CN110391767A - 一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置 - Google Patents

Abstract

一种用于水流管路的加强型压电叠堆压电俘能装置，属于水力发电及低功耗新能源技术领域。由波纹管、瓶颈接口、空穴接口、底座、顶盖、铝制薄膜、磁铁块、力学放大装置A、力学放大装置B、压电堆叠和密封胶圈组成。两个磁铁块布置于力学放大装置A上且其磁性与另外两个布置于底座上的磁铁块相斥；力学放大装置B与力学放大装置A之间及压电叠堆与力学放大装置B之间采用过盈配合连接。当水流流过波纹管时会使其压力脉动增加，压力脉动传递到铝制薄膜上，使之产生振动，振动通过力学放大装置后传递到压电叠堆上，进而使压电叠堆产生变形，产生电能。本发明放大水流管道中压力脉动产生的低频振动幅值，提高能量采集效率，装置结构简单且易于推广。

Description

一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置

技术领域

本发明涉及一种基于压力脉动的水能俘获装置，尤其涉及一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置，属于水力发电及低功耗新能源技术领域。

背景技术

在现代化社会的工业生产及日常生活中，机器已经是必不可少的一部分。机器在运作过程中由于加工工艺、制造误差和性能要求等原因所产生的振动能、热能和电能的采集技术具有很好的发展前景。在流体管路中，压力脉动的存在是一种不可避免的能量损失。压力脉动的产生是由于压力泵或者流体管路中其它作动器偏离最优工况，导致局部区域内压力值围绕额定压力值成周期性的上下波动。因此，需要寻求一种收集由压力脉动所产生的振动能的俘能装置。

采用水能为动力源的发电装置现已有很多，其原理是利用压电材料的正压电效应将振动产生的机械能转化为电能。但是目前的水力压电发电装置多数都利用了自然环境中的水能，装置的安装环境存在诸多不稳定因素，装置易损坏、发电量小、电压输出不稳定且能量转化效率低。例如：有船舶用发电装置利用海洋或湖泊中的波浪，当波浪拍打船舶上的压电材料时，压电材料发生变形，从而产生电荷，达到将机械能转化为电能的目的。该发明长期处于湖泊或海洋这种恶劣的环境下，既不能产生较为稳定的电流而且会大大降低装置的使用寿命。现有技术中，有装置利用风力或水力驱动旋转轴旋转，带动挤压转子，间断性地挤压固定在外壳内壁两端的复合压电片，使压电片发生形变，进而产生电荷，达到将机械能转换为动能的目的。该装置可以产生较为稳定的电流，但长期性的硬性挤压将会导致挤压转子的磨损，使得能量的转换效率降低并且会缩短装置的使用寿命。

本专利为克服以上缺点，致力于提出一种能够在水流管道中稳定发电，有较长使用寿命且机械结构简单的水能俘获装置。

发明内容

本发明的目的是现有水能俘获装置存在能量转化效率低以及工作环境不稳定的技术缺陷，提出了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置。

一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置，包括波纹管、入口水管、出口水管、力学放大装置A、力学放大装置B、压电叠堆、顶盖、底座、磁铁块、正极导线、负极导线、铝制薄膜、空穴接口、瓶颈接口、密封圈A、密封圈B以及密封圈C；

其中，波纹管、入口水管、出口水管、力学放大装置A、力学放大装置B、顶盖、底座、空穴接口、瓶颈接口、密封圈A、密封圈B以及密封圈C的数量均为1个；正极导线及负极导线的数量各为1根；铝制薄膜的数量为1片；磁铁块的数量为4，压电叠堆有两块；

瓶颈接口、空穴接口与铝制薄膜共同构成了亥姆霍兹共鸣器；

空穴接口、瓶颈接口以及波纹管中嵌有密封圈，且波纹管中除包括入口水管和出口水管相接的接口外，还有一个与瓶颈接口相连的接口；波纹管与出口水管相接处有扩散口；波纹管与入口水管相接处有收缩口；

力学放大装置A、力学放大装置B由铝制成；

每块压电叠堆均由M个基础层以及N个压电层组成，其中，M和N不相等，且均为大于等于10的整数，基础层由不锈钢制成，压电层由压电陶瓷制成；

压电层和基础层上分别接有导线，每个压电层上的导线采用并联连接形成正极导线，每个基础层上的导线采用并联连接形成负极导线；

本电俘能装置中各模块的连接关系如下：

波纹管与入口水管、出口水管以及瓶颈接口相连；瓶颈接口与空穴接口相连；空穴接口与底座相连；铝制薄膜分别与空穴接口和底座相连；底座与磁铁块中的两个相连；底座与顶盖相连；顶盖与力学放大装置A相连；力学放大装置A与磁铁块中的另两个相连；力学放大装置A与力学放大装置B相连；力学放大装置B与两块压电叠堆相连；正极导线和负极导线压电叠堆相连；正极导线与负极导线并联连接至能量储存装置；

本电俘能装置的安装方法如下：

步骤1)用水管管道胶分别将入口水管和出口水管与波纹管相连；

步骤2)将波纹管与瓶颈接口通过螺纹连接；

步骤3)空穴接口与瓶颈接口通过螺纹连接；

步骤4)将铝制薄膜焊接于底座上；

步骤5)底座与空穴接口通过螺纹连接；

步骤6)在空穴接口、瓶颈接口与铝制薄膜所形成的空腔中注入水介质；

步骤7)在底座上基于过盈配合左右对称安装两个磁铁块；

步骤8)在顶盖上端安装力学放大装置A，具体通过螺纹连接；

步骤9)在力学放大装置A上基于过盈配合左右对称安装两个磁铁块；

步骤10)两块压电叠堆与力学放大装置B通过过盈配合连接；

步骤11)力学放大装置A与力学放大装置B之间为过盈配合连接；

步骤12)底座与顶盖通过螺纹安装，连接时保证底座上的磁铁块与力学放大装置A上的磁铁块磁极相对且相互排斥，铝制薄膜与力学放大装置A底端接触。

本电俘能装置中各模块的功能如下：

底座上的磁铁与力学放大装置A上的磁铁磁极两两相对且相互排斥，起到了提高力学放大装置A振动幅值的作用；瓶颈接口，空穴接口与铝制薄膜共同构成了亥姆霍兹共鸣器，能够有效选取特定频率的振动，使装置产生较为稳定的电流；波纹管可以增大水流中的压力脉动，相应提高压电叠堆振动的幅值与频率，增加能量转化效率；波纹管出口处的扩散口可以有效降低水流中的压力脉动，减小俘能装置对水流管道输水性能的影响。

本电俘能装置的工作过程如下：

向入口水管中通入水，则入口水管的水流入波纹管道时其压力脉动将增大，压力脉动通过瓶颈接口与空穴接口中的水介质传递到铝制薄膜上,使其产生振动，安装在力学放大装置A和底座上的磁铁块用于实现增加力学放大装置A的振动幅值；振动经过力学放大装置A与力学放大装置B传递到压电叠堆上，进而使压电叠堆上的压电层发生形变，产生电能。

有益效果

一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明所采用的瓶颈接口，空穴接口与铝制薄膜共同构成了亥姆霍兹共鸣器，能够有效选取特定频率的振动，使装置产生较为稳定的电流；

2、本发明所采用的波纹管可以增大水流中的压力脉动，相应提高压电叠堆振动的幅值与频率，增加能量转化效率；

波纹管出口处的扩散孔可以有效降低水流中的压力脉动，减小俘能装置对水流管道输水性能的影响；

3、本发明所采用的力学放大装置A与力学放大装置B经过拓扑结构优化，能够有效的将铝制薄膜振动所产生的多余的变形转换为作用于压电叠堆上的激振力，进而使压电叠堆产生更大的变形，提高了电能的输出；

4、本发明中底座上的磁铁与力学放大装置A上的磁铁磁极两两相对且相互排斥，起到了提高力学放大装置A振动幅值，增大电能输出的作用；

5、本发明所采用的机械结构简单、制造成本低，易于推广。

附图说明：

图1是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置的立体结构示意图；

图2是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中力学放大装置A结构示意图；

图3是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中力学放大装置B结构示意图；

图4是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中力学放大装置A与力学放大装置B装配示意图

图5是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中压电叠堆结构示意图；

图6是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中磁铁安装结构示意图；

图7是本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中波纹管结构示意图；

图中：1-压电叠堆，2-力学放大装置B，3-顶盖，4-力学放大装置A，5-底座，6-磁铁块，7-铝制薄膜，8-密封圈B，9-空穴接口，10-密封圈A，11-瓶颈接口，12-密封圈C，13-波纹管，14-入口水管，15-出口水管，16-基础层，17-压电层，18-正极导线，19-负极导线。

具体实施方式

为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例1

本实施例叙述了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置的组成。

图1展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置的具体组成构件。

图1中展示出的一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置包括：1是压电叠堆，2是力学放大装置B，3是顶盖，4是力学放大装置A，5是底座，6是磁铁块，7是铝制薄膜，8是密封圈B，9是空穴接口，10是密封圈A，11是瓶颈接口，12是密封圈C，13是波纹管。

其中，顶盖、底座、空穴接口、瓶颈接口、波纹管以及铝制薄膜均为圆形。密封圈A、密封圈B及密封圈C皆为O型，磁铁块及压电叠堆为长方体。

从图1可以看出压电叠堆与力学放大装置B连接，力学放大装置B与力学放大装置A连接，磁铁块与力学放大装置A及底座连接，底座与顶盖连接，铝制薄膜与底座连接，密封圈B与空穴接口连接，空穴接口与底座连接，密封圈A与瓶颈接口连接，瓶颈接口与空穴接口连接，密封圈C与波纹管连接，波纹管与瓶颈接口连接。

图2展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中力学放大装置A的结构示意图。

从图2中可看出：力学放大装置A中间空出区域用于安装力学放大装置B，左右两端内侧的圆孔用于定位力学放大装置B的安装位置，左右两端外侧的凹槽用于安装磁铁块，上端圆柱部分带有螺纹，用于连接顶盖，下端圆柱部分的底面与铝制薄膜相接触。

图3中展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中力学放大装置B的结构示意图。

从图3中可看出：力学放大装置B中间的两块空出区域分别用于安装两个压电叠堆，上端与下端的带圆孔的正方形柱体用于将力学放大装置B安装在力学放大装置A上。

图4中展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中力学放大装置A、力学放大装置B、压电叠堆及磁铁块的装配关系示意图。

从图4中可看出：压电叠堆与力学放大装置B通过过盈配合连接，力学放大装置A与力学放大装置B通过过盈配合连接，磁铁块嵌入在力学放大装置A中。

图5中展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中压电叠堆的具体结构。

从图5中可看出：压电叠堆的组成包括：16是基础层，17是压电层，18是正极导线，19是负极导线；基础层与压电层交错堆叠，正极导线与压电层相连，负极导线与基础层相连。

图6中展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中磁铁块的安装示意图。

从图6中可看出：四个磁铁块中两个安装在底座上，另外两个安装在力学放大装置A上；安装在力学放大装置A上的磁铁块与安装在底座上的磁铁块两两相对。

图7中展示了一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置中波纹管的结构示意图；其中，13是波纹管，14是入口水管，15是出口水管；

其中，波纹管、入口水管以及出口水管的形状皆为圆形；波纹管、入口水管以及出口水管的材料均为PVC-U。

从图7中可看出：入口水管与波纹管相连，连接处右端为波纹管的收缩口，收缩口右端为波纹管中的波纹；出口水管与波纹相连，连接处左端为波纹管的扩散口；波纹管的管壁中间部分的圆孔带有螺纹用于连接瓶颈接口。

综上所述，本发明一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置与常见的水能俘获装置相比，能够利用水流管道中的压力脉动所产生的低频振动，增加振动的频率与幅值，提高能量采集效率，装置结构简单且易于推广。

以上结合附图对本本发明的一个具体实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。任何在本发明的思路和原则之内所作的任何变动、替换等，均属于本发明的权利要求保护范畴。

Claims (1)

1.一种用于水流管道的加强型压电叠堆压电俘能装置，其特征在于：

包括波纹管、入口水管、出口水管、力学放大装置A、力学放大装置B、压电叠堆、顶盖、底座、磁铁块、正极导线、负极导线、铝制薄膜、空穴接口、瓶颈接口、密封圈A、密封圈B以及密封圈C；

其中，波纹管、入口水管、出口水管、力学放大装置A、力学放大装置B、顶盖、底座、空穴接口、瓶颈接口、密封圈A、密封圈B以及密封圈C的数量均为1个；正极导线及负极导线的数量各为1根；铝制薄膜的数量为1片；磁铁块的数量为4，压电叠堆有两块；

瓶颈接口、空穴接口与铝制薄膜共同构成了亥姆霍兹共鸣器；

空穴接口、瓶颈接口以及波纹管中嵌有密封圈，且波纹管中除包括入口水管和出口水管相接的接口外，还有一个与瓶颈接口相连的接口；波纹管与出口水管相接处有扩散口；波纹管与入口水管相接处有收缩口；

力学放大装置A、力学放大装置B由铝制成；

每块压电叠堆均由M个基础层以及N个压电层组成，其中，M和N不相等，且均为大于等于10的整数，基础层由不锈钢制成，压电层由压电陶瓷制成；

压电层和基础层上分别接有导线，每个压电层上的导线采用并联连接形成正极导线，每个基础层上的导线采用并联连接形成负极导线；

本电俘能装置中各模块的连接关系如下：

波纹管与入口水管、出口水管以及瓶颈接口相连；瓶颈接口与空穴接口相连；空穴接口与底座相连；铝制薄膜分别与空穴接口和底座相连；底座与磁铁块中的两个相连；底座与顶盖相连；顶盖与力学放大装置A相连；力学放大装置A与磁铁块中的另两个相连；力学放大装置A与力学放大装置B相连；力学放大装置B与两块压电叠堆相连；正极导线和负极导线压电叠堆相连；正极导线与负极导线并联连接至能量储存装置；

本电俘能装置的安装方法如下：

步骤1)用水管管道胶分别将入口水管和出口水管与波纹管相连；

步骤2)将波纹管与瓶颈接口通过螺纹连接；

步骤3)空穴接口与瓶颈接口通过螺纹连接；

步骤4)将铝制薄膜焊接于底座上；

步骤5)底座与空穴接口通过螺纹连接；

步骤6)在空穴接口、瓶颈接口与铝制薄膜所形成的空腔中注入水介质；

步骤7)在底座上基于过盈配合左右对称安装两个磁铁块；

步骤8)在顶盖上端安装力学放大装置A，具体通过螺纹连接；

步骤9)在力学放大装置A上基于过盈配合左右对称安装两个磁铁块；

步骤10)两块压电叠堆与力学放大装置B通过过盈配合连接；

步骤11)力学放大装置A与力学放大装置B之间为过盈配合连接；

步骤12)底座与顶盖通过螺纹安装，连接时保证底座上的磁铁块与力学放大装置A上的磁铁块磁极相对且相互排斥，铝制薄膜与力学放大装置A底端接触。

本电俘能装置中各模块的功能如下：

底座上的磁铁与力学放大装置A上的磁铁磁极两两相对且相互排斥，起到了提高力学放大装置A振动幅值的作用；瓶颈接口，空穴接口与铝制薄膜共同构成了亥姆霍兹共鸣器，能够有效选取特定频率的振动，使装置产生较为稳定的电流；波纹管可以增大水流中的压力脉动，相应提高压电叠堆振动的幅值与频率，增加能量转化效率；波纹管出口处的扩散口可以有效降低水流中的压力脉动，减小俘能装置对水流管道输水性能的影响。

本电俘能装置的工作过程如下：

向入口水管中通入水，则入口水管的水流入波纹管道时其压力脉动将增大，压力脉动通过瓶颈接口与空穴接口中的水介质传递到铝制薄膜上,使其产生振动，安装在力学放大装置A和底座上的磁铁块用于实现增加力学放大装置A的振动幅值；振动经过力学放大装置A与力学放大装置B传递到压电叠堆上，进而使压电叠堆上的压电层发生形变，产生电能。