CN103199675A - 挂帘式风力及振动能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挂帘式风力及振动能发电装置，包括永磁体、空腔、线圈等部件，结构新颖，形状类似于普通的挂帘，可使用风力、水力及振动能等多种能源进行发电，还可用传统窗帘、门帘的替代品。

Description

挂帘式风力及振动能发电装置

 

技术领域

本发明涉及新能源领域，特别涉及一种挂帘式风力、水力及振动能发电装置。

背景技术

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。

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。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。

 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种可使用风力、水力及振动能等多种可再生能源发电装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种挂帘式风力及振动能发电装置，包括多个永磁体、多个空腔、多个线圈；各个永磁体分别位于不同的空腔中, 永磁体可以在空腔中运动，所述的空腔和线圈相隔排列，连接成一个条状物，所述条状物的一端固定，另一端为自由端；所述发电装置至少包含一个所述条状物。永磁体在空腔中运动，导致磁场变化，位于磁场中的线圈通过电磁感应原理对外输出电能。

作为进一步优化，还包括多个整流电路，线圈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，整流电路将线圈输出的交流电转化为直流电，有利于减少电能汇聚的难度。

作为进一步优化，用来封装永磁体的空腔有一定的体积，用以提供支撑本装置漂浮于液体表面的浮力，使得本装置可以方便的应用到水力发电场合。

作为进一步优化，包含两条以上所述条状物时，相邻条状物位于同一水平面的组成物不能同时为永磁体,以防止相互吸引而导致粘连，也有利于使各个线圈所处位置的磁场强度最强。

作为进一步优化，用以连接永磁体和线圈的连接体包含压电元件和弹性连接件。

作为进一步优化，压电元件为矩形或者近似矩形的片状结构，沿厚度方向极化。

作为进一步优化，弹性连接件上下表面的压电元件为多层压电元件叠加而成，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、水力都是清洁能源，不会产生辐射和化学污染，是一种取之不尽的能源。

2、本发明可用作风力发电装置，不受风速大小的限制，转换效率高，部署容易、建设成本低，对环境破坏小。

3、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。

4、本发明可用作振动能发电装置，如直接放置在车船上，获取振动能发电。

5、本发明可用作海浪发电装置，整体使用漂浮结构，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，装置具有良好的柔韧性，可以抵御高强度风浪的冲击。

6、本发明可靠性高。装置内部包含多个独立的压电式发电单元和电磁式发电单元，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。

7、该装置根据发电功率的要求可以构建规模不等的挂帘，可在单独使用，也可以多个联网设置，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。

8、本装置结构简单、外观新颖，可作为窗帘、门帘使用，美观大方，同时还可发电。

9、该装置可作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。

10、本发明结构简单，主要元件、模块的外面可覆盖保护材料，进行防水、防腐蚀和绝缘等方面保护，使用寿命长、建设和运行成本低，系统组成简单、维护方便。

11、本发明还可以为穿戴式设备供电，将本挂帘装置固定在衣服或适当位置，人在移动过程中，将导致发电装置内部的各个永磁体运动，引发磁场发生变化，进而输出电能。

 

附图说明

图1为挂帘式风力及振动能发电装置结构示意图。

图2为带压电材料的挂帘式风力及振动能发电装置结构示意图。

图3为条状物侧视图。

图4为弹性连接件结构图。

图5为单个发电单元整流后波形效果示意图。

图6为多个发电单元整流后汇聚效果示意图。

图7为一种并联方式汇聚的电路结构示意图。

 

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，一种挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于：包括多个永磁体、多个空腔、多个线圈；各个永磁体分别位于不同的空腔中, 永磁体可以在空腔中运动，所述的空腔和线圈相隔排列，连接成一个条状物，所述条状物的一端固定，另一端为自由端；所述发电装置至少包含一个所述条状物。

各个永磁体磁力线可以自由穿过空腔外壳，形成空间磁场分布。各个线圈位于上述磁场当中。

当风力、水力、海浪等外力作用在条状物上，将引起位于各个空腔中的永磁体发生运动，永磁体周围的磁场随之发生变化，位于各永磁体相邻位置的各个线圈恰好处于此不规则变化的磁场中，故而通过各个线圈的磁通量将作不规则变化，依据电磁感应定律，线圈两端将产生随之变化感应电动势。

本装置还可以包括多个整流电路，各个线圈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。

通过使用整流电路将各个线圈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5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6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和对应附属电路一起分别固定在封闭的空腔中，该空腔既可以起到保护作用，还可以在作为水力等发电装置使用时提供浮力。

永磁体的空腔有一定的体积，用以提供支撑本装置漂浮于液体表面的浮力,使得本发明可以应用到水力发电和波浪发电等场合。

多个条状物并列排列可以构成了挂帘式结构体。对于包含两条以上所述条状物的情形，相邻条状物位于同一水平面的组成物不能同时为永磁体, 以防止永磁体相互吸引而导致粘连，也有利于使各个线圈所处位置的磁场强度最强。永磁体相互粘连，会阻碍永磁体的运动，进而影响磁场的变化速度和幅度。

永磁体推荐使用球状的结构，空腔的内部形状也推荐使用球状结构，这样更利于永磁体在运动，永磁体在空腔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，永磁体运动更自由，的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。

空腔的外壳采用采用球状结构，有利于提高其抗冲击能力，延长使用寿命。

风力或其他外力作用在挂帘上，将导致各个条状物偏离平衡位置，各个条状物受力情况并不一致，故而各个条状物摆动将呈现无规则状态，各个条状物摆动过程中的相互撞击，将进一步放大振动能量。

位于各个条状物上中空腔体内的永磁体，将在各自的腔体中做不规则运动，从而导致各永磁体的磁场分布情况作不规则变化。位于各永磁体相邻位置的各个线圈恰好处于此不规则变化的磁场中，故而通过各个线圈的磁通量将作不规则变化，依据电磁感应定律，线圈两端将产生随之变化感应电动势。

各个线圈的输出端连接到整流滤波电路的输入端。整流滤波将各个线圈输出的交流电转化为直流电。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。整流滤波电路可以直接与各个线圈固定在一起。

各个线圈输出的，经过整流和滤波后的电能，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，具体根据对输出电能的电压和电流大小等要求来决定。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，以防止反充电而对各个发电单元造成损害。

如图7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。

作为进一步优化，用以连接永磁体和线圈的连接体包含压电材料。以包含压电材料的弹性连接件构建的挂帘式风力及振动能发电装置结构如图2所示。

图3是其侧视图，图4是侧视图放大效果图，用以展示包含压电材料的弹性连接件结构。

弹性连接件通常是由形状规则的片状弹性材料构成，通常制作成矩形或者近似矩形的薄片。弹性连接件采用高弹性模量的材料，要求具有很好的弹性效果和较低的阻尼内耗，同时还要求许用应变较大，塑性小，机械品质因素高。装置具有良好的柔韧性，故而可以抵御高强度风浪的冲击。

所述压电元件位于各弹性连接件的上下表面，压电元件随弹性连接件一起发生形变，通过正压电效应输出电能。压电元件为矩形或者近似矩形的片状结构，沿厚度方向极化。

弹性连接件上下表面的压电元件还可以是多层压电元件叠加而成，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，多层压电元件叠加的结构，有利于提高电能转化效率。

当挂帘上的各个条状物受到外力作用，将带动弹性连接件发生形变，进而带动其上下表面的压电元件一起发生形变。压电元件体内的电偶极矩会随之发生变化，此时压电元件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。

实施例中压电元件工作在 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。

各个压电元件构成各自独立的发电单元，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。

所述的压电元件的上下表面固定有一对片状电极，所述的片状电极通过导线连接到整流滤波电路的输入端，各个整流滤波电路的输出端以并联方式、或者串联方式、或者混联方式连接到电能储存单元的输入端。

可使用桥式整流电路进行整流，可使用RC滤波电路进行滤波，这些都是公知的技术。

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7所示。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。更多的细节与前面关于线圈输出电能的处理方式基本类似。

装置的各个部件外面可以覆盖保护材料，进行防水、防腐蚀和绝缘等方面保护，以免除海水腐蚀危害。

 

本发明可作为风力发电装置使用，将本装置悬挂在空中，风力作用在本装置上，由于受力不平衡，产生不规则摆动，装置各个部分将发生不规则运动，从而带动压电元件发生形变，通过正压电效应对外输出电能；位于装置上各个空腔中的永磁体也发生运动，通过电磁感应原理从各个线圈上对外输出电能。

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。

本发明还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，可以将本装置的一侧固定在水面，另一端适当增加重量，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。通过水流冲击进行发电，因为受力不平衡，装置各个部分将发生不规则运动，从而带动各个空腔中的永磁体发生运动，使得周围的磁场发生变化，位于变化磁场中的线圈，通过电磁感应原理对外输出电能；装置的不规则运动，也带动弹性连接件发生形变，进而通过压电元件的正压电效应对外输出电能。

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。

本发明还可以为穿戴式设备供电。因为使用挂帘式结构，厚度方面具有优势，可以很容易的固定在衣服或者其他合适位置。人在移动过程中，将导致发电装置内部的各个永磁体运动，引发磁场发生变化，进而输出电能。

本发明可用作海浪发电装置，可以部署到海面上，此时可以用绳子将各个条状物连接成网状物，以避免风浪冲击下，各个条状物散乱无章。装置借助自身提供的浮力，漂浮在海面上。因为整体使用漂浮结构，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，不占用土地资源。

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。本发明柔韧性好，各个主要部件外面有保护外壳，抗风浪冲击能力强。

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。

本装置结构简单、外观新颖，可作为窗帘、门帘使用，美观大方，用户穿梭于门帘之间，将带动装置发电，同时风吹过窗帘、门帘时候，可以利用风力进行发电。

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)

1.一种挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于：包括多个永磁体、多个空腔、多个线圈；各个永磁体分别位于不同的空腔中, 永磁体可以在空腔中运动，所述的空腔和线圈相隔排列，连接成一个条状物，所述条状物的一端固定，另一端为自由端；所述发电装置至少包含一个所述条状物。

2.如权利要求1所述的挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于，还包括多个整流电路，线圈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所述的挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于，所述用来封装永磁体的空腔有一定的体积，用以提供支撑本装置漂浮于液体表面的浮力。

4.如权利要求1所述的挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于，包含两条以上所述条状物，相邻条状物位于同一水平面的组成物不能同时为永磁体,以防止相互吸引而导致粘连，也有利于使各个线圈所处位置的磁场强度最强。

5.如权利要求1所述的挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于，所述的用以连接永磁体和线圈的连接体包含压电元件和弹性连接件。

6.如权利要求1、5所述的挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于，所述的压电元件为矩形或者近似矩形的片状结构，沿厚度方向极化。

7.如权利要求1、5、6所述的挂帘式风力及振动能发电装置，其特征在于，所述的弹性连接件上下表面的压电元件为多层压电元件叠加而成，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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