一种利用涡激振动的风能收集装置

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种利用涡激振动原理，收集风能进行发电的装置。


背景技术：

2.风能是一种可再生的能源，利用风能发电可以减少污染，有利于环境的保护。风力发电的原理是把风的动能转化为机械能，再把机械能转化为电能。目前可以利用风力带动风车的叶片旋转，进而带动内部发电机的旋转进而进行发电。
3.目前的风力发电采用叶片的旋转，带动内部发电机的旋转进而进行发电，但是叶片的尺寸偏大，质量也很大，在风速足够大的条件时才会使叶片旋转。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种利用涡激振动的风能收集装置，通过运动转换装置将集能板的弯曲振动转换成弹性板端部支撑点处的交变压力和摆臂的往复摆动；从而利用压电发电机和电磁发电机发电。
5.本发明是这样实现的：一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的装置包括集能板以及集能板下端的弹性板，所述的集能板在下端通过运动转换装置与弹性板连接；所述的运动转换装置包括转轴，以及转轴的上下两侧的上接头、下接头，所述的转轴位于所述的集能板以及弹性板交叉点处；弹性板通过转轴中的矩形孔进行连接，即弹性板穿过矩形孔；转轴外端与转轴支撑板中的轴孔相连接，而转轴支撑板通过连接支座进行固定，下接头连接于摆臂，使摆臂与集能板一同频率的转动；转轴的轴线为集能板与弹性板的中心转动轴线，通过转轴进行能量的传递与转换，所有运动绕转轴的轴线旋转；涡激振动使集能板的二阶弯曲绕转轴转动，运动转换装置将这个转动转换成弹性板绕转轴的弯曲运动，连接支座对弹性板提供支撑反力，从而在弹性板的端部产生交变的压力，运动转换装置下边的摆臂绕转轴摆动。
6.进一步，所述的集能板摆动时带动运动转换装置的摆臂运动，所述的摆臂下端是一个圆弧形齿条，摆臂下端设置有运动放大机构；所述运动放大机构包括圆弧形齿条、齿轮轴、大齿轮、驱动齿轮、棘轮、支撑板；摆臂下端的圆弧形齿条与齿轮轴啮合，齿轮轴左右两端各连接了一个同轴的大齿轮；所述的大齿轮、驱动齿轮均固定在支撑板上，所述的支撑板固定支撑大齿轮与驱动齿轮；支撑板连接于连接板，连接板的上端再与转轴支撑板固接，并且通过转轴支撑板固定在连接支座上；所述的大齿轮与驱动齿轮外啮合，驱动齿轮与棘轮同轴连接，棘轮旁设置有电磁发电机；棘轮连接于电磁发电机的线圈，通过转动带动线圈在磁场中转动，以此来发电。电磁发电机固定在连接板上。
7.进一步，所述的上接头包括夹板以及接头底板，所述的夹板两表面设置若干第一螺栓孔，所述的接头底板上设置若干第二螺栓孔，所述的接头底板下侧设置有凹槽、接头连接键；所述的上接头连接集能板，且通过上接头上方的夹板，并利用螺栓进行连接；所述的下接头也设有凹槽；所述的转轴设置有转轴凹槽、转轴连接键，所述的凹槽、接头连接键对应连接于转轴凹槽、转轴连接键。
8.进一步，所述的集能板与弹性板形成倒t字形；集能板为一个长直柔性薄板，外部形状为仿翼型结构，中间的板式结构提供刚度；在风场中，风吹过翼型时因卡门涡街效应，在仿翼型结构尾部形成脱落涡，脱落涡的频率与集能板的第二阶固有频率一致时， 将诱发集能板发生共振，使其围绕着轴线摆动；如此，利用涡激振动的原理，集能板接收风能，并转化为机械能，传递给弹性板及运动放大机构。
9.进一步，所述的弹性板为一个具有弹性的矩形截面薄板，在变形的过程中，弹力与应变成正比；弹性板应穿过转轴的矩形孔，通过转轴的转动，将转动的角度传递给弹性板，集能板将收集的风能传递给弹性板；使弹性板两端产生交变的支撑力，弹性板的两端的上下表面连接着压电发电机，产生交变的支撑力分别会使上下表面的压电发电机发电，即可以保证电流的持续输出。
10.进一步，所述的运动转换装置通过转轴支撑板固定；转轴支撑板又嵌入在连接支座中；所述的连接支座是嵌在支撑圆筒的内部；转轴支撑板通过转轴支撑板连接槽连接到连接支座；在连接支座的内部放置压电发电机；转轴支撑板的中部有轴孔，使转轴连接并围绕着中心进行旋转；压电发电机是目前已经很常见的一种发电装置，尺寸小是其一大优势，根据固定槽的尺寸，选择压电发电机尺寸，压电发电机在交变的支撑力作用下，提供持续的电流。压电发电机与弹性板末端之间设置有垫片，且为了分散压力避免集中在顶角处，垫片为带有弧度的垫片。
11.进一步，所述的支撑圆筒用于支撑风能收集装置，起到固定与连接的作用；支撑圆筒将本涡激振动的风能收集装置通过连接支座固定在筒壁上，起到固定支撑的作用；在支撑圆筒的外面套有一个固定支撑，并可以使支撑圆筒在固定支撑的里面自由转动，保证集能板的方向与气流吹过的方向一致。
12.一种利用涡激振动的风能收集装置的运动过程为：当气流吹过集能板时，产生一个脱落涡，脱落涡的交替摆动使集能板产生一个摆动，这个摆动通过运动转换装置传递给弹性板和摆臂，引起弹性板和摆臂的转动；弹性板的两端连接着压电发电机，弹性板的转动会引起弹性板末端的形变，产生的压力在压电发电机上进行发电；摆臂的转动会传递给运动放大机构，并通过圆弧形齿条与齿轮间的配合进行着电磁发电。
13.本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明基于涡激振动的物理现象，当气流吹过物体表面时，任何非流线的物体两侧交替地产生脱离结构表面的漩涡，使结构上下或左右两侧表面出现正负变化的压力和压力矩，称为涡激力，这个涡激力就会引起涡激振动。当脱落涡交替地从工程结构的每一侧脱落的时候，在它上面就激发起周期性的力。当脱落涡的频率与工程结构的固有频率一致时，将诱发工程结构发生共振。
14.本发明利用涡激振动激起集能板的二阶弯曲振动，通过运动转换装置将集能板的弯曲振动转换成弹性板端部支撑点处的交变压力和摆臂的往复摆动；从而利用压电发电机
和电磁发电机发电。
15.本发明的发电装置体积小，将不用占用过多的土地资源，也不会影响到鸟类的活动。本发明的发电装置制造成本和后期维护成本低，而且建造时间缩短了很多，装机规模更加灵活，使用寿命延长。本发明的发电装置可用于偏远，人迹罕至的地方，为小功率电器和仪器供电。 附图说明图1为本发明一种利用涡激振动的风能收集装置的整体示意图，1a是总体的装配图；1b是脱落涡示意图；图2为本发明一种利用涡激振动的风能收集装置的分解图；2a是运动转换装置；2b是接头的三视图； 2c是转轴视图与截面图；图3为本发明一种利用涡激振动的风能收集装置的运动放大机构示意图；图4为本发明一种利用涡激振动的风能收集装置的转轴支撑板示意图；图5为本发明一种利用涡激振动的风能收集装置的连接支座示意图；1-第一螺栓孔，2-夹板，3-接头底板，4-凹槽，5-接头连接键，6-第二螺栓孔，7-轴的外端，8-矩形孔，9-螺栓孔，10-转轴凹槽，11-转轴连接键，12-转轴，13-摆臂，14-转轴支撑板，15-连接板，16-棘轮，17-驱动齿轮，18-支撑板，19-齿轮轴，20-大齿轮，21-轴孔，22-固定槽，23-转轴支撑板连接槽，24-集能板，25-支撑圆筒，26-上接头，27-下接头。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.如图1~5所示，本发明的装置包括集能板、运动转换装置、弹性板、转轴支撑板，摆臂、连接支座、支撑圆筒、连接板、运动放大机构和固定支撑。集能板竖直立在风场中，板平面与气流方向一致，集能板的下端通过运动转换装置与弹性板连接，集能板与弹性板形成倒t字形，弹性板是倒t字形的短边，竖板与横板的交叉点处是转轴的位置。涡激振动使集能板的二阶弯曲绕转轴转动，运动转换装置将这个转动转换成弹性板绕转轴的弯曲运动，连接支座对弹性板提供支撑反力，从而在弹性板的端部产生交变的压力，运动转换装置下边的摆臂绕转轴摆动。
18.所述的运动转换装置包括转轴12，以及转轴的上下两侧的上接头26、下接头27，所述的转轴12位于所述的集能板24以及弹性板交叉点处；弹性板通过转轴12中的矩形孔8进行连接，即弹性板穿过矩形孔；转轴12外端与转轴支撑板14中的轴孔相连接，而转轴支撑板14通过连接支座进行固定，下接头27连接于摆臂13，使摆臂13与集能板一同频率的转动；转轴12的轴线为集能板与弹性板的中心转动轴线，通过转轴进行能量的传递与转换，所有运动绕转轴12的轴线旋转；集能板摆动时带动运动转换装置的摆臂13运动，所述的摆臂13下端是一个圆弧形齿条，摆臂13下端设置有运动放大机构；所述运动放大机构包括圆弧形齿条、齿轮轴19、大齿轮20、驱动齿轮17、棘轮16、支撑板18；摆臂13下端的圆弧形齿条与齿轮轴19啮合，齿轮轴左右两端各连接了一个同轴的大齿轮20；所述的大齿轮20、驱动齿轮17均固定在支撑板18上，所述的支撑板固定支撑大齿轮与驱动齿轮；支撑板18连接于连接板15，连接板15的上端再与转轴支撑板14固接，并且通过转轴支撑板14固定在连接支座上；
所述的大齿轮20与驱动齿轮17外啮合，驱动齿轮17与棘轮16同轴连接，棘轮旁设置有电磁发电机；棘轮连接于电磁发电机的线圈，通过转动带动线圈在磁场中转动，以此来发电。电磁发电机固定在连接板15上。
19.所述的上接头26包括夹板2以及接头底板3，所述的夹板2两表面设置若干第一螺栓孔1，所述的接头底板3上设置若干第二螺栓孔6，所述的接头底板3下侧设置有凹槽4、接头连接键5；所述的上接头26连接集能板，且通过上接头26上方的夹板2，并利用螺栓进行连接；所述的下接头27也设有凹槽4；所述的转轴12设置有转轴凹槽10、转轴连接键11，所述的凹槽4、接头连接键对应连接于转轴凹槽10、转轴连接键11。轴的外端7与转轴支撑板上的轴孔进行连接；螺栓通过螺栓孔9进行加紧；固定槽22里放置压电发电机，压电发电机是目前已经很常见的一种发电装置，尺寸小是其一大优势，根据固定槽22的尺寸，选择压电发电机尺寸，压电发电机在交变的支撑力作用下，提供持续的电流。
20.运动转换装置是将集能板收集到的风能传递给其它部位的一个装置，由上接头、下街头和转轴组成。其材料选择为钢材料。上接头与下接头分别连接在转轴的上下两侧，且上接头夹着集能板中提供刚度的板式结构。下接头连着摆臂，因此通过运动转换装置可以使集能板的摆动传递变成弹性板的摆动以及摆臂的运动。
21.运动放大机构将摆臂绕转轴的摆动角度放大，并通过棘轮将往复摆动变成间歇的单方向旋转。运动放大机构通过连接板连接到转轴支撑板进而连接到连接支座和支撑圆筒，支撑圆筒可以相对固定支撑自由转动，以便使整个装置适应当时的风向，保证集能板的方向与气流吹过的方向一致。最后整个装置通过固定支撑支撑到地面，高度可以应地制宜，可以使集能板最大化收集到风能。
22.本涡激振动的风能收集装置需要在使用之前进行组装起来。首先是接头与转轴的配合连接，将上接头装置沿着槽套在转轴的槽上，即接头的凹槽4与转轴的连接键11进行配合连接，接头连接键5与转轴的凹槽10进行配合连接。下接头也是同样的方式与转轴配合。其次，转轴支撑板套在轴的两端。接着，转轴支撑板的位置需要两个连接支座进行固定，即将转轴支撑板的两个短边连接到连接支座的转轴支撑板连接槽14。连接支座通过一个支撑圆筒进行固定。连接板连接在转轴支撑板下面。摆臂连接在运动转换装置的下接头处，摆臂连接着运动放大机构。集能板收集到风能，将风能传递给运动转换装置，并开始绕着转轴的中心线进行来回摆动，同时带动了运动转换装置下半部分的摆臂来回摆动和在转轴中心的弹性板振动。支撑圆筒的外部有一个固定支撑，支撑圆筒可以在固定支撑的内部旋转，可以使集能板的翼型弦线方向与风的流向一致。本装置采用钢材料，下面介绍一下具体的参数。
23.集能板是一个外部形状类似于翼型，中间的板式结构提供刚度。中间的板式结构是一个长为2000mm，宽为100mm，厚度为15mm的矩形截面薄板，外面配合着类似于机翼的薄壁结构,其翼型厚度为60mm，翼型的长度为1800mm。中间的板式结构可以适当的增加配重，以改变自身的固有频率，能够在不同风速下起到很好的效果。
24.接头的夹板2长180mm，宽为140mm，厚度为10mm。夹板2上带有6个直径为10mm的螺栓孔，螺栓孔的中心距离长边的距离为30mm，最底下的两个螺栓孔的中心处距离宽边50mm，中间的两个螺栓孔的中心处与最底下的两个螺栓孔的中心处的距离为50mm，中间的两个螺栓孔的中心处与最上面的两个螺栓孔的中心处的距离也为50mm。两个夹板的相互靠近的一面之间的距离为15mm。接头的底板3是一个类似于凹字型的一个梁，其长度是140mm,中心厚
度为15mm。接头的凹槽4的高度为8mm，接头的凹槽4的高边距离对称轴的距离为40mm。接头连接键5的宽边长度为8mm，高边的长度为8mm，高边距离对称轴的距离为32mm。底板3上带有4个螺栓孔6，其直径为8mm，其相邻两个孔的中心处的距离皆为50mm，即四个孔的中心处距离对称轴的距离均为25mm。
25.转轴的外端7的两个端面的距离为170mm，其突出的圆柱半径为25mm，沿轴线方向上的厚度为15mm。轴装置的主体是一个近似的长方体，主体的长度为140mm，在带有螺栓孔9的一面上宽度为80mm，在带有凹槽10的一面上宽度为70mm。螺栓孔9的直径为8mm，其螺栓孔的中心处距离横竖两个对称轴的距离均为25mm。螺栓孔贯穿轴装置的主体。凹槽10的深度为8mm，凹槽的宽度也为8mm。与接头装置相配合的转轴连接键11的宽度为8mm。矩形孔8是一个贯穿轴装置主体的一个孔洞，其目的是让弹性板穿过，进而可以将风力传递给弹性板，孔的长度为100mm，宽度为10mm，孔的中心与轴装置主体的中心重合，沿着孔的纵向贯穿轴装置主体。弹性板的长480mm，宽100mm，厚度为10mm，在弹性板端部的上下表面各放置一个压电发电机，一共放置四个压电发电机，在弹性板发生弯曲时，在根部会产生一个应变，上下表面各放置一个压电发电机可以持续的发电，即在一个周期中，在根部发生向上弯曲和向下弯曲的时候都会进行发电。
26.转轴支撑板的长度为360mm，宽度为140mm，厚度为15mm，轴孔12的半径为25mm，与转轴上的轴的外端7进行配合，其目的是固定轴装置的水平运动，仅保留轴的旋转。转轴支撑板的位置通过螺栓与连接支座进行固定。
27.连接支座是一个将上述装置连接在一个支撑圆筒上的装置，通过螺栓与支撑圆筒相连，其高度为200mm。固定槽13是一个长和宽皆为100mm，深度为60mm的矩形槽。压电发电机的尺寸为长度约为40mm，宽度约为12 mm，其放置在固定槽的上下内表面，并使弹性板的两端正好抵在矩形槽的底面。转轴支撑板连接槽14是长为140mm，宽度为15mm，深度为40mm，壁厚为10mm的一个槽型部位，目的是与转轴支撑板进行相连，对转轴支撑板进行固定，槽两侧的突出来的部分厚度为10mm。固定槽13的底面与转轴支撑板连接槽14的底面相差60mm。由于支撑圆筒内表面的半径为250mm，所以连接支座上半部分的弧度与内圆筒一致。
28.将上述装置连接配合好，就形成了装置的主体，此时为了方便装置的旋转，将固定支撑套在内圆筒的外面。这样，当风向改变时可以改变角度，使气流吹过物体表面。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的装置包括集能板（24）以及集能板（24）下端的弹性板，所述的集能板（24）在下端通过运动转换装置与弹性板连接；所述的运动转换装置包括转轴（12），以及转轴的上下两侧的上接头（26）、下接头（27），所述的转轴（12）位于所述的集能板（24）以及弹性板交叉点处；弹性板通过转轴（12）中的矩形孔（8）进行连接，即弹性板穿过矩形孔；转轴（12）外端与转轴支撑板（14）中的轴孔相连接，而转轴支撑板（14）通过连接支座进行固定；下接头（27）连接于摆臂（13），使摆臂（13）与集能板一同频率的转动；转轴（12）的轴线为集能板与弹性板的中心转动轴线，通过转轴进行能量的传递与转换，所有运动绕转轴（12）的轴线旋转；涡激振动使集能板的二阶弯曲绕转轴转动，运动转换装置将这个转动转换成弹性板绕转轴的弯曲运动，连接支座对弹性板提供支撑反力，从而在弹性板的端部产生交变的压力，运动转换装置下边的摆臂绕转轴摆动。2.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的集能板摆动时带动运动转换装置的摆臂（13）运动，所述的摆臂（13）下端是一个圆弧形齿条，摆臂（13）下端设置有运动放大机构；所述运动放大机构包括圆弧形齿条、齿轮轴（19）、大齿轮（20）、驱动齿轮（17）、棘轮（16）、支撑板（18）；摆臂（13）下端的圆弧形齿条与齿轮轴（19）啮合，齿轮轴左右两端各连接了一个同轴的大齿轮（20）；所述的大齿轮（20）、驱动齿轮（17）均固定在支撑板（18）上，所述的支撑板固定支撑大齿轮与驱动齿轮；支撑板（18）连接于连接板（15），连接板（15）的上端再与转轴支撑板（14）固接，并且通过转轴支撑板（14）固定在连接支座上；所述的大齿轮（20）与驱动齿轮（17）外啮合，驱动齿轮（17）与棘轮（16）同轴连接，棘轮旁设置有电磁发电机；棘轮连接于电磁发电机的线圈，通过转动带动线圈在磁场中转动，以此来发电；电磁发电机固定在连接板（15）上。3.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的上接头（26）包括夹板（2）以及接头底板（3），所述的夹板（2）两表面设置若干第一螺栓孔（1），所述的接头底板（3）上设置若干第二螺栓孔（6），所述的接头底板（3）下侧设置有凹槽（4）、接头连接键（5）；所述的上接头（26）连接集能板，且通过上接头（26）上方的夹板（2），并利用螺栓进行连接；所述的下接头（27）也设有凹槽（4）；所述的转轴（12）设置有转轴凹槽（10）、转轴连接键（11），所述的凹槽（4）、接头连接键对应连接于转轴凹槽（10）、转轴连接键（11）。4.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的集能板（24）与弹性板形成倒t字形；集能板（24）为一个长直柔性薄板，外部形状为仿翼型结构，中间的板式结构提供刚度；在风场中，风吹过翼型时因卡门涡街效应，在仿翼型结构尾部形成脱落涡，脱落涡的频率与集能板的第二阶固有频率一致时， 将诱发集能板发生共振，使其围绕着轴线摆动；所述的集能板接收风能并转化为机械能，传递给弹性板及运动放大机构。5.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的弹性板为一个具有弹性的矩形截面薄板，在变形的过程中，弹力与应变成正比；弹性板应穿过转轴的矩形孔，通过转轴的转动，将转动的角度传递给弹性板，集能板将收集的风能传递给弹性板；使弹性板两端产生交变的支撑力，弹性板的两端的上下表面连接着压电发电机，产生交变的支撑力分别会使上下表面的压电发电机发电，即可以保证电流的持续输出。
6.根据权利要求1所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的运动转换装置通过转轴支撑板固定；转轴支撑板又嵌入在连接支座中；所述的连接支座是嵌在支撑圆筒（25）的内部；转轴支撑板通过转轴支撑板连接槽（23）连接到连接支座；在连接支座的内部放置压电发电机；转轴支撑板的中部有轴孔（21），使转轴（12）连接并围绕着中心进行旋转；压电发电机在交变的支撑力作用下，提供持续的电流；压电发电机与弹性板末端之间设置有垫片，且为了分散压力避免集中在顶角处，垫片为带有弧度的垫片。7.根据权利要求6所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的支撑圆筒（25）用于支撑风能收集装置，起到固定与连接的作用；支撑圆筒将本涡激振动的风能收集装置通过连接支座固定在筒壁上，起到固定支撑的作用；在支撑圆筒的外面套有一个固定支撑，并可以使支撑圆筒在固定支撑的里面自由转动，保证集能板的方向与气流吹过的方向一致。8.根据权利要求1~7任一所述的一种利用涡激振动的风能收集装置，其特征在于，所述的装置的运动过程为：当气流吹过集能板时，产生一个脱落涡，脱落涡的交替摆动使集能板产生一个摆动，这个摆动通过运动转换装置传递给弹性板和摆臂，引起弹性板和摆臂的转动；弹性板的两端连接着压电发电机，弹性板的转动会引起弹性板末端的形变，产生的压力在压电发电机上进行发电；摆臂的转动会传递给运动放大机构，并通过圆弧形齿条与齿轮间的配合进行着电磁发电。

技术总结
本发明公开了一种利用涡激振动的风能收集装置，属于风力发电技术领域；本发明装置集能板、运动转换装置、弹性板、转轴支撑板，摆臂、连接支座、支撑圆筒、连接板、运动放大机构和固定支撑；当气流吹过集能板时，产生一个脱落涡，脱落涡的交替摆动使集能板产生一个摆动，这个摆动通过运动转换装置传递给弹性板和摆臂，引起弹性板和摆臂的转动；弹性板的两端连接着压电发电机，弹性板的转动会引起弹性板末端的形变，产生的压力在压电发电机上进行发电；摆臂的转动会传递给运动放大机构，并通过圆弧形齿条与齿轮间的配合进行着电磁发电。本发明的装置可用于偏远，人迹罕至的地方，为小功率电器和仪器供电。和仪器供电。和仪器供电。


技术研发人员：周丽 武同希 邱涛
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/5/25