一种全风向风柱发电装置

本发明涉及清洁能源和电磁发电领域，具体是一种全风向风柱发电装置。

背景技术：

能源是人类生存、发展的基础，但随着经济的快速发展，化石能源消耗量持续增加，人类正面临着日益严重的能源短缺和环境破坏问题，全球气候变暖已成为国际关注的热点。基于此背景下，发展清洁能源对于保障能源安全、促进环境保护、减少温室气体排放、实现国民经济可持续发展具有重要意义。

环境中的能量无处不在，在过去的几年，俘获环境中的能源为微电子产品供能成为一种很有前景的技术，并引起了研究者的强烈关注。环境中的能源有振动能、太阳能、风能、温差能、射频辐射能、噪声等。其中，振动能在日常生活和工程实际中广泛存在，不易受位置、天气等因素的影响，并且具有较高的能量密度，因此越来越多的学者和专家致力于研究将环境中的振动能俘获并转换成电能，作为一种替代能源为微电子产品供能。风能是一种取之不尽用之不竭的能源，如何有效利用风能也成为当下研究热点。将风能与振动能相结合，就有了风致振动领域，既能利用自然界中取之不尽的风能，又能高效地收集能量，而收集风致振动能量就要用到振动俘能技术。振动俘能技术是一种将环境振动能转化成电能的有效方式，其主要方式有压电式、电磁式、静电式三种。静电式俘能器需要外接电源导致其应用受到限制，电磁俘能和压电俘能则以其各自的优点表现出了潜在的应用价值。其中电磁式振动发电具有能量密度较高、使用寿命长、清洁无污染等多项优点，因而被广泛应用。

目前，针对风致振动的多风向俘能的俘能器研究较少，已开展的多数研究是以探究单一方向的俘能器，其收集能量的风向来源大多是单一方向的，而对于自然界来说，风能无处不在，现有俘能器大多只能收集来自四面八方风能的其中之一方向。因此，设计一种面向多风向的高效俘能器具有重要的研究意义和研究价值。

技术实现要素：

为了解决以往风力发电机只能收集单一方向风力激励发电的局限性和低效性，本发明提出了一种全风向风柱发电装置，本装置由圆柱套筒、刚性支撑梁、圆环台、防护罩、底座、弹性钢条、磁铁、线圈、褶皱环形密封膜、弹簧、底板、螺栓和梅花键构成，具体结构为：底座固定，圆柱套筒通过弹性钢条连接到底座，弹性钢条通过螺栓和底板固定在底座凹槽，圆柱套筒内部置有刚性支撑梁；圆环台固定于圆柱套筒下端，其顶面和底面分别固定有阵列分布的六块磁铁，底座和防护罩内部与磁铁正对位置分别固定有六组线圈，线圈中空，内部弹簧位于线圈底端，弹簧上承载磁铁，与圆环台的磁铁构成十二组磁铁对，装置下半部分整体置于防护罩中，防护罩上端口与圆柱相接处连有紧密的褶皱环形密封膜。

进一步的，当装置静止时，位于圆环台上下表面的磁铁与位于底座和防护罩内部的磁铁处于同轴心位置，且处于同极相斥状态，因此所述弹簧处于压缩状态。

进一步的，所述弹性钢条底端为梅花键状结构，与底座凹槽配合，防止其发生圆周方向转动。

进一步的，所述弹性钢条材质均匀，可实现任意方向弯曲，以此实现全风向振动。

进一步的，当风吹向圆柱套筒时，在基于涡激振动产生垂直于风向振动的同时，圆柱套筒由于自身体积存在阻力，还会受到一个向后的倾覆力，因此所述磁铁对采用强磁铁，两磁铁间强大的磁力可以给圆柱套筒提供足够的支撑力，不仅可以限制受升力时圆柱套筒振动的范围，同时还能防止圆柱套筒受阻力时向后倾覆程度过大而降低振动频率。

进一步的，为了使装置更容易振动起来，同时减小底部弹性钢条承载重量，延长装置的使用寿命，所述圆柱套筒选用的材料要尽量质轻，因此圆柱套筒采用泡沫材料，且整个圆柱套筒由多个圆柱块组合而成，圆柱块连接处留有卡键和卡槽，便于安装，组合后最外层套一层铝合金外皮，以稳固和保护整个组合起来的泡沫圆柱，内部安置有刚性支撑梁增强圆柱套筒整体刚度，从而减轻整个装置重量，使其更易振动而又保持刚度高不易损坏。

进一步的，所述防护罩与圆柱套筒间留有一通孔，该孔直径为圆柱套筒直径的两倍，以保重圆柱套筒振动时不会与防护罩撞击。

进一步的，所述活动孔覆盖褶皱环形密封膜，所述褶皱环形密封膜为弹性材料，不影响圆柱套筒的振动。

附图说明

图1是本装置外观结构示意图。

图2是本装置正视图的剖面图。

图3是圆柱套筒组合结构示意图。

图4是磁铁与线圈相对位置示意图。

图5是弹性钢条与底座连接的具体结构示意图。

具体实施方式

结合图1、图2和图3对本装置具体结构进行描述，本装置由圆柱套筒1、刚性支撑梁2、圆环台3、防护罩4、底座5、弹性钢条6、磁铁7、线圈8、褶皱环形密封膜9、弹簧10、底板11、螺栓12和梅花键13构成。其连接结构如下：底座5固定，圆柱套筒1通过弹性钢条6连接到底座5，弹性钢条6通过螺栓12和底板11固定在底座5凹槽，弹性钢条6底部带有梅花键13，防止弹性钢条6发生圆周向转动，圆柱套筒1由多个圆柱块1-2组合而成，圆柱块1-2相互连接处留有卡键和卡槽，便于安装，组合后最外层套一层铝合金外皮1-1，以稳固和保护整个组合起来的泡沫圆柱，内部安置有刚性支撑梁2增强圆柱套筒1整体刚度；圆环台3固定在圆柱套筒1下端，其上下表面分别固定有阵列分布的六块磁铁7，防护罩4内部上表面和底座5上表面与位于圆环台3上下表面的磁铁7正对位置分别固定有六组线圈8，线圈8中空，内部弹簧10位于线圈8底端，弹簧10上承载着磁铁7，与圆环台3上下表面的磁铁7构成十二组磁铁对。

结合图4对本装置发电部进行具体描述，所述线圈8中心底部固定有弹簧10，弹簧10连接磁铁7，与圆环台3的磁铁7处于同轴心位置，且同极相对，弹簧10初始时由于两磁铁7同极相斥而处于压缩状态。

结合图5对本装置底部固定结构进行具体描述：所述弹性钢条6底端带有梅花键13，与底座5凹槽配合，防止其发生圆周方向转动。底座5凹槽有底板11通过螺栓12固定弹性钢条6，且其中心位置带有一竖起圆筒以限制弹性钢条6振动范围，该圆筒顶部进行圆角处理，减小与弹性钢条6振动时的摩擦以延长弹性钢条6使用寿命；弹性钢条6材质均匀，可实现任意方向弯曲，以此实现全风向振动。

本装置工作原理：当本装置处于静止状态时，位于线圈8内部的磁铁7与圆环台3上下表面的磁铁7处于同轴心位置，且同极相对，弹簧10由于两磁铁7同极相斥而处于压缩状态。

自然界的风从任意方向吹向本装置时，圆柱套筒1在风的激励下会产生涡激振动，类似于卡门涡街效应，在圆柱两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，引发圆柱产生垂直于来风方向的振动，位于圆环台3的磁铁7会跟随圆柱套筒1进行振动，在离开初始位置发生偏移时，位于线圈8内部的磁铁7受到的斥力发生变化，原本压缩的弹簧10受到的磁斥力减小而将该磁铁7弹起。

当位于圆环台3上下表面的磁铁7振动回到初始状态的位置时，位于线圈8内部的磁铁7受到的斥力增大而使弹簧10压缩，在连接弹簧10的磁铁7受到的斥力不断增大减小的过程中，弹簧10也处于不断伸长和压缩的状态，带动磁铁7与线圈8进行切割磁感线运动，产生感应电流；与此同时，固定于圆环台3上下表面的磁铁7在振动过程中也会与线圈8发生切割磁感线运动产生电流。当风向发生改变时，重复上述步骤。

上述的具体实施方式中，一种全风向风柱发电装置，可以从多个方向俘获风能，打破了以往传统风力发电装置只能俘获单一方向风能的局限性，本装置具有能量密度高，无污染，可靠性强等优势，如广泛应用，可有效缓解能源短缺和环境破坏等问题。