CN104993739A - 垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置 - Google Patents

Abstract

垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，它涉及一种流体动能俘获装置，以解决现有小型弹性片式压电发电装置存在的结构复杂、成本高、发电效率低、很难大面积普及的问题，它包括底座、外壳、旋转轴、动风轮、圆盘、2M个激振永磁体、2M个受激永磁体和2M个悬臂梁压电俘能器；旋转轴的一端转动安装在底座的中部，旋转轴上固装有圆盘，圆盘的上表面和下表面上分别沿圆盘的周向均布铺设有M个激振永磁体；2M个悬臂梁压电俘能器固装在底座上；旋转轴的另一端穿过外壳，动风轮安装在旋转轴的另一端。本发明用于风力发电。

Description

垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置

技术领域

本发明涉及一种流体动能俘获装置，具体涉及一种垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，属于风力发电新能源领域。

背景技术

随着自然资源的逐步减少，不消耗自然资源和能反复多次使用的能源正在不断研发，而利用自然界风能进行发电，为各种户外设施进行自供电的系统符合当今节能、环保、低碳的发展趋势，但是传统的风力发电都是采用较大的风力转动叶片带动发电的，这种传统的方式，在安装使用上，存在体积大、很难大面积普及的问题。

公开日为2014年1月1日、公开号为CN103490667A、发明名称为“弹性片式压电发电装置及方法”的专利申请，它首次提出了一种采用弹性压电片的压电效应进行发电的小型风力发电装置，成功地避免了传统风力发电体积大的问题，具有适应性广泛等优点；但是，其结构复杂、成本高、发电效率低、很难大面积普及。

发明内容

本发明为解决现有小型弹性片式压电发电装置存在的结构复杂、成本高、发电效率低、很难大面积普及的问题，提供一种垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置包括底座、外壳、旋转轴、动风轮、圆盘、2M个激振永磁体、2M个受激永磁体和2M个悬臂梁压电俘能器；M为正整数，且M≥6；

旋转轴的一端转动安装在底座的中部，旋转轴上固装有圆盘，圆盘的上表面和下表面上分别沿圆盘的周向均布铺设有M个激振永磁体；圆盘的上表面和下表面上分别铺设的M个激振永磁体一一对应布置，圆盘的上方布置有沿圆盘的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器，圆盘的下方布置有沿圆盘的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器，2M个悬臂梁压电俘能器固装在底座上，每个悬臂梁压电浮能器的压电片水平布置；位于圆盘上方的悬臂梁压电俘能器的压电片的下表面上安装的受激永磁体与圆盘的上表面上铺设的激振永磁体对应设置且极性相同，位于圆盘下方的悬臂梁压电俘能器的压电片的上表面上安装的受激永磁体与圆盘的下表面上铺设的激振永磁体对应设置且极性相同，外壳罩住圆盘、2M个激振永磁体、2M个受激永磁体和2M个悬臂梁压电俘能器并与底座连接，旋转轴的另一端穿过外壳，动风轮安装在旋转轴的另一端。

本发明的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置包括底座、外壳、旋转轴、动风轮、R个圆盘、K个激振永磁体、K个受激永磁体和K个悬臂梁压电俘能器；其中，R和M均为正整数，且R≥2，M≥6，K＝R×M；

旋转轴的一端转动安装在底座的中部，旋转轴上固装有至少两个圆盘，每个圆盘的上表面上沿圆盘的周向均布铺设有M个激振永磁体；每个圆盘的上方布置有沿圆盘的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器，悬臂梁压电俘能器固装在底座上，每个悬臂梁压电浮能器的压电片水平布置，位于圆盘上方的每个悬臂梁压电俘能器的压电片的下表面上安装有一个受激永磁体；

每个圆盘上的M个激振永磁体与该圆盘上方布置的M个受激永磁体极性相同，外壳罩在圆盘、K个激振永磁体、K个受激永磁体和K个悬臂梁压电俘能器上并与底座连接，旋转轴的另一端穿过外壳，动风轮安装在旋转轴的另一端。

本发明的有益效果是：本发明的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置主要通过旋转轴带动均布在其周围的多个悬臂梁压电俘能器的竖直往复摆动来发电。悬臂梁压电俘能器的一端固定在底座上，另一端的表面粘接着一块受激永磁体。而在旋转轴上安装着一个或多个圆盘，圆盘内部的沿圆盘的周向均布也粘接着一个激振永磁体。安装在悬臂梁压电俘能器上的受激永磁体与安装在圆盘上的同磁极的激振永磁体分别在同一竖直平面上和同一中心圆周角上对应。当外部的风力带动动风轮旋转时，动风轮的叶片将转动传递给旋转轴，由旋转轴带动圆盘和圆盘内的激振永磁体绕中心轴线转动。由于圆盘内激振永磁体排斥粘接在悬臂梁压电俘能器上的同磁极受激永磁体，进而使悬臂梁压电俘能器竖直往复偏摆激振产生电能。

本发明的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置采用悬臂梁压电俘能器激振的方式发电，加工装配十分简便，结构简单；对于大功率发电要求的场合，还可以在旋转轴上增加圆盘的数量，从而可以成倍地阵列悬臂梁压电俘能器，提高发电功率；此外，可以通过控制悬臂梁压电俘能器伸出的长度，也即激振永磁体和受激永磁体的错位的面积来使其在激振过程中拥有较为理想的激振频率，提高发电效率。

本发明的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置具有结构简单、成本较低、发电效率高、可实现大面积普及的优点。

附图说明

图1是本发明的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置的剖面示意图，图2是拆掉外壳后的结构示意图，图3是单个圆盘、旋转轴和悬臂梁压电俘能器连接的结构示意图，图4是本发明中悬臂梁压电俘能器与单个圆盘的空间对应位置示意图，图5是单个圆盘的结构示意图，图6是外环的结构示意图，图7是旋转轴、悬臂梁压电俘能器和双圆盘连接的结构示意图，图8是单圆盘带动悬臂梁压电俘能器变形而发电的原理示意图，图9是双圆盘带动悬臂梁压电俘能器变形而发电的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置包括底座1、外壳2、旋转轴10、动风轮12、圆盘8、2M个激振永磁体13、2M个受激永磁体14和2M个悬臂梁压电俘能器6；M为正整数，且M≥6；旋转轴10的一端转动安装在底座1的中部，旋转轴10上固装有圆盘8，圆盘8的上表面和下表面上分别沿圆盘7的周向均布铺设有M个激振永磁体13；圆盘8的上表面和下表面上分别铺设的M个激振永磁体13一一对应布置，圆盘8的上方布置有沿圆盘8的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器6，圆盘8的下方布置有沿圆盘8的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器6，2M个悬臂梁压电俘能器6固装在底座1上，每个悬臂梁压电浮能器6的压电片水平布置；位于圆盘8上方的悬臂梁压电俘能器6的压电片的下表面上安装的受激永磁体14与圆盘8的上表面上铺设的激振永磁体13对应设置且极性相同，位于圆盘8下方的悬臂梁压电俘能器6的压电片的上表面上安装的受激永磁体14与圆盘8的下表面上铺设的激振永磁体13对应设置且极性相同，外壳2罩住圆盘8、2M个激振永磁体13、2M个受激永磁体14和2M个悬臂梁压电俘能器6并与底座1连接，旋转轴10的另一端穿过外壳2，动风轮11安装在旋转轴10的另一端。

本实施方式的垂直轴轴向激振式流体动能俘获装置在制造的时候，悬臂梁压电俘能器6的基板选用磷青铜，用砂纸把其表面的氧化膜除去，并且压电片和受激永磁体14或永磁铁粘接之前需用丙酮清洗。粘接完成后用细导线在每一块悬臂梁压电俘能器6的压电片的上下两表面连接，分别引出两个电极。本实施方式的垂直轴轴向激振式流体动能俘获装置的悬臂梁压电俘能器6的受激永磁体14均布在旋转轴10周围，与圆盘8上固定的相同磁极的激振永磁体13处于同一竖直线上。这种实施方案结构紧凑，设计灵活，降低了加工装配的难度，同时保持了优越的发电效果。本实施方式的激振永磁体或受激永磁体均可用永磁铁代替。本实施方式的外壳2和底座1通过密封圈3密封连接。

结合图8和图9说明，图8为单圆盘带动悬臂梁压电俘能器变形而发电的原理示意图，圆盘8的上表面上的激振永磁体13的极性与相对应的受激永磁体14的极性相同；而圆盘8的下表面上的激振永磁体13的极性与相对应的受激永磁体14的极性也相同。动风轮11旋转时，带动圆盘8旋转，激振永磁体13排斥粘接在悬臂梁压电俘能器上的同磁极受激永磁体14，进而使悬臂梁压电俘能器竖直往复偏摆激振产生电能。同理，图9为双圆盘带动悬臂梁压电俘能器变形而发电的原理示意图，同一个圆盘8的上表面上的激振永磁体13的极性与相对应的受激永磁体14极性相同。动风轮11旋转时，带动两个圆盘8旋转，激振永磁体13排斥粘接在悬臂梁压电俘能器上的同磁极受激永磁体14，进而使悬臂梁压电俘能器竖直往复偏摆激振产生电能。图2中箭头的方向表示动风轮旋转方向，图8中箭头方向表示悬臂梁压电浮能器受激偏摆方向，图9中箭头方向表示悬臂梁压电浮能器受激偏摆方向。

具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式的动风轮12包括连接架12-1和多个叶片12-2，连接架12-1上沿旋转轴10的周向均布安装有多个叶片12-2。如此设置，结构简单，安装便捷可靠，能满足实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明，本实施方式的叶片12-2为弧形叶片。如此设置，动风轮上的叶片的开口顺次同向，这样有利于动风轮迎风顺次转动。叶片见风就转，背风时，叶片的背面风也能迅速通过，捕风效果更好，发电效率提高了40％，转动阻力更小，满足实际需要。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1和2说明，本实施方式所述装置还包括两个外环5，两个外环5叠放设置，底座1为带颈法兰底座；最下面的外环5布置在底座1的颈部的端面上并压紧M个悬臂梁压电俘能器6，两个外环5之间夹装有M个悬臂梁压电俘能器6，底座1的颈部和两个外环5三者通过多个螺钉7连接为一体，圆盘8的上表面和下表面上分别沿圆盘8的周向均布加工有M个凹槽，每个凹槽内铺设有一个激振永磁体13。如此设置，激振永磁体13固定稳定可靠，便于使用。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式所述装置还包括端盖11，端盖11布置在动风轮12和外壳2之间，端盖11穿设在旋转轴10上并盖装在外壳2上。如此设置，保证外壳稳定牢固，具体使用时，旋转轴10通过轴承转动安装在底座1上，端盖11通过密封圈固定在外壳2上，也起到保护圆盘8、M个激振永磁体13、M个受激永磁体14和M个悬臂梁压电俘能器6的防风尘作用，达到稳定运行的目的。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1-图4、图6和图7说明，本实施方式的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置包括底座1、外壳2、旋转轴10、动风轮12、R个圆盘8、K个激振永磁体13、K个受激永磁体14和K个悬臂梁压电俘能器6；其中，R和M均为正整数，且R≥2，M≥6，K＝R×M；

旋转轴10的一端转动安装在底座1的中部，旋转轴10上固装有至少两个圆盘8，每个圆盘8的上表面上沿圆盘8的周向均布铺设有M个激振永磁体13；每个圆盘8的上方布置有沿圆盘8的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器6，悬臂梁压电俘能器6固装在底座1上，每个悬臂梁压电浮能器6的压电片水平布置，位于圆盘8上方的每个悬臂梁压电俘能器6的压电片的下表面上安装有一个受激永磁体14；

每个圆盘8上的M个激振永磁体13与该圆盘8上方布置的M个受激永磁体14极性相同，外壳2罩在圆盘8、K个激振永磁体13、K个受激永磁体14和K个悬臂梁压电俘能器6上并与底座1连接，旋转轴10的另一端穿过外壳2，动风轮11安装在旋转轴10的另一端。本实施方式的垂直轴轴向激振式流体动能俘获装置的悬臂梁压电俘能器6的受激永磁体14均布在旋转轴9周围，与圆盘7上固定的相同磁极的激振永磁体13处于同一竖直线上。这种实施方案结构紧凑，设计灵活，降低了加工装配的难度，同时保持了优越的发电效果。图9为双圆盘带动悬臂梁压电俘能器变形而发电的原理示意图，同一个圆盘8的上表面上的激振永磁体13的极性与相对应的受激永磁体14极性相同。动风轮11旋转时，带动两个圆盘8旋转，激振永磁体13排斥粘接在悬臂梁压电俘能器上的同磁极受激永磁体14，进而使悬臂梁压电俘能器竖直往复偏摆激振产生电能。

本实施方式的激振永磁体或受激永磁体均可用永磁铁代替。本实施方式的外壳2和底座1通过密封圈3密封连接。

具体实施方式七：结合图2说明，本实施方式的动风轮12包括连接架12-1和多个叶片12-2，连接架12-1上沿旋转轴10的周向均布安装有多个叶片12-2。如此设置，结构简单，安装便捷可靠，能满足实际需要。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2说明，本实施方式的叶片12-2为弧形叶片。如此设置，动风轮上的叶片的开口顺次同向，这样有利于动风轮迎风顺次转动。叶片见风就转，背风时，叶片的背面风也能迅速通过，捕风效果更好，发电效率提高了40％，转动阻力更小，满足实际需要。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1和图2说明，本实施方式所述装置还包括R个外环5，R个外环5叠放布置，底座1为带颈法兰底座；最下面的外环5布置在底座1的颈部的端面上并压紧M个悬臂梁压电俘能器6，相邻两个外环5之间夹装有M个悬臂梁压电俘能器6，底座1的颈部和R个外环5之间通过多个螺钉7连接为一体，每个圆盘8的上表面上沿圆盘8的周向均布加工有M个凹槽，每个凹槽内铺设有一个激振永磁体13。如此设置，激振永磁体13固定稳定可靠，便于使用。其它与具体实施方式六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1说明，本实施方式所述装置还包括端盖11，端盖11布置在动风轮12和外壳2之间，端盖11穿设在旋转轴10上并盖装在外壳2上。如此设置，保证外壳稳定牢固，具体使用时，旋转轴10通过轴承转动安装在底座1上，端盖11通过密封圈固定在外壳2上，也起到保护圆盘8、K个激振永磁体13、K个受激永磁体14和K个悬臂梁压电俘能器6的防风尘作用，达到稳定运行的目的。其它与具体实施方式九相同。

Claims (10)

1.垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：它包括底座(1)、外壳(2)、旋转轴(10)、动风轮(12)、圆盘(8)、2M个激振永磁体(13)、2M个受激永磁体(14)和2M个悬臂梁压电俘能器(6)；M为正整数，且M≥6；

旋转轴(10)的一端转动安装在底座(1)的中部，旋转轴(10)上固装有圆盘(8)，圆盘(8)的上表面和下表面上分别沿圆盘(7)的周向均布铺设有M个激振永磁体(13)；圆盘(8)的上表面和下表面上分别铺设的M个激振永磁体(13)一一对应布置，圆盘(8)的上方布置有沿圆盘(8)的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器(6)，圆盘(8)的下方布置有沿圆盘(8)的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器(6)，2M个悬臂梁压电俘能器(6)固装在底座(1)上，每个悬臂梁压电浮能器(6)的压电片水平布置；位于圆盘(8)上方的悬臂梁压电俘能器(6)的压电片的下表面上安装的受激永磁体(14)与圆盘(8)的上表面上铺设的激振永磁体(13)对应设置且极性相同，位于圆盘(8)下方的悬臂梁压电俘能器(6)的压电片的上表面上安装的受激永磁体(14)与圆盘(8)的下表面上铺设的激振永磁体(13)对应设置且极性相同，外壳(2)罩住圆盘(8)、2M个激振永磁体(13)、2M个受激永磁体(14)和2M个悬臂梁压电俘能器(6)并与底座(1)连接，旋转轴(10)的另一端穿过外壳(2)，动风轮(11)安装在旋转轴(10)的另一端。

2.根据权利要求1所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：动风轮(12)包括连接架(12-1)和多个叶片(12-2)，连接架(12-1)上沿旋转轴(10)的周向均布安装有多个叶片(12-2)。

3.根据权利要求2所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：叶片(11-2)为弧形叶片。

4.根据权利要求1、2或3所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：所述装置还包括两个外环(5)，两个外环(5)叠放设置，底座(1)为带颈法兰底座；最下面的外环(5)布置在底座(1)的颈部的端面上并压紧M个悬臂梁压电俘能器(6)，两个外环(5)之间夹装有N个悬臂梁压电俘能器(6)，底座(1)的颈部和两个外环(5)三者通过多个螺钉(7)连接为一体，圆盘(8)的上表面和下表面上分别沿圆盘(8)的周向均布加工有M个凹槽，每个凹槽内铺设有一个激振永磁体(13)。

5.根据权利要求4所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：所述装置还包括端盖(11)，端盖(11)布置在动风轮(12)和外壳(2)之间，端盖(11)穿设在旋转轴(10)上并盖装在外壳(2)上。

6.垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：它包括底座(1)、外壳(2)、旋转轴(10)、动风轮(12)、R个圆盘(8)、K个激振永磁体(13)、K个受激永磁体(14)和K个悬臂梁压电俘能器(6)；其中，R和M均为正整数，且R≥2，M≥6，K＝R×M；

旋转轴(10)的一端转动安装在底座(1)的中部，旋转轴(10)上固装有至少两个圆盘(8)，每个圆盘(8)的上表面上沿圆盘(8)的周向均布铺设有M个激振永磁体(13)；每个圆盘(8)的上方布置有沿圆盘(8)的周向均布设置的M个悬臂梁压电俘能器(6)，悬臂梁压电俘能器(6)固装在底座(1)上，每个悬臂梁压电浮能器(6)的压电片水平布置，位于圆盘(8)上方的每个悬臂梁压电俘能器(6)的压电片的下表面上安装有一个受激永磁体(14)；

每个圆盘(8)上的M个激振永磁体(13)与该圆盘(8)上方布置的M个受激永磁体(14)极性相同，外壳(2)罩在圆盘(8)、K个激振永磁体(13)、K个受激永磁体(14)和K个悬臂梁压电俘能器(6)上并与底座(1)连接，旋转轴(10)的另一端穿过外壳(2)，动风轮(11)安装在旋转轴(10)的另一端。

7.根据权利要求6所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：动风轮(12)包括连接架(12-1)和多个叶片(12-2)，连接架(12-1)上沿旋转轴(10)的周向均布安装有多个叶片(12-2)。

8.根据权利要求7所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：叶片(12-2)为弧形叶片。

9.根据权利要求6、7或8所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：所述装置还包括R个外环(5)，R个外环(5)叠放布置，底座(1)为带颈法兰底座；最下面的外环(5)布置在底座(1)的颈部的端面上并压紧M个悬臂梁压电俘能器(6)，相邻两个外环(5)之间夹装有M个悬臂梁压电俘能器(6)，底座(1)的颈部和R个外环(5)之间通过多个螺钉(7)连接为一体，每个圆盘(8)的上表面上沿圆盘(8)的周向均布加工有M个凹槽，每个凹槽内铺设有一个激振永磁体(13)。

10.根据权利要求9所述的垂直轴轴向阵列激振式流体动能俘获装置，其特征在于：所述装置还包括端盖(11)，端盖(11)布置在动风轮(12)和外壳(2)之间，端盖(11)穿设在旋转轴(10)上并盖装在外壳(2)上。