CN114922786A - 基于涡激振动的无叶片风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于涡激振动的无叶片风力发电机组。该发电机组包括塔筒和第一调谐质量块、发电机、摆杆和第二调谐质量块。所述第一调谐质量块设置于所述塔筒内，与所述塔筒连接，所述第一调谐质量块在所述塔筒内的高度可调。发电机设于所述塔筒的底部，所述发电机包括定子和相对于所述定子活动的动子。摆杆和第二调谐质量块，所述摆杆可摆动地设置于所述塔筒内，所述摆杆的一端与所述塔筒的顶部活动连接，另一端与所述动子连接，所述第二调谐质量块连接于所述摆杆，所述第二调谐质量块在所述塔筒内的高度可调。该方案可以根据风速实现振动频率的调节，适应风速范围大，提高风能的利用率。

Description

基于涡激振动的无叶片风力发电机组

技术领域

本申请涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种基于涡激振动的无叶片风力发电机组。

背景技术

目前，常规的水平轴风力发电机组依靠叶片旋转吸收风能，将风转换为机械能、叶片决定吸收风能的效率。尤其地，三叶片水平轴风力发电效率高且技术成熟，被得到广泛应用。

另外，还存在利用涡激振动原理发电的无叶片风力发电机组，无叶片风力发电机组因零部件少于常规的水平轴风力发电机组，制造成本以及维护成本相对较低，但是结构尚未成熟。

发明内容

本申请提供一种基于涡激振动的无叶片风力发电机组，可以根据风速实现频率调节，适应风速范围大，提高风能的利用率。

本申请提供一种基于涡激振动的无叶片风力发电机组，包括：

塔筒和第一调谐质量块，所述第一调谐质量块设置于所述塔筒内，与所述塔筒连接，所述第一调谐质量块在所述塔筒内的高度可调；

发电机，设于所述塔筒的底部，所述发电机包括定子和相对于所述定子活动的动子；及

摆杆和第二调谐质量块，所述摆杆可摆动地设置于所述塔筒内，所述摆杆的一端与所述塔筒的顶部活动连接，另一端与所述动子连接，所述第二调谐质量块设置于所述摆杆，所述第二调谐质量块在所述塔筒内的高度可调。

可选的，所述风力发电机组还包括设置于所述塔筒的第一升降装置，所述第一升降装置带动所述第一调谐质量块沿所述塔筒的高度升降，以调节所述第一调谐质量块在所述塔筒内的高度。

可选的，所述第一升降装置包括卷扬机，所述卷扬机包括可转动的卷筒以及缆绳，所述缆绳的一端与所述卷筒连接，另一端与所述第一调谐质量块连接。

可选的，所述第一调谐质量块设置为中空状结构，所述摆杆穿过所述第一调谐质量块中空处的空腔，所述第一调谐质量块中空处的空腔设置成能够使所述第二调谐质量块穿过。

可选的，所述第二调谐质量块套装在所述摆杆外，与所述摆杆、所述第一调谐质量块以及所述塔筒同轴设置。

可选的，所述风力发电机组还包括设于所述塔筒的第一锁定装置，所述第一调谐质量块通过所述第一锁定装置锁定在调节后的高度处；和/或

所述风力发电机组还包括设于所述摆杆的第二锁定装置，所述第二调谐质量块通过所述第二锁定装置锁定在调节后的高度处。

可选的，所述塔筒的内壁还设有缓冲结构，所述缓冲结构隔离所述塔筒与所述摆杆。

可选的，所述摆杆通过万向节与所述塔筒的顶部活动连接。

可选的，所述发电机可活动地安装于所述塔筒的底部，随所述摆杆的摆动相对于所述塔筒活动。

可选的，所述发电机转动安装于所述塔筒的底部，所述发电机的转动轴线与所述塔筒的高度方向一致。

可选的，所述风力发电机组还包括设置于所述摆杆的第二升降装置，所述第二升降装置带动所述第二调谐质量块沿所述塔筒的高度升降，以调节所述第二调谐质量块在所述塔筒内的高度。

本申请提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：

本申请提供了一种基于涡激振动的无叶片风力发电机组，其中，连接于塔筒的第一调谐质量块的高度可调，连接于摆杆的第二调谐质量块的高度可调，如此可以根据风速调节塔筒和摆杆的频率，使塔筒和摆杆能够适应一定范围的风速，并且在相应风速下产生涡激共振，可以有效捕获风能，提高风能的利用率。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例示出的无叶片风力发电机组的示意图；

图2是图1中示出的无叶片风力发电机组的剖视图；

图3是图2中示出的无叶片风力发电机组的部分结构的剖视图；

图4是塔筒的横截面图；

图5是第一调谐质量块的纵截面图；

图6是本申请一示例性实施例示出的摆杆和第二调谐质量块的剖视图；

图7是第二调谐质量块的纵截面图；

图8是第二调谐质量块的俯视图；

图9是图2中的N-N视图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个，若仅指代“一个”时会再单独说明。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，图1所示为本申请一示例性实施例示出的无叶片风力发电机组100的示意图。

本申请实施例提供的无叶片风力发电机组100(以下简称发电机组100)基于涡激振动的原理发电，通过结构物振荡，进行机械能量的捕获，进而将振动能量转换为电能。该发电机组100应用场景不限，既可以应用于陆地风场，也可以用于海上风场。

发电机组100包括基础10和设置于基础10的塔筒20。本申请对塔筒20的具体结构不作限定。例如，塔筒20可以是圆锥形塔筒，塔筒20的直径从底部向顶部逐渐缩小。又如，塔筒20可以是圆柱形塔筒。本实施例中，塔筒20的底部为圆锥形结构，中部及顶部均为圆柱形结构。基础10包括但不限于混凝土基础。塔筒20包括但不限于钢结构的塔筒。

请参考图2，图2为图1中示出的发电机组100的剖视图。

发电机组100还包括摆杆30、第一调谐质量块40、第二调谐质量块50和发电机60。其中，所述第一调谐质量块40设置于所述塔筒20内，与所述塔筒20连接，所述第一调谐质量块40在所述塔筒20内的高度可调。通过调节第一调谐质量块40在所述塔筒20内的高度，可以调节塔筒20的重心，从而可以调节塔筒20的固有频率。在图2所示的实施例中，向上调节第一调谐质量块40，塔筒20的固有频率减小，向下调节第一调谐质量块40，则塔筒20的固有频率增大。如此可以使塔筒20的固有频率与风速匹配，形成涡激共振。

发电机60设于所述塔筒20内，且位于塔筒20的底部，所述发电机60包括定子61和相对于所述定子61活动的动子62(参考图9)。摆杆30可摆动地设置于所述塔筒20内，摆杆30可带动动子62相对于定子61活动，切割定子61的磁场，使发电机60发电。具体的，所述摆杆30的一端与所述塔筒20的顶部活动连接，另一端与所述动子62连接，当风流过塔筒20的表面会引起涡脱落，使塔筒20产生涡激振动，此时，摆杆30吸收塔筒20的振动能量，摆杆30随之往复摆动，从而带动发电机60的动子62活动，实现发电。发电机60可以采用旋转式发电机或直线式发电机。

第二调谐质量块50设置于所述摆杆30，且所述第二调谐质量块50在所述塔筒20内的高度可调。调节第二调谐质量块50的高度，可以相应调节摆杆30的重心，从而可以调节摆杆30的频率，使摆杆30的频率在一定范围可调，并与塔筒20的频率相匹配。在图2所示的实施例中，向上调节第二调谐质量块50，摆杆30的频率增大，向下调节第二调谐质量块50，摆杆30的频率减小。

在实际应用场景中，发电机组100在某一风速下切入发电时，需要调节第一调谐质量块40的高度，以改变塔筒20的固有频率，使塔筒20的固有频率与风的涡激振动频率相同，从而形成涡激共振。并且，还需调节第二调谐质量块50的高度，使摆杆30与塔筒20形成共振，这样摆杆30就可以更多吸收塔筒20的能量，以充分利用风能。

根据以上的描述可知，通过调节第一调谐质量块40的高度，可以使塔筒20与风实现涡激共振，以及通过第二调谐质量块50的高度，还可以使摆杆30与塔筒20实现共振，由此实现了振动能量的有效传递，提高了风能的利用率。该发电机组可以根据风速实现频率调节，适应风速范围大。

在一实际应用场景中，所述第一调谐质量块40与所述第二调谐质量块50可被调节至同一高度，在同一高度处，所述塔筒20与所述摆杆30共振，该振动频率可与风的涡激振动的频率相同。当然，在其他实际应用场景中，根据第一调谐质量块40与第二调谐质量块50的形状和结构的不同，第一调谐质量块40与第二调谐质量块50两者不在同一高度时也可以实现塔筒20与摆杆30的共振。

本申请对实现第一调谐质量块40在塔筒20高度方向上可调的具体实施方式不做限定。一种实施例，可以在塔筒20的内壁上设置高度不同的多个安装部，第一调谐质量块40可选择地安装于多个安装部其中之一，如此实现第一调谐质量块40高度的调节。

请参考图3，图3为图2中示出的发电机组100的部分结构的剖视图。

在图3所示的实施例中，发电机组100还包括设置在所述塔筒20顶部的第一升降装置70，所述第一升降装置70带动所述第一调谐质量块40沿所述塔筒20的高度升降，如此可以调节所述第一调谐质量块40在所述塔筒20内的高度。第一升降装置70可以实现第一调谐质量块40在所述塔筒20内的自动升降，操作简单方便。

在一个实施例中，所述第一升降装置70可以包括卷扬机，所述卷扬机包括可转动的卷筒71以及缆绳72，所述缆绳72的一端与所述卷筒71连接，另一端与所述第一调谐质量块40连接。卷扬机占用空间小，结构简单且操作方便。卷扬机可以设置多个，这样第一调谐质量块40就可以与多条缆绳72连接，保证连接的可靠性。本实施例中，卷扬机设置两个。在一个具体的实施例中，塔筒20的顶部可以配置设备舱21，卷扬机设置于设备舱21内。

请参考图4和图5，图4所示为塔筒20的横截面的示意图。图5所示为第一调谐质量块40的纵截面的示意图。

第一调谐质量块40在升降过程中会发生晃动，为了避免第一调谐质量块40由于晃动与塔筒20发生磕碰，可以对第一调谐质量块40进行限位。在一个实施例中，塔筒20与第一调谐质量块40中的一者设有凸台22，另一者设有凹槽41，所述凸台22与所述凹槽41沿所述塔筒20的高度方向延伸，且在第一调谐质量块40的升降过程中滑动配合。如此，凸台22与凹槽41可以在第一调谐质量块40的升降过程中起导向和限位作用，减小第一调谐质量块40由于晃动对塔筒20造成的损坏。

本实施例中，套筒20的内部设有凸台22，第一调谐质量块40的外部设有凹槽41。在其他一些实施例中，套筒20的内壁可以设有凹槽41，第一调谐质量块40的外壁设置凸台22。此外，凸台22与凹槽41可以设置多组，例如两组或两组以上。本实施例中，凸台22与凹槽41设有两组，两组之间间隔180°，每组中的凸台22与凹槽41一一对应设置。

在一个实施例中，所述发电机组100还包括设于所述塔筒20的第一锁定装置(未示出)，所述第一调谐质量块40通过所述第一锁定装置锁定在调节后的高度处。第一锁定装置可以确保第一调谐质量块40的高度保持不变。第一锁定装置可以包括多个可伸缩的夹爪，多个可伸缩的夹爪沿塔筒20的径向伸缩，在伸出状态下，多个夹爪共同夹持第一调谐质量块40，使第一调谐质量块40在调节后的高度上与塔筒20保持相对固定，在缩回状态下，多个夹爪与第一调谐质量块40脱离。当然，第一锁定装置不仅限于以上所描述的实施方式。在其他一些实施例中，第一锁定装置还可以包括沿塔筒20的高度方向设置的上挡板和下挡板，所述上挡板与第一调谐质量块40上端抵靠，所述下挡板与第一调谐质量块40下端抵靠，如此将第一调谐质量块40夹持固定在调节后的高度处。上挡板和下挡板可以设置成沿塔筒20径向可伸缩式的挡板，避免在调节第一调谐质量块40高度时干涉。

请再次参考图2，在一个实施例中，所述第一调谐质量块40设置为中空状结构，所述摆杆30穿过所述第一调谐质量块40中空处的空腔42，所述第一调谐质量块40中空处的空腔42设置成能够使所述第二调谐质量块50穿过。如此，空腔42处形成避让空间，可以避免在调节第二调谐质量块50的高度时与第一调谐质量块40发生干涉。

在一个实施例中，所述第二调谐质量块50套装在所述摆杆30外，所述第二调谐质量块50与所述摆杆30、所述第一调谐质量块40以及塔筒20同轴设置。如此设置，可以保证上述四者组装后的整体重心位于塔筒20高度方向的中心线上，不会在垂直于塔筒20高度方向的横向方向发生偏移，由此可以降低塔筒20的疲劳应力，延长塔筒20的使用寿命。

请参考图6，图6为图2中示出的摆杆30和第二调谐质量块50的剖视图。

本申请对实现第二调谐质量块50在塔筒20高度方向上可调的具体实施方式不做限定。在一个实施例中，所述发电机组100还包括设置于所述摆杆30的第二升降装置80，所述第二升降装置80带动所述第二调谐质量块50沿所述塔筒20的高度升降，如此可以调节所述第二调谐质量块50在所述塔筒20内的高度。第二升降装置80可以与第一升降装置70采用相同实施方式，例如，第二升降装置80也可以包括卷扬机，此处不再赘述。

摆杆30的顶端活动连接于塔筒20的顶部，连接方式可以是铰接。本实施例中，摆杆30通过万向节连接于塔筒20的顶部，如此可以实现摆杆30相对于塔筒20的360°的摆动，使得摆杆30可以适应不同风向。

请参考图7和图8，图7所示为第二调谐质量块50的纵截面的示意图，图8为第二调谐质量块50的俯视图。

为了避免第二调谐质量块50相对于摆杆30转动，可以沿摆杆30的周向对第二调谐质量块50进行限位。在图7所示的实施例中，第二调谐质量块50供摆杆30穿过的通孔51可以设置为非圆孔，且摆杆30的形状与通孔51的形状相同，如此限制第二调谐质量块50相对于摆杆30的转动，且结构简单，易于实现。在一个可选择的实施例中，通孔51可以设置为多边形孔、椭圆形孔等，但不仅限于此。

在一个实施例中，所述发电机组100还包括设于所述摆杆30的第二锁定装置(未示出)，所述第二调谐质量块50通过所述第二锁定装置锁定在调节后的高度处。第二锁定装置可以参考第二锁定装置设置，此处不再赘述。

请再次参考图2，在一个实施例中，所述塔筒20的内壁还设有缓冲结构23，所述缓冲结构23隔离所述塔筒20与所述摆杆30。也就是说，缓冲结构23可以避免摆杆30摆动时与塔筒20碰撞，避免对塔筒20造成损坏。缓冲结构23可以是贴附于塔筒20内壁的柔性橡胶垫，或者是可变形件的弹簧。在图2所示的实施例中，缓冲结构23设置于塔筒20圆柱段和圆锥段的相接位置处。

请参考图9，图9所示为发电机60的剖视图。

在一个实施例中，所述发电机60可活动地安装于所述塔筒20的底部，随所述摆杆30的摆动相对于所述塔筒20活动。如此可以避免发电机60阻碍摆杆30摆动。

在一个具体的实施例中，所述发电机60转动安装于所述塔筒20的底部，所述发电机60的转动轴线与所述塔筒20的高度方向一致。具体的，基础10上设有固定部11和回转支撑部12，回转支撑部12转动连接于固定部11，发电机60安装于回转支撑部12上，回转支撑部12的转动轴线与塔筒20的高度方向一致。当风向改变，摆杆30运动驱使导向件63连同定子61绕回转支撑部12的转轴转动，直到方向同摆动方向一致。摆杆30可以通过拨套64与动子62连接。如此设置，风向变化后，摆杆30摆动方向变化，驱动定子的导向件63方向变化，安装在回转支撑部12的发电机60可以按照导向件63方向转动，以适应不同的风向和摆动方向。回转支撑部12的转轴可以与塔筒20的中心线共线。

需说明的是，当需要停机时，通过调节第一调谐质量块40和第二调谐质量块50的高度，使塔筒20与摆杆30远离共振，则摆杆30会逐渐停止工作，发电机组100进入停机状态。

本申请提供的发电机组100可以配备控制***，通过控制***自动切入或切出发电、或停机。例如，某一风速下(不同风速的风流过塔筒20的表面，会产生不同频率的涡脱落)，控制***根据风速控制第一升降装置70工作，以调节第一调谐质量块40的高度，第一升降装置70带动第一调谐质量块40上移，塔筒20的频率变小，第一升降装置70带动第一调谐质量块40下移，塔筒20的频率变大，如此，使塔筒20与风涡激共振。随后控制***控制第二升降装置80工作，调节第二调谐质量块50的高度，第二升降装置80带动第二调谐质量块50上移，摆杆30的频率变大，第二升降装置80带动第二调谐质量块50下移，摆杆30的频率变小，如此，使塔筒20与摆杆30共振，此时摆杆30稳定往复运动，带动发电机60持续发电。停机时调节第二调谐质量块50的高度，使摆杆30的频率远离涡激振动频率，直至***停止运动。

本申请实施例提供的发电机组100，塔筒20的高度不限，可以适应于大兆瓦容纳发电需求的场合。

本申请实施例提供的发电机组100，采用直线式发电机60安装在塔筒20的底部，直线式发电机60做低速旋转运动，摆杆30拨动动子62来回移动，线速度高，发电效率更高。

本申请实施例提供的发电机组100，塔筒20的结构、材料、制作工艺无需特殊定制，产业成熟，完全适应制作需要。

本申请实施例提供的发电机组100，零部件数量减少，无叶片、驱动链等，设备成本及发电成本大大降低。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于涡激振动的无叶片风力发电机组，其特征在于，包括：

塔筒和第一调谐质量块，所述第一调谐质量块设置于所述塔筒内，与所述塔筒连接，所述第一调谐质量块在所述塔筒内的高度可调；

发电机，设于所述塔筒的底部，所述发电机包括定子和相对于所述定子活动的动子；及

摆杆和第二调谐质量块，所述摆杆可摆动地设置于所述塔筒内，所述摆杆的一端与所述塔筒的顶部活动连接，另一端与所述动子连接，所述第二调谐质量块设置于所述摆杆，所述第二调谐质量块在所述塔筒内的高度可调。

2.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括设置于所述塔筒的第一升降装置，所述第一升降装置带动所述第一调谐质量块沿所述塔筒的高度升降，以调节所述第一调谐质量块在所述塔筒内的高度。

3.根据权利要求2所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述第一升降装置包括卷扬机，所述卷扬机包括可转动的卷筒以及缆绳，所述缆绳的一端与所述卷筒连接，另一端与所述第一调谐质量块连接。

4.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述第一调谐质量块设置为中空状结构，所述摆杆穿过所述第一调谐质量块中空处的空腔，所述第一调谐质量块中空处的空腔设置成能够使所述第二调谐质量块穿过。

5.根据权利要求4所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述第二调谐质量块套装在所述摆杆外，与所述摆杆、所述第一调谐质量块以及所述塔筒同轴设置。

6.根据权利要求1至5任一项所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括设于所述塔筒的第一锁定装置，所述第一调谐质量块通过所述第一锁定装置锁定在调节后的高度处；和/或

所述风力发电机组还包括设于所述摆杆的第二锁定装置，所述第二调谐质量块通过所述第二锁定装置锁定在调节后的高度处。

7.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述塔筒的内壁还设有缓冲结构，所述缓冲结构隔离所述塔筒与所述摆杆；和/或

所述摆杆通过万向节与所述塔筒的顶部活动连接。

8.根据权利要求1所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述发电机可活动地安装于所述塔筒的底部，随所述摆杆的摆动相对于所述塔筒活动。

9.根据权利要求8所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述发电机转动安装于所述塔筒的底部，所述发电机的转动轴线与所述塔筒的高度方向一致。

10.根据权利要求1至5任一项所述的无叶片风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括设置于所述摆杆的第二升降装置，所述第二升降装置带动所述第二调谐质量块沿所述塔筒的高度升降，以调节所述第二调谐质量块在所述塔筒内的高度。

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