彈性桿渦激振動風力發電裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了彈性桿渦激振動風力發電裝置。現有風力發電機的葉片尺寸很大，當風速大于3m/s時才可以運轉。本發明的曲柄一端與連桿的一端鉸接，另一端與蝸桿固接；連桿的另一端與滑塊鉸接；蝸桿通過軸承支承在機架上，并與蝸輪嚙合；蝸輪固接在發電機的輸入軸上，發電機通過導線與蓄電池連接；逆變器將蓄電池的電能轉化為標準電壓；發電機、蓄電池和逆變器均固定安裝于機架上；水平彈性桿的一端與彈性桿發電機組的滑塊固接，另一端連接滑移機構。本發明解決了在風速較低時的風力發電問題，把彈性桿上微風振動產生的能量轉化為電能；而且水平彈性桿可以利用水平和垂直兩個方向的風能，提高發電效率。
【專利說明】
彈性桿渦激振動風力發電裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于風力發電領域，具體涉及一種可調式彈性桿渦激振動風力發電裝置。
【背景技術】
[0002] 風能作為一種清潔的可再生能源，其蘊含量巨大，合理高效地開發利用風能具有 重要意義，其中最常用的就是利用風力發電。風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透 過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。目前使用的風力發電機種類很多，按照風 輪的旋轉軸方向大致可以分為兩類:水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，這些風力發 電機對風向有選擇，在發電過程中需要不斷調整方向，難以獲得最佳的發電效果。而且，目 前的風力發電機葉片尺寸很大，當風速大于3m/s時才可以運轉，如需達到較高的發電效率， 所需的風速更大，因此這些風力發電機一般使用在多風且空曠的國家和地區，如荷蘭和我 國的中西部，而不適合在風速較低的地區使用，有一定的地域性限制。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于提供一種高效、低風速運轉的彈性桿渦激振動風力發電裝置， 以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0004] 本發明解決上述問題所采用的技術方案是：
[0005] 本發明包括機架、水平彈性桿和彈性桿發電機組;所述的彈性桿發電機組包括蓄 電池、逆變器、滑塊、曲柄、蝸桿、蝸輪和發電機;所述曲柄的一端與連桿的一端鉸接，另一端 與蝸桿固接;所述連桿的另一端與滑塊鉸接;所述的蝸桿通過軸承支承在機架上，并與蝸輪 嚙合;所述的蝸輪固接在發電機的輸入軸上，發電機通過導線與蓄電池連接;所述的逆變器 將蓄電池的電能轉化為標準電壓;發電機、蓄電池和逆變器均固定安裝于機架上。水平彈性 桿的一端與彈性桿發電機組的滑塊固接，另一端連接滑移機構。
[0006] 自然風在水平彈性桿后方形成卡門渦街時，雷諾數計算式如下：
[0008] 式中，為形成周期性地脫落、旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，雷諾數Re的取 值范圍為300~2000 ;U為風速，取值范圍為1.5~3m/s;v為空氣的運動粘度，取為14.8 X 106m2/s。因此，水平彈性桿的直徑D可根據雷諾數計算式推導得到。
[0009] 而漩渦脫落的主導頻率：
[0011 ]式中，S為斯特勞哈爾數，在雷諾數Re的取值范圍內取為0.21最佳。
[0012]水平彈性桿的固有頻率：
[0014] 式中，m為水平彈性桿的質量;k為水平彈性桿的勁度系數;根據漩渦脫落的主導頻 率范圍設計水平彈性桿的勁度系數和質量，使得風速在1.5~3m/s范圍內時
的值控 制在0.05以內。
[0015] 所述的滑移機構即為一個彈性桿發電機組，水平彈性桿的另一端與滑移機構的滑 塊固接。
[0016] 所述的滑移機構由長度調節器和可移動支架組成;水平彈性桿的另一端與長度調 節器連接;所述的長度調節器與可移動支架固接;可移動支架與機架構成滑動副。通過長度 調節器改變水平彈性桿的作用長度，以此改變水平彈性桿的質量m和勁度系數k，從而改變 其固有頻率。
[0017] 所述水平彈性桿的材料為橡膠。
[0018] 所述的滑塊上涂抹粘合劑，水平彈性桿端部進行硫化處理，實現兩者的固定連接。
[0019] 所述蝸桿與蝸輪的交錯角為90°。
[0020] 本發明的有益效果是：
[0021] 本發明的彈性桿發電機組可以在風速低于3m/s時，通過在水平彈性桿后方形成的 規則脫落的卡門渦街，產生周期性的上升力，激勵水平彈性桿振動，從而把產生的能量轉化 為電能;而且水平彈性桿可以充分利用水平和垂直兩個方向的風能，提高發電效率。蓄電池 用于存儲電能，逆變器用于將電能轉化為標準電壓，可直接供用戶使用。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明實施例一的結構示意圖；
[0023] 圖2是本發明實施例二的結構示意圖；
[0024]圖中：1、機架，2、蓄電池，3、逆變器，4、水平彈性桿，5、滑塊，6、曲柄，7、蝸桿，8、蝸 輪，9、發電機，10、導線，11、長度調節器，12、可移動支架。
【具體實施方式】
[0025] 為使本發明的目的、技術方案及優點易于明白了解，下面結合附圖及具體實施例， 對本發明進行進一步說明。
[0026] 實施例一：
[0027] 如圖1所示，彈性桿渦激振動發電裝置，包括機架1、水平彈性桿4和彈性桿發電機 組;彈性桿發電機組包括蓄電池2、逆變器3、滑塊5、曲柄6、蝸桿7、蝸輪8和發電機9;曲柄6的 一端與連桿的一端鉸接，另一端與蝸桿7固接;連桿的另一端與滑塊5鉸接;蝸桿7通過軸承 支承在機架1上，并與蝸輪8嚙合;蝸輪8固接在發電機9的輸入軸上，發電機9通過導線10與 蓄電池2連接;逆變器3將蓄電池2的電能轉化為標準電壓;發電機9、蓄電池2和逆變器3均固 定安裝于機架1上。水平彈性桿4兩端各自與一個彈性桿發電機組的滑塊5固接。
[0028]水平彈性桿4呈長為8m、直徑為12mm的圓柱形，材料為橡膠;其中，當自然風以較低 速度吹過圓柱形彈性桿時，在水平彈性桿后方形成卡門渦街，雷諾數較低時，會周期性地脫 落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，從而在彈性桿上形成周期性的上升力，以此激勵 彈性桿振動。其中，雷諾數計算式如下：
[0030] 式中，雷諾數Re的取值范圍為300~2000;U為風速，取值范圍為1.5~3m/s;v為空 氣的運動粘度，取為14.SXIOVVs。因此，水平彈性桿4的直徑D可根據雷諾數計算式推導得 到，這里取為12mm。
[0031]而漩渦脫落的主導頻率fs:
[0033]式中，S為斯特勞哈爾數，在雷諾數較低時取為0.21。
[0034] 水平彈性桿的固有頻率f0:
[0036]式中，m為水平彈性桿的質量;k為水平彈性桿的勁度系數，與水平彈性桿的材料、 長度、直徑等因素有關。
[0037]當fs接近fo時，系統會發生共振，此時水平彈性桿的振幅顯著增大，激勵的能量達 到最大。然后通過曲柄滑塊機構將水平彈性桿4的運動轉化為曲柄6的轉動，曲柄帶動蝸桿7 旋轉，通過蝸輪蝸桿帶動發電機9轉動;發電機通過導線10將電能儲存在蓄電池2中，逆變器 3將電能轉化為標準電壓，可直接供用戶使用。水平彈性桿4可以充分利用水平和垂直兩個 方向的風能，提高了對風能的利用率和發電效率。
[0038]其中，在滑塊5上涂抹粘合劑，對水平彈性桿端部進行硫化處理，實現兩者的固定 連接。
[0039]其中，蝸桿7與蝸輪8的交錯角為90°。
[0040] 實施例二：
[0041] 結構示意圖如圖2所示，與實施例一的區別在于水平彈性桿一端連接一個彈性桿 發電機組的滑塊，另一端與長度調節器11連接;長度調節器11與可移動支架12固接;可移動 支架12與機架構成滑動副。其中，水平彈性桿的固有頻率為：
[0043]通過長度調節器可以改變水平彈性桿的作用長度，以此改變水平彈性桿的質量m 和勁度系數k，從而改變其固有頻率，使得在不同風速情況下，都能產生合適的風力發電條 件，其余部分與實施例一相同。
[0044]以上，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，本領域的 技術人員應當了解，上述實施例和說明書只是描述本發明的原理，在不脫離本發明精神和 范圍的前提下，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。本 發明的范圍由所附權利要求書限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內 的所有變化囊括在本發明內。
【主權項】
1. 彈性桿滿激振動風力發電裝置，包括機架、水平彈性桿和彈性桿發電機組，其特征在 于:所述的彈性桿發電機組包括蓄電池、逆變器、滑塊、曲柄、蝸桿、蝸輪和發電機;所述曲柄 的一端與連桿的一端較接，另一端與蝸桿固接;所述連桿的另一端與滑塊較接;所述的蝸桿 通過軸承支承在機架上，并與蝸輪曬合;所述的蝸輪固接在發電機的輸入軸上，發電機通過 導線與蓄電池連接;所述的逆變器將蓄電池的電能轉化為標準電壓;發電機、蓄電池和逆變 器均固定安裝于機架上;水平彈性桿的一端與彈性桿發電機組的滑塊固接，另一端連接滑 移機構； 自然風在水平彈性桿后方形成卡口滿街時，雷諾數計算式如下：式中，為形成周期性地脫落、旋轉方向相反、排列規則的雙列線滿，雷諾數Re的取值范 圍為300~2000; U為風速，取值范圍為1.5~3m/s; V為空氣的運動粘度，取為14.8 X 10 V/s; 因此，水平彈性桿的直徑D可根據雷諾數計算式推導得到； 而縱滿脫落的主導頻率：式中，S為斯特勞哈爾數，在雷諾數Re的取值范圍內取為0.21最佳； 水平彈性桿的固有頻率：式中，m為水平彈性桿的質量;k為水平彈性桿的勁度系數;根據縱滿脫落的主導頻率范 圍設計水平彈性桿的勁度系數和質量，使得風速在1.5~3m/s范圍內時的值控制在 /〇 0.05W 內。2. 根據權利要求1所述的彈性桿滿激振動風力發電裝置，其特征在于:所述的滑移機構 即為一個彈性桿發電機組，水平彈性桿的另一端與滑移機構的滑塊固接。3. 根據權利要求1所述的彈性桿滿激振動風力發電裝置，其特征在于:所述的滑移機構 由長度調節器和可移動支架組成;水平彈性桿的另一端與長度調節器連接;所述的長度調 節器與可移動支架固接;可移動支架與機架構成滑動副;通過長度調節器改變水平彈性桿 的作用長度，W此改變水平彈性桿的質量m和勁度系數k，從而改變其固有頻率。4. 根據權利要求1、2或3所述的彈性桿滿激振動風力發電裝置，其特征在于:所述水平 彈性桿的材料為橡膠。5. 根據權利要求1、2或3所述的彈性桿滿激振動風力發電裝置，其特征在于:所述的滑 塊上涂抹粘合劑，水平彈性桿端部進行硫化處理，實現兩者的固定連接。6. 根據權利要求1、2或3所述的彈性桿滿激振動風力發電裝置，其特征在于:所述蝸桿 與蝸輪的交錯角為90°。
【文檔編號】F03D9/11GK105840426SQ201610157249
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】聶欣, 張童偉, 呂明, 谷王, 俞衡
【申請人】杭州電子科技大學