CN105179153B - 仿生水翼摇摆式流体动能转换装置 - Google Patents

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Abstract

仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，它涉及一种能量转换装置，以解决现有波浪能发电装置结构复杂、能量利用率低和抗风浪袭击能力差的问题，它包括浮动底座、仿生水翼、两个机架主体、两个机架盖、两个激振永磁体、两组悬臂梁压电俘能器和多个受振永磁体；每组悬臂梁压电浮能器包括多个悬臂梁压电浮能器；机架盖封装在凹槽上；两个机架主体之间布置有仿生水翼；仿生水翼的尾缘两端与两个机架主体转动连接，仿生水翼的前缘两端各镶嵌有一个激振永磁体；每个凹槽内布置有一组悬臂梁压电浮能器和多个受振永磁体，每个凹槽内布置的多个悬臂梁压电浮能器的悬臂梁端固装在机架主体上。本发明用于发电。

Description

仿生水翼摇摆式流体动能转换装置
技术领域
本发明涉及一种能量转换装置，具体涉及一种仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，属于波浪能发电新能源领域。
背景技术
随着科技的进步和人民生活水平的提高，智能手机等新兴便携电子设备得到飞速发展，但是由于常规锂电池容量有限，人们外出时常出现手机没电的困境。集成化电子元器件耗电量低，工作电压低，所需能量可以从人体运动机械能中得到满足。所以从人体运动机械能中获取能量也正成为一个新兴科研领域。压电发电是一种新型的发电形式。在外部震动等干扰下产生机械变形，材料内部产生极化，在压电晶片两晶面上分别产生正负电荷。压电俘能器相比于电磁俘能器具有发电电压高、体积小、发电密度高、无电磁污染、结构简单便于微型化集成化等。
海洋也是一个巨大的能量来源。据测算，海洋上波浪所蕴含的能量达到5000GW，如果能够对之充分利用，那将对我们的航行、勘探、领土安全带来极大的便利。目前已经有很多国家在进行波浪能的利用研究，其中英国、挪威、日本走在了世界的前列。上世纪80年代初，英国已成为世界波浪能研究的中心；1985年，挪威建造了20世纪容量最大的500kW波电站；日本一直重视波浪能技术向应用产品的转换，其研制的兆瓦级波浪能发电船“海明号”处于世界领先水平。
根据发电装置的能量传递和转换过程，可以将波浪能发电过程分为三个阶段：一次转换、中间转换和二次转换。一次转换是将波浪的动能和势能吸收并转换为相应的机械能、气体内能等其他形式的能量，二次转换是将其他形式的能量转换成电能，中间转换是一次转换和二次转换的中间的过渡过程。一次转换装置的主要形式有振荡水柱式、振荡摇摆式、水面浮动式等，振荡水柱式是目前研究最多的吸波装置，它利用海水波动将波浪动能和势能转换为压缩空气的内能，可靠性高但发电效率偏低；振荡摇摆式利用竖直埋在水中的摆杆随海水摆动吸收海水能量，容易遭到海洋活动的破坏；水面浮动式随海水波动上下振动，吸收海水能量并将其转换为涡轮机动能，一般结构复杂，抗风浪袭击能力差。二次转换过程有涡轮机发电、磁流体发电和压电发电，涡轮机发电需要克服转子惯性做功，能量损失较大；磁流体发电技术的原理是霍尔效应，但是技术并不成熟，缺乏相应的运动部件；
美国科研机构和大学在这方面做了很多研究，产品有发电背包和发电鞋等。但是也都存在结构复杂，发电量弱等问题，很难对所发电能进行充分利用并且做到在发电装置工作时不影响人体正常动作。
公开日为2014年2月26日、公开号为CN103607058A、发明名称为“一种基于人体运动的发电装置”，它提出了一种能够固定在人体各个部位，感知人体运动，并将人体运动能量转化为电能的一种装备；它利用电磁发电原理，将人体的运动转化为永磁体的运动，固定线圈切割磁力线，在导线两端产生电动势；这种装置结构简单，携带方便，但是输出电压不高，不利于电能的储存和利用。
发明内容
本发明为解决现有波浪能发电装置结构复杂、能量利用率低和抗风浪袭击能力差的问题，进而提供一种仿生水翼摇摆式流体动能转换装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置包括浮动底座、仿生水翼、两个机架主体、两个机架盖、两个激振永磁体、两组悬臂梁压电俘能器和多个受振永磁体；每组悬臂梁压电浮能器包括多个悬臂梁压电浮能器；激振永磁体和受振永磁体的磁极性相同；
浮动底座上安装有正对设置的两个机架主体，两个机架主体均为非铁磁材料，每个机架主体上加工有凹槽，机架盖封装在凹槽上；两个机架主体之间布置有仿生水翼；仿生水翼的尾缘两端与两个机架主体转动连接，仿生水翼的前缘两端各镶嵌有一个激振永磁体；
每个凹槽内布置有一组悬臂梁压电浮能器和多个受振永磁体，每个凹槽内布置的多个悬臂梁压电浮能器的悬臂梁端固装在机架主体上，多个悬臂梁压电浮能器的压电片位于同一个竖直平面上且呈扇形排布，每个悬臂梁压电浮能器的压电片为长条片状结构，每个压电片的自由端的一侧面固装有至少一个受振永磁体，激振永磁体和受振永磁体相邻设置。
本发明的有益效果是：本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置最终通过悬臂梁压电浮能器将能量转换为电能。悬臂梁压电浮能器在磁场力作用下产生机械变形，材料内部发生极化，在压电晶体两晶面上产生正负电荷，从而产生电动势。可以将压电片进行串联、并联以得到需要的电压、电流。
本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置是将海水的波浪能通过逐级转化，最终转换为电能的一种装置。仿生水翼有一个自由度，可以绕旋转轴自由摆动，仿生水翼的重心在支承轴以下，处于稳定平衡状态。工作时装置整体靠浮动底座的浮力漂浮在海面上，装置整体随海浪的波动而上下浮动，仿生水翼在在其平衡位置两侧摆动，将波浪能转换为仿生水翼的机械能。仿生水翼上的激振永磁体和压电复合悬臂梁组件上的受振永磁体到水翼旋转中心线的距离相等。仿生水翼振动时嵌在前缘端面上的激振永磁体产生交变的磁场，施加给悬臂梁压电浮能器上受振永磁体交变的磁场力，迫使悬臂梁压电浮能器振动，将仿生水翼的机械能转换为压电片的弹性势能。悬臂梁压电浮能器的振动频率是仿生水翼振动频率的2倍。根据压电发电原理，压电片的振动频率和幅度决定了输出电压的大小。本发明采用惯量较大的仿生水翼进行能量的初级吸收和转换，运动稳定；还可以通过改变仿生水翼重心的位置来改变仿生水翼的固有频率，将传递给悬臂梁压电浮能器的磁场力的变化频率加倍，提高了压电片的输出电压。同时，利用磁场进行能量的中间传递，减少了机械摩擦造成的磨损和能量损失，提高能量的转化效率，能量利用效率大幅度提高。
本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置应用十分广泛，可以用于海上波浪能发电，规模性应用时把相邻装置的浮动底座连接成一个整体，提高装置的稳定性；也可以用于风力发电，将装置正面朝向迎风面，风吹动仿生水翼摆动，带动压电片振动变形产生电能；亦可以应用于一般振动幅度较大的地方，比如说火车、船舶等，为车载/舰载电子元器件提供能量。
本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置具有结构简单，发电电压高，易于集成化的优点；采用漂浮式结构，无水下部分，抗风浪侵袭能力强，安全可靠；同时采用压电发电形式，有振动即可发电，应用灵活。本发明可用于波浪能压电发电实验平台的研究，也可用于日常便携式发电装置的研究。
附图说明
图1是本发明仿生水翼摇摆式流体动能转换装置的立体结构示意图，图2是本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置的主剖面图，图3是本发明所用仿生水翼形态示意图，图4是本发明所用机架主体三维结构示意图，图5是悬臂梁压电浮能器振动原理示意图，图6是仿生水翼摆动示意图，图7是悬臂梁压电浮能器振动变形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置包括浮动底座1、仿生水翼5、两个机架主体2、两个机架盖9、两个激振永磁体10、两组悬臂梁压电俘能器4和多个受振永磁体11；每组悬臂梁压电浮能器4包括多个悬臂梁压电浮能器4；激振永磁体10和受振永磁体11的磁极性相同；
浮动底座1上安装有正对设置的两个机架主体2，两个机架主体2均为非铁磁材料，每个机架主体2上加工有凹槽2-1，机架盖9封装在凹槽2-1上；两个机架主体2之间布置有仿生水翼5；仿生水翼5的尾缘两端与两个机架主体2转动连接，仿生水翼5的前缘两端各镶嵌有一个激振永磁体10；
每个凹槽2-1内布置有一组悬臂梁压电浮能器4和多个受振永磁体11，每个凹槽2-1内布置的多个悬臂梁压电浮能器4的悬臂梁端固装在机架主体2上，多个悬臂梁压电浮能器4的压电片4-1位于同一个竖直平面上且呈扇形排布，每个悬臂梁压电浮能器4的压电片4-1为长条片状结构，每个压电片4-1的自由端的一侧面固装有至少一个受振永磁体11，激振永磁体10和受振永磁体11相邻设置。
如图6-图7所示，本实施方式的仿生水翼优先选用H型叶片式机翼。本实施方式的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置在制造的时候，仿生水翼采用两端支撑，拥有较好的摆动稳定性；压电复合悬臂梁组件分成两组分别安装在两端机架主体侧面的扇形空腔内，并用压电片紧固件压紧，保证压电片振动的有效性；浮动底座能浮在水面上，保证其抵抗风浪侵袭的能力；压电片为长条片状结构，根据使用地的海浪频率来进行设计，使其在工作时尽量处于共振状态，产生最大的电压输出；悬臂梁压电浮能器的压电片的覆盖角度和仿生水翼的最大有效摆动角度一致，保证能量的有效利用。
本实施方式的仿生水翼磁致振动波浪能转换装置在制造的时候，机架主体不能采用铁磁性材料，防止铁磁性材料对永磁体磁力线进行干扰，可采用有机金属材料或奥氏体不锈钢材料；浮动底座应具有低密度、高强度的特性，保证装置整体能够浮在水面上，保证其抵抗风浪侵袭的能力；仿生水翼的横截面为流线型结构，重心位于水翼摆动轴线以下，流致摆动时始终处于稳定平衡状态，固有振动频率和使用地的波浪频率一致，拥有较高的波浪能的转换率。
本发明结构简单，发电电压高，效率高，易于集成化和微型化，是比较理想的二级能量转换装置。浮动底座改为固定底座，整个装置可以通过固定底座安装在汽车、船舶等相应振动平台上，利用平台运转过程中产生的振动进行发电。这种实施方式应用灵活，适用于多种场合，提高了装置的实用性。本实施方式的悬臂梁压电浮能器4通过固定件8固定在机架主体2上。机架主体2通过螺栓12固接在浮动底座1上。
具体实施方式二：结合图2和图6说明，本实施方式的每个悬臂梁压电浮能器4中的每个压电片4-1均为压电陶瓷片或者聚偏氟乙烯片。如此设置，压电陶瓷压电性强，介电常数高，可以加工成任意形状；聚偏氟乙烯片具有柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数的优点，满足实际需要。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2和图6说明，本实施方式的机架主体2为三角形机架主体，凹槽2-1为三角形凹槽。如此设置，结构简单，设计合理，满足悬臂梁压电浮能器实际布置需要。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图6说明，本实施方式的每个压电片4-1为长条矩形片状结构或长条扇形片状结构。如此设置，加工制造方便，便于实际应用。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式的浮动底座1为铝合金材料。如此设置，浮动底座1采用低密度复合材料，保证装置整体能够浮在水面上，保证其抵抗风浪侵袭的能力更好。其它与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式的每个压电片4-1的自由端的一侧面固装有三个受振永磁体11，三个受振永磁体11沿压电片4-1的长度方向顺次布置。如此设置，能充分保证仿生水翼摆动，嵌在端面的永磁体产生交变的磁场，施加给悬臂梁压电浮能器上永磁体交变的磁场力，迫使悬臂梁压电浮能器振动，将仿生水翼的机械能转换为压电片的弹性势能。其它与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图2说明，本实施方式的两个激振永磁体10的中心至仿生水翼5转轴的距离相等。如此设置，使得水翼摆动时始终与压电片保持最大作用力状态，充分利用水翼摆动的机械能。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。
具体实施方式八：结合图2说明，本实施方式所述装置还包括两个支撑轴3和两个密封盖6；支撑轴3布置在仿生水翼5和机架主体2之间，支撑轴3的一端通过轴承与仿生水翼5转动连接，支撑轴3的另一端安装在机架主体2上，密封盖6封装在仿生水翼5上，密封盖6穿设在支撑轴3的另一端并封装在仿生水翼5上。本实施方式所述支承轴3通过仿生水翼两端盲孔内的轴承对仿生水翼5进行支撑；所述密封盖6安装在仿生水翼两端盲孔开口端，安装有环型密封圈7；两个机架主体2、两个机架盖9、两个悬臂梁压电浮能器4、两个支承轴3以及两个密封盖6在仿生水翼中心面两侧对称分布，构成整体摆动水翼结构。其它与具体实施方式七相同。

Claims (8)

1.仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，它包括浮动底座(1)和仿生水翼(5)；
其特征在于：它还包括两个机架主体(2)、两个机架盖(9)、两个激振永磁体(10)、两组悬臂梁压电俘能器(4)和多个受振永磁体(11)；每组悬臂梁压电浮能器(4)包括多个悬臂梁压电浮能器(4)；激振永磁体(10)和受振永磁体(11)的磁极性相同；
浮动底座(1)上安装有正对设置的两个机架主体(2)，两个机架主体(2)均为非铁磁材料，每个机架主体(2)上加工有凹槽(2-1)，机架盖(9)封装在凹槽(2-1)上；两个机架主体(2)之间布置有仿生水翼(5)；仿生水翼(5)的尾缘两端与两个机架主体(2)转动连接，仿生水翼(5)的前缘两端各镶嵌有一个激振永磁体(10)；
每个凹槽(2-1)内布置有一组悬臂梁压电浮能器(4)和多个受振永磁体(11)，每个凹槽(2-1)内布置的多个悬臂梁压电浮能器(4)的悬臂梁端固装在机架主体(2)上，多个悬臂梁压电浮能器(4)的压电片(4-1)位于同一个竖直平面上且呈扇形排布，每个悬臂梁压电浮能器(4)的压电片(4-1)为长条片状结构，每个压电片(4-1)的自由端的一侧面固装有至少一个受振永磁体(11)，激振永磁体(10)和受振永磁体(11)相邻设置。
2.根据权利要求1所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：每个悬臂梁压电浮能器(4)中的每个压电片(4-1)均为压电陶瓷片或者聚偏氟乙烯片。
3.根据权利要求1或2所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：机架主体(2)为三角形机架主体，凹槽(2-1)为三角形凹槽。
4.根据权利要求3所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：每个压电片(4-1)为长条矩形片状结构或长条扇形片状结构。
5.根据权利要求1、2或4所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：浮动底座(1)为铝合金材料。
6.根据权利要求5所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：每个压电片(4-1)的自由端的一侧面固装有三个受振永磁体(11)，三个受振永磁体(11)沿压电片(4-1)的长度方向顺次布置。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：两个激振永磁体(10)的中心至仿生水翼(5)转轴的距离相等。
8.根据权利要求7所述的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，其特征在于：所述装置还包括两个支撑轴(3)和两个密封盖(6)；支撑轴(3)布置在仿生水翼(5)和机架主体(2)之间，支撑轴(3)的一端通过轴承与仿生水翼(5)转动连接，支撑轴(3)的另一端安装在机架主体(2)上，密封盖(6)穿设在支撑轴(3)的另一端并封装在仿生水翼(5)上。
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