CN108667345B - 一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置及方法，装置由四个相同的扇形模块环向对接形成而成。扇形模块由活塞、发电组件和弹性支撑组件构成。活塞用于推动液体运动，包含一个套环、一根刚性连接杆、一块弧形推板和一个楔形块。发电组件包含一个发电集成盘、三组发电构件、一个电能储集器和一根外输电缆。弹性支撑组件用于连接海洋立管和发电集成盘，包含两个套环和两根弹簧。海洋立管振动时，活塞与发电集成盘的运动响应存在位移差，两者挤压间隙液体使之流动，流动的液体推动了导体滑块滑动，从而切割磁感线产生电流，实现了多个方向振动能量的收集。
Description
技术领域
本发明属于新能源开发与利用技术领域，具体涉及一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置及方法。
背景技术
从环境中连续采集能量对于实现自供电系统和满足快速增长的能源需求具有重要意义。所谓能量收集就是将环境中各种形式的能量转换成电能，通过能量管理单元(接口电路)为传感器或电子设备供电。环境中常见的能量有光、热、振动和电磁波等。相对于室内光线和热的能量，机械振动具有较高的能量密度，并且不受昼夜和天气的影响，也不受器件封装的限制，因此是一种理想的能量源。
振动是一种常见的机械运动形式，广泛存在于我们的周围环境中，如人体运动、树木摇曳、建筑物轻微晃动以及海浪振荡等。当激励源的激励频率和机械结构自身的固有频率一致时，结构会产生剧烈的振动，实现能量的放大。机械振动可以通过各种机制转换成电，如静电、电磁和压电效应等。其中，电磁式能量采集技术是利用法拉第电磁感应定律将自然界中大量存在的机械振动能量转化为电能，也是目前应用较广泛的能量转换技术。
在海洋环境中，当海流流经海洋立管时会在海洋立管两侧产生交替脱落的旋涡，导致海洋立管受到横流向和顺流向的脉动流体力，这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因。然而由于海流流向以及流速的不确定性，海洋立管在平面内的振动呈现出不规则的特点。
目前大多数机械能收集器只能从特定的方向收集能量，导致来自其他方向的能量得不到有效利用。因此，针对海洋立管涡激振动不规则的特性，设计出一种利用海洋立管涡激振动能量，实现平面内各个方向振动能量的收集装置显得十分必要。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对海洋立管在平面内振动不规则的特点以及当前大多数机械振动收集装置不能收集多个方向能量的缺陷，提出一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置环抱于海洋立管安装，由四个相同的扇形模块构成，扇形模块对应的圆心角为90°，四个扇形模块环向对接形成一个圆环。扇形模块由活塞、发电组件和弹性支撑组件构成。活塞包含一个四分之一圆周的套环、一根刚性连接杆、一块四分之一圆周的弧形推板和一个楔形块；套环外壁面中心与弧形推板内壁面中心相对的位置开有安装刚性连接杆的盲孔，套环与弧形推板之间由刚性连接杆通过螺纹连接固定，弧形推板外壁面涂有磁性材料且磁性材料的N极背离弧形推板外壁面，楔形块焊接在弧形推板外壁面中心位置，楔形块的高度小于弧形推板。
发电组件包含一个发电集成盘、三组发电构件、一个电能储集器和一根外输电缆。发电集成盘由外挡板、上面板和下面板组成，均由不导电防腐材料制成；外挡板高度大于上面板和下面板之间的高度，外挡板的内壁面涂有磁性材料且磁性材料的S极背离外挡板的内壁面；上面板开有向发电集成盘内部注入绝缘不可压缩液体的注液孔，并配备注液塞；上面板和下面板靠近海洋立管一侧的圆环面中心位置开有弹簧孔，上面板的下壁面和下面板的上壁面均开有三条平行的导轨槽和一个活塞凹槽，三条平行的弧形导轨槽靠近外挡板一侧，相邻两条导轨槽径向间距相等，导轨槽一端穿透上面板和下面板，而另一端未穿透上面板和下面板，为盲段；活塞凹槽靠近海洋立管一侧，上下两个活塞凹槽之间的高度与弧形推板的高度一致。发电集成盘内部注满有绝缘不可压缩液体。每组发电构件由一条导轨槽、一个导体滑块和一对导管组成，导轨槽内敷设有导体材料，导体滑块卡套在导轨槽之中，可在导轨槽中滑动；一对导管安装在导轨槽盲段一侧，一根导管连接下面板上的导轨槽，另一根导管连接上面板上的导轨槽，每根导管的另一端连接电能储集器。电能储集器安放在上面板的上壁面上，连接导管和外输电缆。
弹性支撑组件包含两个四分之一圆周的套环和两根弹簧，两个套环分别通过两根弹簧与发电集成盘的上面板和下面板连接。
采用所述的利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置提供一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电方法。整个发明装置环抱于海洋立管安装，海洋立管垂直放置于海流环境中，海流冲击海洋立管和发电集成盘，由于发电集成盘的外径大于海洋立管的外径，发电集成盘受到更大的流体作用力，而海洋立管受到的流体作用力相对较小，因而发电集成盘与海洋立管出现不同大小的振动位移响应；由于海洋立管外壁中部固定的套环与活塞之间通过刚性连接杆连接，活塞与海洋立管的位移同步，而发电集成盘的上面板、下面板分别与海洋立管外壁固定的上、下套环之间通过弹簧连接，发电集成盘与海洋立管的位移不同步；所以，活塞与发电集成盘的运动响应存在位移差。当海洋立管向一侧振动时，将带动活塞运动，活塞在活塞凹槽中推移，使得活塞与该侧发电集成盘外挡板之间的间距缩短，因而两者之间的液体被挤压，从两侧绕流到海洋立管运动反方向的更大体积空间中去。弧形推板上的楔形块尖端具有分割流体的作用，在活塞运移过程中，楔形块的两侧壁面将流体向外侧推动，有效引导了被挤压流体的流动方向。导体滑块、导轨槽、导管和电能储集器构成一个闭合回路，当发电集成盘内部被挤压的液体推动导体滑块在导轨槽中滑动时，运动的导体滑块将切割由弧形推板外壁面N极指向外挡板内壁面S极的磁感线，从而在导体滑块中产生电流，产生的电流由导轨槽传输至电能储集器，再经过外输电缆输出。所述的弹簧对发电集成盘的运动起到调节、辅助的作用，即海洋立管向一侧运动位移较大时，弹簧压缩后会将其弹回，保证海洋立管与发电集成盘间的运动位移不停地变化，使发电组件始终处于工作状态。整个发电过程中，装置不受海流方向和速度的限制，可实现平面内各个方向振动位移产生的能量采集。
本发明由于采取以上方案，从而具有以下优点：
1.本发明可实现平面内各个方向的振动能量收集，避免了能量浪费；
2.本发明作为一个基本单元，可根据实际需要在海洋立管上串列布置。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图
图2为本发明扇形模块示意图
图3为本发明A-A剖视图
图4为本发明活塞结构示意图
图5为本发明弹性支撑组件示意图
图6为本发明海洋立管振动时各构件示意图
图7为本发明发电原理示意图
其中：1、海洋立管；2、外挡板；3、上面板；4、下面板；5、套环；6、刚性连接杆；7、弹簧；8、弧形推板；9、楔形块；10、活塞凹槽；11、导体滑块；12、导轨槽；13、导管；14、电能储集器；15、外输电缆；16、注液塞。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示，一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置环抱于海洋立管1安装，由四个相同的扇形模块构成，扇形模块对应的圆心角为90°，四个扇形模块环向对接形成一个圆环。如图2所示，扇形模块由活塞、发电组件和弹性支撑组件构成。如图4所示，活塞包含一个四分之一圆周的套环5、一根刚性连接杆6、一块四分之一圆周的弧形推板8和一个楔形块9；套环5外壁面中心与弧形推板8内壁面中心相对的位置开有安装刚性连接杆6的盲孔，套环5与弧形推板8之间由刚性连接杆6通过螺纹连接固定，弧形推板8外壁面涂有磁性材料且磁性材料的N极背离弧形推板8外壁面，楔形块9焊接在弧形推板8外壁面中心位置，楔形块9的高度小于弧形推板8。
如图2所示，发电组件包含一个发电集成盘、三组发电构件、一个电能储集器14和一根外输电缆15。发电集成盘由外挡板2、上面板3和下面板4组成，均由不导电防腐材料制成；外挡板2高度大于上面板3和下面板4之间的高度，外挡板2的内壁面涂有磁性材料且磁性材料的S极背离外挡板2的内壁面；上面板3开有向发电集成盘内部注入绝缘不可压缩液体的注液孔，并配备注液塞16；上面板3和下面板4靠近海洋立管1一侧的圆环面中心位置开有弹簧孔，上面板3的下壁面和下面板4的上壁面均开有三条平行的导轨槽12和一个活塞凹槽10，三条平行的弧形导轨槽12靠近外挡板2一侧，相邻两条导轨槽12径向间距相等，导轨槽12一端穿透上面板3和下面板4，而另一端未穿透上面板3和下面板4，为盲段；活塞凹槽10靠近海洋立管1一侧，上下两个活塞凹槽10之间的高度与弧形推板8的高度一致。发电集成盘内部注满有绝缘不可压缩液体。每组发电构件由一条导轨槽12、一个导体滑块11和一对导管13组成，导轨槽12内敷设有导体材料，导体滑块11卡套在导轨槽12之中，可在导轨槽12中滑动；一对导管13安装在导轨槽12盲段一侧，一根导管13连接下面板4上的导轨槽12，另一根导管13连接上面板3上的导轨槽12，每根导管13的另一端连接电能储集器14。电能储集器14安放在上面板3的上壁面上，连接导管13和外输电缆15。
如图5所示，弹性支撑组件包含两个四分之一圆周的套环5和两根弹簧7，两个套环5分别通过两根弹簧7与发电集成盘的上面板3和下面板4连接。
采用所述的利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置提供一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电方法。如图6所示，整个发明装置环抱于海洋立管1安装，海洋立管1垂直放置于海流环境中，海流冲击海洋立管1和发电集成盘，由于发电集成盘的外径大于海洋立管1的外径，发电集成盘受到更大的流体作用力，而海洋立管1受到的流体作用力相对较小，因而发电集成盘与海洋立管1出现不同大小的振动位移响应；由于海洋立管1外壁中部固定的套环5与活塞之间通过刚性连接杆6连接，活塞与海洋立管1的位移同步，而发电集成盘的上面板3、下面板4分别与海洋立管1外壁固定的上、下套环5之间通过弹簧7连接，发电集成盘与海洋立管1的位移不同步；所以，活塞与发电集成盘的运动响应存在位移差。当海洋立管1向一侧振动时，将带动活塞运动，活塞在活塞凹槽10中推移，使得活塞与该侧发电集成盘外挡板2之间的间距缩短，因而两者之间的液体被挤压，从两侧绕流到海洋立管1运动反方向的更大体积空间中去。弧形推板8上的楔形块9尖端具有分割流体的作用，在活塞运移过程中，楔形块9的两侧壁面将流体向外侧推动，有效引导了被挤压流体的流动方向。如图7所示，导体滑块11、导轨槽12、导管13和电能储集器14构成一个闭合回路，当发电集成盘内部被挤压的液体推动导体滑块11在导轨槽12中滑动时，运动的导体滑块11将切割由弧形推板8外壁面N极指向外挡板2内壁面S极的磁感线，从而在导体滑块11中产生电流，产生的电流由导轨槽12传输至电能储集器14，再经过外输电缆15输出。所述的弹簧7对发电集成盘的运动起到调节、辅助的作用，即海洋立管1向一侧运动位移较大时，弹簧7压缩后会将其弹回，保证海洋立管1与发电集成盘间的运动位移不停地变化，使发电组件始终处于工作状态。整个发电过程中，装置不受海流方向和速度的限制，可实现平面内各个方向振动位移产生的能量采集。
实施例：
安装本发明装置时，首先安装活塞，如图4所示，套环5与弧形推板8之间由刚性连接杆6通过螺纹连接固定；其次安装弹性支撑组件，如图5所示，套环5和发电集成盘之间通过弹簧7连接固定；第三步组装扇形模块，如图2所示，将活塞旋套入活塞凹槽10中，三个导体滑块11卡套入三条导轨槽12中；然后组装整个装置，如图1、图3所示，将四个相同的扇形模块沿海洋立管1周向连接，通过套环5和外挡板2上的螺纹通孔使用螺栓连接固定；在导轨槽12盲段一侧，取一根导管13连接下面板4上的导轨槽12，另取一根导管13连接上面板3上的导轨槽12，并将导管13连接至电能储集器14，将电能储集器14固定安装在上面板3；最后，通过上面板3上的注液孔向发电集成盘内部密闭空间注入绝缘不可压缩液体，拧上注液塞16即可完成本发明装置的安装。
安装完毕后，将装置置于海流环境中，海流冲击海洋立管1和发电集成盘，由于发电集成盘的外径大于海洋立管1的外径，发电集成盘受到更大的流体作用力，而海洋立管1受到的流体作用力相对较小，因而发电集成盘与海洋立管1出现不同大小的振动位移响应；由于海洋立管1外壁中部固定的套环5与活塞之间通过刚性连接杆6连接，活塞与海洋立管1的位移同步，而发电集成盘的上面板3、下面板4分别与海洋立管1外壁固定的上、下套环5之间通过弹簧7连接，发电集成盘与海洋立管1的位移不同步；所以，活塞与发电集成盘的运动响应存在位移差。当海洋立管1向一侧振动时，将带动活塞运动，活塞在活塞凹槽10中推移，使得活塞与该侧发电集成盘外挡板2之间的间距缩短，因而两者之间的液体被挤压，从两侧绕流到海洋立管1运动反方向的更大体积空间中去。弧形推板8上的楔形块9尖端具有分割流体的作用，在活塞运移过程中，楔形块9的两侧壁面将流体向外侧推动，有效引导了被挤压流体的流动方向。导体滑块11、导轨槽12、导管13和电能储集器14构成一个闭合回路，当发电集成盘内部被挤压的液体推动导体滑块11在导轨槽12中滑动时，运动的导体滑块11将切割由弧形推板8外壁面N极指向外挡板2内壁面S极的磁感线，从而在导体滑块11中产生电流，产生的电流由导轨槽12传输至电能储集器14，再经过外输电缆15输出。所述的弹簧7对发电集成盘的运动起到调节、辅助的作用，即海洋立管1向一侧运动位移较大时，弹簧7压缩后会将其弹回，保证海洋立管1与发电集成盘间的运动位移不停地变化，使发电组件始终处于工作状态。整个发电过程中，装置不受海流方向和速度的限制，可实现平面内各个方向振动位移产生的能量采集。
Claims (2)
1.一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置，由四个相同的扇形模块构成，扇形模块对应的圆心角为90°，四个扇形模块环向对接形成一个圆环；扇形模块由活塞、发电组件和弹性支撑组件构成；发电组件包含一个发电集成盘、三组发电构件、一个电能储集器(14)和一根外输电缆(15)；发电集成盘由外挡板(2)、上面板(3)和下面板(4)组成，均由不导电防腐材料制成，外挡板(2)高度大于上面板(3)和下面板(4)之间的高度；上面板(3)和下面板(4)靠近海洋立管(1)一侧的圆环面中心位置开有弹簧孔；弹性支撑组件包含两个四分之一圆周的套环(5)和两根弹簧(7)；电能储集器(14)安放在上面板(3)的上壁面上，连接导管(13)和外输电缆(15)；其特征在于：活塞包含一个四分之一圆周的套环(5)、一根刚性连接杆(6)、一块四分之一圆周的弧形推板(8)和一个楔形块(9)；套环(5)外壁面中心与弧形推板(8)内壁面中心相对的位置开有安装刚性连接杆(6)的盲孔，套环(5)与弧形推板(8)之间由刚性连接杆(6)通过螺纹连接固定，弧形推板(8)外壁面涂有磁性材料且磁性材料的N极背离弧形推板(8)外壁面，楔形块(9)焊接在弧形推板(8)外壁面中心位置，楔形块(9)的高度小于弧形推板(8)；所述的发电集成盘外挡板(2)的内壁面涂有磁性材料且磁性材料的S极背离外挡板(2)的内壁面；上面板(3)开有向发电集成盘内部注入绝缘不可压缩液体的注液孔，并配备注液塞(16)；上面板(3)的下壁面和下面板(4)的上壁面均开有三条平行的导轨槽(12)和一个活塞凹槽(10)，三条平行的弧形导轨槽(12)靠近外挡板(2)一侧，相邻两条导轨槽(12)径向间距相等，导轨槽(12)一端穿透上面板(3)和下面板(4)，而另一端未穿透上面板(3)和下面板(4)，为盲段；活塞凹槽(10)靠近海洋立管(1)一侧，上下两个活塞凹槽(10)之间的高度与弧形推板(8)的高度一致；发电集成盘内部注满有绝缘不可压缩液体；每组发电构件由一条导轨槽(12)、一个导体滑块(11)和一对导管(13)组成，导轨槽(12)内敷设有导体材料，导体滑块(11)卡套在导轨槽(12)之中，可在导轨槽(12)中滑动；一对导管(13)安装在导轨槽(12)盲段一侧，一根导管(13)连接下面板(4)上的导轨槽(12)，另一根导管(13)连接上面板(3)上的导轨槽(12)，每根导管(13)的另一端连接电能储集器(14)；所述的弹性支撑组件的两个套环(5)分别通过两根弹簧(7)与发电集成盘的上面板(3)和下面板(4)连接。
2.一种利用振动位移差驱动液流推动导体的发电方法，采用如权利要求1所述的利用振动位移差驱动液流推动导体的发电装置，其特征在于：整个发电装置环抱于海洋立管(1)安装，海洋立管(1)垂直放置于海流环境中，海流冲击海洋立管(1)和发电集成盘，由于发电集成盘的外径大于海洋立管(1)的外径，发电集成盘受到更大的流体作用力，而海洋立管(1)受到的流体作用力相对较小，因而发电1集成盘与海洋立管(1)出现不同大小的振动位移响应；由于海洋立管(1)外壁中部固定的套环(5)与活塞之间通过刚性连接杆(6)连接，活塞与海洋立管(1)的位移同步，而发电集成盘的上面板(3)、下面板(4)分别与海洋立管(1)外壁固定的上、下套环(5)之间通过弹簧(7)连接，发电集成盘与海洋立管(1)的位移不同步；所以，活塞与发电集成盘的运动响应存在位移差；当海洋立管(1)向一侧振动时，将带动活塞运动，活塞在活塞凹槽(10)中推移，使得活塞与该侧发电集成盘外挡板(2)之间的间距缩短，因而两者之间的液体被挤压，从两侧绕流到海洋立管(1)运动反方向的更大体积空间中去；弧形推板(8)上的楔形块(9)尖端具有分割流体的作用，在活塞运移过程中，楔形块(9)的两侧壁面将流体向外侧推动，有效引导了被挤压流体的流动方向；导体滑块(11)、导轨槽(12)、导管(13)和电能储集器(14)构成一个闭合回路，当发电集成盘内部被挤压的液体推动导体滑块(11)在导轨槽(12)中滑动时，运动的导体滑块(11)将切割由弧形推板(8)外壁面N极指向外挡板(2)内壁面S极的磁感线，从而在导体滑块(11)中产生电流，产生的电流由导轨槽(12)传输至电能储集器(14)，再经过外输电缆(15)输出；所述的弹簧(7)对发电集成盘的运动起到调节、辅助的作用，即海洋立管(1)向一侧运动位移较大时，弹簧(7)压缩后会将其弹回，保证海洋立管(1)与发电集成盘间的运动位移不停地变化，使发电组件始终处于工作状态。
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