CN105134465B - 仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置 - Google Patents

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Abstract

仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，它涉及一种能量转化装置，以解决现有波浪能发电装置存在振动幅度有限，响应频带窄，换能效率偏低，以及单纯利用海水压力让压电片产生变形，能量利用率低，不适合规模化应用，环境适应性差的问题，它包括底座、摆动组件、两个拉杆和两个压电发电组件；摆动组件包括仿生尾鳍、摆杆、连接滑块和摆杆基座，摆杆基座安装在底座的中部，摆杆的下端与摆杆基座铰接，连接滑块套在摆杆上，仿生尾鳍安装在摆杆的上端；两个压电发电组件正对设置在底座上；每个压电发电组件包括滑动杆、永磁体座、密封盖、外壳、压电发电基座、两个弹簧、多个激振永磁体、多个受振永磁体和多个压电片。本发明用于能量转化和发电。

Description

仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置
技术领域
本发明涉及一种能量转化装置，具体涉及一种仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，属于新能源压电发电领域。
背景技术
近年来随着能源危机的日益严重，新能源技术得到了广泛关注。在一些远离海岸线的偏远海岛，能源匮乏，物资运输成本高，致使一些设备不能正常工作，给岛上居民和平台工作人员生活带来极大不便。而海洋是一个非常巨大的能源宝库，其中海浪能能量密度大，储量丰富，分布范围广，适于大规模开发利用。据测算，海上波浪所蕴藏的能量高达5000GW，如果能够进行收集利用，不仅能够解决海洋浮标、灯塔等的供电需求，还可以用于大规模并网发电，解决能源短缺问题。
从1910年法国人布索在其海滨住宅附近建造第一座气动波浪发电站至今，波浪能发点已经得到很大的发展，英国、日本、挪威等国家在这方面做了很多研究。现有的波浪能发电方案按海浪能的捕获方式不同可分为点吸收式、波浪衰减式、水柱振荡式、越顶式、浪涌摆荡式和沉潜压差式等。尽管如此，现有技术尚处于科学研究阶段，不能大规模应用。2008年Aquamarine公司建造了315kW的海床式摆动波浪能转换装置Oyster，并于2009年开始向苏格兰国家电网供电，但适用性有限，维护困难，发电成本高。
公开日为2013年1月30日、公开号为CN102185521B、发明名称为“一种利用海浪能发电的装置”的专利申请，它提出了一种利用永磁元件，将阻尼板和漂浮体在随海浪的上下起伏过程中产生的相对运动转化为金属悬臂梁的受迫振动，从而使压电片产生电能输出的装置，但是其振动幅度有限，频带宽较窄，换能效率偏低。
公开日为2013年3月13日、公开号为CN102969937A、发明名称为“海洋压力发电装置”的专利申请，它提出了一种利用压电技术开发海洋能量的装置。它的主体是一个形如风向标的框架结构，框架内安装有压电板，利用压电材料的压电特性将海洋能量转化为电能。它充分利用了压电材料特性，结构简单，能量转换中间环节少，具有很好的优势，但是只是单纯利用海水压力让压电片产生变形，压电片形变量小，发电量少，能量利用率低，不适合规模化应用，环境适应性差。
发明内容
本发明是为解决现有波浪能发电装置存在振动幅度有限，响应频带窄，换能效率偏低，以及单纯利用海水压力让压电片产生变形，能量利用率低，不适合规模化应用，环境适应性差的问题，进而提供一种仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置包括底座、摆动组件、两个拉杆和两个压电发电组件；摆动组件包括仿生尾鳍、摆杆、连接滑块和摆杆基座，摆杆基座安装在底座的中部，摆杆的下端与摆杆基座铰接，连接滑块套在摆杆上，仿生尾鳍安装在摆杆的上端；两个压电发电组件正对设置在底座上；
每个压电发电组件包括滑动杆、永磁体座、密封盖、外壳、压电发电基座、两个弹簧、多个激振永磁体、多个受振永磁体和多个压电片；压电片为长条片状结构；多个激振永磁体和多个受振永磁体磁极性相反；外壳安装在压电发电基座上，密封盖封装在外壳上，密封盖、外壳和压电发电基座构成一个封闭的腔室；两组弹簧、多个压电片、多个激振永磁体和多个受振永磁体位于腔体内部；滑动杆水平布置，滑动杆的一端穿出密封盖，滑动杆的另一端滑动安装在压电发电基座的中心孔内，多个压电片沿滑动杆的周向布置，多个压电片的一端安装在压电发电基座上，多个压电片的另一端各固装有一个受激永磁体，滑动杆上固装有永磁体座，永磁体座上沿滑动杆的周向安装有多个激振永磁体，激振永磁体和受振永磁体正对设置；两个弹簧套装在滑动杆上，一个弹簧顶靠在密封盖和永磁体座上，另一个弹簧顶靠在永磁体座和压电发电基座上，拉杆的一端与连接滑块铰接，拉杆的另一端与滑动杆铰接，摆杆的铰接轴的轴向与滑动杆的长度方向垂直。
本发明的有益效果是：本发明的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置主要通过仿生尾鳍对海浪波动能量进行收集，然后通过压电片完成能量向电能的转化。工作过程中底座固定在浅海或者海洋工作平台上，完全淹没或者半淹没水中，仿生尾鳍能够随波浪或风力摆动；两个压电发电组件对称布置以实现对双方向海浪波浪能的充分吸收，同时提高装置的稳定性和可靠性；起传动作用的连接滑块和连杆分别铰接连接滑块和滑动杆，将摆动组件的往复摆动转变为滑动杆的往复直线运动，这种传动方式具有结构简单、传动压力角小、效率高的优点；压电发电组件中弹簧与摆动组件构成简谐振动模型，工作时弹簧在滑动杆的作用下压缩和舒张，储存摆动部分的机械能，同时提供其往复运动回复力；利用磁场力的非接触特性，通过激振永磁体和受振永磁体的相互作用，将滑动杆的往复直线运动转变为压电片的振动，由压电发电原理，压电片的振动致使其内部压电晶体极化，在两晶面上分别产生正负电荷，从而产生电能。通过将压电片进行串联或并联的方法获得所需的电压或电流。
本发明的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置具有结构简单，便于集成化和微型化；响应频带宽；能够适应海洋变化的环境；波浪能吸收能力强，能量利用率高等优点。它采用压电发电形式代替传统的电磁发电，结构简单，便于维护，易于集成化；同时采用磁场力激励压电片振动，其非接触特性减少了摩擦磨损，提高了装置的能量转化效率；可用于近海岸、边远海岛或者大型海上平台的供电系统的研究。本发明能够利用海浪、风力等海洋流体能量进行发电。
附图说明
图1是本发明的一种仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置的立体结构意图，图2是图1的剖面图，图3是本发明所用的摆动组件的立体结构示意图，图4是本发明所用的压电发电组件的立体结构示意图，图5是去掉外壳和密封盖后的压电发电组件立体结构示意图，图6是本发明所用的压电发电组件中滑动杆和永磁体座连接结构示意图，图7是压电发电基座立体结构示意图，图8是压电片振动原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的一种仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置包括底座1、摆动组件2、两个拉杆3和两个压电发电组件5；
摆动组件2包括仿生尾鳍2-1、摆杆2-2、连接滑块2-3和摆杆基座2-4，摆杆基座2-4安装在底座1的中部，摆杆2-2的下端与摆杆基座2-4铰接，连接滑块2-3套在摆杆2-2上，仿生尾鳍2-1安装在摆杆2-2的上端；两个压电发电组件5正对设置在底座1上；
每个压电发电组件5包括滑动杆5-1、永磁体座5-1-2、密封盖5-2、外壳5-3、压电发电基座5-4、两个弹簧5-6、多个激振永磁体5-7、多个受振永磁体5-8和多个压电片5-5；压电片5-5为长条片状结构；多个激振永磁体5-7和多个受振永磁体5-8磁极性相反；外壳5-3安装在压电发电基座5-4上，密封盖5-2封装在外壳5-3上，密封盖5-2、外壳5-3和压电发电基座5-4构成一个封闭的腔室；两组弹簧5-6、多个压电片5-5、多个激振永磁体5-7和多个受振永磁体5-8位于腔体内部；滑动杆5-1水平布置，滑动杆5-1的一端穿出密封盖5-2，滑动杆5-1的另一端滑动安装在压电发电基座5-4的中心孔内，多个压电片5-5沿滑动杆5-1的周向布置，多个压电片5-5的一端安装在压电发电基座5-4上，多个压电片5-5的另一端各固装有一个受激永磁体5-8，滑动杆5-1上固装有永磁体座5-1-2，永磁体座5-1-2上沿滑动杆5-1的周向安装有多个激振永磁体5-7，激振永磁体5-7和受振永磁体5-8正对设置；两个弹簧5-6套装在滑动杆5-1上，一个弹簧5-6顶靠在密封盖5-2和永磁体座5-1-2上，另一个弹簧5-6顶靠在永磁体座5-1-2和压电发电基座5-4上，拉杆3的一端与连接滑块2-3铰接，拉杆3的另一端与滑动杆5-1铰接，摆杆2-2的铰接轴的轴向与滑动杆5-1的长度方向垂直。
本实施方式的仿生尾鳍2-1安装在摆杆2-2的末端，仿生尾鳍的翼面与底座1两侧面平行。本实施方式的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置在制造的时候，压电发电组件5中密封盖5-2与滑动杆5-1、外壳5-3之间，外壳5-3与压电发电基座5-4之间均安装有环型密封圈，静密封结合面上涂上乳胶，以保护压电发电组件5内部电路；压电片5-5末端的受振永磁体5-8和滑动杆5-1上的激振永磁体5-7处于同一轴向位置，以便让磁场力产生最大的作用效果；压电片5-5的形状尺寸可调节，以适应某一固有振动频率。
本实施方式的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置在制造的时候，摆杆2-2嵌入仿生尾鳍2-1中，并保持良好的跟随性；摆动组件2中的摆杆2-2与摆杆基座2-4之间、连杆3与连接滑块2-3之间均采用销钉4连接实现相对转动，两侧的压电发电组件5保持良好的对称性。压电片5-5为长条矩形片状结构。
本实施方式的受振永磁体5-8安装在压电发电基座5-4上设置的凹槽5-4-1内。本实施方式的底座1的形态可以多样化，可以根据实际应用环境进行调整，比如利用海上工作平台或者船体等结构代替底座。这种实施方案使得结构更加简便，应用更加灵活，提高了对环境的适应性同时保持了响应频带宽的优点。
具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式的底座1为U型结构，两个压电发电组件5正对设置在底座1的两个内侧面上。如此设置，结构简单，使用方便，能适应不同环境的实际需要。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图4说明，本实施方式的外壳5-3为桶式外壳。如此设置，加工使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3说明，本实施方式的滑动杆5-1和外壳5-3均为非铁磁材料。如此设置，可避免磁路的屏蔽。非铁磁材料为有色金属材料或奥氏体不锈钢材料，或者非金属材料。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图5说明，本实施方式的压电片5-5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、二或四相同。
具体实施方式六：结合图5说明，本实施方式的压电片5-5为长条矩形片状结构。如此设置，结构简单，制造使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式五相同。
工作过程
结合图1-图8所示，本发明的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置工作过程如下：静止时，摆动组件在两侧弹簧作用下静止在平衡位置，压电片5-5所受磁场力最大，压电片形变量最大；当仿生尾翼2-1在外力作用下向一侧摆动到极限位置时，两根滑动杆5-1也运动到极限位置，弹簧5-6储能量最大，激振永磁体5-7和受振永磁体5-8的相互作用，压电片5-5所受磁场力作用最小，压电片形变量最小；弹簧回复力作用下，摆动部分回到平衡位置，此时磁场力作用最大，压电片形变最大，摆动部分完成半个周期运动，压电片形变完成一个周期变化。下半个周期与以上情况类似。由此分析可知，本发明装置工作条件要求低，只要有海浪或者海风使仿生尾翼摆动即可发电。根据压电发电原理，仿生尾翼摆动的频率以及摆动幅度都会影响发电电压的大小。本装置中压电片的振动频率是仿生尾翼振动频率的二倍，可以根据使用地海浪的常见频率对压电片进行设计，使其处于共振状态以获得最高的输出电压。

Claims (6)

1.仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，其特征在于：它包括底座(1)、摆动组件(2)、两个拉杆(3)和两个压电发电组件(5)；
摆动组件(2)包括仿生尾鳍(2-1)、摆杆(2-2)、连接滑块(2-3)和摆杆基座(2-4)，摆杆基座(2-4)安装在底座(1)的中部，摆杆(2-2)的下端与摆杆基座(2-4)铰接，连接滑块(2-3)套在摆杆(2-2)上，仿生尾鳍(2-1)安装在摆杆(2-2)的上端；两个压电发电组件(5)正对设置并与底座(1)连接；
每个压电发电组件(5)包括滑动杆(5-1)、永磁体座(5-1-2)、密封盖(5-2)、外壳(5-3)、压电发电基座(5-4)、两个弹簧(5-6)、多个激振永磁体(5-7)、多个受振永磁体(5-8)和多个压电片(5-5)；压电片(5-5)为长条片状结构；多个激振永磁体(5-7)和多个受振永磁体(5-8)磁极性相反；外壳(5-3)安装在压电发电基座(5-4)上，密封盖(5-2)封装在外壳(5-3)上，密封盖(5-2)、外壳(5-3)和压电发电基座(5-4)构成一个封闭的腔室；两组弹簧(5-6)、多个压电片(5-5)、多个激振永磁体(5-7)和多个受振永磁体(5-8)位于腔体内部；滑动杆(5-1)水平布置，滑动杆(5-1)的一端穿出密封盖(5-2)，滑动杆(5-1)的另一端滑动安装在压电发电基座(5-4)的中心孔内，多个压电片(5-5)沿滑动杆(5-1)的周向布置，多个压电片(5-5)的一端安装在压电发电基座(5-4)上，多个压电片(5-5)的另一端各固装有一个受激永磁体(5-8)，滑动杆(5-1)上固装有永磁体座(5-1-2)，永磁体座(5-1-2)上沿滑动杆(5-1)的周向安装有多个激振永磁体(5-7)，激振永磁体(5-7)和受振永磁体(5-8)正对设置；两个弹簧(5-6)套装在滑动杆(5-1)上，一个弹簧(5-6)顶靠在密封盖(5-2)和永磁体座(5-1-2)上，另一个弹簧(5-6)顶靠在永磁体座(5-1-2)和压电发电基座(5-4)上，拉杆(3)的一端与连接滑块(2-3)铰接，拉杆(3)的另一端与滑动杆(5-1)铰接，摆杆(2-2)的铰接轴的轴向与滑动杆(5-1)的长度方向垂直。
2.根据权利要求1所述的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，其特征在于：底座(1)为U型结构，两个压电发电组件(5)正对设置在底座(1)的两个内侧面上。
3.根据权利要求1或2所述的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，其特征在于：外壳(5-3)为桶式外壳。
4.根据权利要求3所述的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，其特征在于：滑动杆(5-1)和外壳(5-3)均为非铁磁材料。
5.根据权利要求1、2或4所述的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，其特征在于：压电片(5-5)为压电陶瓷片或者聚偏氟乙烯片。
6.根据权利要求5所述的仿尾鳍摇摆激振流体动能转化装置，其特征在于：压电片(5-5)为长条矩形片状结构。
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