一種振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的可再生能源，儲量非常巨大，在未來世界能源格局中將占有重要的位置。當(dāng)前大型水平軸風(fēng)力機(jī)在商業(yè)上被廣泛接受，也日趨發(fā)展完善，其工作原理是:氣流作用于風(fēng)輪上，產(chǎn)生空氣動力載荷驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流。但是水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造較為復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪尺寸大，發(fā)電機(jī)組放置塔架頂端，導(dǎo)致機(jī)組的傾覆力矩大，且隨著機(jī)組的大型化發(fā)展，對機(jī)艙、塔架和偏航機(jī)構(gòu)的要求也越來越高，導(dǎo)致發(fā)電成本較高，性能提升也接近于極限，難以在與火電、核電等傳統(tǒng)能源的競爭中取得優(yōu)勢，嚴(yán)重制約了風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展。此外，水平軸風(fēng)力機(jī)對生物和環(huán)境也帶來諸多不利影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年大約有60萬只鳥類死于風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪之下，噪聲和視覺污染也帶來了極大困擾，風(fēng)電場附近居民對風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生大噪聲煩擾、光影閃動、視覺疲勞等的投訴和申告也越來越多，極大地制約了此類系統(tǒng)在人口稠密地區(qū)的推廣使用。因此，作為目前水平軸風(fēng)力機(jī)的補(bǔ)充或替代，研究并提出新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理和構(gòu)型，致力于降低發(fā)電成本、減輕對生物和環(huán)境影響、降低制造和維護(hù)成本，是目前風(fēng)力機(jī)研究的重要方向。
[0003]圍繞降低風(fēng)力發(fā)電成本和提升風(fēng)力機(jī)性能的目標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者開展了一列卓有成效的研究工作，提出了眾多的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的新原理和新構(gòu)型，典型方案包括:阻力式垂直軸風(fēng)力機(jī)、達(dá)里厄式垂直軸風(fēng)力機(jī)、馬格努斯效應(yīng)風(fēng)力機(jī)、雙風(fēng)輪或多風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)、風(fēng)能/太陽能集成式風(fēng)力機(jī)等多個(gè)類型，還存在眾多的交叉和延伸設(shè)計(jì)方案，但這些風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)依然保有傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪，難以大幅提升風(fēng)力機(jī)的效能，也無法從根本上克服對環(huán)境和生物的影響。對于無風(fēng)輪風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，荷蘭代爾夫特大學(xué)提出了格柵風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它依賴靜電轉(zhuǎn)換技術(shù)，當(dāng)風(fēng)中的正電荷粒子穿過格柵導(dǎo)線便會產(chǎn)生電流，但是由于空氣密度相對較小，效率很低。美國專利 “Wind turbine for generat1n of electric power” 美國專利號:US7695242將旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪隱藏，通過設(shè)置了多層相互獨(dú)立且?guī)в斜姸嘈∫淼膱A盤，氣流推動圓盤旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，但考慮到流體的邊界層效應(yīng)，氣流通過如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的效率較低。振動型發(fā)電系統(tǒng)近來也得到了較多關(guān)注，Arms等人提出一種為無線發(fā)射器供電的微型發(fā)電裝置，該系統(tǒng)是由質(zhì)量塊和雙壓電片懸臂梁組成，懸臂梁的自由端質(zhì)量塊能確保與環(huán)境振動處于共振狀態(tài)，由材料壓電效應(yīng)產(chǎn)生電力。美國德克薩斯州大學(xué)的電子工程師發(fā)明了一種微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)車周長大約為10cm，它附在一個(gè)凸輪上，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)可使壓電晶體變形發(fā)電，微風(fēng)時(shí)便可以產(chǎn)生7.5mff的電能。
[0004]綜上所述，振動型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)目前僅在微小型發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，通過與高效的風(fēng)力收集裝置合理整合，將有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]1、所要解決的技術(shù)問題:
[0006]目前主流的旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)對生物和環(huán)境不友好、風(fēng)能利用效率接近極限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和維護(hù)成本尚等缺點(diǎn)。
[0007]2、技術(shù)方案:
[0008]為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由振動發(fā)生器、阻尼片組、彈性支撐結(jié)構(gòu)體、壓電材料模塊、合成纖維繩索和彈簧阻尼穩(wěn)定器組成，其特征在于:振動發(fā)生器為空心殼體，阻尼片組固定在振動發(fā)生器的內(nèi)壁面，彈性支撐結(jié)構(gòu)體位于振動發(fā)生器下方，為振動發(fā)生器提供支撐，壓電材料模塊緊固并包圍著彈性支撐結(jié)構(gòu)體的外壁面，合成纖維繩索上端固定在振動發(fā)生器上，下端與彈簧阻尼穩(wěn)定器連接，且留有一定的長度余量。
[0009]所述振動發(fā)生器振幅在允許的最大偏離角范圍內(nèi)為小阻尼運(yùn)動，最大偏離角為30度，偏離角的定義為振動發(fā)生器中線與鉛垂方向的夾角。
[0010]所述振動發(fā)生器為圓臺形的剛性空心殼體。
[0011]彈性支撐結(jié)構(gòu)體為復(fù)合材料的圓柱體結(jié)構(gòu)。
[0012]所述壓電材料模塊的高度為整個(gè)彈性支撐結(jié)構(gòu)體的60 %?90 %。
[0013]所述壓電材料模塊垂直方向上位于彈性支撐結(jié)構(gòu)體的中間。
[0014]所述阻尼片組是由十六個(gè)塊狀阻尼片構(gòu)成的矩陣，在水平方向上分為四列，在垂直方向上布置為等距的四層。
[0015]所述阻尼片組的阻尼片在水平方向上按90°方位角間隔均勻布置在振動發(fā)生器I內(nèi)壁面上。
[0016]所述彈簧阻尼穩(wěn)定器是由單個(gè)或多個(gè)高強(qiáng)度彈簧組成。
[0017]3、有益效果:
[0018]與目前的水平軸大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及其他新構(gòu)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)避免了旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪對生物和環(huán)境的影響、風(fēng)能利用效率高、實(shí)施簡單、適合于在人口稠密地區(qū)使用。同時(shí)本發(fā)明的技術(shù)原理清晰，有可靠科學(xué)理論支撐，且隨著壓電材料的性能改進(jìn)，有更加明顯的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。
【附圖說明】
[0019]圖1是振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是圖1中AA剖面的俯視示意圖。
[0021 ] 圖3是圖1中BB剖面的俯視示意圖。
[0022]其中1.振動發(fā)生器；2.阻尼片組；3.彈性支撐結(jié)構(gòu)體；4.壓電材料模塊；6.變流器；7.合成纖維繩索；8.彈簧阻尼穩(wěn)定器。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提供的振動電力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由振動發(fā)生器1、阻尼片組
2、彈性支撐結(jié)構(gòu)體3、壓電材料模塊4、合成纖維繩索7和彈簧阻尼穩(wěn)定器8組成。
[0025]依據(jù)氣流對柱體作用的空氣動力學(xué)原理，使振動發(fā)生器I產(chǎn)生周期性振動，并采用阻尼片組2對振動實(shí)施有效控制，由此帶壓電材料模塊4變形運(yùn)動，由材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流，再經(jīng)由變流傳后傳遞給電網(wǎng)或儲能設(shè)備。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)在極端情況下的安全性，采用合成纖維繩索7和彈簧阻尼穩(wěn)定器8來組成的安全保障裝置。
[0026]如圖2所示，所述阻尼片組2是由十六個(gè)塊狀阻尼片構(gòu)成的矩陣，在水平方向上分為四列，在垂直方向上布置為等距的四層。所述阻尼片組2的阻尼片在水平方向上按90°方位角間隔均勻布置在振動發(fā)生器I內(nèi)壁面上。其作用是控制振動發(fā)生器與外界激勵(lì)頻率最佳匹配，實(shí)現(xiàn)對振幅和頻率控制；同時(shí)，系統(tǒng)上層結(jié)構(gòu)的振動也帶動了彈性結(jié)構(gòu)體和壓電材料模塊發(fā)生大幅度的變形運(yùn)動。
[0027]彈性支撐結(jié)構(gòu)體3為復(fù)合材料的圓柱體結(jié)構(gòu)，為上部分結(jié)構(gòu)提供支撐。
[0028]如圖3所示，壓電材料模塊4同樣為柔性部件，緊固并包圍著彈性支撐結(jié)構(gòu)體3的外壁面，高度為整個(gè)彈性支撐結(jié)構(gòu)體3的60%?90%，垂直方向上位于彈性支撐結(jié)構(gòu)體3的中間，由壓電材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流，再經(jīng)由變流器6變流傳后傳遞給電網(wǎng)或儲能設(shè)備。
[0029]系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性保障裝置是由合成纖維繩索7和彈簧阻尼穩(wěn)定器8構(gòu)成，合成纖維繩索7上端固定在振動發(fā)生器I上，下端與彈簧阻尼穩(wěn)定器8連接，且留有一定的長度余量。以保證振動發(fā)生器振幅在允許的最大偏離角范圍內(nèi)為小阻尼運(yùn)動；最大偏離角為30°，偏離角定義為振動發(fā)生器I中線與鉛垂方向的夾角。
[0030]彈簧阻尼穩(wěn)定器8是由單個(gè)或多個(gè)高強(qiáng)度彈簧組成，在振動發(fā)生器振幅大于最大偏離角時(shí)，急劇增大阻尼，保證系統(tǒng)在極端傾覆力矩下的安全性。
[0031]本發(fā)明的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與目前的水平軸大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及其他新構(gòu)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，避免了旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪對生物和環(huán)境的影響、風(fēng)能利用效率高、實(shí)施簡單、適合于在人口稠密地區(qū)使用。
[0032]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但它們并不是用來限定本發(fā)明的，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，自當(dāng)可作各種變化或潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求保護(hù)范圍所界定的為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由振動發(fā)生器(I)、阻尼片組(2)、彈性支撐結(jié)構(gòu)體(3)、壓電材料模塊(4)、合成纖維繩索(7)和彈簧阻尼穩(wěn)定器(8)組成，其特征在于:振動發(fā)生器(I)為空心殼體，阻尼片組(2)固定在振動發(fā)生器(I)的內(nèi)壁面，彈性支撐結(jié)構(gòu)體(3)位于振動發(fā)生器(I)下方，為振動發(fā)生器(I)提供支撐，壓電材料模塊(4)緊固并包圍著彈性支撐結(jié)構(gòu)體的外壁面，合成纖維繩索(7)上端固定在振動發(fā)生器(I)上，下端與彈簧阻尼穩(wěn)定器(8)連接，且留有一定的長度余量。2.如權(quán)利要求1所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述振動發(fā)生器為圓臺形的剛性空心殼體。3.如權(quán)利要求1所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述振動發(fā)生器(I)振幅在允許的最大偏離角范圍內(nèi)為小阻尼運(yùn)動，最大偏離角為30°，偏離角的定義為振動發(fā)生器中線與鉛垂方向的夾角。4.如權(quán)利要求1所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述彈性支撐結(jié)構(gòu)體(3)為復(fù)合材料的圓柱體結(jié)構(gòu)。5.如權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述壓電材料模塊(4)的高度為整個(gè)彈性支撐結(jié)構(gòu)體(3)的60%?90%。6.如權(quán)利要求5所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述壓電材料模塊垂直方向上位于彈性支撐結(jié)構(gòu)體(3)的中間。7.如權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述阻尼片組(2)是由十六個(gè)塊狀阻尼片構(gòu)成的矩陣，在水平方向上分為四列，在垂直方向上布置為等距的四層。8.如權(quán)利要求7所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述阻尼片組(2)的阻尼片在水平方向上按90°方位角間隔均勻布置在振動發(fā)生器(I)內(nèi)壁面上。9.如權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述彈簧阻尼穩(wěn)定器(8)是由單個(gè)或多個(gè)高強(qiáng)度彈簧組成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，目前的旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)對生物和環(huán)境不友好、風(fēng)能利用效率接近于極限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和維護(hù)成本高。本發(fā)明提供了一種振動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由振動發(fā)生器、阻尼片組、彈性支撐結(jié)構(gòu)體、壓電材料模塊、合成纖維繩索和彈簧阻尼穩(wěn)定器組成，其特征在于：振動發(fā)生器為空心殼體，阻尼片組固定在振動發(fā)生器的內(nèi)壁面，彈性支撐結(jié)構(gòu)體位于振動發(fā)生器下方，為振動發(fā)生器提供支撐，壓電材料模塊緊固并包圍著彈性支撐結(jié)構(gòu)體的外壁面，合成纖維繩索上端固定在振動發(fā)生器上，下端與彈簧阻尼穩(wěn)定器連接，且留有一定的長度余量。本發(fā)明避免了旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪對生物和環(huán)境的影響、風(fēng)能利用效率高、實(shí)施簡單、適合于在人口稠密地區(qū)使用。
【IPC分類】F03D9/00, H02N2/18
【公開號】CN105024586
【申請?zhí)枴緾N201510383369
【發(fā)明人】王瓏, 王同光, 李慧, 吳永健, 吳江海
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月2日