[发明专利]涡激共振风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型发电设备。

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。其设计整合了三种已知物理原理：与振荡固有频率的结构耦合、流体旋涡的生成以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耦合。

本系统的新颖性在于在发电装置中协调整合这三种物理原理，使发电装置的固有振荡频率与整个结构中以同步方式生成的旋涡生成频率相一致。

背景技术

作为分布最广泛的再生能源之一的风能依赖于一次能源（primary energy）—风。

将风能转化为电能的最常见装置为多叶片式风力涡轮机。尽管该领域持续不断地实现了清晰、公认的技术改进，但这些系统仍受到四点根本缺陷的影响：

a)因为这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、绝缘树脂的热衰减以及其他由摩擦力引起的摩擦及热效应等，使这些系统需要一定的维护费用；

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涡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，这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；

c)叶片尺寸的蓄意增加会转化为系统总成复杂度的增加，以及初装成本的增加；

d)风力涡轮机的主观视觉影响可以用许多方法描述，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。

为了使风力涡轮机的上述方面有所改善，本发明所创造的装置基于三种物理原理或理论。这些原理分别广泛地应用于工业领域。

第一种原理为机电耦合。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，由此产生机电耦合效应。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（例如锆钛酸铅及其衍生物）和压电物质（某种晶体，例如石英等）。

带有某种类型机电耦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、形变传感器以及各种类型的转换器（导入机械能以获得电能）。

这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、鞋类甚至硅酮植入物的设计方案。这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以在照明装置中产生瞬态放电，其应用于键盘中以通过用户的击键等操作为其所在设备进行充电。同样地，这些物质还应用于从波体或风的冲击中聚集脉冲和湍流能的发电机中。

第二种原理为非湍动层流中湍动旋涡的形成。“卡门涡街”（Karman vortex street）由匈牙利科学家希欧多尔·冯·卡门（Theodore von Karman）于1911年提出，其最广泛的技术应用为被称作涡街流量计（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涡的个数来测量经过该导体的流体量。这一理论的知识及模型同样应用于大气及海洋预报中。

第三种原理与物体的固有振荡频率有关。这种原理专门应用于乐器、扬声器和电子器件（谐振器）的制造以及与显微镜等（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（结构声耦合控制）中需要无效掉这类原理产生的影响以降低发动机噪音，以及在与刹车片相关的应用中需要无效掉这类原理产生的影响。同样，这种原理在诸如烟囱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，在这些建筑中还产生了前文提到的卡门旋涡）。

至今还未有风力涡轮发电设备在其几何结构上设法同步遍及其整个结构的湍动旋涡的生成。

至今还未有发电机企图以物体固有振荡作为工作原理。以物体固有振荡频率及湍动旋涡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。

至今还未有基于机电耦合物质、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