CN109039157B - 基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋波浪振动发电领域，公开了一种基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置。该装置是非对称结构的；浮子臂固定在浮子上，套筒通过过盈配合固定在浮子臂的上端，推杆的上端固定在套筒上，推杆下端穿过限制块的矩形孔与固定圆盘固定；限制块通过支撑轴固定；固定圆盘周向均匀设有偶数根传力杠杆，传力杠杆与下方的超磁致伸缩材料圆柱面接触，超磁致伸缩材料圆柱下端安装在定位器内，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩材料圆柱上，定位器通过支撑架与固定块连接。本发明通过浮子的摆动带动传力杠杆上下运动为超磁致伸缩材料圆柱施加压力，用拾取线圈来拾取磁通变化产生的电能，实现了将波浪起伏运动产生的振动能转化为电能的能量收集过程。
Description
技术领域
本发明属于海洋波浪振动发电领域，特别涉及一种基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置。
背景技术
当今世界，能源为人类的生产生活提供各种能力和动力的物质资源，而随着全球能源危机的日趋严重，研究和寻找能够替代传统化石能源的新型能源成为一种热潮。波浪能作为海洋中广泛存在的一种绿色可再生能源，其储量大、分布广，既不受天气限制，也不受时间限制。与海上风能相比，波浪能能量密度约为其4~6倍，是一种极具潜力的新能源。
目前在对波浪振动能量收集装置的研究中，关于利用压电材料实现波浪振动能转化为电能的研究较多。与压电材料相比，超磁致伸缩材料的能量密度达到14~25kJ/m 3，是压电陶瓷材料的10~14倍；其磁（电）机耦合系数为0.7~0.75，较压电陶瓷材料大，能量转换效率更高；其磁致伸缩应变值比PZT压电陶瓷大3~8倍，相同振幅下可产生更高的电压。在2015年清华大学博士学位论文发表的机械增频式波浪压电发电装置特性的研究中，林政提出了一种机械增频式波浪压电发电装置，研究系统参数变化和波要素（波周期、波高）变化对波浪压电输出功率的影响规律。在2016年科技创新与应用第18期的67页发表的新型多自由度漂浮式压电波浪能回收装置研究中，王静等人提出了一种新型漂浮式压电波浪能回收装置，利用三对悬臂梁端部质量块惯性作用激励对应方向的弯曲振动，使悬臂梁根部的压电陶瓷片将振动能转化成电能。但是利用柱状式磁致伸缩材料来进行波浪发电的研究还比较新颖，目前尚无报道。
发明内容
发明目的：
目前基于压电材料的波浪能发电装置产生的能量相对较小，为了提高对波浪振动能量的转换效率，设计了以超磁致伸缩材料圆柱为核心元件，通过浮子的起伏运动带动推杆上下运动使传力杠杆为超磁致伸缩材料圆柱施加压力，用拾取线圈拾取磁通变化而产生电能的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，从而达到将波浪起伏运动过程中的振动能量转化为电能的目的。
技术方案：
基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，浮子臂的一端固定在浮子上，浮子臂的另一端与套筒通过过盈配合固定，推杆一端固定在套筒上，推杆另一端穿过限制块的矩形孔与固定圆盘固定；限制块通过四个中心对称的支撑轴固定，支撑轴一端固定在限制块的侧面，支撑轴的另一端固定在固定块上面；固定圆盘周向均匀设有偶数根传力杠杆，传力杠杆与下方的超磁致伸缩材料圆柱上表面接触，超磁致伸缩材料圆柱下端安装在定位器内，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩材料圆柱上，定位器通过支撑架与固定块连接。
圆杆状结构的支撑轴下端带有一矩形板，矩形板上打有两个螺纹孔；支撑轴上端为带有角度的斜面，通过焊接固定在限制块侧面上。
圆柱形浮子设有四个螺栓孔，圆杆状的浮子臂下端的矩形板设有四个螺纹孔，浮子臂通过螺栓与浮子连接，浮子臂的上端打有一螺纹通孔。
方体结构的套筒在中心位置处沿高度方向打有贯穿的圆柱形孔，浮子臂穿过套筒的圆柱形孔通过过盈配合固定，套筒前后两侧面的中心处打有贯穿的螺纹孔。
推杆为矩形薄片状，推杆的一端为圆角型，在该端打有一螺纹孔，螺栓依次穿过推杆的螺纹孔、套筒的螺纹孔和浮子臂上端的螺通纹孔，将推杆、套筒和浮子臂固定连接；推杆的底端沿中心线方向打有两个对称的不完全贯穿的螺纹通孔。
限制块为长方体结构，在限制块中心位置处沿高度方向打有贯穿的矩形孔，推杆穿过限制块中心位置处的矩形孔与固定圆盘上端面固定。
圆柱薄片状的固定圆盘在中心位置处两端打有两个对称的螺纹孔，固定圆盘和推杆通过螺栓依次穿过固定圆盘的螺纹孔和推杆底端的螺纹通孔固定连接；固定圆盘沿周向方向均匀设有偶数对螺纹通孔，矩形薄片状的传力杠杆沿其长度方向中心线上的一端打有两个对称的螺纹孔，螺栓依次穿过传力杠杆的螺纹孔和固定圆盘的螺纹孔，将传力杠杆固定在固定圆盘上，传力杠杆的另一端下表面与圆柱形的超磁致伸缩材料圆柱上端面接触。
方体结构的固定块在正方形四条边线的中心边缘位置各打有两个螺纹孔，支撑轴和固定块通过螺栓依次穿过支撑轴矩形板上的螺纹孔和固定块的螺纹孔固定连接；固定块周向均匀设置有数组螺纹通孔，每四个螺纹孔为一组，支撑架通过螺栓穿过螺纹通孔固定连接。
长方形结构的支撑架底面四角处各设有一个螺纹孔，支撑架通过螺栓固定在固定块上；支撑架左右两侧设有竖直的支撑杆，支撑杆设有对称的螺纹通孔，螺栓穿过定位器的螺纹孔和支撑杆上螺纹通孔固定连接。
定位器为直径上宽下窄的圆柱形结构，定位器左右两侧各打有一螺纹孔，通过螺栓将定位器固定在支撑架左右两侧的支撑杆上；定位器上端沿高度方向打有直径上宽下窄且不完全贯穿的圆形凹槽，圆柱形的超磁致伸缩材料圆柱嵌入在定位器下方窄的圆形凹槽中。
优点及效果：
本发明是基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，具有如下优点：
本发明以超磁致伸缩材料圆柱为核心元件，通过浮子的摆动带动推杆上下运动使传力杠杆为超磁致伸缩材料圆柱施加压力，用拾取线圈拾取磁通变化而产生电能，实现了将波浪起伏运动过程产生的振动能量转化为电能输出。与压电材料相比，超磁致伸缩材料的伸缩应变大，在室温下的饱和磁致伸缩系数为1500~2000ppm，是压电陶瓷材料（PZT）的6~8倍；磁（电）机耦合系数为0.7~0.75，高于PZT的0.45~0.72，能量转换效率更高；抗压强度为700MPa，可以承受更大的压力以输出更高的电压。
附图说明
图1为基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置的装配示意图。
图2为基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置的主视图。
图3为浮子的俯视图。
图4为浮子的主视图。
图5为浮子臂的示意图。
图6为套筒的示意图。
图7为推杆的俯视图。
图8为推杆的主视图。
图9为限制块的俯视图。
图10为限制块A-A剖视图。
图11为固定圆盘示意图。
图12为传力杠杆的俯视图。
图13为传力杠杆的主视图。
图14为支撑轴的主视图。
图15为支撑轴的俯视图。
图16为固定块的俯视图。
图17为固定块的主视图。
图18为支撑架的主视图。
图19为支撑架的俯视图。
图20为定位器的主视图。
图21为定位器的俯视图。
图22为超磁致伸缩材料圆柱的示意图。
附图标记说明：
1-浮子，2-浮子臂，3-套筒，4-推杆，5-限制块，6-传力杠杆，7-超磁致伸缩材料圆柱，8-支撑轴，9-定位器，10-支撑架，11-拾取线圈，12-固定块，13-固定圆盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置是利用超磁致伸缩材料在受到外力作用时会导致材料内部的磁化状态发生改变，通过拾取线圈实现机械能向电磁能的转化，这一现象成为磁致伸缩逆效应，也叫维拉里效应。本发明以超磁致伸缩材料圆柱为核心元件，通过浮子的起伏运动带动推杆上下运动使传力杠杆为超磁致伸缩材料圆柱施加压力，用拾取线圈拾取磁通变化而产生电能，实现将波浪起伏运动过程中振动能量转换为电能输出。本发明装置的工作原理是：当浮子在波浪作用下摆动时会使推杆上下运动，并带动传力杠杆上下运动为超磁致伸缩材料圆柱施加压力，根据超磁致伸缩材料的逆效应，受到外力作用时会导致超磁致伸缩材料内部的磁化状态发生变化，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会产生电场，因此在拾取线圈中会产生感应电动势，最终实现通过吸收波浪振动而进行发电的过程。
图1为基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置的装配示意图，图2为基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置的主视图。工作时，由于浮子1、浮子臂2、套筒3和推杆4固定安装，浮子1的起伏运动会带动推杆4在限制块5的约束下上下运动，同时会带动传力杠杆6上下运动为超磁致伸缩材料圆柱7施加压力，在外力作用下超磁致伸缩材料圆柱7内部的磁通会发生变化，磁通通过缠绕在超磁致伸缩材料圆柱7周围的拾取线圈11产生感应电压，拾取线圈11两端连接导线将感应电压传递出去。其余各零件的结构图见图3-图22。
本发明提出了一种基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪振动发电装置，如图1和图2中所示，该装置为非对称结构，浮子臂2的一端固定在浮子1上，浮子臂2的另一端与套筒3通过过盈配合固定，推杆4一端固定在套筒3上，推杆4另一端穿过限制块5的矩形孔与固定圆盘13固定；限制块5通过四个中心对称的支撑轴8固定，支撑轴8一端固定在限制块5的侧面，支撑轴8的另一端固定在固定块12上面；固定圆盘6周向均匀设有偶数根传力杠杆6，传力杠杆6与下方的超磁致伸缩材料圆柱7上表面接触，但传力杠杆6与超磁致伸缩材料圆柱7之间并不固定连接，仅存在面接触，即传力杠杆6的下表面与超磁致伸缩材料圆柱7的圆形上表面面接触，超磁致伸缩材料圆柱7下端安装在定位器9内，拾取线圈11缠绕在超磁致伸缩材料圆柱7上，定位器9通过支撑架10与固定块12连接。
如图14和图15所示，圆杆状结构的支撑轴8下端带有一矩形板，矩形板上打有两个螺纹孔；支撑轴8上端为带有角度的斜面，通过焊接固定在限制块5侧面上；支撑轴8作用是为了固定住限制块5，限制块5是约束推杆4只能上下运动，只有上下运动才会给超磁致伸缩材料圆柱7施加压力，受到外力作用时会导致超磁致伸缩材料圆柱7内部的磁化状态发生变化，变化的磁场会产生电场，在拾取线圈11中会产生感应电动势。
如图3和图4所示，圆柱形浮子1设有四个螺栓孔，圆杆状的浮子臂2下端的矩形板设有四个螺纹孔，浮子臂2通过螺栓与浮子1连接，浮子臂2的上端打有一螺纹通孔。
如图6所示，方体结构的套筒3在中心位置处沿高度方向打有贯穿的圆柱形孔，浮子臂2穿过套筒3的圆柱形孔通过过盈配合固定，套筒3前后两侧面的中心处打有贯穿的螺纹孔。
如图7和图8所示，推杆4为矩形薄片状，推杆4的一端为圆角型，在该端打有一螺纹孔，螺栓依次穿过推杆4的螺纹孔、套筒3的螺纹孔和浮子臂2上端的螺通纹孔，将推杆4、套筒3和浮子臂2固定连接；推杆4的底端沿中心线方向打有两个对称的不完全贯穿的螺纹通孔。
如图9和图10所示，限制块5为长方体结构，在限制块5中心位置处沿高度方向打有贯穿的矩形孔，推杆4穿过限制块5中心位置处的矩形孔与固定圆盘13上端面固定。
如图11所示，圆柱薄片状的固定圆盘13在中心位置处两端打有两个对称的螺纹孔，固定圆盘13和推杆4通过螺栓依次穿过固定圆盘13的螺纹孔和推杆4底端的螺纹通孔固定连接；固定圆盘13沿周向方向均匀设有偶数对螺纹通孔；
如图12和图13所示，矩形薄片状的传力杠杆6沿其长度方向中心线上的一端打有两个对称的螺纹孔，螺栓依次穿过传力杠杆6的螺纹孔和固定圆盘13的螺纹孔，将传力杠杆6固定在固定圆盘13上，传力杠杆6的另一端下表面与圆柱形的超磁致伸缩材料圆柱7的圆形上端面接触。
如图16和图17所示，方体结构的固定块12在正方形四条边线的中心边缘位置各打有两个螺纹孔，支撑轴8和固定块12通过螺栓依次穿过支撑轴8矩形板上的螺纹孔和固定块12的螺纹孔固定连接；固定块12周向均匀设置有数组螺纹通孔，每四个螺纹孔为一组，支撑架10通过螺栓穿过螺纹通孔固定连接。本发明中，在浮子1运动过程中，固定块12应该保持位置不变，可以从海底引出一个导杆来限制固定块12的运动或者将固定块12固定在岸边使其保持位置不变。
如图18和图19所示，长方形结构的支撑架10底面四角处各设有一个螺纹孔，支撑架10通过螺栓固定在固定块12上；支撑架10左右两侧设有竖直的支撑杆，支撑杆设有对称的螺纹通孔，螺栓穿过定位器9的螺纹孔和支撑杆上螺纹通孔固定连接。
如图20和图21所示，定位器9为直径上宽下窄的圆柱形结构，定位器9左右两侧各打有一螺纹孔，通过螺栓将定位器9固定在支撑架10左右两侧的支撑杆上；定位器9上端沿高度方向打有直径上宽下窄且不完全贯穿的圆形凹槽，如图22所示，圆柱形的超磁致伸缩材料圆柱7嵌入在定位器9下方较窄的圆形凹槽中。
如图1和图2所示，根据经验、实验效果以及成本的考量，对于传力杠杆6和定位器9的最优化的设置个数是4个，同时，超磁致伸缩材料圆柱7、支撑架10和拾取线圈11设置的个数也为4个；本领域的技术人员可以根据需要对传力杠杆6和定位器9的个数进行偶数个数量调整，例如可以是2个、4个、6个、8个等，同时调整超磁致伸缩材料圆柱7、支撑架10和拾取线圈11设置的个数，说明书附图为于传力杠杆6和定位器9个数是4个时的示意图。
超磁致伸缩材料圆柱7上缠有拾取线圈11，波浪带动浮子1起伏，浮子1通过连接的浮子臂2和推杆4带动传力杠杆6，通过传力杠杆6给超磁致伸缩材料圆柱7施加压力，再通过拾取线圈11拾取磁通变化而产生电能，实现将波浪起伏运动过程中振动能量转换为电能输出。
本发明所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置能够通过采集波浪起伏运动的振动能实现发电的过程。与压电材料相比，超磁致伸缩材料的伸缩应变大，在室温下的饱和磁致伸缩系数为1500~2000ppm，是压电陶瓷材料（PZT）的6~8倍；磁（电）机耦合系数为0.7~0.75，高于PZT的0.45~0.72，能量转换效率更高；抗压强度为700MPa，可以承受更大的压力以输出更高的电压。
Claims (10)
1.基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：浮子臂（2）的一端固定在浮子（1）上，浮子臂（2）的另一端与套筒（3）通过过盈配合固定，推杆（4）一端固定在套筒（3）上，推杆（4）另一端穿过限制块（5）的矩形孔与固定圆盘（13）固定；限制块（5）通过四个中心对称的支撑轴（8）固定，支撑轴（8）一端固定在限制块（5）的侧面，支撑轴（8）的另一端固定在固定块（12）上面；固定圆盘（13）周向均匀设有偶数根传力杠杆（6），传力杠杆（6）与下方的超磁致伸缩材料圆柱（7）上表面接触，超磁致伸缩材料圆柱（7）下端安装在定位器（9）内，拾取线圈（11）缠绕在超磁致伸缩材料圆柱（7）上，定位器（9）通过支撑架（10）与固定块（12）连接。
2.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：圆杆状结构的支撑轴（8）下端带有一矩形板，矩形板上打有两个螺纹孔；支撑轴（8）上端为带有角度的斜面，通过焊接固定在限制块（5）侧面上。
3.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：圆柱形浮子（1）设有四个螺栓孔，圆杆状的浮子臂（2）下端的矩形板设有四个螺纹孔，浮子臂（2）通过螺栓与浮子（1）连接，浮子臂（2）的上端打有一螺纹通孔。
4.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：方体结构的套筒（3）在中心位置处沿高度方向打有贯穿的圆柱形孔，浮子臂（2）穿过套筒（3）的圆柱形孔通过过盈配合固定，套筒（3）前后两侧面的中心处打有贯穿的螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：推杆（4）为矩形薄片状，推杆（4）的一端为圆角型，在该端打有一螺纹孔，螺栓依次穿过推杆（4）的螺纹孔、套筒（3）的螺纹孔和浮子臂（2）上端的螺纹通孔，将推杆（4）、套筒（3）和浮子臂（2）固定连接；推杆（4）的底端沿中心线方向打有两个对称的不完全贯穿的螺纹通孔。
6.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：限制块（5）为长方体结构，在限制块（5）中心位置处沿高度方向打有贯穿的矩形孔，推杆（4）穿过限制块（5）中心位置处的矩形孔与固定圆盘（13）上端面固定。
7.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：圆柱薄片状的固定圆盘（13）在中心位置处两端打有两个对称的螺纹孔，固定圆盘（13）和推杆（4）通过螺栓依次穿过固定圆盘（13）的螺纹孔和推杆（4）底端的螺纹通孔固定连接；固定圆盘（13）沿周向方向均匀设有偶数对螺纹通孔，矩形薄片状的传力杠杆（6）沿其长度方向中心线上的一端打有两个对称的螺纹孔，螺栓依次穿过传力杠杆（6）的螺纹孔和固定圆盘（13）的螺纹孔，将传力杠杆（6）固定在固定圆盘（13）上，传力杠杆（6）的另一端下表面与圆柱形的超磁致伸缩材料圆柱（7）上端面接触。
8.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：方体结构的固定块（12）在正方形四条边线的中心边缘位置各打有两个螺纹孔，支撑轴（8）和固定块（12）通过螺栓依次穿过支撑轴（8）矩形板上的螺纹孔和固定块（12）的螺纹孔固定连接；固定块（12）周向均匀设置有数组螺纹通孔，每四个螺纹孔为一组，支撑架（10）通过螺栓穿过螺纹通孔固定连接。
9.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：长方形结构的支撑架（10）底面四角处各设有一个螺纹孔，支撑架（10）通过螺栓固定在固定块（12）上；支撑架（10）左右两侧设有竖直的支撑杆，支撑杆设有对称的螺纹通孔，螺栓穿过定位器（9）的螺纹孔和支撑杆上螺纹通孔固定连接。
10.根据权利要求1所述的基于柱状式超磁致伸缩材料的波浪能发电装置，其特征在于：定位器（9）为直径上宽下窄的圆柱形结构，定位器（9）左右两侧各打有一螺纹孔，通过螺栓将定位器（9）固定在支撑架10左右两侧的支撑杆上；定位器（9）上端沿高度方向打有直径上宽下窄且不完全贯穿的圆形凹槽，圆柱形的超磁致伸缩材料圆柱（7）嵌入在定位器（9）下方窄的圆形凹槽中。
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