CN106930897B - 一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置 - Google Patents

一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置 Download PDF

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Abstract

一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置。它主要是解决现有风力发电机因使用叶片所带来的影响等技术问题。其技术方案要点是风力塔（1）通过球形铰接Ⅰ（2）固定在上机座（3）上，风力塔（1）通过球头铰接（4）与活塞组件（5）相连，活塞组件（5）设置在缸体（6）内，缸体（6）通过球形铰接Ⅱ（7）固定在下机座（8）上，液压管（9）一端连接在缸体（6）上，另一端分成两支分别通过单向阀Ⅰ（10）、单向阀Ⅱ（11）与液压马达相连。本发明具有结构紧凑，维护方便，制造成本低，无噪音，无齿轮传动、能量转换率高等优点，且能将接收到的频率放大两倍。

Description

一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置
技术领域
本发明属于风能发电技术领域，特别是涉及一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置。
背景技术
风能作为一种可再生且无污染的能源，已受到世界各国的高度重视。利用风能进行发电是目前风能利用的主要方式。
有叶片风力机的基本原理是风力作用在风轮的叶片上，从而带动风轮旋转，再通过增速器将旋转速度提升，然后驱动发电机发电。有叶片风力机主要由叶片、轮毂、增速器、发电机、铁塔及尾舵等组成，它又分为水平轴风力机和垂直轴风力机。但它具有噪声和视觉污染、土地占用高、影响生态环境、装机成本高等缺点。
无叶片风力机是最近几年刚提出来的一种利用风能发电的装置，其基本原理是通过涡旋脱落效应捕捉风能，并将其转化成电能的一种装置。卡门涡旋是流体力学中一种常见的现象，当一定条件下的定常来流绕过高塔、烟囱、电线杆等物体时，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。涡旋脱落会对物体产生一个交变的横向作用力，该作用力迫使物体结构产生一个有规律的振动，且振动的频率与来流速度成正比，通过将结构的振荡最大化并进行机械能的捕获，从而就可利用该机械能来进行发电。无叶片风力机具有土地占用低、无噪音、环境友好、性价比高、制造成本低等。
但由于无叶片风力机装置是通过迫使结构振动来捕获风能，即捕获的风能体现在物体结构的振动频率和振幅中，若要将捕获的风能转化成电能，就需要将物体得到的振动频率和振幅转化成发电机所需要的旋转运动，即需要一个能量转换装置。本发明正是基于上述背景而提出的一种液压式能量转换装置，该装置具有结构紧凑、无噪音、维护方便、制造成本低、无齿轮传动、能量转换率高等优点，且能将接收到的频率放大两倍。
发明内容
为了将物体结构获取的振动频率和振幅转换成旋转动能，本发明提供了一种结构简单且用于无叶片风力机的液压式能量转换装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它主要包括风力塔1、球形铰接Ⅰ2、上机座3、球头铰接4、活塞组件5、缸体6、球形铰接Ⅱ7、下机座8、单向阀Ⅰ10和单向阀Ⅱ11、液压管9和液压马达12；其中风力塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上机座3上，风力塔1通过球头铰接4与活塞组件5相连，活塞组件5设置在缸体6内，当风力塔1发生偏转摆动时，带动活塞组件5在缸体6内上下运动，从而使缸体6内的液体完成吸入和排出；缸体6通过球形铰接Ⅱ7固定在下机座8上，液压管9一端连接在缸体6上，另一端分成两支分别通过单向阀Ⅰ10、单向阀Ⅱ11与液压马达相连，当活塞组件5在缸体6内上下运动时，缸体6的液体经液压管9分别通过单向阀Ⅰ10和单向阀Ⅱ11进出液压马达12，从而使液压马达12的输出轴产生旋转。
风力塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上机座3上，同时风力塔1通过球头铰接4与活塞组件5相连。当风力F作用在风力塔1时，引起风力塔1发生偏转，如从位置A转到位置B，带动活塞组件5向上运动，使缸体6下端的容积增大，经液压管9、单向阀Ⅱ11从液压马达12中吸入液体；在卡门涡街周期性横向交变力作用下，使风力塔1又从位置B回到位置A时，带动活塞组件5向下运动，压缩缸体6中的液压油经液压管9、单向阀Ⅰ10又回到液压马达12；在作用力的继续作用下，风力塔1从位置A偏转到位置C，又带动活塞组件5向上运动，使缸体6又产生一个吸入液体的过程；当作用力又驱动风力塔1从位置C回到位置A时，并带动活塞组件5向下运动，使缸体6又完成一次排出液体的过程；类似的吸入和排出液体的过程如此循环，从而驱动液压马达12中的输出轴旋转，以实现将风力塔1产生的周期性振荡转化为液压马达的旋转动能。
风力塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上支座3上，其中风力塔1仅能绕上支座3发生偏转，而不能绕风力塔1本身的纵向轴线自转，从而可以防止因风力作用使风力塔1发生自转而损耗了风能的获取。采用球形铰接Ⅰ2固定风力塔1在上支座3上，可以保证风力塔1所接受的风力方向不受限制，任何方向相同的风力都可以使风力塔1产生相同角度的偏转，并输出相同的旋转动能。采用球形铰接Ⅰ2固定风力塔1在上支座3上，可以使无叶片风力机的安装不受来流方向的限制。
风力塔1通过球头铰接4直接与活塞组件5相连，在风力和卡门涡街周期性横向交变力的共同作用下，使风力塔1产生振荡的振动频率和振幅直接转换成活塞组件5上下运动的频率和移动量，其中风力塔1产生的振动频率转换成活塞组件5的上下运动频率，且活塞组件5上下运动的频率是风力塔1振动频率的两倍，起到了频率的放大作用；风力塔1因振荡所产生的振幅转换成活塞组件5上下运动的幅值，从而实现缸体6内液体的吸入或排出。当风力或风速增大时，意味着风能就越大，会使风力塔1发生偏转的角度也增大，即风力塔1的振幅增大，带动活塞组件5上下运动的幅值也增大，使缸体6内吸入或排出的液体增多，从而使液压马达12输出的旋转速度也越快。同时，风力塔1通过球头铰接4直接与活塞组件5相连，有效地减少了中间环节，从而也就减少了风能接收过程中的能量损耗。
风力塔1通过球头铰接4直接与活塞组件5相连，其中活塞组件5仅能绕球头铰接4发生偏转，而不能绕活塞组件5本身的纵向轴线旋转，一方面可以防止活塞组件5本身旋转而引起磨损和能量损耗增大；另一方面当风力塔1在风力作用下向某个方向发生偏转时，可以保证活塞组件5对应地偏向与风力塔1偏转相反的方向。
缸体6通过球形铰接Ⅱ7直接固定在下支座8上，其中缸体6仅能绕下支座8偏转而不能绕缸体6本身的纵向轴线自转。采用球形铰接Ⅱ7可以使缸体6配合活塞组件5的偏转而对应地发生偏转，尽可能地减少了能量损耗。
缸体6经液压管9、单向阀Ⅰ10、单向阀Ⅱ11直接与液压马达12相连，当缸体6吸入液体时，液体经液压马达12、单向阀Ⅱ11和液压管9进入到缸体6内，从而完成缸体6内液体的吸入过程；当缸体6排出液体时，液体从缸体6、液压管9、单向阀Ⅰ10进入到液压马达12内，从而完成缸体6内液体的排出过程。同时缸体6经液压管9、单向阀Ⅰ10、单向阀Ⅱ11直接与液压马达12相连，一方面将缸体6内液体的吸入与排出过程转换成液压马达12的旋转输出；另一方面能有效地减少了中间环节，降低了能量转换过程中的能耗。
本发明的有益效果是：采用本文发明的一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置，当风力和卡门涡街所产生的横向交变力共同作用到风力塔时，风力塔会产生连续的振荡，若风力塔的固有频率与振荡频率相近，会使风力塔的振荡最大化，即风力塔能获得最大的机械能；由于在本发明中风力塔结构直接与活塞组件相连，从而使风力塔获得的机械能能够直接转换成活塞组件的做功，风力越大则其做功就越多；另一方面，风力塔振荡时的振动频率就可直接转换成活塞组件的上下运动，且活塞组件的运动频率是风力塔振动频率的两倍，起到了振动频率的放大作用。
本文所述的一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置，由于风力塔与上支座、缸体与下支座均采用球形铰接，风力塔与活塞组件采用球头铰接，他们均能通过铰接发生偏转而 不能绕其本身的纵向轴线自转，从而使风力塔能够接受任何方向的风力，并使其产生对应方向的振荡，只要来流的风力相同，则风力塔产生的振荡也就相同，这样可以保证无叶片风力机的安装不受方位的限制。
由于本发明中采用了液压***，使得在机械能转换为旋转动能之间没有齿轮传动，从而在能量转换过程中无噪音产生，确保了无叶片风力机不会产生噪音污染，使得无叶片风力机能够安装在生活区。
最后由于本文所述的一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置的结构紧凑，能量损耗小，从而可以大大地降低无叶片风力机的制造和安装成本，使其性价比得到提高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是风力塔从位置A振荡到位置B时的机构示意图。
图3是风力塔从位置A振荡到位置C时的机构示意图。
图中1-风力塔，2-球形铰接Ⅰ，3-上机座，4-球头铰接，5-活塞组件，6-缸体，7-球形铰接Ⅱ，8-下机座，9-液压管，10-单向阀Ⅰ，11-单向阀Ⅱ，12-液压马达。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1，本发明主要包括风力塔1、球形铰接Ⅰ2、上机座3、球头铰接4、活塞组件5、缸体6、球形铰接Ⅱ7、下机座8、单向阀Ⅰ10和单向阀Ⅱ11、液压管9和液压马达12；其中风力塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上机座3上，风力塔1通过球头铰接4与活塞组件5相连，活塞组件5设置在缸体6内，当风力塔1发生偏转摆动时，带动活塞组件5在缸体6内上下运动，从而使缸体6内的液体完成吸入和排出；缸体6通过球形铰接Ⅱ7固定在下机座8上，液压管9一端连接在缸体6上，另一端分成两支分别通过单向阀Ⅰ10、单向阀Ⅱ11与液压马达相连，当活塞组件5在缸体6内上下运动时，缸体6的液体经液压管9分别通过单向阀Ⅰ10和单向阀Ⅱ11进出液压马达12，从而使液压马达12的输出轴产生旋转。参考图1至图3。
实施例2，风力塔1通过球形铰接Ⅰ2固定在上机座3上，且风力塔1仅能绕上机座3偏转而不能绕风力塔1自身的纵向轴线旋转，从而可以防止因风力作用使风力塔1发生自转而损耗了风能的获取。采用球形铰接Ⅰ2固定风力塔1在上支座3上，可以保证风力塔1所接受的风力方向不受限制，任何方向相同的风力都可以使风力塔1产生相同角度的偏转，并输出相同的旋转动能。采用球形铰接Ⅰ2固定风力塔1在上支座3上，可以使无叶片风力机的安装不受来流方向的限制。参考图1至图3，其余同实施例1。
实施例3，风力塔1通过球头铰接4直接与活塞组件5相连，其中活塞组件5仅能绕球头铰接4发生偏转，而不能绕活塞组件5本身的纵向轴线旋转，一方面可以防止活塞组件5本身旋转而引起磨损和能量损耗增大；另一方面当风力塔1在风力作用下向某个方向发生偏转时，可以保证活塞组件5对应地偏向与风力塔1偏转相反的方向。参考图1至图3，其余同上述实施例。
实施例4，缸体6通过球形铰接Ⅱ7固定在下机座8上，且缸体6仅可绕下机座8发生偏转而不能绕缸体6本身的纵向轴线自转，采用球形铰接Ⅱ7可以使缸体6配合活塞组件5的偏转而对应地发生偏转，尽可能地减少了能量损耗。参考图1至图3，其余同上述实施例。
本发明的工作过程如下：在风力和由涡街产生的交变横向力共同作用下，风力塔1会产生一个周期性振荡，当作用力的频率与风力塔1的固有频率接近时，风力塔1的振荡达到最大化，即风力塔1获取到了最大的机械能；由于风力塔1的振荡，会造成风力塔1沿着来流方向产生一定角度且来回往复的偏转，即风力塔1从其位置A转向位置B、从位置B回到位置A、从位置A转向位置C，从位置C又回到位置A，从而完成一次振荡周期，如此循环下去，其中振荡的频率与风速成正比、振荡的幅值与风力成正比，因此风力大、风速大时，风力塔1振荡的频率和幅值均会增大，从而风力塔1获取的能量即机械能也就越大。
如图2所示，当风力塔1从位置A向位置B偏转时，通过球头铰接4带动活塞组件5沿缸体6向上运动，此时缸体6下端的容积增大，液体经液压管9和单向阀11从液压马达11中吸入到缸体6中；当风力塔1到达位置B时，此时风力塔1克服其阻力偏转到了其最大角度的位置，活塞组件5不再向上运动，缸体6下端的容积也达到了最大值，液体不再吸入，从而缸体6完成了一次液体的吸入过程。在作用力的推动下，风力塔1从位置B向位置A偏转，风力塔1通过球头铰接4带动活塞组件5沿缸体6的内壁向下运动，缸体6下端的容积逐渐变小，活塞组件5推动缸体6下端的液体经液压管9和单向阀10进入到液压马达12中；当风力塔1到达位置A时，活塞组件5到达了其在缸体6中的最下端位置，此时缸体6内的容积不再变化，即达到其最小值，液体也不再流动，从而使缸体6完成了一次液体的排出过程；此时风力塔1完成了半个周期的振荡，而活塞组件5和缸体6配合则完成了一次吸入和排出过程，即液体经过了一个循环操作，液体在液压马达中的进出，从而驱动液压马达中的输出轴旋转，即实现了风力塔1获取到的振荡即机械能向旋转动能的转换。
如图3所示，当风力塔1从位置A向位置C偏转时，通过球头铰接4带动活塞组件5沿缸体6向上运动，此时缸体6下端的容积再次增大，液体经液压管9和单向阀11从液压马达11中再次吸入到缸体6中；当风力塔1到达位置C时，此时风力塔1也偏转到了其最大角度的位置，活塞组件5不再向上运动，缸体6下端的容积再次达到其最大值，液体不再吸入，从而缸体6又完成了一次液体的吸入过程。在作用力的推动下，风力塔1从位置C向位置A偏转，带动活塞组件5沿缸体6向下运动，推动缸体6下端的液体经液压管9和单向阀10进入到液压马达12中；当风力塔1又回到位置A时，活塞组件5不再向下运动，此时缸体6内的容积也不再变化即达到其最小值，液体也不再流动，从而使缸体6又完成了一次液体的排出过程；此时风力塔1又完成了半个周期的振荡，而活塞组件5和缸体6又完成了一次吸入和排出过程，即液体再次经过一个循环操作，如此循环往复下去，从而推动液体在液压马达中循环地进出，进而驱动液压马达中输出轴的旋转，以实现风力塔1获取到的振荡即机械能向旋转动能的转换。
同时，当风力塔1完成一个周期的振荡时，缸体6则完成液体的吸入与排出2次，从而使得本发明装置实现了频率的放大作用。当风力增大时，风力塔1产生的偏转就会相应地增大，使得缸体6内吸入和排出的液体就增多，从而驱动液压马达12的作用力就增大，液压马达11输出轴的旋转速度就会越快。相反地，当风力减少时，风力塔1的偏转角也会减少，缸体6内吸入和排出的液体也相应的减少，则液压马达12输出轴的旋转速度就会降低。
另外，在机构设计中，尽管采用了球形铰接的连接方式，但由于限制了风力塔1、活塞组件5、缸体6绕其自身纵向轴线的旋转，从而保证了风力塔1在任何方向的来流作用下发生偏转时，活塞组件5和缸体6也能按风力塔1偏转的方向对应地发生偏转，使本发明的装置在能量传递过程中的能耗降低到最小。

Claims (2)

1.一种用于无叶片风力机的液压式能量转换装置，其特征是：它主要包括风力塔（1）、球形铰接Ⅰ（2）、上机座（3）、球头铰接（4）、活塞组件（5）、缸体（6）、球形铰接Ⅱ（7）、下机座（8）、单向阀Ⅰ（10）和单向阀Ⅱ（11）、液压管（9）和液压马达（12）；其中风力塔（1）通过球形铰接Ⅰ（2）固定在上机座（3）上，风力塔（1）通过球头铰接（4）与活塞组件（5）相连，活塞组件（5）设置在缸体（6）内，缸体（6）通过球形铰接Ⅱ（7）固定在下机座（8）上，液压管（9）一端连接在缸体（6）上，另一端通过单向阀Ⅰ（10）、单向阀Ⅱ（11）与液压马达（12）相连；
风力塔 （1）通过球形铰接Ⅰ（2）固定在上机座（3）上，且风力塔（1）仅能绕上机座（3）偏转而不能绕风 力塔（1）自身的纵向轴线旋转；
风力塔 （1）通过球头铰接（4）直接与活塞组件（5）相连，其中活塞组件（5）仅能绕球头铰接（4）发生 偏转，而不能绕活塞组件（5）本身的纵向轴线旋转；
缸体 （6）通过球形铰接Ⅱ（7）固定在下机座（8）上，且缸体（6）仅可绕下机座（8）发生偏转而不能 绕缸体（6）本身的纵向轴线自转。
2.根据权利要求1所述的用于无叶片风力机的液压式能量转换装置，其特征是：缸体（6）经液压管（9）、单向阀Ⅰ（10）、单向阀Ⅱ（11）直接与液压马达（12）相连，当缸体（6）吸入液体时，液体经液压马达（12）、单向阀Ⅱ（11）和液压管（9）进入到缸体（6）内，从而完成缸体（6）内 液体的吸入过程；当缸体（6）排出液体时，液体从缸体（6）、液压管（9）、单向阀Ⅰ（10）进入到液 压马达（12）内，从而完成缸体（6）内液体的排出过程，同时缸体（6）经液压管（9）、单向阀Ⅰ（10）、单向阀Ⅱ（11）直接与液压马达（12）相连。
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