CN212389468U - 一种锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，包括锥体、桅杆、基座、永磁体和电磁感应线圈，锥体整体呈上大下小的筒体，锥体的壁面上设有锯齿段，锯齿段是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成，锯齿段的上端距离锥体大端端部的距离为圆锥体大端直径的0～1倍；锥体以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆上，桅杆与锥体同轴设置，桅杆的下端固定于基座上，桅杆外部套设有随桅杆同步摆动的永磁体，永磁体外部设有若干闭合的电磁感应线圈。该装置通过在锥体上设置锯齿结构的方式对锥体的外形进行改进，增大了锥体的振幅和尾流的脱涡频率，可提高风力发电装置的发电效率。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电设备领域，涉及一种锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置。
背景技术
随着传统能源的日益减少，以及人们对能源的需求量日益增加，能源短缺已成为全球性的问题，新能源、可再生能源的利用问题，已上升到了前所未有的高度上。风能发电作为新型可再生能源的利用，已在世界多个国家广泛使用。对中国而言，风力发电潜力巨大，如果能提高风能的利用率，将会有效减少煤炭等污染能源的使用率。传统的风力发电机为水平轴扇叶风机，其占地面积大，运行时噪声大，扇叶的旋转对鸟类也会造成危害。因此，传统的风力发电机阻碍了风力发电向小型化、民用化的方向发展。
近年来，出现了一种无叶片的桅杆式风力发电机，如图1所示，其主要由五个部分组成：基座、固定桅杆、发电机、调谐***和锥体。与传统发电风机通过涡轮的旋转运动捕捉风能所不同的是，桅杆式风力发电机利用卡门涡街来实现风能的捕获。风吹过锥体在其两侧产生卡门涡街，脱涡频率与锥体的固有频率同步时则会产生共振，风力致锥体强烈振动，锥体与发电机的动子相连，从而切割磁感线进行发电。在同等面积的地面上，桅杆式风力发电机的装机量可比传统水平轴风电机多一倍，且制造成本仅为传统风机的一半，环保性更高，可更高效地利用占地、资金和风能，对鸟类也更加友好。但是，经过实地测试，现有桅杆式风力发电机的风能利用效率较传统风机低30％，这阻碍了其进一步地推广应用。如何提高单机发电效率，是当前桅杆式风力发电机的重点研究方向。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，该装置在不改变现有桅杆式风力发电机整体构造的前提下，通过在锥体上设置锯齿结构的方式对锥体的外形进行改进，以增大锥体的振幅和尾流的脱涡频率，进而提高风力发电装置的发电效率。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，包括锥体、桅杆、基座、永磁体和电磁感应线圈，
所述锥体整体呈上大下小的筒体，锥体的壁面上设有锯齿段，锯齿段是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成，锯齿段的上端距离锥体大端端部的距离为圆锥体大端直径的0～1倍；
锥体以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆上，桅杆与锥体同轴设置，桅杆的下端固定于基座上，桅杆外部套设有随桅杆同步摆动的永磁体，永磁体外部设有若干闭合的电磁感应线圈；当永磁体随连桅杆同步摆动时，永磁体的磁感线交替切割电磁感应线圈产生电流。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，所述锯齿状凹弧线上的锯齿为三角形锯齿，进一步地，所述锯齿状凹弧线上的锯齿优选为等腰直角三角形锯齿，各锯齿以一个锯齿的底角与相邻锯齿的底角相互衔接的方式排布形成锯齿状凹弧线，更进一步地，等腰直角三角形锯齿的直角边边长优选为锥体高度的0.5％～1％。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，锯齿段的高度为锥体高度的0.7～0.75倍。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，锯齿段的最凹处位于锯齿段高度的1/2处，锯齿段最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.2～0.25倍。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，锥体大端端部的直径为锥体小端端部直径的2～3倍，锥体的高度为锥体大端直径的4～6倍。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，桅杆与锥体的连接方式优选为：桅杆的一部分伸入锥体内，锥体通过固定支架安装在桅杆上。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，电磁感应线圈同轴设置于一个中空的圆筒内壁，圆筒同轴套设于永磁体外，且圆筒内壁与永磁体的外壁之间设有供永磁体摆动的空间。
上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的技术方案中，电磁感应线圈连接外部蓄电装置。
本实用新型提供的上述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其创新点在于对锥体的结构进行了改进，在此对现有桅杆式风力发电机的具体结构和本发明的改进原理进行进一步说明。现有桅杆式风力发电机包括桅杆以及由下至上依次设置的基座、调谐***、发电机、锥体，所述调谐***、发电机固定套设在所述桅杆上，桅杆的一端与固定基座固定连接，另一端与锥体较小一端固定连接，锥体用于风吹过时在其两侧产生卡门涡街现象；发电机包括定子和动子，动子固定在桅杆上以用于跟随桅杆摆动，来切割定子的绕组以产生感应电动势；调谐***用于调节所述卡门涡街现象使风力振动锥体的振动频率与锥体固有频率同步，以产生共振从而使风力振动锥体强烈振动。
本实用新型改进原理是：现有桅杆式风力发电机的锥体为上大下小的圆台形，由于高处风速大，因此锥体的截面面积也需要变大，才能保持整个锥体的脱涡频率一致。尾涡脱落频率的表达式如式(1)所示：
f＝St*V/D (1)
式(1)中：f为漩涡脱落频率，V为风速，D为截面面积，St为斯特劳哈尔数。
当脱涡频率与锥体的第一个固有频率接近时，漩涡产生的周期性与风向垂直的力使结构产生大振幅的振动，即所谓的漩涡脱落共振或称涡激共振。涡激振动会存在一个锁定区域，即在漩涡脱落频率f与结构固有频率fn相等之后的一定段范围内，随风速的增加，其漩涡脱落频率保持为常数不变，因此在该锁定区域内，脱涡频率与风速没有关系，因此不需要必须维持桅杆横截面面积的“上大下小”。在相同的压强下，受力面积越大，则力越大，从而振幅越大。Bernitsaa团队基于其开发的VIVACE，探讨了圆柱体涡激振动发电的功率与效率，指明圆柱体涡激振动发电功率与效率取决于振子振幅与频率的乘积，如式(2)所示：
P＝8π3(mc+ma)ζ(Afosc)2fn (2)
式(2)中：P为发电功率，mc为振子振动质量，ma为附加质量，ζ为阻尼比，A为振子振幅，fosc为振动频率，fn为***的自振频率。
本实用新型通过改进锥体的结构使其上具有由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成的锯齿段，增加锥体的受力面积，使锥体振幅增大，从而增大切割磁感线时的角度，提高发电效率。
与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：
本实用新型提供了锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，该装置在不改变现有桅杆式风力发电机整体结构的前提下，在锥体的壁面上设置了由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成的锯齿段，并限定了锯齿段在锥体上的位置以及锯齿段的高度，通过改进锥体外形使之增加受力面积，增大了锥体的振幅和尾流的脱涡频率，提高了风力发电装置的发电效率，有效解决了现有桅杆式无叶片风力发电装置的单机发电效率低的技术难题，有助于桅杆式无叶片风力发电装置的推广应用。
附图说明
图1是现有桅杆式风力发电机的结构示意图；
图2是本实用新型改进后的锥体的结构示意图；
图3是对比例1中所述的锥体的结构示意图；
图4是实施例2中的数值模拟结果，图4中各图的横坐标的单位为秒，纵坐标代表升力系数。
图5是本实用新型锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置的结构示意图。
附图标记说明：1—锥体、1-1—锯齿段、2—桅杆、2-1—固定支架、3—基座、4—永磁体、5—电磁感应线圈、6—圆筒、D—锥体大端端部的直径、d—锥体小端端部的直径、D1—锯齿段最凹处的直径、H—锥体的高度、h—锯齿段的高度。
具体实施方式
以下通过实施例对本实用新型提供的锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本实用新型作进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述实用新型内容，对本实用新型做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本实用新型保护的范围。
实施例1
本实施例中，提供本实用新型改进后的锥体的结构。
如图2所示，锥体1整体呈上大下小的筒体，锥体1的壁面上设有锯齿段1-1，锯齿段1-1是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成。锥体1大端端部的直径为20m，锥体1小端端部直径为10m，锥体的整体高度为100m。锯齿状凹弧线上的锯齿为等腰直角三角形锯齿，各锯齿以一个锯齿的底角与相邻锯齿的底角相互衔接的方式排布形成锯齿状凹弧线，等腰直角三角形锯齿的直角边边长为锥体高度的0.5％，即等腰直角三角形锯齿的直角边边长0.5m。锯齿段1-1的上端与离锥体1大端端部重合，锯齿段1-1的高度为锥体高度的0.7倍，即锯齿段的高度为70m，锯齿段1-1的最凹处位于锯齿段高度的1/2处，锯齿段最凹处是指锯齿段中直径最小的地方，锯齿段1-1最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.2倍，即锯齿段1-1最凹处的直径为4m。
对比例1
本对比例中，提供另一种锥体的结构，该锥体的结构与实施例1所述的锥体的区别仅在于：将实施例1中的锯齿段替换为不带锯齿的凹弧段，该凹弧段由凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成。
如图3所示，锥体整体呈上大下小的筒体，锥体的壁面上设有凹弧段，凹弧段是由凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成。锥体大端端部的直径为20m，锥体小端端部直径为10m，锥体的整体高度为100m。凹弧段的上端与离锥体大端端部重合，凹弧段的高度为锥体高度的0.7倍，即凹弧段的高度为70m，凹弧段的最凹处位于凹弧段高度的1/2处，凹弧段最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.2倍，即凹弧段最凹处的直径为4m。
对比例2
本对比例中，提供现有技术中的锥体结构，锥体呈两端开口、上大下小的空心圆台，锥体大端端部的直径为20m，锥体小端端部直径为10m，锥体的整体高度为100m。
实施例2
本实施例中，利用Fluent软件模拟实施例1、对比例1和对比例2中三种结构的锥体在相同风速下的均匀流中横向受迫振动。
(1)网格化分：利用ICME CFD进行网格化分，由于锥体的结构不规则，所以采用非结构网格进行划分。
(2)运用Fluent软件进行数值模拟。选取Viscous-Laminar模型—设置介质为fluid—设置边界条件(锥体的左边界为velocity-inlet＝5m/s，锥体的右边界为pressure-outlet)—设置Monitor，监管锥体振动时的升力系数—初始化—设置迭代数为200—开始计算。
(3)数值模拟结果如图4所示，实施例1、对比例1和对比例2中的锥体的数值模拟结果分别如图4的(A)(B)(C)图所示。
由图4可知，在风速为5m/s的条件下，对比例2中的锥体在振动时，除了在一开始时升力系数有数值，之后升力系数一直在0附近波动。在风速为5m/s的条件下，对比例1中的锥体的在振动时，升力系数的最大值达到0.0008左右，此后便急剧下降，之后便一直在0.0001与0.0002之间波动。同样在风速为5m/s的条件下，实施例1中的锥体的升力系数的最大值达到了接近0.05的水平，相对于对比例1、2中的锥体，升力系数增大了许多，而且变得平稳，次频减少，同时对来流风反应迅速，这能有效提升桅杆式无叶片风力发电机的涡激振动效率，有效提升发电组的效率。
实施例3
本实施例中，提供锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，该装置的结构示意图如图5所示，包括锥体1、桅杆2、基座3、永磁体4和电磁感应线圈5。
锥体1为实施例1中的锥体，锥体1以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆2上，桅杆2的一部分伸入锥体内，锥体1通过固定支架2-1安装在桅杆2上，桅杆2与锥体1同轴设置，桅杆2的下端固定于基座3上，桅杆2外部套设有随桅杆2同步摆动的永磁体4，永磁体4外部设有若干闭合的电磁感应线圈5，电磁感应线圈5同轴设置于一个中空的圆筒6内壁，圆筒6同轴套设于永磁体4外，且圆筒6内壁与永磁体4的外壁之间设有供永磁体4摆动的空间，圆筒6的底部固定于基座3上，电磁感应线圈5连接外部蓄电装置；当永磁体4随连桅杆3同步摆动时，永磁体4的磁感线交替切割电磁感应线圈5产生电流。
实施例4
本实施例中，提供锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，该装置的结构示意图如图5所示，包括锥体1、桅杆2、基座3、永磁体4和电磁感应线圈5。
锥体1整体呈上大下小的筒体，锥体1的壁面上设有锯齿段1-1，锯齿段1-1是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成。锥体1大端端部的直径为锥体1小端端部直径的3倍，锥体1的高度为锥体大端直径的4倍。锯齿状凹弧线上的锯齿为等腰直角三角形锯齿，各锯齿以一个锯齿的底角与相邻锯齿的底角相互衔接的方式排布形成锯齿状凹弧线，等腰直角三角形锯齿的直角边边长为锥体高度的0.7％。锯齿段1-1的上端距离锥体1大端端部的距离为圆锥体大端直径的0.5倍，锯齿段1-1的高度为锥体高度的0.7倍，锯齿段1-1的最凹处位于锯齿段高度的1/2处，锯齿段最凹处是指锯齿段中直径最小的地方，锯齿段1-1最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.25倍。
锥体1以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆2上，桅杆2的一部分伸入锥体内，锥体1通过固定支架2-1安装在桅杆2上，桅杆2与锥体1同轴设置，桅杆2的下端固定于基座3上，桅杆2外部套设有随桅杆2同步摆动的永磁体4，永磁体4外部设有若干闭合的电磁感应线圈5，电磁感应线圈5同轴设置于一个中空的圆筒6内壁，圆筒6同轴套设于永磁体4外，且圆筒6内壁与永磁体4的外壁之间设有供永磁体4摆动的空间，圆筒6的底部固定于基座3上，电磁感应线圈5连接外部蓄电装置；当永磁体4随连桅杆3同步摆动时，永磁体4的磁感线交替切割电磁感应线圈5产生电流。
实施例5
本实施例中，提供锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，该装置的结构示意图如图5所示，包括锥体1、桅杆2、基座3、永磁体4和电磁感应线圈5。
锥体1整体呈上大下小的筒体，锥体1的壁面上设有锯齿段1-1，锯齿段1-1是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成。锥体1大端端部的直径为锥体1小端端部直径的2.5倍，锥体1的高度为锥体大端直径的5倍。锯齿状凹弧线上的锯齿为等腰直角三角形锯齿，各锯齿以一个锯齿的底角与相邻锯齿的底角相互衔接的方式排布形成锯齿状凹弧线，等腰直角三角形锯齿的直角边边长为锥体高度的0.9％。锯齿段1-1的上端距离锥体1大端端部的距离为圆锥体大端直径的0.7倍，锯齿段1-1的高度为锥体高度的0.75倍，锯齿段1-1的最凹处位于锯齿段高度的1/2处，锯齿段最凹处是指锯齿段中直径最小的地方，锯齿段1-1最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.25倍。
锥体1以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆2上，桅杆2的一部分伸入锥体内，锥体1通过固定支架2-1安装在桅杆2上，桅杆2与锥体1同轴设置，桅杆2的下端固定于基座3上，桅杆2外部套设有随桅杆2同步摆动的永磁体4，永磁体4外部设有若干闭合的电磁感应线圈5，电磁感应线圈5同轴设置于一个中空的圆筒6内壁，圆筒6同轴套设于永磁体4外，且圆筒6内壁与永磁体4的外壁之间设有供永磁体4摆动的空间，圆筒6的底部固定于基座3上，电磁感应线圈5连接外部蓄电装置；当永磁体4随连桅杆3同步摆动时，永磁体4的磁感线交替切割电磁感应线圈5产生电流。
实施例6
本实施例中，提供锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，该装置的结构示意图如图5所示，包括锥体1、桅杆2、基座3、永磁体4和电磁感应线圈5。
如图2所示，锥体1整体呈上大下小的筒体，锥体1的壁面上设有锯齿段1-1，锯齿段1-1是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成。锥体1大端端部的直径为锥体1小端端部直径的2倍，锥体1的高度为锥体大端直径的6倍。锯齿状凹弧线上的锯齿为等腰直角三角形锯齿，各锯齿以一个锯齿的底角与相邻锯齿的底角相互衔接的方式排布形成锯齿状凹弧线，等腰直角三角形锯齿的直角边边长为锥体高度的1％。锯齿段1-1的上端距离锥体1大端端部的距离为圆锥体大端直径的1倍，锯齿段1-1的高度为锥体高度的0.7倍，锯齿段1-1的最凹处位于锯齿段高度的1/2处，锯齿段最凹处是指锯齿段中直径最小的地方，锯齿段1-1最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.2倍。
锥体1以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆2上，桅杆2的一部分伸入锥体内，锥体1通过固定支架2-1安装在桅杆2上，桅杆2与锥体1同轴设置，桅杆2的下端固定于基座3上，桅杆2外部套设有随桅杆2同步摆动的永磁体4，永磁体4外部设有若干闭合的电磁感应线圈5，电磁感应线圈5同轴设置于一个中空的圆筒6内壁，圆筒6同轴套设于永磁体4外，且圆筒6内壁与永磁体4的外壁之间设有供永磁体4摆动的空间，圆筒6的底部固定于基座3上，电磁感应线圈5连接外部蓄电装置；当永磁体4随连桅杆3同步摆动时，永磁体4的磁感线交替切割电磁感应线圈5产生电流。
Claims (10)
1.一种锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，包括锥体(1)、桅杆(2)、基座(3)、永磁体(4)和电磁感应线圈(5)，其特征在于：
所述锥体(1)整体呈上大下小的筒体，锥体(1)的壁面上设有锯齿段(1-1)，锯齿段(1-1)是由锯齿状凹弧线绕锥体的轴线旋转360°形成，锯齿段(1-1)的上端距离锥体(1)大端端部的距离为圆锥体大端直径的0～1倍；
锥体(1)以小端在下、大端在上的方向直立安装于桅杆(2)上，桅杆(2)与锥体(1)同轴设置，桅杆(2)的下端固定于基座(3)上，桅杆(2)外部套设有随桅杆(2)同步摆动的永磁体(4)，永磁体(4)外部设有若干闭合的电磁感应线圈(5)；当永磁体(4)随连桅杆(2)同步摆动时，永磁体(4)的磁感线交替切割电磁感应线圈(5)产生电流。
2.根据权利要求1所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，所述锯齿状凹弧线上的锯齿为三角形锯齿。
3.根据权利要求2所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，所述锯齿状凹弧线上的锯齿为等腰直角三角形锯齿，各锯齿以一个锯齿的底角与相邻锯齿的底角相互衔接的方式排布形成锯齿状凹弧线。
4.根据权利要求3所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，等腰直角三角形锯齿的直角边边长为锥体高度的0.5％～1％。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，锯齿段(1-1)的高度为锥体高度的0.7～0.75倍。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，锯齿段(1-1)的最凹处位于锯齿段高度的1/2处，锯齿段(1-1)最凹处的直径为锥体大端端部直径的0.2～0.25倍。
7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，锥体(1)大端端部的直径为锥体(1)小端端部直径的2～3倍，锥体(1)的高度为锥体上端直径的4～6倍。
8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，桅杆(2)的一部分伸入锥体内，锥体(1)通过固定支架(2-1)安装在桅杆(2)上。
9.根据权利要求1至4中任一权利要求所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，电磁感应线圈(5)同轴设置于一个中空的圆筒(6)内壁，圆筒(6)同轴套设于永磁体(4)外，且圆筒(6)内壁与永磁体(4)的外壁之间设有供永磁体(4)摆动的空间。
10.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述锥体具有锯齿结构的桅杆式无叶片风力发电装置，其特征在于，电磁感应线圈(5)连接外部蓄电装置。
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