非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】在本發(fā)明的實施方案中，一種非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電機使用旋渦脫落和自激振蕩的流體流動原理以使橫梁產(chǎn)生振蕩、線性運動，并且當所述橫梁運動時，可選地位于所述橫梁兩端附近的線形磁感應器產(chǎn)生電力。
【專利說明】非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電機
[0001]相關(guān)申請案
[0002]本申請根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求2011年4月15日提交且命名為“Non-Rotating Wind Energy Generator”的美國臨時專利申請第61/476103號的優(yōu)先權(quán)，本申請案是以引用的方式全部并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及風力發(fā)電。
_4] 發(fā)明背景
[0005]諸如風力渦輪機的裝置當前滿足對可持續(xù)環(huán)保風力發(fā)電越來越高的要求。雖然風力渦輪機是風力發(fā)電最常使用的方法，但是其還具有多個固有缺點。這些裝置昂貴，難以建造、安裝和維護，高度可見、嘈雜、體積大、容易破壞且相對難以運輸和裝配。其極高的高度使其容易被飛行碎屑、鳥和甚至低空飛行的飛機破壞。美國軍方還表示擔憂，稱將風力渦輪機放置在雷達系統(tǒng)的視線中可能會負面影響部隊檢測威脅的能力。旋轉(zhuǎn)式風力渦輪機也不適用于要求在邊遠地區(qū)進行安靜且難以察覺的發(fā)電的軍方應用。此外，當面臨高風速時，必須應用機械制動器，從而產(chǎn) 生損耗且效率低。因此，需要可以安靜且難以察覺的方式產(chǎn)生有用的大量電力的便攜式非旋轉(zhuǎn)裝置。
[0006]由旋渦水能產(chǎn)生的系統(tǒng)在水中使用旋渦脫落的原理以利用波能。公司已研發(fā)出稱作渦激振動水生清潔能源(VIVACE)的裝置。這種產(chǎn)品使用旋渦脫落作為由流體流動產(chǎn)生機械運動的主要方式。所述系統(tǒng)被設(shè)計來在海流中進行水下操作。這個系統(tǒng)使用動態(tài)地改變固有頻率以允許在不同流速下進行優(yōu)化的電變彈簧常數(shù)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的風力發(fā)電由于空氣的流體流動性質(zhì)之間的差距極大而不合人意?？諝庵械男郎u脫落頻率遠快于水中的脫落頻率。因此，使系統(tǒng)的固有頻率匹配脫落頻率將產(chǎn)生極大的彈簧常數(shù)。移動這個大小的彈簧需要大量的力。不幸的是，這個應用的升力特征未提供足以克服這個彈簧常數(shù)的升力且將不會發(fā)生振動。
[0007]因此，需要可以安靜且難以察覺的方式產(chǎn)生大量有用電力的便攜式非旋轉(zhuǎn)裝置。
[0008]概沭
[0009]本發(fā)明的方面涉及一種利用風力的新穎方法。在本發(fā)明的實施方案中，裝置使用旋渦脫落和自激振蕩的流體流動原理以使橫梁產(chǎn)生振蕩、線性運動。在本發(fā)明的實施方案中，當橫梁運動時，可選地位于橫梁兩端附近的線形磁感應器產(chǎn)生電力。
[0010]在本發(fā)明的方面中，一種非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備包括:懸掛的阻流體，其可操作以響應于風能而使用旋渦脫落開始并維持振蕩運動；和感應器系統(tǒng)，其可操作以經(jīng)由懸掛的阻流體的運動產(chǎn)生能量。在一個或多個實施方案中，懸掛的阻流體可以包括框架，其可移動地支撐至少一個橫梁；一個或多個第一彈簧；一個或多個第二彈簧，其中所述一個或多個第一彈簧將框架的第一部分附接到橫梁的第一部分且所述一個或多個第二彈簧將框架的第二部分附接到橫梁的第二部分，使得橫梁懸掛在框架的第一部分與第二部分之間，且其中感應器系統(tǒng)包括至少一個感應器，其附接到橫梁或框架的第三部分之一；至少一個磁體，其附接到框架的第三部分或橫梁之一，其中橫梁在暴露于風時進行的運動造成第一感應器穿過至少一個磁體。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁可以呈D形。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁可以是中空的。前述實施方案中的任何一個還可以包括一個或多個導軌。前述實施方案中的任何一個還可以包括一個或多個額外橫梁；一個或多個額外上彈簧；一個或多個額外下彈簧，其中所述一個或多個上彈簧將額外橫梁的第一部分附接到橫梁的第三部分且所述一個或多個額外下彈簧將額外橫梁的第二部分附接到橫梁的第四部分，使得所述一個或多個額外橫梁懸掛在框架的第一部分與第二部分之間。在前述實施方案中的任何一個中，框架的第一部分可以是上部，橫梁的第一部分可以是上部，框架的第二部分可以是下部，且橫梁的第二部分可以是下部。在前述實施方案中的任何一個中，框架的第三部分可以是側(cè)部。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁可以大致水平懸掛。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁運動可以大致垂直。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁的表面可以是均勻光滑的。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁的表面可以是部分光滑的。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁的表面可以是均勻粗糙的。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁的表面可以是部分粗糙的。在前述實施方案中的任何一個中，所述至少一個感應器或所述至少一個磁體可以附接到橫梁的第一端。在前述實施方案中的任何一個中，可以選擇彈簧質(zhì)量以促進自激振蕩運動。在前述實施方案中的任何一個中，橫梁可以具有選自由以下項組成的組的橫截面幾何形狀:正方形、圓柱形、反向的D形橫梁(其中風主要傳入在橫梁的圓形部分而非平坦部分)和在“大于”或“小于”相對于傳入風的方向上的等邊楔。在前述實施方案中的任何一個中，彈簧可以拉伸成靜止狀態(tài)。在前述實施方案中的任何一個中，可以選擇橫梁質(zhì)量以促進自激振蕩運動。在本發(fā)明的另一方面中，將根據(jù)前述實施方案中的任何一個所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備暴露于風以響應于風能而使用旋渦脫落產(chǎn)生振蕩運動且經(jīng)由非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備使用感應進行的運動而產(chǎn)生能量。
[0011]本發(fā)明的目的是為了提供一種風力渦輪機的非旋轉(zhuǎn)替代方案，其產(chǎn)生相當多的電力且便于攜帶、易于運輸且不易于破壞。在某些實施方案中，所述裝置顯著小于住宅或大型風力渦輪機。在某些實施方案中，所述裝置可以容易拆卸、裝載和運輸?shù)竭呥h地區(qū)，諸如營地或前線軍事基地。在某些實施方案中，所述裝置操作允許進行難以察覺且?guī)缀鯚o聲操作。
[0012]附圖簡沭
[0013]根據(jù)本發(fā)明中如附圖中說明的優(yōu)選實施方案的下列描述將明白本發(fā)明的前文和其它目的、特征和優(yōu)點。
[0014]圖1是示出了旋渦和后續(xù)運動的形成的旋渦脫落的示意說明。
[0015]圖2是示出了圓柱體的斯托拉赫數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系的雷諾數(shù)對斯托拉赫數(shù)的圖表。
[0016]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個方面且如側(cè)視圖(3A)和正視圖(3B)中所示的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電機的示意說明。
[0017]圖4A和圖4B提供根據(jù)本發(fā)明的實施方案的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電機的透視圖。
[0018]圖5是根據(jù)一個或多個實施方案的橫梁的透視說明。
[0019]圖6是具有每個為相同特征長度的四個不同橫截面形狀的一系列橫梁的升力系數(shù)對時間(秒)的繪制圖。
[0020]圖7是具有0.001m、0.025m、0.05m、0.075m和0.1m的特征長度的一系列D形橫梁的升力系數(shù)對時間(秒)的繪制圖。
[0021]圖8是升力(N)對時間(秒)的繪制圖且示出了橫梁(這里是D形橫梁)的大小如何影響由旋渦脫落產(chǎn)生的升力。
[0022]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的感應器總成。
[0023]圖10是根據(jù)一個或多個實施方案的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電機的安裝系統(tǒng)的說明。
[0024]圖11示出了根據(jù)一個或多個實施方案的用于將橫梁安裝到框架上的安裝系統(tǒng)。
[0025]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方案的橫梁的透視附圖。
[0026]圖13是根據(jù) 一個或多個實施方案的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電機的電壓軌跡。
[0027]
[0028]本發(fā)明的方面涉及一種利用風力發(fā)電的新穎方法。一方面，提供由風的流動引起的非旋轉(zhuǎn)運動而發(fā)電的裝置。風通常以不穩(wěn)定流動為特征；因此所述裝置能夠進行不穩(wěn)定流動特征的操作。為了最大化系統(tǒng)效率，最小化由于摩擦力和阻力產(chǎn)生的損耗并優(yōu)化電能利用方法。所述裝置易于運輸和部署。使用大約6m/s的標稱風速作為原型設(shè)計和測試的基礎(chǔ)。然而，全標度系統(tǒng)能夠在大范圍風速內(nèi)進行操作。
[0029]通過首先由風的流動建立非旋轉(zhuǎn)運動且然后使用所述運動以發(fā)電來提供非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電。一方面，裝置未使用類似于當前市場上的風力渦輪機的旋轉(zhuǎn)運動，且所述裝置反而使用旋渦脫落和自激振蕩的流體流動原理以使橫梁產(chǎn)生振蕩、線性運動。
[0030]旋渦脫落的現(xiàn)象涉及當將阻流體置于流體流動中時形成于阻流體后面的交替旋渦的形成。振蕩合升力隨著這些旋渦脫落而作用于阻流體。當流體流過鈍體時造成旋渦脫落。流體流過鈍體會在鈍體的下游側(cè)上產(chǎn)生交替低壓旋渦且鈍體將趨向于朝低壓區(qū)移動。最終，如果旋渦脫落的頻率匹配結(jié)構(gòu)的諧振頻率，那么所述結(jié)構(gòu)將開始諧振且所述結(jié)構(gòu)的移動可變成自我維持。
[0031]這些旋渦的密度和引起的升力與阻流體的橫截面形狀和大小直接相關(guān)。圖1中示出了旋渦和后續(xù)運動的形成。可通過使用稱作斯托拉赫數(shù)(St)(參考下文方程式I)的無量綱常數(shù)預測將會發(fā)生這些旋渦的頻率:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其包括: 懸掛的阻流體，其可操作以響應于風能而使用旋渦脫落開始并維持振蕩運動；和 感應器系統(tǒng)，其可操作以經(jīng)由所述懸掛的阻流體的運動產(chǎn)生能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述懸掛的阻流體包括: 框架，其可移動地支撐至少一個橫梁； 一個或多個第一彈簧； 一個或多個第二彈簧； 其中所述一個或多個第一彈簧將所述框架的第一部分附接到所述橫梁的第一部分且所述一個或多個第二彈簧將所述框架的第二部分附接到所述橫梁的第二部分，使得所述橫梁懸掛在所述框架的所述第一部分與所述第二部分之間；和 其中所述感應器系統(tǒng)包括至少一個感應器，所述至少一個感應器附接到所述橫梁或所述框架的第三部分中的一個； 至少一個磁體，其附接到所述框架的所述第三部分或所述橫梁之一； 其中所述橫梁在暴露于風時進行的運動造成第一感應器穿過所述至少一個磁體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁呈D形。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁是中空的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其還包括一個或多個導軌。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非`旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其還包括:、 一個或多個額外橫梁； 一個或多個額外上彈簧； 一個或多個額外下彈簧； 其中所述一個或多個額外上彈簧將所述額外橫梁的第一部分附接到所述橫梁的第三部分且所述一個或多個額外下彈簧將所述額外橫梁的第二部分附接到所述橫梁的第四部分，使得所述一個或多個額外橫梁懸掛在所述框架的所述第一部分與所述第二部分之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至5所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述框架的所述第一部分是上部，所述橫梁的所述第一部分是上部，所述框架的所述第二部分是下部，且所述橫梁的所述第二部分是下部。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述框架的所述第三部分是側(cè)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁大致水平懸掛。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁運動大致垂直。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至10所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁的表面是均勻光滑的。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至10所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁的表面是部分光滑的。
13.根據(jù)權(quán)利要求2至10所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁的表面是均勻粗糖的。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至10所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁的表面是部分粗糙的。
15.根據(jù)權(quán)利要求2至14所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述至少一個感應器或所述至少一個磁體附接到所述橫梁的第一端。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至15所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中選擇彈簧質(zhì)量以促進自激振蕩運動。
17.根據(jù)權(quán)利要求2至15所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述橫梁具有選自由以下項組成的組的橫截面幾何形狀:正方形、圓柱形、反向的D形橫梁(其中風主要傳入在所述橫梁的圓形部分上而非平坦部分上)和在“大于”或“小于”相對于傳入風的方向上的等邊楔。
18.根據(jù)權(quán)利要求2至17所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中所述彈簧拉伸成靜止狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求2至15所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備，其中選擇橫梁質(zhì)量以促進自激振蕩運動。
20.—種產(chǎn)生風能的方法,其包括: 將根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項所述的非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備暴露于風以響應于風能而使用旋渦脫落產(chǎn)生振蕩運動；和 經(jīng)由所述非旋轉(zhuǎn)風力發(fā)電設(shè)備使用感應進行的運動而產(chǎn)生能量。
【文檔編號】F03D9/00GK103732915SQ201280023380
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】迪倫·索普, 利亞姆·拜爾斯, 米切爾·諾厄, 托馬斯·奧爾森, 埃文·韋納, 穆罕默德·塔斯林 申請人:東北大學