CN103326618B - 一种水下旋转式压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种水下旋转式压电发电装置属于新能源技术领域，特别适合利用收集河流或海洋水粒子流动产生的动能转换成电能。该发电装置由驱动部件，真空换能部件组成。在驱动部件中，叶轮固定在传动轴一端，传动轴由轴承定位在左腔体内部；传动轴和驱动轮同步转动。若干个左腔永磁铁匀阵列在驱动轮四周，左端盖固定在左腔体的左侧，压盖将密封圈固定在左端盖上。真空换能部件为第一种真空换能部件和第二种真空换能部件；发电装置共有3种结构形式。发电装置在水中使用，有效避免极端风浪对装置的损毁；同时，利用真空密封腔体可增加发电装置的输出功率。本发明特别适合收集河流或海洋等环境中水粒子流动产生的动能。<!--1-->

Description

一种水下旋转式压电发电装置

技术领域

本发明属于新能源技术领域，特别适合利用收集河流或海洋水粒子流动产生的动能转换成电能。

背景技术

人类对海洋环境及安全的监控日益加强，海洋无线传感网节点的供能问题迫切需要解决。传统的供能方式包括太阳能、锂电池、化学电池等，太阳能发电易受海洋天气影响；锂电池需要不断更换；化学电池需要更换电极以及存在污染环境的危险。海洋波浪能是一种品质较高的可再生清洁能源，蕴藏量巨大。收集波浪能为海洋无线传感网节点供能是一种极具潜力的方式。目前有少量波浪能产品达到实用化水平，如英国的Pelamis波能装置。总体来看，海洋波浪能装置体型巨大、成本较高、通常需要辅助控制系统，不适合为无线传感网节点或微型电子器件提供能量。

利用压电技术收集海洋波浪能为海洋无线传感网节点供能是一种理想的方式。褚金奎等发明了一种直线波浪能压电发电装置，申请号为201110112353.7，发明名称为一种利用海浪发电的装置。该换能装置主体在海面上，易被极端天气损毁。目前，利用压电材料收集海洋波浪能的换能装置存在的主要问题是发电装置主体在海面上，易被大风浪损毁。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服压电波浪能装置易被损毁的缺点，发明一种水下旋转式压电发电装置，该装置由密封的驱动部件，真空换能部件组成，整个装置完全在水中工作，不易被极端的风浪损毁。真空换能部件能够让压电悬臂梁换能部件处在真空的环境下，可增加换能装置的输出功率。本发明的换能装置结构简单，发电效率高。

本发明采用的技术方案是一种水下旋转式压电发电装置，其特征在于，该发电装置由驱动部件，真空换能部件组成；所述驱动部件中，叶轮1固定在传动轴2一端；传动轴2由轴承定位在左腔体内部；传动轴2和驱动轮6同步转动；若干个左腔永磁铁7匀阵列在驱动轮6四周；左端盖4固定在左腔体的左侧；压盖3将密封圈13固定在左端盖4上；

所述真空换能部件为第一种真空换能部件和第二种真空换能部件；所述第一种真空换能部件中，若干个右腔压电悬臂梁8均匀阵列在支架10四周，每个右腔压电悬臂梁8自由端固定有右腔永磁铁7′；支架10固定在右腔体内部，支架10与传动轴2轴线重合；右腔体与左腔体固定在一起；右端盖11固定在右腔体右端，在右端盖11上安装有右腔体阀门12；右腔压电悬臂梁8压电层上、下电极不断产生电流通过各自的整流桥将电能供给负载；所述第二种真空换能部件中，若干个外圈压电悬臂梁8′均匀阵列在外圈腔体14内部，每个外圈压电悬臂梁8′自由端固定有外圈永磁铁7″；外圈腔体14与传动轴2轴线重合；外圈腔体14固定在左腔体外侧；外圈端盖15固定在外圈腔体14左侧；外圈腔体14外部安装有外圈腔体阀12′；每个外圈压电悬臂梁8′压电层上、下电极不断产生电流通过各自的整流桥将电能供给负载。

所述发电装置的左腔体有三种结构形式，分别是第一种左腔体5、第二种左腔体5′和第三种左腔体5″；所述右腔体有两种结构形式，分别是第一种右腔体9和第二种右腔体9′；在发电装置中，第一种左腔体5将第一种右腔体9固定在外侧；第二种左腔体5′将第二种右腔体9′固定在右侧；第三种左腔体5″将第二种右腔体9′固定在右侧，同时将外圈腔体14固定在外侧。

所述的一种水下旋转式压电发电装置共有3种结构形式；分别为Ⅰ型水下旋转式压电发电装置，Ⅱ型水下旋转式压电发电装置和Ⅲ型水下旋转式压电发电装置；Ⅰ型水下旋转式压电发电装置中，其发电装置由驱动部件，第一种真空换能部件组成；在驱动部件中，所述的左腔体为第一种左腔体5；在第一种真空换能部件中，所述的右腔体为第一种右腔体9；均匀阵列在驱动轮6四周的左腔永磁铁7与对应的固定在右腔压电悬臂梁8自由端的右腔永磁铁7′径向对齐；Ⅱ型水下旋转式压电发电装置中，其发电装置由驱动部件，第一种真空换能部件组成；在驱动部件中，所述的左腔体为第二种左腔体5′；在第一种真空换能部件中，所述的右腔体为第二种右腔体9′；均匀阵列在驱动轮6四周的左腔永磁铁7与对应的固定在右腔压电悬臂梁8自由端的右腔永磁铁7′轴向对齐；Ⅲ型水下旋转式压电发电装置中，其发电装置由驱动部件，第一种真空换能部件和第二种真空换能部件组成；在驱动部件中，所述的左腔体为第三种左腔体5″；在第一种真空换能部件中，所述的右腔体为第二种右腔体9′；均匀阵列在驱动轮6四周的左腔永磁铁7与对应的固定在右腔压电悬臂梁8自由端的右腔永磁铁7′轴向对齐；均匀阵列在驱动轮6四周的左腔永磁铁7与对应的固定在外圈压电悬臂梁8′自由端的外圈永磁铁7″径向对齐。

本发明的显著效果是本装置在水中使用，有效避免极端风浪对装置的损毁；同时，利用真空密封腔体可增加压电发电装置的输出功率。本发明的水下旋转式压电发电装置特别适合收集河流或海洋等环境中水流动产生的动能。

附图说明

附图1是Ⅰ型水下旋转式压电发电装置结构示意图，附图2是Ⅰ型水下旋转式压电发电装置传动轴密封部位结构图，附图3是Ⅱ型水下旋转式压电发电装置结构示意图，附图4是Ⅲ型水下旋转式压电发电装置结构示意图，附图5是Ⅰ型水下旋转压电发电装置实际应用简图。图中：1、叶轮，2、传动轴，3、压盖，4、左端盖，5、第一种左腔体，5′第二种左腔体，5″第三种左腔体，6、驱动轮，7、左腔永磁铁，7′右腔永磁铁，7″、外圈永磁铁，8、右腔压电悬臂梁，8′、外圈压电悬臂梁，9、第一种右腔体，9′第二种右腔体，10、支架，11、右端盖，12、右腔体阀门，12′、外圈腔体阀门，13、密封圈，14、外圈腔体，15、外圈端盖，16、系泊线，17、尾翼。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。参照附图1、附图2、附图3、附图4和附图5说明Ⅰ型水下旋转式压电发电装置的工作原理。用普通平键可实现叶轮1相对传动轴2的周向定位。传动轴2利用轴承定位在第一种左腔体5内部。通过普通平键实现传动轴2和驱动轮6同步转动。用螺钉将左端盖4固定在第一种左腔体5的左侧。用螺钉将压盖3将固定在左端盖4上。传动轴2穿过密封圈13，密封圈13对驱动部件起到密封作用，可避免海水经传动轴2流入第一种左腔体5内部。若干个右腔压电悬臂梁8利用螺栓、螺母均匀固定在支架10四周。支架10通过螺钉固定在第一种右腔体9内部。第一种左腔体5和第一种右腔体9利用螺钉连接。利用螺钉将右端盖11固定在第一种右腔体9右端。第一种右腔体9和右端盖11组成密闭空间，通过安装在右端盖11上的右腔体阀门12，可对该密闭空间抽真空。

当水冲击叶轮1时，叶轮1和驱动轮6同步进行转动。若干个匀阵列在驱动轮6四周的左腔永磁铁7在右腔压电悬臂梁8自由端处产生不断变化的磁场。右腔压电悬臂梁8自由端的右腔永磁铁7′在变化磁场的作用下受到变化永磁力的作用，带动右腔压电悬臂梁8不断产生交变应力。根据正压电效应，右腔压电悬臂梁8的压电层上、下电极不断产生电流，可通过各自的整流桥将电能供给负载。右腔压电悬臂梁8安装在第一种右腔体9和右端盖11组成密闭空间中输出能量更大，对此，进行如下说明，压电悬臂梁发电系统可等效为质量、弹簧和阻尼系统，对该系统进行动力学建模如下：

$M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}+C\stackrel{\&CenterDot;}{x}+\mathrm{Kx}=F\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，M为等效质量，C为等效阻尼，K为等效刚度，F(t)为外激励函数；X为运动物体的位移，为运动物体的速度，为运动物体的加速度。等效阻尼C包括结构阻尼、空气阻尼等，根据方程的解析解，空气阻尼减小，压电悬臂梁的位移响应和输出功率增大。因而，压电悬臂梁密闭空间真空环境中输出能量大于在空气环境中的输出能量。

Ⅰ型水下旋转式压电发电装置在具体使用时，可添加辅助零件。在本实施例中，利用系泊线16对装置在水中进行定位，用尾翼17调整装置的方位，使装置尽可能获取更多能量，如附图5所示。

结合附图3说明Ⅱ型水下旋转式压电发电装置。基本原理与Ⅰ型水下旋转压电发电装置原理相似，区别在于，传动轴2利用轴承定位在第二种左腔体5′内部。利用螺钉将左端盖4固定在第二种左腔体5′的左侧。密封圈13对驱动部件起到密封作用，可避免海水经传动轴2流入第二种左腔体5′内部。支架10利用螺钉固定在第二种右腔体9′内部。二种左腔体5′和第二种右腔体9′利用螺钉连接。利用螺钉将右端盖11固定在第二种右腔体9′右端。第二种右腔体9′和右端盖11组成密闭空间，通过安装在右端盖11上的右腔体阀门12，可对该密闭空间抽真空。当叶轮1和驱动轮6同步进行转动时，右腔压电悬臂梁8压电层上、下电极不断产生电流，可通过各自的整流桥将电能供给负载。

结合附图4说明Ⅲ型水下旋转式压电发电装置。Ⅲ型水下旋转式压电发电装置是在Ⅱ型水下旋转式压电发电装置的基础上进一步地改进而成，Ⅲ型水下旋转式压电发电装置较Ⅱ型水下旋转式压电发电装置多了一个第二种真空换能部件。区别在于，利用螺钉将外圈端盖15固定在外圈腔体14左侧。外圈腔体14和第三种左腔体5″利用螺栓螺母连接。外圈腔体14和外圈端盖15组成密闭空间，通过安装在外圈腔体14上的外圈腔体阀12′，可对该密闭空间抽真空。传动轴2利用轴承定位在第三种左腔体5″内部。利用螺钉将左端盖4固定在第三种左腔体5″的左侧。密封圈13对驱动部件起到密封作用，可避免海水经传动轴2流入第三种左腔体5″内部。第三种左腔体5″和第二种右腔体9′利用螺钉连接。当叶轮1和驱动轮6同步进行转动时，右腔压电悬臂梁8和外圈压电悬臂梁8′压电层上、下电极都不断产生电流，可通过各自的整流桥将电能供给负载。

本发明的水下旋转式压电发电装置特别适合收集河流或海洋等环境中水流动产生的动能。

Claims (3)

1.一种水下旋转式压电发电装置，其特征在于，该发电装置由驱动部件，真空换能部件组成；所述驱动部件中，叶轮（1）固定在传动轴（2）一端；传动轴（2）由轴承定位在左腔体内部；传动轴（2）和驱动轮（6）同步转动；若干个左腔永磁铁（7）均匀阵列在驱动轮（6）四周；左端盖（4）固定在左腔体的左侧；压盖（3）将密封圈（13）固定在左端盖（4）上；所述驱动部件中，叶轮（1）固定在传动轴（2）一端；传动轴（2）由轴承定位在左腔体内部；传动轴（2）和驱动轮（6）同步转动；若干个左腔永磁铁（7）均匀阵列在驱动轮（6）四周；左端盖（4）固定在左腔体的左侧；压盖（3）将密封圈（13）固定在左端盖（4）上；

所述真空换能部件为第一种真空换能部件、第二种真空换能部件；所述第一种真空换能部件中，若干个右腔压电悬臂梁（8）均匀阵列在支架（10）四周，每个右腔压电悬臂梁（8）自由端固定有右腔永磁铁（7′）；支架（10）固定在右腔体内部，支架（10）与传动轴（2）轴线重合；右腔体与左腔体固定在一起；右端盖（11）固定在右腔体右端，在右端盖（11）上安装有右腔体阀门（12）；右腔压电悬臂梁（8）压电层上、下电极不断产生电流通过各自的整流桥将电能供给负载；所述第二种真空换能部件中，若干个外圈压电悬臂梁（8′）均匀阵列在外圈腔体（14）内部，每个外圈压电悬臂梁（8′）自由端固定有外圈永磁铁（7″）；外圈腔体（14）与传动轴（2）轴线重合；外圈腔体（14）固定在左腔体外侧；外圈端盖（15）固定在外圈腔体（14）左侧；外圈腔体（14）外部安装有外圈腔体阀（12′）；外圈压电悬臂梁（8′）压电层上、下电极不断产生电流通过各自的整流桥将电能供给负载。

2.2．如权利要求1所述的一种水下旋转式压电发电装置，其特征是，所述发电装置的左腔体有三种结构形式，分别是第一种左腔体（5）、第二种左腔体（5′）和第三种左腔体（5″）；所述右腔体有两种结构形式，分别是第一种右腔体（9）和第二种右腔体（9′）；在发电装置中，第一种左腔体（5）将第一种右腔体（9）固定在外侧；第二种左腔体（5′）将第二种右腔体（9′）固定在右侧；第三种左腔体（5″）将第二种右腔体（9′）固定在右侧，同时将外圈腔体（14）固定在外侧。

3.3．如权利要求2所述的一种水下旋转式压电发电装置，其特征是，所述的一种水下旋转式压电发电装置共有3种结构形式；分别为Ⅰ型水下旋转式压电发电装置，Ⅱ型水下旋转式压电发电装置和Ⅲ型水下旋转式压电发电装置；

Ⅰ型水下旋转式压电发电装置中，其发电装置由驱动部件，第一种真空换能部件组成；在驱动部件中，所述的左腔体为第一种左腔体（5）；在第一种真空换能部件中，所述的右腔体为第一种右腔体（9）；均匀阵列在驱动轮（6）四周的左腔永磁铁（7）与对应的固定在右腔压电悬臂梁（8）自由端的右腔永磁铁（7′）径向对齐；

Ⅱ型水下旋转式压电发电装置中，其发电装置由驱动部件，第一种真空换能部件组成；在驱动部件中，所述的左腔体为第二种左腔体（5′）；在第一种真空换能部件中，所述的右腔体为第二种右腔体（9′）；均匀阵列在驱动轮（6）四周的左腔永磁铁（7）与对应的固定在右腔压电悬臂梁（8）自由端的右腔永磁铁（7′）轴向对齐；

Ⅲ型水下旋转式压电发电装置中，其发电装置由驱动部件，第一种真空换能部件和第二种真空换能部件组成；在驱动部件中，所述的左腔体为第三种左腔体（5″）；在第一种真空换能部件中，所述的右腔体为第二种右腔体（9′）；均匀阵列在驱动轮（6）四周的左腔永磁铁（7）与对应的固定在右腔压电悬臂梁（8）自由端的右腔永磁铁（7′）轴向对齐；均匀阵列在驱动轮（6）四周的左腔永磁铁（7）与对应的固定在外圈压电悬臂梁（8′）自由端的外圈永磁铁（7″）径向对齐。