阅读说明：本技术 一种无桨风力发电机 (Paddle-free wind driven generator ) 是由 张瀚之 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无桨风力发电机,包括：用于受风力震动的顶帽、弹性杆、底座、磁铁、线圈、上杆固定板以及下杆固定板；风力流体吹过顶帽产生涡流诱导振动,使顶帽垂直于风向振动,带动弹性杆与底座之间相对运动,从而使弹性杆与底座内部的磁铁与线圈相对运动来产生电流。本发明的发电结构符合电动力学原理,部件之间受摩擦力影响的效率损耗小,发电受启动风力制约小,工作时噪音小,日常维护简单,维护成本极低；而且,相对于传统发电机,装置整体结构紧凑,工作时仅对周围约1m范围内的流场造成影响,可以实现在密集空间内放置多台发电机进行发电。(The invention discloses a paddle-free wind driven generator, which comprises: the top cap, the elastic rod, the base, the magnet, the coil, the upper rod fixing plate and the lower rod fixing plate are used for being vibrated by wind power; the wind power fluid blows the top cap to generate vortex induced vibration, so that the top cap vibrates perpendicular to the wind direction to drive the elastic rod and the base to move relatively, and the magnet and the coil in the elastic rod and the base move relatively to generate current. The power generation structure of the invention conforms to the electrodynamic principle, the efficiency loss of the components influenced by the friction is small, the power generation is less restricted by the starting wind power, the noise is low during the work, the daily maintenance is simple, and the maintenance cost is extremely low; compared with the traditional generator, the device has a compact integral structure, only influences the flow field within about 1m range around the device during working, and can realize the generation by placing a plurality of generators in a dense space.)

一种无桨风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种无桨风力发电机。

背景技术

随着科技的发展和新型能源的开发，各种风力发电装置应用越来越广泛，现有的风力发电装置有风扇式发电装置和转筒式发电装置两种。现有的风扇式发电装置普遍存在重量大、成本高、启动风力要求高、风能利用率低、对空气流场影响大等问题；现有的转筒式发电装置的结构是由风叶转筒的中心轴带动发电机组成的，普遍存在风力发电装置部件多、成本高、效率低、散热效果差以及低风速时无法工作等问题，对风力发电造成诸多制约，函待解决。

发明内容

本发明提供一种无桨风力发电机，以克服上述技术问题。

本发明一种无桨风力发电机，包括：用于受风力震动的顶帽、弹性杆、底座、磁铁、线圈、上杆固定板以及下杆固定板；所述顶帽的外轮廓是圆柱体；所述顶帽的内壁之间设有带有通孔的所述上杆固定板；所述弹性杆分为上、中、下段；所述弹性杆上段穿过所述上固定板的通孔；所述弹性杆的中段周向设有所述磁铁和线圈，每层所述磁铁和线圈水平方向依次间隔设置；所述弹性杆的中段插入所述底座；所述底座分为上部和下部，所述底座上部的内壁周向设有所述磁铁和线圈，所述磁铁和线圈在纵向上依次间隔设置，在水平方向同为所述磁铁或线圈；所述弹性杆与所述底座上的所述磁铁的位置一一对应，且相对端面的磁极相同；所述底座下部的内壁之间设有带有通孔的所述下杆固定板，所述弹性杆下段穿过所述下杆固定板的通孔。

进一步地，通过斯特鲁哈尔数计算设计所述顶帽自下而上的直径分布，使得所述顶帽在每个高度上的频率均保持一致；所述直径分布的计算公式如下：

式中，d为顶帽底面的直径，u(y)为当地风速在各个高度上的分布，b(y)为调节参数在各高度的分布，u(L)为L高度处的风速。

进一步地，所述弹性杆上所述磁铁的横截面为正梯形，所述底座上所述磁铁的横截面为倒梯形。

进一步地，所述线圈的直径大于所述磁铁的直径。

进一步地，相邻的所述磁铁和所述线圈的间隔相同，且在径向或轴向上共面。

进一步地，所述上杆固定板和下杆固定板的通孔的圆心在同一轴线上，且直径分别与所述弹性杆上段和下段的直径相同。

进一步地，所述弹性杆的中段周向设有四层所述磁铁和所述线圈。

进一步地，所述底座的侧壁内和所述弹性杆的杆内设有电流收集线路，所述电流收集线路连接所述底座底部设有的整流器。

进一步地，所述顶帽采用聚氯乙烯材质，所述弹性杆采用碳纤维材质，所述底座采用铝合金材质，所述线圈采用铜芯线圈。

本发明基于流体流过圆柱体时，控制斯特鲁哈尔数在一定范围内，则可以产生涡流诱导振动，使顶帽垂直于风向振动，带动弹性杆与底座之间相对运动，从而使弹性杆与底座内部的磁铁与线圈相对运动来产生电流。本发明的发电结构符合电动力学原理，部件之间受摩擦力影响的效率损耗小，发电受启动风力制约小，工作时噪音小，日常维护简单，维护成本极低；而且，相对于传统发电机，装置整体结构紧凑，工作时仅对周围约1m范围内的流场造成影响，可以实现在密集空间内放置多台发电机进行发电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种无桨风力发电机的结构示意图；

图2是本发明一种无桨风力发电机的顶帽的剖面图；

图3是本发明一种无桨风力发电机的弹性杆的结构示意图；

图4是本发明一种无桨风力发电机的底座的剖面图。

附图标号说明：

1、顶帽；2、弹性杆；3、底座；4、磁铁；5、线圈；6、上杆固定板；7、下杆固定板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种无桨风力发电机，如图1所示，主体结构由顶帽1、弹性杆2、底座3组成，顶帽1的外轮廓是圆柱体，主要是基于流体流过圆柱体时，如果可以控制雷诺系数在一定范围内，则可以产生涡流诱导振动。顶帽1内设有带有通孔的上杆固定板6用来固定弹性杆2的上段，当风力使顶帽1振动发生左右位移时，顶帽1带动弹性杆2发生倾斜。弹性杆2分为上、中、下段，上段和下段是光滑的杆状结构，中段上设有由磁铁4和线圈5组成的发电元器件，磁铁4和线圈5在水平方向依次间隔设置。弹性杆2的上段插入顶帽1，中、下段插入底座3。底座3的上部设有与弹性杆2中段对应结构的磁铁4和线圈5，在水平上，磁铁4均匀排布在底座内侧壁的一周，NS极相互交错。其结构设置主要是能够与弹性杆2上的磁铁4和线圈5在位置、方向、大小上相匹配，当弹性杆2发生倾斜时，线圈5会在磁场中发生切割磁感线运动，导体中的电子会受到洛伦兹力，能引起电势差，从而产生电流。通过设置弹性杆2和底座3二者的磁铁4的相对端面的磁极相同，因为相对磁极相同会产生相斥力，使得弹性杆2在磁场中受力持续摆动，从而达到线圈5持续切割磁感线产生电流。

弹性杆2和底座3侧壁的磁铁4除了利用电磁感应来发电的作用外，也起到了一个震动调节的作用。若没有磁铁4，该震动模型可以理想化为一个阻尼+弹簧的震动模型，其频率为：

其中，k为弹性系数，m为质量，c为阻尼系数；

磁铁在震动中的作用可以看作是一个非线性弹簧，也就是力再与距离成正比，而是与距离的二次方成反比的一个额外弹簧，也就是说磁铁也拥有一个“弹性系数”，但此“弹性系数”与弹性杆2和底座3侧壁之间的距离x有关。所以在加装磁铁后，整个系统的频率可以改写为：

其中，k′(x)即为磁铁所对应的与x相关的“弹性系数”。

由此可见，当风速增加时，振幅相应增大。当振幅增大时，相应的会激发磁铁间更大的排斥力，导致整个系统相应的频率的增大。因此锁定频率也会达到一个更大的值。也就意味着该装置能适应更大范围内的风速。这是因为，如果没有磁铁4，固有频率是一个定值，在这种情况下有一个固定的工作范围，而具有磁铁4后，由前文公式表明，此时的固有频率不再是一个定值，而与弹性系数k'(x)和磁铁之间的距离x有关，这使得在涡激振动频率上升时，固有频率也能相应的有所上升，扩大了原有的工作范围。

另外，当风速超过工作范围时，该装置便会停止震动来保护自身，也就省去了传统风力发电机中的齿轮结构刹车系统。这是因为，震动只会在装置的固有频率和涡激振动频率在一定范围内匹配时才会发生，也就是所说的工作范围，并在固有频率和涡激振动频率相等时震动达到最大化。

本实施例中，本发明的整体高度为3m，顶帽底端直径为0.35m，顶端直径为0.3m,底座直径为0.35m。与现有技术相比，整体结构非常紧凑小巧，拓展了更多的应用场景。

本实施例中，为了使顶帽1在每个高度上的频率均保持一致，从而实现涡流诱导功率最大化，可以通过斯特鲁哈尔数计算设计顶帽1的直径分布；所述直径分布的计算公式如下：

式中，d为顶帽底面的直径，u(y)为当地风速在各个高度上的分布，b(y)为调节参数在各高度的分布，u(L)为L高度处的风速。下表为u(y)、b(y)在不同高度的分布表：

高度(L)	风速u(y)	调节参数b(y)
			0.5m	5m/s	1.10
1m	5.05m/s	1.12
			1.5m	5.1m/s	1.14
2m	5.15m/s	1.16
			2.5m	5.2m/s	1.18

直径分布的具体推导过程如下：

斯特鲁哈尔数：

其中，f_s为频率，D为实际直径，u为速度；由于振动存在，实际运算中的直径并不等同于实际直径D；

等效直径，K＝b(y)·D(y)，b为调节参数；

推导出：

在L高度处，

使整体结构自上而下在每个高度上的频率均保持一致：f_s(L)＝f_s(y)，

推导出：

推导出：

由此即可得到理想的直径分布。在此式子中，u(L)为L高度处的风速；b(y)为调节参数在各高度的分布，需要由实验测得；u(y)为当地风速在各个高度上的分布；d为底座直径可实际测得。

实验测得b(y)的方法是：将实验装置的顶帽1的直径设定为恒定值d₀，在风洞中进行实验。由于整个装置的高度跨度较小，b(y)在各个高度上均可视为定值。施加一个风速并逐渐增大，当振幅达到最大时，测出装置的振动频率f₀，并记下此时对应的风速v₀。由于S在很大的一个雷诺数跨度上均为一个定值，所以在这里S也可通过查表(St vs Re)得知，根据公式：

由此可以测出在直径为d₀时的调节参数b₀，将直径改为d₁并重复上述过程，可以得到b₁，再将两组数据进行线性拟合，即可得到在任意直径时对应的b值。

实验测得u(y)、u(L)的方法是用风速计(皮托管)进行测量。

本实施例中，为了使同磁极的斥力达到最大，如图3所示，弹性杆2上的磁铁4的横截面为正梯形，如图4所示，底座3上的磁铁4的横截面为倒梯形，从而使弹性杆2在发生倾斜时，刚好可以使弹性杆2上的磁铁4与底座3内壁的磁铁4的端面相对应，相对磁铁4的作用面积越大，作用力也就越大，在磁铁4静止的状态下，其斥力等于作用力+磁铁质量*9.81，斥力越大弹性杆2的摆动频率越高，从而提高发电效率。

如图3和图4所示，在上述方案基础上，本实施例中，弹性杆2和底座3上的线圈5的直径大于磁铁4的直径，因为，线圈5在磁场中切割磁感线产生电流的大小与磁场强度、有效长度、运动速度、切割磁感线夹角、导体电阻有关，所以把线圈5的直径加长，可以进一步提高发电效率。

如图3和图4所示，本实施例在上述方案基础上，为了进一步提高发电效率，弹性杆2和底座上的磁铁4和线圈5均是均匀排布的，且在横向、纵向上分别对齐，可以使弹性杆2和底座上的每块磁铁4和每条线圈5一一相互对应，不同行、列的磁铁4和线圈5之间不会相互干扰，阻碍弹性杆2做摆动运动进行风力发电，从而提高发电效率。

如图2所示，本实施例中，上杆固定板6和下杆固定板7的通孔的圆心在同一轴线上，且直径分别与弹性杆2上段和下段的直径相同。

具体而言，顶帽1的内部是空心结构，上杆固定板6为厚度约为5-10cm的板状结构，中间带有固定弹性杆2的通孔，通孔的直径与弹性杆2上段的直径相同。如图4所示，底座3的上部内壁周向排布磁铁4和线圈5，底座3的中部是空心结构，底座3的下部整体为下杆固定板7，厚度约为10-15cm，中间带有固定弹性杆2下段的通孔，弹性杆2下段和通孔的直径相同，上杆固定板6和下杆固定板7的通孔的圆心在同一轴线上，使得弹性杆2的外表面与固定板上的通孔边缘相接触，可以使顶帽1在受风力较小时，也会带动弹性杆2倾斜，从而启动风力发电。

本实施例中，弹性杆2的中段周向设有四层磁铁4和线圈5。

具体而言，如图3所示，弹性杆2的中段周向设有四层由磁铁4和线圈5间隔设置组成的发电组件，如图4所示，相对应的底座3上也设有四层磁铁4，通过试验，整体按照预期的设计尺寸，弹性杆2和底座3上设置四层磁铁4和线圈5，发电的效能产出比较高。

本实施例中，底座3的侧壁内和弹性杆2的杆内设有电流收集线路，电流收集线路连接底座3底部设有的整流器。

具体而言，为了有效收集电流，本实施例在底座3的侧壁内和弹性杆2的杆内设有电流收集线路，在底座3底部设有的整流器。线圈5在磁场中切割磁感线产生电流，电流经收集线路收集至整流器中，整流器将交流电转化为直流电输出，可以为蓄电池充电，也可以为用电设备供电。

本实施例中，顶帽1采用聚氯乙烯材质，弹性杆2采用碳纤维材质，底座3均采用铝合金材质，线圈5采用铜芯线圈。

具体而言，顶帽1采用聚氯乙烯材质，聚氯乙烯具有阻燃(阻燃值为40以上)、耐化学药品性高、机械强度及电绝缘性良好的优点，可以保证顶帽1在户外环境中不易损坏和防止导电。弹性杆2采用碳纤维材质，碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，以及良好的导电导热性能，在风力发电时可以保证弹性杆2易于摆动，不易损坏，且具有良好的导电性，有利于电流传导。底座3采用铝合金材质，铝合金质量轻、耐腐蚀，加工成形好，热传导效能和导电性能好。线圈5采用铜芯线圈，铜芯线圈的电感量和感抗较好，稳定性比铝线圈和铁线圈高，可以保证在风力发电机中长期使用，不易损坏。

整体有益效果：本发明的顶帽设计符合流体力学原理，发电结构符合电动力学原理，整体结构紧凑，部件之间受摩擦力影响的效率损耗小，发电受启动风力制约小，工作时噪音小，日常维护简单，维护成本极低；而且，相对于传统发电机，装置整体的体积很小，工作时仅对周围约1m范围内的流场造成影响，可以实现在密集空间内放置多台发电机进行发电。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。