CN207920774U - 一种基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，该装置中具有一个呈倒立圆台型的空心薄壁筒，空心薄壁筒通过固定装置安装于连接杆上，空心薄壁筒和连接杆直立安装且连接杆底部固定于地基上；位于空心薄壁筒下方的连接杆外部套有随连接杆同步摆动的永磁体；永磁体外部布设有若干闭合的电磁感应线圈，当永磁体随连接杆同步摆动时，永磁体的磁感线交替切割电磁感应线圈产生电流。该装置无需传统风机叶片，利用涡流振动产生磁场切割进而形成电能，可接受任何风向的风荷载，无需额外装置引导风方向以获得最大的风能。

Description

一种基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，属于可再生能源的风能发电领域。

背景技术

作为一种可再生绿色能源，风能的合理开发和利用可以有效缓解目前能源匮乏及燃料资料给环境带来的污染问题，已受到各国的高度重视。截至到2014年，全球累计风电装机容量已逐年增加至425GW，并且根据预估，截至到2050年，全球累计风电装机容量会增加至8.5TW。在中国，风电装机容量从2006年以来得到了迅猛的发展，截至到2010年，累计风电装机容量达到45GW。

目前，最主要的风机原理是利用风力带动风机叶片旋转，再透过增速机提升转动速度，以此促使发电机发电。对于传统风力发电机，叶片一般有2到4片。叶片的旋转起到了重要的作用，为了提高发电效率，叶片的直径需要增加到几十米到上百米。然而这也导致昂贵的建造成本，安装成本和维护成本(风机叶片约占风机总成本的15％-20％)，而且叶片的旋转也会对鸟类产生伤害。

1911年，匈牙利裔美国空气动力学家Theodore von Karman在理论上首次提出了卡门涡街。当流体流经阻流体时，流体达到一定流速时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流，使得阻流体两侧形成不同的流速和压力，导致阻流体发生振动。我们可以利用这个原理，来设计基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片发电机。现有技术中，Villarreal(2013)公开了一种基于涡流共振的无叶片风力发电机，利用风力吹动桅杆引起涡流，只有一定频率的涡流振动才会引发桅杆的共振，再通过桅杆连接电导体压迫铁电或压电材料而产生电流。其装置由一根实心桅杆通过半刚性锚件锚固到地面，桅杆末端连接电导体和铁电或压电材料。整个装置的发电效率跟铁电或压电材料的电能转换效率以及风速密切相关。只有一定范围内的风速才能迫使结构产生共振从而提高发电效率。同时，由于依靠桅杆的振动来产生动能，需要较长的桅杆才能增强其振动能量而加大发电效率。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决传统风机利用叶片的旋转而产生电能方式的劣势，并基于流体动力学的涡流振动原理、流固耦合动力学和电磁感应原理，并提供一种基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，该装置中具有一个呈倒立圆台型的空心薄壁筒，空心薄壁筒通过固定装置直立安装于连接杆上，且连接杆底部固定于地基上；位于空心薄壁筒下方的连接杆外部套有随连接杆同步摆动的永磁体；永磁体外部布设有若干闭合的电磁感应线圈，当永磁体随连接杆同步摆动时，永磁体的磁感线交替切割电磁感应线圈产生电流。

本实用新型中，倒立圆台型的空心薄壁筒是指管径由下往上逐渐增大的空心薄壁筒。无叶片风力发电装置利用风力荷载引起的涡流振动，让空心薄壁筒在同一平面且垂直风向的方向上形成强烈振动，从而最终带动空心管和永磁体的振动，形成磁场线切割固定不动的闭合密集线圈，产生交流电流。当涡流振动频率接近本装置自然频率时，可形成共振，以此获取最大振动能和交流电能。

需要指出的是，尽管在该发电装置使用时连接杆底部需要固定于地基上，但是对于该发电装置本身而言，并不一定需要包含地基，此处仅为了说明连接杆使用状态下的安装方式。另外，此处连接杆与地基的固定既可以是直接的固定，也可以是间接的固定，能够保持连接杆底部的稳定即可。电磁感应线圈与永磁体之间，可以是环绕的布置形式或者其他布置方式，只要能够在永磁体摆动时产生电磁感应现象即可。电磁感应线圈一般需要借助其他的组件进行固定，但例外情况也应当包含在本实用新型的保护范围之内。

基于上述技术方案，本实用新型还可以提供如下进一步的优选方式。

作为一种优选方式，连接杆与空心薄壁筒同轴设置，且部分伸入空心薄壁筒内腔作为固定装置的着力点。此时，固定装置可以被安装在空心薄壁筒内部，防止干扰风的流场，尽可能增加风能转换效率。

进一步的，该固定装置包括若干对桁架杆件，每对桁架杆件的一端相连并固定于空心薄壁筒内壁上，另一端固定在连接杆上形成稳定的三角形支撑；固定装置中的所有桁架杆件在连接杆与空心薄壁筒之间的环形腔中沿周向均布。三角形的支撑结构更加稳定，防止出现松动，减少空心薄壁筒与连接杆之间的能量传递损失。

再进一步的，固定装置中共有6对桁架杆件，6对桁架杆件分为上下两组，每组的3对桁架杆件在所述环形腔的同一高度处间隔120°环形设置，两组桁架杆件的设置高度不同，每对两根桁架杆件呈45°连接。通过上下两组桁架杆件，能够使连接杆与空心薄壁筒之间更为稳定。

作为另一种优选方式，所述的电磁感应线圈同轴布置于一个空心的底座圆筒内壁，底座圆筒是一个中空的圆筒；底座圆筒同轴套设于永磁体外，且底座圆筒内壁与永磁体外壁之间留有供永磁体摆动的空间。由此，电磁感应线圈能够直接在工厂中预装配于底座圆筒上，在现场可以直接进行装配。而且底座圆筒能够为电磁感应线圈提供保护。

进一步的，底座圆筒底部也最好固定于地基上，使整体更为稳定，防止出现倾覆、移位。

作为另一种优选方式，所述的连接杆采用空心管。相同的杆件，空心管能够大大减小杆件的质量，能够更为高效、灵敏地将空心薄壁筒的振动能量传递至连接杆及永磁体上。

作为另一种优选方式，空心薄壁筒或连接杆可以采用碳纤维和玻璃纤维复合材料。碳纤维和玻璃纤维复合材料具有轻质高强的特性，能够进一步减小发电装置上部接收风荷载部分的质量。同理，桁架杆件也可以采用碳纤维和玻璃纤维复合材料。

作为另一种优选方式，电磁感应线圈连接外部蓄电装置。外部蓄电装置用于存储电磁感应过程中产生的电能。当然，外部蓄电装置的类型应当做广义的理解，任何能够存储、输送、使用电能的装置均可，例如储能电池、输配电网、耗电设备等。

本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1.本实用新型无需传统风机叶片，首次综合利用涡流振动、流固耦合动力学和电磁感应原理，通过巧妙获取风能并有效转化成电能。

2.本实用新型利用单一桅杆共振产生共振能的结构设计有显著不同，本实用新型通过巧妙设置连接杆连接外部倒立圆台型空心薄壁，从而大大增大迎风面和增强涡流效应，即使结构不共振时，也能产生较大涡流及涡流引起的结构振动能，从而提高了发电效率；而相对于现有技术中利用风塔上端安置磁铁盘的技术方案，其不仅要消耗一部分的风能，而且由于电能转换区域位于高处而不容易维修和更换，本实用新型则较好地解决了这些缺陷。

3.本实用新型电能转换在地面上完成，不仅充分利用迎风面的空间(迎风面不受电能转换装置影响)，而且便于更换和维修地面上的电能转换装置。

4.本实用新型可接受任何风向的风荷载，无需额外装置引导风方向以获得最大的风能。由于空心薄壁筒的几何形状似圆筒形，因此任何风向的风荷载都可以激发空心薄壁筒的振动和共振。同时，电磁感应线圈围绕底座圆筒布置，磁场线在任何水平方向上交替变化都会切割电磁感应线圈，从而最大限度保持高的发电效率。

5.本实用新型装配部件简单，便于安装，节约制造，安装和维护成本。本装置共有三种主要配件，分别是空心薄壁筒，连接杆和底座圆筒。桁架杆件和永磁体可以在工厂和连接杆预装配好，底座圆筒也可以在工厂和闭合密集线圈预装配好，现场只要根据设计，加长连接杆，装配连接杆和地基，装配连接杆和倒立圆台型空心薄壁筒。比起现有的风机，无需安装几十米到上百米宽的叶片，本装置可大幅度节约制造，安装和维护成本。

6.本实用新型单个风机占地面积少，可较大地增加单位面积的风机数量，提高风机场利用率。由于不需要叶片，本装置可大幅度节约单个风机的占地面积，从而提高风机布置密度和风机场利用率。

7.本实用新型可由于没有旋转的叶片，鸟类可以避免被伤害，保护环境生物。

附图说明

图1为无叶片风力发电装置的整体结构示意图；

图2为无叶片风力发电装置外观示意图；

图3为空心管和空心薄壁筒连接结构侧视图；

图4为空心管和空心薄壁筒连接结构俯视图；

图5为空心管和桁架连接结构侧视图；

图6为空心管和桁架连接结构俯视图；

图7为空心管和桁架连接结构局部侧视图；

图8为磁场线切割电磁感应线圈发电示意图(振动时刻1)；

图9为磁场线切割电磁感应线圈发电示意图(振动时刻2)；

图10为空心薄壁筒背风面形成涡流时的速度轮廓图(振动时刻1)；

图11为空心薄壁筒背风面形成涡流时的速度轮廓图(振动时刻1+半个涡流周期)；

图12为空心薄壁筒背风面形成涡流时的压力轮廓图(振动时刻1)；

图13为空心薄壁筒背风面形成涡流的压力轮廓图(振动时刻1+半个涡流周期)

图14为空心薄壁筒振动位置变化示意图；

图15为第一阶模态变形前和变形后状态示意图(Y,Z平面内，风朝着X方向加载)；其中(a)模态变形前；(b)模态变形后(放大160倍显示)；

图16为第二阶模态变形前和变形后状态示意图(X,Z平面内风朝着X方向加载)；其中(a)模态变形前；(b)模态变形后(放大160倍显示)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步阐述和说明。

如图1所示，展示了本实用新型的一个最佳实施例中的无叶片风力发电装置的整体结构示意图。为便于理解结构图，图2-图9展示了各部分的示意图。在该发电装置中，具有一个呈倒立圆台型的空心薄壁筒1，空心薄壁筒1的管径由下往上逐渐增大，横截面呈规则的圆形，使其能够接受任意方向的风荷载，而且空心薄壁筒可大幅度增加迎风面直径，减小整体装置高度。连接杆3与空心薄壁筒1同轴设置，且一端部分伸入空心薄壁筒1内腔。空心薄壁筒1通过6对桁架杆件4安装于连接杆3上，每对桁架杆件4的一端相连并紧密固定于空心薄壁筒1内壁上，另一端固定在连接杆3上的不同位置形成三角形支撑。在本实施例中，每对两根桁架杆件4呈45°连接形成一个稳定的等边三角形支撑结构。6对桁架杆件4分为上下两组，每组3对。位于上方的一组桁架杆件4位于同一平面上，在连接杆3与空心薄壁筒1之间的环形腔中沿周向均布，相邻两对桁架杆件4间隔120°。位于下方的一组桁架杆件4布置形式相同，但由于此处空心薄壁筒1的横截面更小，因此其尺寸略小于上方的一组。上下两组桁架杆件4已能够稳定地连接空心薄壁筒1和连接杆3，当然在必要时还可以增加更多的桁架杆件4，但桁架杆件4数量增加会导致上方振动部分的质量增加。

另外，为了减小连接杆3的质量，本实施例中采用空心管作为连接杆，而且考虑到发电装置高度的调整，空心管可以设计成可搭接形式，现场只要根据设计高度，加长空心管装配即可。空心薄壁筒1和连接杆3均与地基7垂直安装，且连接杆3底部固定于混凝土结构的地基7上。位于空心薄壁筒1下方的连接杆3外部套有永磁体5，永磁体5呈中空状，可以与连接杆3过盈配合，使永磁体5随连接杆3同步摆动。永磁体5外部密集套设有众多闭合的电磁感应线圈6，电磁感应线圈6同轴布置于一个空心的底座圆筒2内壁。底座圆筒2同轴套设于永磁体5外，当永磁体5随连接杆3同步摆动时，永磁体5的磁感线交替切割电磁感应线圈6产生电流。且底座圆筒2内壁与永磁体5外壁之间需要留有一定的环形空间，该环形空间的厚度需视永磁体5的摆动幅度而定，其基本原则为在永磁体5达到最大摆动幅度时与底座圆筒2内壁不接触，以防止造成部件磨损或者破碎。电磁感应线圈6可连接外部储电装置或者输配电网。

为了展示本实用新型的工作原理和效果，利用结构计算软件Abaqus 2018对上述发电装置进行了流固耦合模拟计算和结构模态分析。结果如图10到图16所示。当倒立圆台型空心薄壁筒受到一定风荷载时，背风面的流体形成涡流运动(如图10和11所示相邻时刻的不同涡流现象)，导致空心薄壁筒在同一平面且垂直风向的方向上形成周期性的压力差(如图12和13所示相邻时刻不同的压力分布情况)，从而导致空心薄壁筒周期性的振动，如图14所示(在一个涡流周期内，空心薄壁筒来回振动)，最终带动空心管和永磁体的振动，形成磁场线切割电磁感应线圈，产生交流电流。而且，由于空心薄壁筒1的几何形状是圆筒形，因此任何风向的风荷载都可以引起空心薄壁筒1的振动，避免了调整风向的需求。当涡流振动频率接近本装置自然频率时，会让本装置形成共振。模态分析表明，本装置结构最主要的前两阶模态都是横向弯曲变形(第一阶变形方向垂直风荷载所在的平面；第二阶变形方向则是顺着风荷载所在的平面)，如图15和16所示。注：为清楚显示变形形态，将模态变形量放大了160倍。由于第一阶变形是共振时的主要变形形态，因此，在本装置达到共振时，空心薄壁筒在同一平面且垂直于风向的方向上实现最大的振动能，空心薄壁筒的振动带动空心管和位于底部永磁体的振动。此时磁场线切割电磁感应线圈效率最高，以此获得最大的发电效率。同时，电磁感应线圈围绕底座圆筒布置，磁场线在任何水平方向上交替变化都会切割电磁感应线圈，从而最大限度在任意风向下保持高的发电效率，将机械能转化成交流电能。

上述12根桁架杆件4和永磁体5可以在工厂和空心管预装配好，底座圆筒也可以在工厂和电磁感应线圈预装配好，已简化现场施工工序。

为了提高风能发电效率，发电装置中产生摆动的部件应保持较轻的质量，因此空心薄壁筒1、连接杆3或桁架杆件4可采用碳纤维和玻璃纤维复合材料，碳纤维和玻璃纤维复合材料可采用现有技术中的工艺制造。当然，除碳纤维和玻璃纤维复合材料外，也可以采用其他轻质高强材料替代。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。例如，各部件的材料、尺寸可以根据需要进行调整。桁架杆件的布置可以进行调整，也可以采用其他固定装置进行替代，但需保证固定连接的稳定性。电磁感应线圈也可以采用其他的方式布置在永磁体周边。当然，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，装置中具有一个呈倒立圆台型的空心薄壁筒(1)，空心薄壁筒(1)通过固定装置直立安装于连接杆(3)上，且连接杆(3)底部固定于地基(7)上；位于空心薄壁筒(1)下方的连接杆(3)外部套有随连接杆(3)同步摆动的永磁体(5)；永磁体(5)外部布设有若干闭合的电磁感应线圈(6)，当永磁体(5)随连接杆(3)同步摆动时，永磁体(5)的磁感线交替切割电磁感应线圈(6)产生电流。

2.如权利要求1所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的连接杆(3)与空心薄壁筒(1)同轴设置，且部分伸入空心薄壁筒(1)内腔作为固定装置的着力点。

3.如权利要求2所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的固定装置包括若干对桁架杆件(4)，每对桁架杆件(4)的一端相连并固定于空心薄壁筒(1)内壁上，另一端固定在连接杆(3)上形成三角形支撑；固定装置中的所有桁架杆件(4)在连接杆(3)与空心薄壁筒(1)之间的环形腔中沿周向均布。

4.如权利要求3所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的固定装置中共有6对桁架杆件(4)，6对桁架杆件(4)分为上下两组，每组的3对桁架杆件(4)在所述环形腔的同一高度处间隔120°环形设置，每对两根桁架杆件(4)呈45°连接。

5.如权利要求1所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的电磁感应线圈(6)同轴布置于一个空心的底座圆筒(2)内壁，底座圆筒(2)同轴套设于永磁体(5)外，且底座圆筒(2)内壁与永磁体(5)外壁之间留有供永磁体(5)摆动的空间。

6.如权利要求1所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的连接杆(3)采用空心管。

7.如权利要求1所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的空心薄壁筒(1)和/或连接杆(3)采用碳纤维和玻璃纤维复合材料。

8.如权利要求3所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的桁架杆件(4)采用碳纤维和玻璃纤维复合材料。

9.如权利要求5所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的底座圆筒(2)底部固定于地基(7)上。

10.如权利要求1所述的基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述的电磁感应线圈(6)连接外部蓄电装置。