CN110594102A - 基于驰振原理的无叶片风力发电设备 - Google Patents

基于驰振原理的无叶片风力发电设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于驰振原理的无叶片风力发电设备，属于发电设备技术领域，包括支架、主振体以及发电振子；主振体为水平设置的中空棱柱体，两端分别通过第一弹性件与支架连接；主振体的内腔中设有两个相互平行且相对设置的磁铁；两个磁铁之间形成水平磁感线；发电振子位于两个磁铁之间；发电振子包括导体以及连接导体和主振体内壁的第二弹性件；导体的两端分别用于与蓄电池组电连接；在主振体受到横向风发生驰振时，导体在惯性力和第二弹性件的共同作用下相对磁铁上下弹动，对水平磁感线进行往复切割实现发电。本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，使得利用风力发电时无需借助叶片完成，可以很大程度上避免传统风力发电的弊端。

Description

基于驰振原理的无叶片风力发电设备
技术领域
本发明属于发电设备技术领域，更具体地说，是涉及一种基于驰振原理的无叶片风力发电设备。
背景技术
传统的常规能源如天然气、石油、煤炭等储存量有限，而且在大量开发及使用时会对生态环境造成较严重的破坏。能源短缺和环境污染问题日益严峻，发展清洁的可再生能源具有重要的经济和社会意义，如风力发电和太阳能发电。但传统的风力发电设备体积庞大，高度在60米以上，单个叶片长度也在35米以上，强风作用下可能会造成叶片断裂、塔架倒塌等严重损害。另外，风机转动起来在生态问题上可能会影响到附近的鸟类等。
因此，急需研制一款绿色环保型无叶片风力发电设备。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于驰振原理的无叶片风力发电设备，旨在解决市场上缺少一款绿色环保型无叶片风力发电设备的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于驰振原理的无叶片风力发电设备，包括：
支架；
主振体，为水平设置的中空棱柱体，两端分别通过第一弹性件与所述支架连接；所述主振体的内腔中设有两个相互平行且相对设置的磁铁；两个所述磁铁之间形成水平磁感线；以及
发电振子，位于两个所述磁铁之间；所述发电振子包括导体以及连接所述导体和所述主振体内壁的第二弹性件；所述导体的两端分别用于与蓄电池组电连接；
在所述主振体受到横向风发生驰振时，所述导体在惯性力和所述第二弹性件的共同作用下相对所述磁铁上下弹动，对所述水平磁感线进行往复切割实现发电。
作为本申请另一实施例，所述第二弹性件与所述导体绝缘连接。
作为本申请另一实施例，所述导体包括多个平行且相互并联的导线，所述第二弹性件设有多组，每个所述导线通过一组所述第二弹性件与所述主振体的内壁连接；每组所述第二弹性件内设有沿所述导线的轴向间隔设置的多个第二弹性件。
作为本申请另一实施例，所述支架包括两个相对且间隔设置的架体，所述主振***于两个所述架体之间，所述主振体的两端分别通过一个所述第一弹性件与相应所述架体连接。
作为本申请另一实施例，所述主振体为四棱柱体，所述磁铁为条形磁铁，所述磁铁的长度方向与所述主振体的长度方向平行，所述导体的长度方向与所述磁铁的长度方向平行。
作为本申请另一实施例，所述主振体为绝缘体。
作为本申请另一实施例，所述主振体包括钢筋骨架及包覆于所述钢筋骨架外的ABS板。
作为本申请另一实施例，所述第一弹性件包括第一弹簧和位于所述第一弹簧正下方的第二弹簧；所述第一弹簧一端与所述主振体连接，另一端与所述支架的顶部连接；所述第二弹簧一端与所述主振体连接，另一端与所述支架的底部连接。
作为本申请另一实施例，所述第一弹簧的弹性刚度大于所述第二弹簧的弹性刚度。
作为本申请另一实施例，所述主振体的两端分别设置有用于与所述第一弹性件连接的连接部。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，本发明实施例提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，改变了风力发电设备的发电原理，提供了一种绿色环保型无叶片风力发电设备。利用横向风向驰振原理将风能转化为了主振体和发电振子的动能，利用电磁感效应将发电振子的动能转化为了电能，实现了风能到电能的转化。这一方案使得利用风力发电时无需借助叶片完成，整个设备结构简单，维修便捷，且不会对生态环境造成不良影响，便于推广，可以很大程度上避免传统风力发电的弊端，发展前景广阔，国内未出现相关设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的结构示意图；
图2为本发明一实施例所采用的主振体及发电振子的竖向剖面结构示意图；
图3为本发明另一实施例所采用的主振体及发电振子的竖向剖面结构示意图；
图4为采用本发明实施例提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备进行风洞试验时风向角示意图；
图5为采用本发明实施例提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备进行风洞试验时不同风向角下结构的驰振力系数。
图中：100、支架；110、架体；200、主振体；300、第一弹性件；310、第一弹簧；320、第二弹簧；400、磁铁；500、发电振子；510、导体；520、第二弹性件；600、连接部。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图5，现对本发明实施例提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备进行说明。所述基于驰振原理的无叶片风力发电设备，包括支架100、主振体200以及发电振子500。
主振体200为水平设置的中空棱柱体，两端分别通过第一弹性件300与支架100连接。主振体200的内腔中设有两个相互平行且相对设置的磁铁400。两个磁铁400之间形成水平磁感线。
发电振子500位于两个磁铁400之间。发电振子500包括导体510以及连接导体510和主振体200内壁的第二弹性件520。导体510的两端分别用于与蓄电池组电连接。
在主振体200受到横向风发生驰振时，导体510在惯性力和第二弹性件520的共同作用下相对磁铁400上下弹动，对水平磁感线进行往复切割实现发电。
为便于描述，下文部分内容将“基于驰振原理的无叶片风力发电设备”简称为发电设备。
使用时，将发电设备放置到有风的地方，并将导体510的两端分别与蓄电池组电连接，主振体200受到横向风作用时，会发生横流驰振现象，做上下弹动的非匀速运动，主振体200内发电振子500中的导体510则在惯性力和第二弹性件520的作用下，相对于主振体200做上下往复运动，对主振体200内两个磁铁400产生的水平磁感线进行往复切割，进而发电。产生的电能才经蓄电池组进行存储。
本发明是基于横向风向驰振原理(即横流弛振原理)以及电磁感效应原理提出的，横向风向驰振原理是指由于流动分离和旋涡脱落而产生的空气动力负阻尼分量，导致细长结构失稳式的振动。横向风向驰振是由升力曲线的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。这种负斜率使得振动过程中结构的位移始终与空气力的方向相一致，结构不断从外界吸收能量，从而形成不稳定振动。结合本实施例，主振体200在受到横向风时会从外界吸收能量，在横向风和第一弹性件300的作用下发生非匀速的上下运动，导体510则在惯性力和第二弹性件520的作用下在主振体200内腔中相对主振体200进行上下非匀速运动，对两个磁铁400所产生的水平磁感线进行反复切割，实现风能到电能的转化。
为验证本实施例方案的可行性，发明人进行了风洞试验，风洞试验在石家庄铁道大学风工程研究中心大气边界层风洞中心STU-1风洞实验室低速段进行，风速最大可达30.0m/s，试验段区域的湍流度不大于0.5％，速度不稳定性小于1％，平均气流的偏角小于1°。
DenHartog认为模型的竖向振动引起了模型相对于来流的风攻角的改变从而导致气动力发生改变，在有些时候气动力的改变导致***的阻尼变为负值时，***就会处于不稳定状态，即***在发生竖向振动时包含有结构阻尼和气动阻尼，当两者的和为负值时模型就会发生竖向振动，且负值的绝对值越大，模型就越容易发生竖向振动，因为***总阻尼为负值所以该振动就会变成一种发散性振动。DenHartog提出了DenHartog驰振准则，满足如下公式模型会发生横向风向驰振而且系数越小越明显。
通过风洞试验可以得到模型的驰振力系数，试验风速为5m/s、10m/s和15m/s三个风速，三个风速下升力系数和阻力系数几乎相同，由图5中可以看出在-14°～14°风向角下结构驰振力系数小于0而且0°和±14°附近驰振力系数最小。
根据以上试验结果可以得到风向角在-14°～14°区间内主振体200会发生驰振，本实施例中主振体200水平放置，即使得本实施例所提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备在受到横向风时易发生弛振现象，进而保证了发电的可行性。
本发明实施例提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，与现有技术相比，改变了风力发电设备的发电原理，提供了一种绿色环保型无叶片风力发电设备。利用横向风向驰振原理将风能转化为了主振体200和发电振子500的动能，利用电磁感效应将发电振子500的动能转化为了电能，实现了风能到电能的转化。这一方案使得利用风力发电时无需借助叶片完成，整个设备结构简单，维修便捷，且不会对生态环境造成不良影响，便于推广，可以很大程度上避免传统风力发电的弊端，发展前景广阔，国内未出现相关设备。
本实施例中导体510可采用导体棒、导线等，只要能在切割水平磁感线时产生电能即可。
具体地，第一弹性件300和第二弹性件520可采用弹簧、橡胶、弹性绳等，只要能实现上述功能即可。蓄电池组可以设置在主振体200内或主振体200外。
作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，第二弹性件520与导体510绝缘连接，避免了导体510上产生的电流经第二弹性件520传送至主振体200上，降低了发电设备使用过程中的电能损耗。
具体地，第二弹性件520与导体510绝缘连接包括以下几种形式，但不局限于下列形式：第二弹性件520采用绝缘弹性件，此时第二弹性件520可直接与导体510连接；导体510外涂覆或包裹绝缘层，第二弹性件520与绝缘层连接；第二弹性件520采用弹簧，在弹簧外涂覆绝缘层或套设绝缘套，通过绝缘层或绝缘套与导体510连接。
请参阅图3，作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，导体510包括多个平行且相互并联的导线，第二弹性件520设有多组，每个导线通过一组第二弹性件520与主振体200的内壁连接。每组第二弹性件520内设有沿导线的轴向间隔设置的多个第二弹性件520。
导线设为多个，有效提高了单个发电设备的发电量。
具体地，导线的数量可根据使用需要进行增减。
请参阅图1，作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，支架100包括两个相对且间隔设置的架体110，主振体200位于两个架体110之间，主振体200的两端分别通过一个第一弹性件300与相应架体110连接。
支架100包括两个架体110，便于设备组装前零部件的移动，且两个架体110之间的距离可根据主振体200的长度进行调节，使得同一组架体110可以与不同规格的主振体200进行组合使用，便于生产者对主振体200和架体110进行分别批量生产，降低了发电设备的制作成本。
请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，主振体200为四棱柱体，磁铁400为条形磁铁400，磁铁400的长度方向与主振体200的长度方向平行，导体510的长度方向与磁铁400的长度方向平行。
主振体200和磁铁400平行设置，使得水平磁感线可沿主振体200的长度方向均匀分布，实现了主振体200内部空间的充分利用。
作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，主振体200为绝缘体，避免了导体510弹动时，因与主振体200发生接触而导致导体510上的电能消耗。
作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，主振体200包括钢筋骨架及包覆于钢筋骨架外的ABS板。
钢筋骨架的设置保证了主振体200的整体结构的稳定性，不会在长期使用中发生变形，从而保证了发电的顺利进行。
ABS(Acrylonitrile butadiene styrene，丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板)板是板材行业新兴的一种材料。它将PS板、SAN板、BS板的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能实施。采用ABS板作为主振体200的外壳，进一步提高了主振体200整体结构的稳定性，保证了主振体200较长的使用寿命。
请参阅图1，作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，第一弹性件300包括第一弹簧310和位于第一弹簧310正下方的第二弹簧320；第一弹簧310一端与主振体200连接，另一端与支架100的顶部连接；第二弹簧320一端与主振体200连接，另一端与支架100的底部连接。
第一弹簧310和第二弹簧320分别位于主振体200的上方和下方，使得主振体200受到横向风时，在第一弹簧310和第二弹簧320的牵引下只能进行上下移动，不会受横向风影响发生大幅度的横向运动，从而保证了弛振现象的顺利进行。
第一弹簧310和第二弹簧320的设置还使得当其中一根弹簧发生损坏时，可仅对发生损坏的那根弹簧进行更换，无需将整个第一弹性件300进行更换，从而有效降低了发电设备的维修成本。
作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，第一弹簧310的弹性刚度大于第二弹簧320的弹性刚度。
经试验，第一弹簧310和第二弹簧320的弹性刚度不同时弛振现象更加明显。
请参阅图1，作为本发明提供的基于驰振原理的无叶片风力发电设备的一种具体实施方式，主振体200的两端分别设置有用于与第一弹性件300连接的连接部600。
连接部600的设置使得第一弹性件300与主振体200连接时不会对主振体200的整体结构造成破坏。
具体地，连接部600可与主振体200可拆卸连接，以便于第一弹性件300发生损坏后的更换。连接部600与主振体200的连接方式可以是螺纹连接、卡接等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于，包括：
支架；
主振体，为水平设置的中空棱柱体，两端分别通过第一弹性件与所述支架连接；所述主振体的内腔中设有两个相互平行且相对设置的磁铁；两个所述磁铁之间形成水平磁感线；以及
发电振子，位于两个所述磁铁之间；所述发电振子包括导体以及连接所述导体和所述主振体内壁的第二弹性件；所述导体的两端分别用于与蓄电池组电连接；
在所述主振体受到横向风发生驰振时，所述导体在惯性力和所述第二弹性件的共同作用下相对所述磁铁上下弹动，对所述水平磁感线进行往复切割实现发电。
2.如权利要求1所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述第二弹性件与所述导体绝缘连接。
3.如权利要求1所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述导体包括多个平行且相互并联的导线，所述第二弹性件设有多组，每个所述导线通过一组所述第二弹性件与所述主振体的内壁连接；每组所述第二弹性件内设有沿所述导线的轴向间隔设置的多个第二弹性件。
4.如权利要求1所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述支架包括两个相对且间隔设置的架体，所述主振***于两个所述架体之间，所述主振体的两端分别通过一个所述第一弹性件与相应所述架体连接。
5.如权利要求1所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述主振体为四棱柱体，所述磁铁为条形磁铁，所述磁铁的长度方向与所述主振体的长度方向平行，所述导体的长度方向与所述磁铁的长度方向平行。
6.如权利要求1所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述主振体为绝缘体。
7.如权利要求6所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述主振体包括钢筋骨架及包覆于所述钢筋骨架外的ABS板。
8.如权利要求1所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述第一弹性件包括第一弹簧和位于所述第一弹簧正下方的第二弹簧；所述第一弹簧一端与所述主振体连接，另一端与所述支架的顶部连接；所述第二弹簧一端与所述主振体连接，另一端与所述支架的底部连接。
9.如权利要求8所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述第一弹簧的弹性刚度大于所述第二弹簧的弹性刚度。
10.如权利要求1-9任一项所述的基于驰振原理的无叶片风力发电设备，其特征在于：所述主振体的两端分别设置有用于与所述第一弹性件连接的连接部。
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