CN105958866B - 一种用于河流监测的压电式水轮发电机 - Google Patents

一种用于河流监测的压电式水轮发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于河流监测的压电式水轮发电机，属河流监测领域。左管粗管壁端部与右管壁端部法兰相连形成环腔；内缘设有叶片、外缘镶有滚珠、两侧镶有激励磁铁的转盘置于环腔内，滚珠顶靠在左管粗管壁的滑道上；左管细管壁及右管壁的凸台上装有框架，框架前后侧板导向孔中套有销轴，销轴上套有导板和内外弹簧；销轴靠近前侧板一端装有受激磁铁，靠近前侧板的导板经卡簧固定；内外弹簧置于前侧板两侧；压电振子的金属基板两端固定在固定的导板和后侧板上，两相邻压电晶片间的基板固定在滑动的导板上。优势特色：将平直压电振子安装成弯曲结构，工艺简单、成本低、压电晶片仅承受压应力、可靠性高；易通过增加压电振子数量和长度提高发电量。

Description

一种用于河流监测的压电式水轮发电机
技术领域
本发明属于河流监测技术领域，具体涉及一种用于河流监测的压电式水轮发电机。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，大部分河流都存在一定程度的污染问题，近1/4的河流或河段因污染而不能满足基本的灌溉需求。此外，由于目前很多地区中小河流防洪设施不完善、甚至没有任何防洪设施，汛期来临之际可能导致溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视，十二五期间水利部就曾计划实现对《中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》确定的五千余条河流的监测全覆盖；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面。虽然所提出的某些监测方法在技术层面以较成熟，但目前尚未得到大面的积推广应用，其主要原因之一是监测系统供电问题未得到很好的解决。
发明内容
针对现有河流监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种用于河流监测的压电式水轮发电机。本发明采用的实施方案是：阶梯型左管的粗管壁外侧设有支座、内侧设有滑道、端部经螺钉与右管管壁端部的法兰相连并形成环腔；内缘设有倾斜叶片、外缘镶嵌有滚珠、两侧镶嵌有激励磁铁的环形转盘置于环腔内，滚珠顶靠在滑道上；左管的细管壁及右管管壁上都均布地设有数量相同的凸台，所述左管细管壁及右管管壁上的凸台上都经螺钉安装有框架，框架上经螺钉安装有盖板，框架前侧板和后侧板的导向孔中套有销轴，销轴上套有导板、内弹簧和外弹簧，销轴上靠近转盘且从前侧板伸出的一端经螺母安装有受激磁铁；靠近前侧板的导板经两个卡簧固定在销轴上；内弹簧两端分别顶靠在前侧板和经卡簧所固定的导板上，外弹簧两端分别顶靠在前侧板和受激磁铁上；压电振子由金属基板及其单侧均布粘接的压电晶片构成，金属基板的两端经螺钉和压板分别固定在经卡簧所固定的导板和后侧板凸台上，金属基板上处于两相邻压电晶片中间的部分经螺钉和压板固定在滑动的导板上；压电振子上置于两个相邻导板之间、及置于后侧板与其相邻导板之间的部分构成发电单元；压电振子安装前为平直结构、安装后处于各发电单元内的部分为弯曲结构，压电晶片曲率半径小于金属基板的曲率半径、压电晶片承受压应力。
压电振子被安装后的自然状态下、即销轴不受外力作用时，压电振子上处于各发电单元内的部分的结构形状及受应力状态相同，压电晶片所受的最大应力为其许用应力的一半；为提高压电振子的发电能力及可靠性，压电晶片为0.1mm～0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5。
工作状态下，即有流体流过转盘时，流体与转盘内缘上倾斜的叶片间的相互作用迫使转盘转动，从而改变激励磁铁与受激磁铁间的距离和作用力，再经销轴及经卡簧所固定的导板驱使各发电单元交替地伸长或缩短，压电晶片所受压应力交替地增加或减小，压电晶片所受应力交替变化的过程中将流体动能转换成电能。当销轴振动使内弹簧被压死时，压电振子上置于同一框架内各发电单元内的部分都依然为弯曲结构；外弹簧被压死时，压电振子上置于同一框架内各发电单元内压电晶片所受应力都小于其许用应力。
优势与特色：①通过河水带动转盘激励压电振子发电供电、无需外界能量供应，可实现真正意义上的河流实时监测；②通过安装的方法将平直压电振子变成弯曲结构，工艺简单、成本低、压电晶片仅承受压应力、可靠性高；③易通过增加压电振子数量和长度提高发电量。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的Q部放大图；
图4是本发明一个较佳实施例中压电振子装配前的结构示意图。
具体实施方式
阶梯型左管a的粗管壁a2的外侧设有支座a3、内侧设有滑道a4、端部经螺钉与右管b的右管壁b1端部的法兰b2相连接并形成环腔C；内缘设有倾斜的叶片m1、外缘镶嵌有滚珠n、两侧镶嵌有激励磁铁p的环形转盘m置于环腔C内，滚珠n顶靠在滑道a4上；左管a的细管壁a1及右管b的管壁b1上都均布地设有数量相同的凸台，所述左管a的细管壁a1及右管b的管壁b1上的凸台上都经螺钉安装有框架c，框架c上经螺钉安装有盖板d，框架c的前侧板c1和后侧板c2的导向孔中套有销轴f，销轴f上套有导板g、内弹簧j 1和外弹簧j2，销轴f上靠近转盘m且从前侧板c1伸出的一端经螺母安装有受激磁铁k；靠近前侧板c1的导板g经两个卡簧i固定在销轴f上；内弹簧j1的两端分别顶靠在前侧板c1和经卡簧i所固定的导板g上，外弹簧j2的两端分别顶靠在前侧板c1和受激磁铁k上；压电振子h由金属基板h1及其单侧均布粘接的压电晶片h2构成，金属基板h1的两端经螺钉和压板e分别固定在经卡簧i所固定的导板g和后侧板c2的凸台c3上，金属基板h1上处于两相邻压电晶片h2中间的部分经螺钉和压板e固定在滑动的导板g上；压电振子h上置于两个相邻导板g之间、及置于后侧板c2与其相邻导板g之间的部分构成发电单元H，压电振子h安装前的自然状态下为平直结构、安装后处于各发电单元H内的部分为弯曲结构，压电晶片h2曲率半径小于金属基板h1的曲率半径、压电晶片h2承受压应力。
压电振子h被安装后的自然状态下、即销轴f不受外力作用时，压电振子h上处于各发电单元H内的部分的结构形状及受应力状态相同，压电晶片h2所受的最大应力为其许用应力的一半；为提高压电振子h的发电能力及可靠性，压电晶片h2为0.1mm～0.2mm的PZT4、金属基板h1为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5。
工作状态下，即有流体流过转盘m时，流体与转盘m内缘上倾斜的叶片m1间的相互作用迫使转盘m转动，从而改变激励磁铁p与受激磁铁k间的距离和作用力，再经销轴f及经卡簧i所固定的导板g驱使各发电单元H交替地伸长或缩短，压电晶片h2所受压应力交替地增加或减小，压电晶片h2所受应力交替变化的过程中将流体动能转换成电能。当销轴f振动使内弹簧j1被压死时，压电振子h上置于同一框架c内各发电单元H内的部分都依然为弯曲结构；外弹簧j2被压死时，压电振子h上置于同一框架c内各发电单元H内压电晶片h2所受应力都小于压电材料的许用应力。

Claims (1)

1.一种用于河流监测的压电式水轮发电机，其特征在于：阶梯型左管的粗管壁外侧设有支座、内侧设有滑道、端部经螺钉与右管管壁端部的法兰相连并形成环腔；内缘设有倾斜叶片、外缘镶嵌有滚珠、两侧镶嵌有激励磁铁的环形转盘置于环腔内，滚珠顶靠在滑道上；左管的细管壁及右管管壁上都均布地设有凸台，所述各凸台上都安装有框架，框架上安装有盖板，框架前后侧板的导向孔中套有销轴，销轴上套有导板和内外弹簧，销轴上靠近转盘且从前侧板伸出的一端安装有受激磁铁；靠近前侧板的导板经两个卡簧固定在销轴上；内弹簧两端分别顶靠在前侧板和经卡簧所固定的导板上，外弹簧两端分别顶靠在前侧板和受激磁铁上；压电振子由金属基板及其单侧均布粘接的压电晶片构成，金属基板两端分别固定在经卡簧所固定的导板和后侧板凸台上，金属基板上处于两相邻压电晶片间的部分固定在滑动的导板上；压电振子上置于两相邻导板之间及置于后侧板与其相邻导板之间的部分构成发电单元；压电振子安装前为平直结构、安装后处于各发电单元内的部分为弯曲结构，压电晶片曲率半径小于金属基板的曲率半径、压电晶片承受压应力；压电振子被安装后的自然状态下，压电晶片所受的最大应力为其许用应力的一半；内弹簧被压死时，压电振子上置于同一框架内各发电单元内的部分都依然为弯曲结构；外弹簧被压死时，压电振子上置于同一框架内各发电单元内压电晶片所受应力都小于其许用应力。
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