一种基于涡激振动的发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种基于涡激振动的发电系统。

背景技术

在我国的东北，华北，西北地区都拥有着极其丰富的风能资源。其中风能可利用时间超过5000小时。风转变成机械能的装置主要有两种即：水平轴发电机和垂直轴发电机。

水平轴发电机是在风吹过螺旋桨的叶片时利用其桨距产生的侧向力使风能转换成螺旋桨的机械能。螺旋桨会带动齿轮箱从低转速转换成高转速，从而带动发电机发电。但为了让风力发电机尽可能获得更大的功率，风力发电机的螺旋桨直径普遍较大。垂直轴的原理也类似，但垂直轴风机的优势是不需要转向结构，它可以把360度的风都转换成机械能。但是垂直轴发电机的发电效率低下，约有40％，部分型号的垂直轴风机需要初始的转动力矩才能启动。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在水平轴发电机螺旋桨直径普遍较大，垂直轴发电机发电效率低下的缺点，而提出的一种基于涡激振动的发电系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于涡激振动的发电系统，包括：外部保护模块、动能收集模块、电能转化模块以及电能稳定模块；

所述外部保护模块安装于动能收集模块、电能转化模块以及电能稳定模块外部，所述动能收集模块与电能转化模块之间电性连接，所述电能转化模块与电能稳定模块之间电性连接。

优选地，所述外部保护模块用于确保该系统中各模块正常运行，减少安全隐患并延长使用时间；所述动能收集模块用于利用涡激振动技术设计的柱状结构对外部风能进行收集；所述电能转化模块将风的水平动能转化为系统的机械能；所述电能稳定模块用于将机械能转化为电能，并将电能调节至稳定的直流电。

优选地，所述外部保护模块还包括：高分子聚合物隔离外壳、隔膜层以及轻质隔离外壳；

所述高分子聚合物隔离外壳与外部保护模块底部固定连接，用于阻止能量转化时产生的浪费，也可避免电流外溢；所述隔膜层与动能收集模块侧壁固定连接，用于阻止静电反应引发火灾，提高对环境的适应能力；所述轻质隔离外壳与电能转化模块以及电能稳定模块侧壁固定连接，用于保护电线，提高电能转化效率。

包括以下方法，其步骤如下：

S1、基于涡激振动原理获取外部风能；

S2、将获取的风能转化为机械能；

S3、将机械能转化为电能；

S4、将电能进行转化获取稳定的交流电。

优选地，所述基于涡激振动原理获取外部风能，具体包括：

在3.0m/s的临界风速下，能量收集模块周围将开始产生足够大的卡门涡漩，风吹到动能收集模块上时，由于气流经过钝体结构时产生分离，形成了周期性的旋涡脱落,并产生作用于外壳上的周期性气动力，以此涡激振动发生，当风能达到引发涡激振动的最小值时，动能收集模块通过共振吸收来自于涡旋的能量并储存在简谐运动中，以此实现对外部风能的收集；

其中，本模块对动能的收集功率，可以根据实际需要来具体订制，从而满足家庭、农业、工业不同领域对电能的需求；

其中，涡激振动发电原理计算模型如下：

式中：m是钝体质量，u是钝体振动幅度，ξ是结构阻尼比，ω

由单自由度受迫振动原理可得:

式中：p是涡激力振动幅值

当ω

优选地，所述将获取的风能转化为机械能，具体包括；

外部风力使动能收集模块产生涡激振动，而由能量守恒规律可知，此时是风的水平动能作为钝体结构产生分离的驱动力，作用于涡激振动中，由此即将获取的外部风能转化为本系统的机械能。

优选地，所述将机械能转化为电能，具体包括：

动能收集模块将会把机械能传导至电能转化模块，传导到电能转化模块的机械能将会带动处于闭合回路的导体在磁场中做切割磁感线运动，在不断切割磁感线的动作中这部分机械能将被转化为不稳定交变电流。

优选地，所述将电能进行转化获取稳定的交流电，具体包括：

不稳定的交变电流通过电路电流到达电能稳定模块中，整流电路和滤波器将不稳定的交变电流转化为直流电，随即稳压器发挥稳压作用,将电流电压限制在合适的大小，稳压完成的直流电经过逆变电路后被转化为可以使用的50Hz交流电。

相比现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明利用涡激振动原理，通过共振吸收风吹过实体后产生的涡旋的动能，在吸收到能量后，电能转换模块将会利用电磁转换将动能收集模块储存的机械能进行转化；机械能将会带动处于闭合回路的导体在磁场中做切割磁感线运动，在不断切割磁感线的动作中这部分机械能将被转化为交变电流；并电能稳定模块进行整流，滤波，稳压，逆变等一系类操作后，电流将会被转化为可以直接利用的稳定交流电，克服了传统发电的缺点，维护简单，能够利用传统风能发电很少利用的微小风能，实现持续发电。

2、本发明通过外部保护模块的设置为该装置的整体运行提供了安全保障，有效避免误触电流或错误操作时产生的危险；外部保护模块还具有抵御外界恶劣自然条件的能力，可进一步延长发电装置的使用期限，压缩维护成本。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于涡激振动的发电方法的步骤流程示意图；

图2为本发明提出的一种基于涡激振动的发电系统的框架结构示意图；

图3为本发明提出的一种基于涡激振动的发电系统的外部保护模块结构示意图；

图4为本发明提出的一种基于涡激振动的发电系统的整体结构功能示意图；

图5为本发明提出的一种基于涡激振动的发电系统的电能稳定模块结构功能示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种基于涡激振动的发电系统，包括：外部保护模块、动能收集模块、电能转化模块以及电能稳定模块；

外部保护模块安装于动能收集模块、电能转化模块以及电能稳定模块外部，动能收集模块与电能转化模块之间电性连接，电能转化模块与电能稳定模块之间电性连接。

其中，外部保护模块用于确保该系统中各模块正常运行，减少安全隐患并延长使用时间；动能收集模块用于利用涡激振动技术设计的柱状结构对外部风能进行收集；电能转化模块将风的水平动能转化为系统的机械能；电能稳定模块用于将机械能转化为电能，并将电能调节至稳定的直流电。

其中，外部保护模块还包括：高分子聚合物隔离外壳、隔膜层以及轻质隔离外壳；

高分子聚合物隔离外壳与外部保护模块底部固定连接，用于阻止能量转化时产生的浪费，也可避免电流外溢；隔膜层与动能收集模块侧壁固定连接，用于阻止静电反应引发火灾，提高对环境的适应能力；轻质隔离外壳与电能转化模块以及电能稳定模块侧壁固定连接，用于保护电线，提高电能转化效率。

其中，还包括以下方法，步骤如下：

S1、基于涡激振动原理获取外部风能，具体包括：

在3.0m/s的临界风速下，能量收集模块周围将开始产生足够大的卡门涡漩，风吹到动能收集模块上时，由于气流经过钝体结构时产生分离，形成了周期性的旋涡脱落,并产生作用于外壳上的周期性气动力，以此涡激振动发生，当风能达到引发涡激振动的最小值时，动能收集模块通过共振吸收来自于涡旋的能量并储存在简谐运动中，以此实现对外部风能的收集；

其中，本模块对动能的收集功率，可以根据实际需要来具体订制，从而满足家庭、农业、工业不同领域对电能的需求；

其中，涡激振动发电原理计算模型如下：

式中：m是钝体质量，u是钝体振动幅度，ξ是结构阻尼比，ω

由单自由度受迫振动原理可得:

式中：p是涡激力振动幅值

当ω

S2、将获取的风能转化为机械能，具体包括；

外部风力使动能收集模块产生涡激振动，而由能量守恒规律可知，此时是风的水平动能作为钝体结构产生分离的驱动力，作用于涡激振动中，由此即将获取的外部风能转化为本系统的机械能。

S3、将机械能转化为电能，具体包括：

动能收集模块将会把机械能传导至电能转化模块，传导到电能转化模块的机械能将会带动处于闭合回路的导体在磁场中做切割磁感线运动，在不断切割磁感线的动作中这部分机械能将被转化为不稳定交变电流。

S4、将电能进行转化获取稳定的交流电，具体包括：

不稳定的交变电流通过电路电流到达电能稳定模块中，整流电路和滤波器将不稳定的交变电流转化为直流电，随即稳压器发挥稳压作用,将电流电压限制在合适的大小，稳压完成的直流电经过逆变电路后被转化为可以使用的50Hz交流电。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。