涡激共振风力涡轮机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种新型发电设备。
[0002] 本发明客体包括属于再生能源工业的将风能转化为可用电势的发电设备。其设计 整合了 =种已知物理原理：与振荡固有频率的结构禪合、流体旋满的生成W及一些由诸如 铁电效应或压电效应引起的某种材料的机电禪合。
[0003] 本系统的新颖性在于在发电装置中协调整合运=种物理原理，使发电装置的固有 振荡频率与整个结构中W同步方式生成的旋满生成频率相一致。
【背景技术】
[0004] 作为分布最广泛的再生能源之一的风能依赖于一次能源(prima巧ene巧y)-风。
[0005] 将风能转化为电能的最常见装置为多叶片式风力满轮机。尽管该领域持续不断地 实现了清晰、公认的技术改进，但运些系统仍受到四点根本缺陷的影响：
[0006] a)因为运些系统包含机械零件，例如齿轮、绕阻等，由于润滑剂的消耗、零件的磨 损、绝缘树脂的热衰减W及其他由摩擦力引起的摩擦及热效应等，使运些系统需要一定的 维护费用；
[0007] b)基于贝茨(Betz)于1927年完成的理论而进行工作的常规多叶片使风力满轮机 通过较高的转子旋转速度来提高其工作效率。结合下述事实，即，环形表面上的可用能量与 叶片长度的平方成正比，运意味着叶片顶端的速度非常高，由此会对鸟群造成极大的威胁， 显而易见地会带来许多意外事故；
[000引C)叶片尺寸的蓄意增加会转化为系统总成复杂度的增加，W及初装成本的增加；
[0009] d)风力满轮机的主观视觉影响可W用许多方法描述，但不管怎样，因其动作的宽 度范围的增加，其所占空间也相应地变大。
[0010] 为了使风力满轮机的上述方面有所改善，本发明所创造的装置基于=种物理原理 或理论。运些原理分别广泛地应用于工业领域。
[0011] 第一种原理为机电禪合。当某些物质间被施加一定力时，会在其表面之间产生电 势差，由此产生机电禪合效应。就任意一种发电机而言，其操作是可逆的，而且其表面间存 在的电压会引起形变。其中，上述物质为铁电物质（例如错铁酸铅及其衍生物)和压电物质 (某种晶体，例如石英等）。
[0012] 带有某种类型机电禪合特性的物质应用范围较广，例如应用于致动器(定位器、马 达）、扬声器(导入电能获得机械能）、诸如压力、位置、接触、形变传感器W及各种类型的转 换器(导入机械能W获得电能）。
[0013] 运些物质于发电领域的应用并不广泛，但已存在将行人在人行道和地板上行走的 脚步所产生的能量转化为可用电能的应用。目前，已存在利用从人体移动中获取的能量为 便携式电子设备进行充电的服装、鞋类甚至娃酬植入物的设计方案。运些物质于电弧照明 装置和键盘中的应用已有一段时间，其应用于电弧照明装置W在照明装置中产生瞬态放 电，其应用于键盘中W通过用户的击键等操作为其所在设备进行充电。同样地，运些物质还 应用于从波体或风的冲击中聚集脉冲和端流能的发电机中。
[0014]第二种原理为非端动层流中端动旋满的形成。"卡口满街"（Karman vortex street)由匈牙利科学家希欧多尔?冯?卡口（Theodore von Karman)于1911年提出，其最 广泛的技术应用为被称作满街流量计(vortex flowmeter)的特殊类型流量计。该流量计用 于通过计算因具有已知几何形状的部件的存在而形成在导体中的旋满的个数来测量经过 该导体的流体量。运一理论的知识及模型同样应用于大气及海洋预报中。
[0015] 第=种原理与物体的固有振荡频率有关。运种原理专口应用于乐器、扬声器和电 子器件(谐振器)的制造 W及与显微镜等(原子力显微镜、磁共振力显微镜等显微镜中的"轻 敲"（tapping),原子力显微镜、磁共振力显微镜具有使振荡和谐进而提高探针读取能力的 悬臂(cantilever))相关的应用中。另一方面，如果可能的话，在其他技术领域诸如自动化 和机械学(结构声禪合控制）中需要无效掉运类原理产生的影响W降低发动机噪音，W及在 与刹车片相关的应用中需要无效掉运类原理产生的影响。同样，运种原理在诸如烟画或桥 梁等建筑及大型结构中会带来一些不良影响(例如，塔科马海峡大桥或核电站冷却塔，在运 些建筑中还产生了前文提到的卡口旋满）。
[0016] 至今还未有风力满轮发电设备在其几何结构上设法同步遍及其整个结构的端动 旋满的生成。
[0017] 至今还未有发电机企图W物体固有振荡作为工作原理。W物体固有振荡频率及端 动旋满生成频率之间的任意类型调谐或谐振为控制方式的发电机还未创造出来。
[0018] 至今还未有基于机电禪合物质、把包含在稳定层状气流中的能源作为一次能源使 用的发电机。
【发明内容】
[0019] 本发明公开了一种满激共振风力满轮机，用W解决由上述常规多叶片式风力满轮 机带来的问题。
[0020] 满激共振风力满轮机包括错定在地面上的直立半刚性装置。明显可见的部分为直 立的立方体或跪杆，因其不包含活动零件(减速器、齿轮、轴、转子等），所W其无需润滑或无 需因磨损或者材料疲劳而更换零件。该满激共振风力满轮机部分或完全由高度机电禪合的 材料制成。
[0021] 在一定风况(速度、雷诺数等）下，入射在该满激共振风力满轮机表面的风会产生 一系列将两种类型力传递至该满激共振风力满轮机结构的端动旋满或顺流而下的满流。其 中一种力被称作拖拽力，其与风同向，并且在层状稳定气流中会产生适时固定的扭矩(不可 用力）。而另外一种力被称作提拉力，其垂直于风向而且其指向交替变化，但其方向维持恒 定(可用力）。如果具有层状稳定流，具有某种频率的提拉力因新旋满的生成而改变指向，该 频率由卡口方程表示为：
[0023] 其中，Fv是旋满生成频率，V是风速，h是障碍物形状的特征长度（例如，圆截面直 径），S是流体的非一元斯特鲁哈尔数(adimensional Strouhal number)。
[0024] 如同任意固体部件或结构一样，本发明的装置对象具有多种空间振荡方式。对于 一端错固于地面的跪杆而言，第一振荡方式在于其一端为静止，而位于最高点的另一端具 有最大振幅。其频率表不为：
[0026] 其中，fn是第n个谐波的固有振荡频率，I是截面惯性矩，E是材料的杨氏模量 (Young's modulus)，山是每单位长度的杆密度，Kn是杆的第n种振荡方式，a是阻尼常数。
[0027] 如果跪杆的固有振荡频率fn与在空中使其自身产生旋满的频率Fv相同，则结构和 端动状态（turbulent regime)将会合调(频率一致），而且总成会产生共振，由此最大化其 能量吸收能力。该固有频率与旋满生成频率的调谐在某些结构中是很危险的，诸如桥梁或 烟画，但上述调谐是本发明所期望实现的目标。
[0028] 机电禪合材料在依赖于材料品质的能量转换过程中获得高易变性效能。目前，很 难找到效能高于75 %的材料，因为总有大部分能量会转化为弹性势能。在共振情况下（当材 料W其固有频率振荡时），可恢复大量弹性势能，并使效能接近100%。运样，如果本发明中 的跪杆或与连接于跪杆的物体具有明显的机电禪合特性(无论是铁电性还是压电性），则可 使机械能向电能的转化得到优化。
[0029] 如上所述，物体的固有频率取决于其自身密度、其截面惯性矩和弹性硬度常数 (elastic rigidity constant)或杨氏模量。因为旋满生成频率取决于风速(不可控且适时 变化的），为了调谐或匹配运两种频率(固有频率和旋满生成频率），可修改跪杆固有振荡频 率所依赖的任何控制参数，优选地修改其他杨氏模量。可通过外部调节施加到机电禪合材 料上的电压来实现上述目的。为此，满激共振风力满轮机具有用于管理控制回路的电子机 构。该控制回路的输出为施加到机电禪合材料的电压值，其输入为风速。可利用标准风速计 获取该值，或者较佳地利用由拖拽力产生的风力满轮机跪杆的稳定扭矩求得该值。上述过 程的另一目的是为了在将满激共振风力满轮机产生的能量提供给后续的逆变及滤波阶段 之前，过滤、调整该能量使其满足向电网供应的条件。
[0030] 电子控制及调节机构的最自然的安装位置是不干扰自然气流的位置。
[0031] 地面错固由诸如混凝±、水泥、灰泥或砂浆等标准粘合剂的实屯、基体或基座建立。 该基座必须十分沉重，并可提供牢固稳定的地面错固。
[0032] 如上所述，满激共振风力满轮机的最佳工况需要层状稳定气流施加其上。众所周 知，越接近地面，气流越容易产生端动状态，因此设置高跪杆是可取的。此外，风中包含的能 量与风速的=次方成正比。运样，就需要增加跪杆的高度。
[0033] 显而易见地，为了实现满激共振风力满轮机的较佳工况，跪杆的（任意高度上的） 所有部分必须W同步的方式承受提拉力并由此振荡。赫尔曼指数定律（Heilman'S exp