渦激共振風(fēng)力渦輪機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種新型發(fā)電設(shè)備。
[0002] 本發(fā)明客體包括屬于再生能源工業(yè)的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為可用電勢的發(fā)電設(shè)備。其設(shè)計 整合了 =種已知物理原理：與振蕩固有頻率的結(jié)構(gòu)禪合、流體旋滿的生成W及一些由諸如 鐵電效應(yīng)或壓電效應(yīng)引起的某種材料的機電禪合。
[0003] 本系統(tǒng)的新穎性在于在發(fā)電裝置中協(xié)調(diào)整合運=種物理原理，使發(fā)電裝置的固有 振蕩頻率與整個結(jié)構(gòu)中W同步方式生成的旋滿生成頻率相一致。
【背景技術(shù)】
[0004] 作為分布最廣泛的再生能源之一的風(fēng)能依賴于一次能源(prima巧ene巧y)-風(fēng)。
[0005] 將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的最常見裝置為多葉片式風(fēng)力滿輪機。盡管該領(lǐng)域持續(xù)不斷地 實現(xiàn)了清晰、公認的技術(shù)改進，但運些系統(tǒng)仍受到四點根本缺陷的影響：
[0006] a)因為運些系統(tǒng)包含機械零件，例如齒輪、繞阻等，由于潤滑劑的消耗、零件的磨 損、絕緣樹脂的熱衰減W及其他由摩擦力引起的摩擦及熱效應(yīng)等，使運些系統(tǒng)需要一定的 維護費用；
[0007] b)基于貝茨(Betz)于1927年完成的理論而進行工作的常規(guī)多葉片使風(fēng)力滿輪機 通過較高的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度來提高其工作效率。結(jié)合下述事實，即，環(huán)形表面上的可用能量與 葉片長度的平方成正比，運意味著葉片頂端的速度非常高，由此會對鳥群造成極大的威脅， 顯而易見地會帶來許多意外事故；
[000引C)葉片尺寸的蓄意增加會轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)總成復(fù)雜度的增加，W及初裝成本的增加；
[0009] d)風(fēng)力滿輪機的主觀視覺影響可W用許多方法描述，但不管怎樣，因其動作的寬 度范圍的增加，其所占空間也相應(yīng)地變大。
[0010] 為了使風(fēng)力滿輪機的上述方面有所改善，本發(fā)明所創(chuàng)造的裝置基于=種物理原理 或理論。運些原理分別廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
[0011] 第一種原理為機電禪合。當(dāng)某些物質(zhì)間被施加一定力時，會在其表面之間產(chǎn)生電 勢差，由此產(chǎn)生機電禪合效應(yīng)。就任意一種發(fā)電機而言，其操作是可逆的，而且其表面間存 在的電壓會引起形變。其中，上述物質(zhì)為鐵電物質(zhì)（例如錯鐵酸鉛及其衍生物)和壓電物質(zhì) (某種晶體，例如石英等）。
[0012] 帶有某種類型機電禪合特性的物質(zhì)應(yīng)用范圍較廣，例如應(yīng)用于致動器(定位器、馬 達）、揚聲器(導(dǎo)入電能獲得機械能）、諸如壓力、位置、接觸、形變傳感器W及各種類型的轉(zhuǎn) 換器(導(dǎo)入機械能W獲得電能）。
[0013] 運些物質(zhì)于發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛，但已存在將行人在人行道和地板上行走的 腳步所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為可用電能的應(yīng)用。目前，已存在利用從人體移動中獲取的能量為 便攜式電子設(shè)備進行充電的服裝、鞋類甚至娃酬植入物的設(shè)計方案。運些物質(zhì)于電弧照明 裝置和鍵盤中的應(yīng)用已有一段時間，其應(yīng)用于電弧照明裝置W在照明裝置中產(chǎn)生瞬態(tài)放 電，其應(yīng)用于鍵盤中W通過用戶的擊鍵等操作為其所在設(shè)備進行充電。同樣地，運些物質(zhì)還 應(yīng)用于從波體或風(fēng)的沖擊中聚集脈沖和端流能的發(fā)電機中。
[0014]第二種原理為非端動層流中端動旋滿的形成。"卡口滿街"（Karman vortex street)由匈牙利科學(xué)家希歐多爾?馮?卡口（Theodore von Karman)于1911年提出，其最 廣泛的技術(shù)應(yīng)用為被稱作滿街流量計(vortex flowmeter)的特殊類型流量計。該流量計用 于通過計算因具有已知幾何形狀的部件的存在而形成在導(dǎo)體中的旋滿的個數(shù)來測量經(jīng)過 該導(dǎo)體的流體量。運一理論的知識及模型同樣應(yīng)用于大氣及海洋預(yù)報中。
[0015] 第=種原理與物體的固有振蕩頻率有關(guān)。運種原理?？趹?yīng)用于樂器、揚聲器和電 子器件(諧振器)的制造 W及與顯微鏡等(原子力顯微鏡、磁共振力顯微鏡等顯微鏡中的"輕 敲"（tapping),原子力顯微鏡、磁共振力顯微鏡具有使振蕩和諧進而提高探針讀取能力的 懸臂(cantilever))相關(guān)的應(yīng)用中。另一方面，如果可能的話，在其他技術(shù)領(lǐng)域諸如自動化 和機械學(xué)(結(jié)構(gòu)聲禪合控制）中需要無效掉運類原理產(chǎn)生的影響W降低發(fā)動機噪音，W及在 與剎車片相關(guān)的應(yīng)用中需要無效掉運類原理產(chǎn)生的影響。同樣，運種原理在諸如煙畫或橋 梁等建筑及大型結(jié)構(gòu)中會帶來一些不良影響(例如，塔科馬海峽大橋或核電站冷卻塔，在運 些建筑中還產(chǎn)生了前文提到的卡口旋滿）。
[0016] 至今還未有風(fēng)力滿輪發(fā)電設(shè)備在其幾何結(jié)構(gòu)上設(shè)法同步遍及其整個結(jié)構(gòu)的端動 旋滿的生成。
[0017] 至今還未有發(fā)電機企圖W物體固有振蕩作為工作原理。W物體固有振蕩頻率及端 動旋滿生成頻率之間的任意類型調(diào)諧或諧振為控制方式的發(fā)電機還未創(chuàng)造出來。
[0018] 至今還未有基于機電禪合物質(zhì)、把包含在穩(wěn)定層狀氣流中的能源作為一次能源使 用的發(fā)電機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明公開了一種滿激共振風(fēng)力滿輪機，用W解決由上述常規(guī)多葉片式風(fēng)力滿輪 機帶來的問題。
[0020] 滿激共振風(fēng)力滿輪機包括錯定在地面上的直立半剛性裝置。明顯可見的部分為直 立的立方體或跪桿，因其不包含活動零件(減速器、齒輪、軸、轉(zhuǎn)子等），所W其無需潤滑或無 需因磨損或者材料疲勞而更換零件。該滿激共振風(fēng)力滿輪機部分或完全由高度機電禪合的 材料制成。
[0021] 在一定風(fēng)況(速度、雷諾數(shù)等）下，入射在該滿激共振風(fēng)力滿輪機表面的風(fēng)會產(chǎn)生 一系列將兩種類型力傳遞至該滿激共振風(fēng)力滿輪機結(jié)構(gòu)的端動旋滿或順流而下的滿流。其 中一種力被稱作拖拽力，其與風(fēng)同向，并且在層狀穩(wěn)定氣流中會產(chǎn)生適時固定的扭矩(不可 用力）。而另外一種力被稱作提拉力，其垂直于風(fēng)向而且其指向交替變化，但其方向維持恒 定(可用力）。如果具有層狀穩(wěn)定流，具有某種頻率的提拉力因新旋滿的生成而改變指向，該 頻率由卡口方程表示為：
[0023] 其中，F(xiàn)v是旋滿生成頻率，V是風(fēng)速，h是障礙物形狀的特征長度（例如，圓截面直 徑），S是流體的非一元斯特魯哈爾數(shù)(adimensional Strouhal number)。
[0024] 如同任意固體部件或結(jié)構(gòu)一樣，本發(fā)明的裝置對象具有多種空間振蕩方式。對于 一端錯固于地面的跪桿而言，第一振蕩方式在于其一端為靜止，而位于最高點的另一端具 有最大振幅。其頻率表不為：
[0026] 其中，fn是第n個諧波的固有振蕩頻率，I是截面慣性矩，E是材料的楊氏模量 (Young's modulus)，山是每單位長度的桿密度，Kn是桿的第n種振蕩方式，a是阻尼常數(shù)。
[0027] 如果跪桿的固有振蕩頻率fn與在空中使其自身產(chǎn)生旋滿的頻率Fv相同，則結(jié)構(gòu)和 端動狀態(tài)（turbulent regime)將會合調(diào)(頻率一致），而且總成會產(chǎn)生共振，由此最大化其 能量吸收能力。該固有頻率與旋滿生成頻率的調(diào)諧在某些結(jié)構(gòu)中是很危險的，諸如橋梁或 煙畫，但上述調(diào)諧是本發(fā)明所期望實現(xiàn)的目標。
[0028] 機電禪合材料在依賴于材料品質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換過程中獲得高易變性效能。目前，很 難找到效能高于75 %的材料，因為總有大部分能量會轉(zhuǎn)化為彈性勢能。在共振情況下（當(dāng)材 料W其固有頻率振蕩時），可恢復(fù)大量彈性勢能，并使效能接近100%。運樣，如果本發(fā)明中 的跪桿或與連接于跪桿的物體具有明顯的機電禪合特性(無論是鐵電性還是壓電性），則可 使機械能向電能的轉(zhuǎn)化得到優(yōu)化。
[0029] 如上所述，物體的固有頻率取決于其自身密度、其截面慣性矩和彈性硬度常數(shù) (elastic rigidity constant)或楊氏模量。因為旋滿生成頻率取決于風(fēng)速(不可控且適時 變化的），為了調(diào)諧或匹配運兩種頻率(固有頻率和旋滿生成頻率），可修改跪桿固有振蕩頻 率所依賴的任何控制參數(shù)，優(yōu)選地修改其他楊氏模量?？赏ㄟ^外部調(diào)節(jié)施加到機電禪合材 料上的電壓來實現(xiàn)上述目的。為此，滿激共振風(fēng)力滿輪機具有用于管理控制回路的電子機 構(gòu)。該控制回路的輸出為施加到機電禪合材料的電壓值，其輸入為風(fēng)速?？衫脴藴曙L(fēng)速計 獲取該值，或者較佳地利用由拖拽力產(chǎn)生的風(fēng)力滿輪機跪桿的穩(wěn)定扭矩求得該值。上述過 程的另一目的是為了在將滿激共振風(fēng)力滿輪機產(chǎn)生的能量提供給后續(xù)的逆變及濾波階段 之前，過濾、調(diào)整該能量使其滿足向電網(wǎng)供應(yīng)的條件。
[0030] 電子控制及調(diào)節(jié)機構(gòu)的最自然的安裝位置是不干擾自然氣流的位置。
[0031] 地面錯固由諸如混凝±、水泥、灰泥或砂漿等標準粘合劑的實屯、基體或基座建立。 該基座必須十分沉重，并可提供牢固穩(wěn)定的地面錯固。
[0032] 如上所述，滿激共振風(fēng)力滿輪機的最佳工況需要層狀穩(wěn)定氣流施加其上。眾所周 知，越接近地面，氣流越容易產(chǎn)生端動狀態(tài)，因此設(shè)置高跪桿是可取的。此外，風(fēng)中包含的能 量與風(fēng)速的=次方成正比。運樣，就需要增加跪桿的高度。
[0033] 顯而易見地，為了實現(xiàn)滿激共振風(fēng)力滿輪機的較佳工況，跪桿的（任意高度上的） 所有部分必須W同步的方式承受提拉力并由此振蕩。赫爾曼指數(shù)定律（Heilman'S exp