CN103532336A - 矩阵式不倒翁发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩阵式不倒翁发电装置，包括不倒翁结构体（1a、1b）、多个永磁体（3）、多个空腔（2）、多个线圈（4）和压电元件（5）；所述的永磁体（3）各自位于一个封闭的空腔（2）中，永磁体（3）可以在空腔（2）中运动，所述的空腔（2）和线圈（4）呈空间交错排列，对不倒翁结构体（1a、1b）内部空间的部分或者全部进行填充，所述的压电元件（5）安装在不倒翁结构体（1a、1b）的底部外侧与地面结合部位附近,以不倒翁与地面接触点为中心成对称分布。本发明可以用作风力、水力、海浪和振动能发电装置，部署简单，成本低廉，应用范围极广。

Description

矩阵式不倒翁发电装置

 

技术领域

本发明涉及新能源领域，特别涉及一种风力及振动能发电装置。

背景技术

振动是一种广泛存在的现象，特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中。振动能量采集就是采集自然界或者人类生产生活过程中产生的一般机械振动能，并将其转换为电能，无需布线和电池，就可驱动传感器或者其他电路装置的一种能量采集技术。

将振动能转化为电能的方式一般有电磁式、压电式和静电式三种。现有方案都侧重通过其中一种方式实现振动能到电能的转换，故转换效率相对有限。

风力发电不需要燃料，不会产生辐射或空气污染，是一种绿色、环保的发电方式。

现有的风力发电装置主要使用叶片型风力发电机，这种风力发电机，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。利用风力带动风车叶片旋转，再经过增速机将旋转的速度提升，来推动发电机发电。

风车叶片造价高、易损坏，而且噪声大、对各种鸟类构成威胁，对环境有一定影啊。支撑铁塔的成本也很高，导致风力发电一次性投资大，发电成本居高不下。大型风力发电一般又远离用电地域，输变电成本昂贵。同时在低于启动风速时无法工作，目前的风力发电产品在3级以下风力时发电效果差甚至不能发电，空间利用率较差，增速部件耗能、使用方向性要求高，性价比较低。

传统的水力发电机需要拦河造坝抬高水位，利用水流积蓄的势能转化成动能带动发电机组发电。传统的水电站建设成本极高，同时盲目建造水电站将对生态环境造成严重的损坏，另外也不是所有的河流都适合建造水电站。

 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种同时使用正压电效应和电磁感应原理实现振动能、风能发电的装置，该装置还可用于水能、海洋波浪能发电。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种矩阵式不倒翁发电装置，包括不倒翁结构体（1a、1b）、多个永磁体（3）、多个空腔（2）、多个线圈（4）和压电元件（5）；所述的永磁体（3）各自位于一个封闭的空腔（2）中，永磁体（3）可以在空腔（2）中运动，所述的空腔（2）和线圈（4）呈空间交错排列，对不倒翁结构体（1a、1b）内部空间的部分或者全部进行填充，所述的压电元件（5）安装在不倒翁结构体（1a、1b）的底部外侧与地面结合部位附近。受外力作用，永磁体（3）发生运动，周围磁场发生变化，位于变化磁场中的线圈（4）通过电磁感应原理对外输出电能。不倒翁结构体（1a、1b）摆动过程中，位于其底部的压电元件（5）受压力情况发生变化，通过正压电效应对外输出电能。

作为进一步的优化，本发明还包括多个整流电路，各个线圈（4）的输出端连接在整流电路的输入端，各个整流电路的输出的电能以并联方式、或者串联方式、或者混联方式进行汇聚。整流电路将线圈（4）输出的交流电转化为直流电，有利于降低电能汇聚的难度。

作为进一步的优化，压电元件（5）的的输出端连接在整流电路的输入端，与线圈（4）输出的整流后的电能进行汇聚,电磁感应输出的电能与正压电效应输出的电能各有特点，起到优势互补的作用。

作为进一步的优化，线圈（4）及整流电路等其他附属电路固定在一个封闭的空腔中，空腔的尺寸与用以封装永磁体（3）的空腔（2）基本一致。

作为进一步的优化，每个永磁体（3）相邻位置不存在另外一个永磁体（3），这样可以避免两个永磁体（3）相互粘连，有利于避免粘连对磁场变化造成影响，也有利于使各个线圈（4）所处位置的磁场强度最强。

作为进一步的优化，压电元件（5）为与不倒翁底部形状基本一致的曲面形状，沿厚度方向极化。

作为进一步的优化，压电元件（5）为多层压电元件（5）叠加而成，每一层均包含一对电极，各层之间保持绝缘，通过环氧树脂材料相互粘合。

 

本发明创造与现有技术相比，具有如下特征：

1、风能、振动能、水能、海洋波浪能都是清洁能源，不会产生化学污染，是一种取之不尽的能源。

2、本发明可以用作风力发电，在装置外面固定叶片，以增大受风面积。风力作用在叶片上，受力不平衡，将发生摆动，进而可以通过正压电效应和电磁感应原理对外输出电能。

3、本发明可以用作振动能发电，如直接放置在车船上，获取振动能发电。

4、本发明可以作为水力发电装置使用，不需要拦河造坝抬高水位，建设成本低，维护简单，稳定性高，对生态环境没有影响，不受地势、水量等因素的限制。

5、本发明可以作为海浪发电装置使用，通过绑定浮子，让本装置漂浮在海面上，随波浪起伏摇摆，对海水深度不做要求，既可以部署在近海岸边，又可以部署在远离海岸线的区域，施工容易、对环境破坏小。

6、本发明不受海浪强度限制，转换效率高，可充分地利用小、中、大海浪的波能发电。

7、装置内每个微发电结构体都能对捕获的能量，同时通过正压电效应和电磁感应原理两种方式转化为电能，可发挥两种能量转化方式的优势，克服各自的不足，结构设计巧妙，能量转化效率高。

8、该装置根据发电功率的要求可以设计成大小不等的体积，可在单独，也可以多台联网设置，建立一个大型发电厂，将可以发出巨大的电力，大大缓解能源紧缺状况。

9、本发明可靠性高，在部分模块损坏的情况下依然能正常工作。装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。

10、本发明可以为航标灯等海洋仪器设备供电、也可以通过电缆输送到海岛或沿岸并网供电，还可以用在偏远山区供电，其应用领域很广。

11、本发明可以用作装饰品、玩具等用途，适当改造可以作为家电小设备使用。例如，集成发光元件，可以作为台灯使用；集成MP3，可以作为音乐播放器使用；可以作为手机充电器。

12、装置的腔体外壳，具备一定的抗冲击和抗腐蚀老化能力，可以抵御高强度风浪的冲击。主要部件位于封闭腔内，不受腐蚀危害，寿命长、建设和运行成本低，且***组成简单、维护方便、能量转化率高。

13、压电元件（5）粘连在不倒翁的底部，其他元件模块固定于不倒翁结构体（1a、1b）内部，整个装置成为一个整体，有利于移动和部署。

14、本发明还可以为穿戴式设备供电，人在移动过程中，将导致发电装置内部的各个永磁体（3）运动，引发磁场发生变化，进而输出电能。

 

附图说明

图1为矩阵式不倒翁发电装置结构示意图。

图2为内部填充区剖面放大示意图。

图3为单个发电单元整流后波形效果示意图。

图4为多个发电单元整流后汇聚效果示意图。

图5为一种并联方式汇聚的电路结构示意图。

图中标号的含义为(1a) 不倒翁结构体外壳，（1b）不倒翁结构体底部重物,(2) 空腔,(3) 永磁体,(4) 线圈，（5）压电元件

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种矩阵式不倒翁发电装置，包括不倒翁结构体（1a、1b）、多个永磁体（3）、多个空腔（2）、多个线圈（4）和压电元件（5）。

图2是内部填充区剖面放大效果示意图。所述的永磁体（3）各自位于一个封闭的空腔（2）中，永磁体（3）可以在空腔（2）中运动，所述的空腔（2）和线圈（4）呈空间交错排列，对不倒翁结构体（1a、1b）内部空间的部分或者全部进行填充，所述的压电元件（5）安装在不倒翁结构体（1a、1b）的底部外侧与地面结合部位附近,以不倒翁与地面接触点为中心成对称分布。

各个永磁体（3）分别位于不同的空腔（2）中。永磁体（3）磁力线可以自由穿过空腔（2）外壳，形成空间磁场分布。各个线圈（4）位于上述磁场当中。

当外力作用在装置上，不倒翁将发生摇摆，位于其底部外侧的压电元件（5）受压力情况发生变化，导致压电元件（5）不同部位发生形变。压电元件（5）体内的电偶极矩会随之发生变化，此时压电元件（5）为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应的存在实现了机械能到电能转化。

不倒翁结构体（1a、1b）内部的永磁体（3）将随着不倒翁的摆动，在各自的腔体中做不规则运动，从而导致各永磁体（3）的磁场分布情况作不规则变化。位于各永磁体（3）相邻位置的各个线圈（4）恰好处于此不规则变化的磁场中，故而通过各个线圈（4）的磁通量将作不规则变化，依据电磁感应定律，线圈（4）两端将产生随之变化感应电动势。

 

进一步的，本发明还包括多个整流电路，各个线圈（4）的输出端连接在整流电路的输入端，各个整流电路的输出的电能以并联方式、或者串联方式、或者混联方式进行汇聚，具体采用哪一种连接方式可根据对输出电能的电压和电流大小等要求来决定。。整流电路将线圈（4）输出的交流电转化为直流电，有利于降低电能汇聚的难度。

压电元件（5）的的输出端连接在整流电路的输入端，与线圈（4）输出的整流后的电能进行汇聚,电磁感应输出的电能与正压电效应输出的电能各有特点，起到优势互补的作用。

通过使用整流电路将各个线圈（4）输出的交流电转化为直流电，给电能的汇聚提供了方便，故而不同线圈（4）间电能的汇聚将更为简单，汇聚电路的结构将更为简单，连接线路更容易实现，装置整体上更加简洁。

图3是单个发电单元输出电能，经过整流后的波形效果图。由于各个线圈（4）所处的磁场环境等诸多因素并不完全相同，故而各个发电单元输出的电能信号的相位并不完全同步，幅值也会各有不同。若直接使用交流方式汇聚，同步问题难以处理。转化为直流信号以后，汇聚将变得十分简单。图4是多个发电单元输出电能整流后进行汇聚的波形效果图。

 

还可以进一步将各个线圈（4）和对应附属电路一起分别固定在封闭的空腔中，该空腔可以起到保护作用。线圈（4）及整流电路等其他附属电路固定在一个封闭的空腔中，空腔的尺寸与用以封装永磁体（3）的空腔（2）基本一致。这样有利于填充部署过程中实现线圈（4）和永磁体（3）的相隔排列。

各个线圈（4）各自独立，分别通过电磁感应原理对外输出电能。各自独立工作，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。

各个线圈（4）输出的电能后经过整流后的还可以进行滤波，以进一步改善其直流特征。必要时还可以进行变压操作。

可以使用桥式整流电路完成整流，使用RC滤波电路完成滤波，这些都是公知的技术,其中桥式整流电路还可以使用集成芯片，以减少体积和提高性能。

各个线圈（4）输出的电能，经过整流和滤波后，可以进行汇聚，所有这些多个发电单元电能汇聚方式可以是串联方式，也可以是并联方式，还可以是混联方式，不论采取何种联接方式实现汇聚，都应该对各个发电单元采取一定的保护措施，以防止反充电或者反向回流而对各个发电单元造成损害。

经过汇聚后的电能可以经过变换后直接输出，也可以存储到储能设备之中，如图5所示，该电路片段中发电单元以并联方式联接，图中的二极管为防反充肖特基二极管，能有效防止电池组对前向电路反充电。

 

作为进一步的优化，在填充过程中，尽可能使永磁体（3）和线圈（4）在三个维度上均相隔排列，即每个永磁体（3）相邻位置不存在另外一个永磁体（3），这样可以避免两个永磁体（3）相互粘连，有利于避免粘连对磁场变化造成影响，也有利于使各个线圈（4）所处位置的磁场强度最强。

永磁体（3）推荐使用球状的结构，空腔（2）的内部形状也推荐使用球状结构，这样更利于永磁体（3）的运动，永磁体（3）在空腔（2）中沿平衡位置坐谐振，可将运动时间保持得更长。另外使用球状这类对称式结构，永磁体（3）运动更自由，其磁场方向变化将更容易实现，有利于提高磁场强度变化的幅度和频率。空腔（2）的外壳采用采用球状结构，也有利于提高其抗冲击能力，延长使用寿命。

实施例中压电元件（5）工作在 31 模式 ,其极化方向沿厚度方向。为了获得较大的功率输出。为了提高平均应力, 压电元件（5）可制作成变截面的形状，同时应选用压电系数和韧性均较高的压电材料（例如，压电纤维）制作压电元件（5）。

压电元件（5）为与不倒翁底部形状基本一致的曲面形状，沿厚度方向极化,各处厚度不需要完全一致，合适的使用可变截面的压电元件（5），有利于提高平均应力，提高能量转化效率。

压电元件（5）为多层压电元件（5）叠加而成，每一层均包含一对电极，各层之间保持绝缘，通过环氧树脂材料相互粘合，多层压电元件（5）叠加的结构，有利于提升输出电能的功率。

压电元件（5）粘连在不倒翁的底部，其他元件模块固定于不倒翁结构体（1a、1b）内部，这样的设计使得整个不倒翁发电装置成为了一个整体，有利于移动和部署。

 

本发明可作为水力发电装置使用。此时可以直接部署内陆的河流中，可以将本装置的通过绳子牵引潜浮在水中，在水力和重力的共同作用下，装置将成斜向潜浮在水中，从而增大水阻。水流直接冲击在不倒翁结构体（1a、1b）外壳上，因为受力不平衡，装置将在牵引绳的尾端做不规则运动，从而带动各个空腔（2）中的永磁体（3）发生运动，使得周围的磁场发生变化，位于变化磁场中的线圈（4），通过电磁感应原理对外输出电能。

相对于传统的水轮式水力发电装置，本装置作为水力发电装置使用时不需要拦河造坝抬高水位，建设成本低，维护简单，稳定性高，对生态环境没有影响，不受地势、水量等因素的限制。

本发明还可作为风力发电装置使用，不倒翁结构体（1a、1b）的外壳上固定一个到多个风叶，用以提高风阻，风力作用在风叶，由于受力不平衡，不倒翁将产生摆动，带动装置底部的压电元件（5）受力发生形变，通过正压电效应对外输出电能；位于装置上各个空腔（2）中的永磁体（3）也发生运动，通过电磁感应原理从各个线圈（4）上对外输出电能。

相对于传统的风轮式风力发电装置，本装置作为风力发电装置使用时建设成本低，噪声低，维护简单，稳定性高，对生态环境没有影响，不受风速大小等因素的限制。

本发明可用作振动能发电，如直接放置在车船上，获取振动能发电。

本发明可用作海浪发电装置，增加浮子等设置，让本装置漂浮在海面上。本发明装置随海浪做摇摆，带动内部的永磁体（3）在各自的空腔（2）中运动，进而产生变化磁场，位于变化磁场中的线圈（4）可以利用电磁感应原理输出电能。本发明不受海浪强度限制，转换效率高，可充分地利用小、中、大海浪的波能发电。本发明的不倒翁结构体（1a、1b）外壳可以充当保护外壳，起到抗风浪冲击的作用。

本发明可靠性高。装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。

本发明中使用多个部件进行能力捕获，既通过永磁体（3）和线圈（4）构造电磁感应转化电路，又在底部外侧的压电元件（5），通过正压电效应实现机械能到电能的转化。可发挥两种能量转化方式的优势，克服各自的不足，结构设计巧妙，能量转化效率高。

本发明根据发电功率的要求可以设计成大小不等的规模，可在单独部署设置，也可以多台联网设置，建立一个大型发电厂，将可以发出巨大的电力，大大缓解能源紧缺状况。

该装置可以用在偏远山区供电，可作为传感器网络设备供电，其应用领域很广。

以上所述的仅是本发明的实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，包括不倒翁结构体（1a、1b）、多个永磁体（3）、多个空腔（2）、多个线圈（4）和压电元件（5）；所述的永磁体（3）各自位于一个封闭的空腔（2）中，永磁体（3）可以在空腔（2）中运动，所述的空腔（2）和线圈（4）呈空间交错排列，对不倒翁结构体（1a、1b）内部空间的部分或者全部进行填充，所述的压电元件（5）安装在不倒翁结构体（1a、1b）的底部外侧与地面结合部位附近。

2.如权利要求1所述的矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，还包括多个整流电路，各个线圈（4）的输出端连接在整流电路的输入端，各个整流电路的输出的电能以并联方式、或者串联方式、或者混联方式进行汇聚。

3.如权利要求1所述的矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，压电元件（5）的的输出端连接在整流电路的输入端，与线圈（4）输出的整流后的电能进行汇聚。

4.如权利要求1所述的矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，所述的线圈（4）及整流电路等其他附属电路固定在一个封闭的空腔中，空腔的尺寸与用以封装永磁体（3）的空腔（2）基本一致。

5.如权利要求1所述的矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，所述的每个永磁体（3）相邻位置不存在另外一个永磁体（3），这样可以避免两个永磁体（3）相互粘连，也有利于使各个线圈（4）所处位置的磁场强度最强。

6.如权利要求1所述的矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，所述的压电元件（5）为与不倒翁底部形状基本一致的曲面形状，沿厚度方向极化。

7.如权利要求1所述的矩阵式不倒翁发电装置，其特征在于，所述压电元件（5）为多层压电元件（5）叠加而成，每一层均包含一对电极，各层之间保持绝缘，通过环氧树脂材料相互粘合。

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