主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及风能发电技术领域，具体涉及一种主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置及其控制方法

【技术实现步骤摘要】
主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置及其控制方法


[0001]本专利技术涉及风能发电
，具体涉及一种主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置及其控制方法
。

技术介绍

[0002]能源问题一直是制约人类社会发展的重要问题
。
随着当今社会能源短缺越来越严重，人们对新能源的探索步伐也随之加快
。
[0003]风能作为一种清洁无污染且取之不尽
、
用之不竭的能源，受到了人们的青睐
。
风能蕴量巨大，全球的风能约为
2.74
×
109MW
，其中可利用的风能为2×
107MW。
至
2030
年美国风电装机容量有望增加到
3.04
亿千瓦，将满足
20
％的电力需求
。
英国
2019
年风电已占总电力的
20
％，预计到
2030
年风电可供应英国
50
％以上的电力
。
因此，未来风电在全球仍将保持高速增长，风电大规模化发展是必然趋势
。
[0004]传统的带叶片的风力发电机发电量的大小取决于叶片的尺寸，如
1.5MW
风力机叶片的长度一般为
40
米，其风轮直径达到
100
米
。
因此，传统风力机只能散布很开，需要非常大的土地占有率，而其旋转不但影响到鸟类的飞行，对通讯电波也带来很大的干扰
。
如此巨大的设备的运输
、
安装
、
维护等，都是耗资
、
耗工巨大的项目
。
另外，如此大的风轮直径下的风切变引起的交变动载荷，如果处理不当会导致叶片受力不均，进而造成叶根载荷增大，影响风力发电机的可靠性和使用寿命
。
[0005]无叶片风力发电装置是一种基于卡门涡街理论进行发电的装置，其工作原理是利用空气经圆柱等物体后在尾流中形成的卡门涡街效应来驱动发电机发电，而无需使用传统风力发电机组中的叶片，可以大大节省生产
、
运输
、
维护
、
运转费用
。
据权威人士大卫
·
亚涅斯
(David Yanez)
估计，无叶片风力发电装置动能转化为电能的成本大约是传统叶片风力机的
30
％，而维护费用省
80
％，运转费用省
51
％，生产费用省
53
％
。
[0006]在某些条件下，本来均匀而稳定的来流绕过物体时，会在物体的两侧周期性地脱落转向相反的旋涡，这些旋涡在物体的后部形成有规则的交错排列状态
。
第一个系统地解释这个现象的人是著名的空气动力学家冯
·
卡门
(Von Karman)
，并且因为旋涡有规则地交错排列在尾迹两侧就像街道两边的路灯一样，所以取名为卡门涡街
。
[0007]物体后部是否会出现卡门涡街主要取决于流动的雷诺数
Re
，只有当雷诺数处于特定范围时，才会出现规则的卡门涡街
(
参见图
8)。
[0008][0009]式中，
ρ
、
μ
分别为流体密度和动力粘度，
v
为来流速度，
d
为特征长度
。
[0010]目前的无叶片风力发电装置都是被动式，也就是说，只有风速达到一定数值，才能形成卡门涡街并发电
。
图9是发表在
J.Energies 2014,7(4),2676
‑
2700
上的风力发电机的功率曲线图，由图9可见，现有的无叶片风力发电装置只能在很狭窄的风速范围内发电
。
[0011]另外，为了使无叶片风力发电装置的发电量稳定，其产生的卡门涡街必须稳定
。
冯
·
卡门得出卡门涡街稳定的必要条件为
b/a
＝
0.2805
，其中，
b
是两涡列间的距离，
a
是同涡列中相邻旋涡之间的距离
。
现有的被动式无叶片风力发电装置无法满足使卡门涡街稳定的必要条件，无法保证发电量的稳定
。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提供一种主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，通过控制摆动杆上特定位置的振动器产生特定的变形量，能够在不同风速下激发卡门涡街，从而拓宽无叶片风力发电装置发电的风速范围，提高风能利用率
。
[0013]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，包括机架
、
摆动杆
、
能量转化机构和摆动频率调节机构；所述摆动杆周向对称设有多个振动器；所述摆动杆的下端铰接于机架，所述能量转化机构用于将摆动杆的机械能转化为电能；所述摆动频率调节机构用于调节摆动杆的摆动频率
。
[0014]相对于现有技术，本专利技术主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置的有益效果为：
(1)
通过控制摆动杆上特定位置的振动器产生特定的变形量，能够在不同风速下激发卡门涡街，从而拓宽无叶片风力发电装置发电的风速范围，提高风能利用率
。(2)
通过控制摆动杆背风侧的振动器的振动频率和振幅，能够促使边界层分离，从而控制卡门涡街的频率，进而控制同涡列中相邻旋涡之间的距离，以此满足卡门涡街稳定的必要条件，保证发电量的稳定
。(3)
通过控制摆动杆迎风侧的振动器的振动频率和振幅，能够增加边界层内的涡量，从而增强摆动杆的摆动幅度，增加发电量
。(4)
通过摆动频率调节机构调整摆动杆的摆动频率，使摆动杆的摆动频率与卡门涡街的频率一致，达到共振的效果，从而更好的吸收能量
。(5)
现有的带叶片的风力发电机的风轮直径可达百米量级，为避免互相干扰，带叶片的风力发电机只能散布很开，需要非常大的土地占有率；而本专利技术提出的无叶片风力发电装置拖出的卡门涡街，正好为相邻的无叶片风力发电装置提供振动源，因此，可以在相当小的范围内布阵，既节省了空间，又增加了发电量
。
[0015]优选的，所述振动器为压电陶瓷条
。
利用逆压电效应，在压电陶瓷条的极化方向施加电场，能够使压电陶瓷条产生机械变形
。
[0016]优选的，所述摆动频率调节机构包括延伸杆
、
配重块和配重块驱动机构，所述延伸杆固定连接于摆动杆的下端并向下延伸，所述配重块滑动安装在延伸杆上，所述配重块驱动机构用于驱动配重块在延伸杆上滑动
。
通过配重块驱动机构驱动配重块在延伸杆上滑动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，其特征在于，包括机架
(1)、
摆动杆
(2)、
能量转化机构和摆动频率调节机构；所述摆动杆
(2)
周向对称设有多个振动器
(3)
；所述摆动杆
(2)
的下端铰接于机架
(1)
，所述能量转化机构用于将摆动杆
(2)
的机械能转化为电能；所述摆动频率调节机构用于调节摆动杆
(2)
的摆动频率
。2.
如权利要求1所述的主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述振动器为压电陶瓷条
(15)。3.
如权利要求1所述的主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述摆动频率调节机构包括延伸杆
(4)、
配重块
(5)
和配重块驱动机构，所述延伸杆
(4)
固定连接于摆动杆
(2)
的下端并向下延伸，所述配重块
(5)
滑动安装在延伸杆
(4)
上，所述配重块驱动机构用于驱动配重块
(5)
在延伸杆
(4)
上滑动
。4.
如权利要求1所述的主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，其特征在于，还包括风速风向仪
(6)
，所述风速风向仪
(6)
安装在摆动杆
(2)
的上端
。5.
如权利要求1所述的主动控制卡门涡街的无叶片风力发电装置，其特征在于，所述能量转化机构包括连杆
(7)、
齿条
(8)、
主动齿轮
(9)、
第一从动齿轮
(10)、
第二从动齿轮
(11)、
惰轮
(12)、
第一棘轮机构
、
第二棘轮机构和发电机
(13)
；所述齿条
(8)
可滑动的安装在机架
(1)
上，所述连杆
(7)
分别与摆动杆
(2)
和齿条
(8)
铰接；所述主动齿轮
(9)、
第一从动齿轮
(10)、
第二从动齿轮
(11)
和惰轮
(12)
均可转动地安装在机架
(1)
上；所述主动齿轮
(9)
分别与齿条
(8)、
惰轮
(12)、
第二从动齿轮
(11)
啮合，所述惰轮
(12)
与第一从动齿轮
(10)
啮合；所述第一从动齿轮
(10)
能够通过第一棘轮机构驱动发电机的输入轴
(14)
正向转动，所述第二从动齿轮
(11)
能够通过第二棘轮机构驱动发电机的输入轴
(14)
正向转动
。6.
如权利要求1～5任...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄兴中，李会保，张刚，史丙侦，李涌涛，
申请(专利权)人：日照坤仑智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：