的杆式风力发电装置的工作方法，其特征在于：步骤1）所述组装过程具体如下：

1.1）在平整地面上通过螺栓使底座与地面固定；

1.2）将内部带有线圈的固定杆插入到底座的半球状凸起上固定，线圈两端接入导线，导线拉出与集电装置连接；

1.3）将磁铁安装在受风杆内部，然后将二者较窄的一头穿过固定杆，放在底座的半球状凸起上；

1.4）打开受风杆的顶盖，用工具将弹簧一端安装在固定杆上部的外侧，另一端安装在受风杆的内侧，最后盖上受风杆顶盖。