CN111412104B - 一种利用海水压力能驱动的微型发电装置 - Google Patents

一种利用海水压力能驱动的微型发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋发电装置领域，并公开了一种利用海水压力能驱动的微型发电装置。该装置包括低压腔和发电单元，发电单元设置有中央通道和外侧通道，中央通道、外侧通道以及低压腔三者能连通，在连通之处设置有电磁阀，中央通道和外侧通道之间设置有永磁体，外侧通道中设置有线圈和与该线圈连接的复位机构；电磁阀通电后，中央通道与外侧通道隔断，外侧通道与低压腔连通，在海水压力作用下线圈在外侧通道中向一侧运动；电磁阀断电后，低压腔与外侧通道隔断，中央通道与外侧通道连通，线圈在外侧通道中向另一侧运动；线圈在外侧通道中运动切割磁场线，实现海水压力能发电。通过本发明，实现海水压力能转化为电能，结构简单，体积小，能量转化率高。

Description

一种利用海水压力能驱动的微型发电装置
技术领域
本发明属于海洋发电装置领域，更具体地，涉及一种利用海水压力能驱动的微型发电装置。
背景技术
随着海洋开发与探索的需求日益增加，海洋生物遥测技术越来越多地被应用于海洋观测，一方面可以获得动物的生活习性和运动轨迹的理化数据，深化人类对于海洋生物的了解，另一方面可以对难以观测或者观测成本高的水域进行环境监测，深化人类对于海洋生态与环境的认识。海洋动物标签进行数据采集、存储及传输都需要能量(通常用的是电能)，为了得到更长时间与更丰富的观测数据，提高遥测标签的电能供应是至关重要的。目前大部分遥测标签能量来源依然是电池，而由于对电池重量以及体积的限制，标签能携带的电池能量是有限的，很难支持遥测标签对海域进行长时间多种类环境参数的观测，对于陆地动物的遥测标签，已经有一些利用太阳能增加使用时长的设计，而面向水下生物时，由于水面以下的太阳辐照度变得很低，使用太阳能为海洋遥测标签供电也变得不切实际。对于许多海洋生物，其为了寻找食物会定期进行深海潜水，动物上浮与下潜过程中的海水压力差产生的压力能是一种潜在的能为遥测标签供电的能量来源。
许多海洋物种为了寻找食物会定期进行深海潜水，根据现有遥测标签技术实地测量得到的抹香鲸与北极象海豹的连续潜水剖面，抹香鲸与象海豹每天的平均潜水深度与次数分别为800米、23次与600米、57次。如果将抹香鲸与象海豹携带的现有遥测标签上使用的1号电池作占空间(约为53毫升)换为同等体积的耐压空腔，则理论上标签每天可利用的压力能等于“平均潜水深度处的水压×潜水次数×空腔体积”。经简单计算可以得到，抹香鲸与象海豹携带的标签每天可利用的压力能分别为10千焦耳与18千焦耳。对比CTD-SRDLs标签电池156千焦耳的总电量，抹香鲸与象海豹携带的遥测标签300天寿命内可利用的总压力能分别为3000千焦耳与5400千焦耳，分别是电池电量的19倍与35倍。因此，充分利用海洋动物下潜与上浮的压力变化产生的压力能，可以极大提升标签的能量供应，使之支持更多传感器并显著延长标签寿命，全面提升其数据采集能力。
在利用海水压力能发电的领域，美国的Michael W.Shafer在其论文Ahydrostatic pressure-cycle energy harvester(Proc.SPIE 9431,Active and PassiveSmart Structures and Integrated Systems 2015,94310F(2April 2015)；doi:10.1117/12.2084279)中提出了一种用于海洋动物遥测标签供电的海水压力能收集器，该装置主要包括一个微型旋转式水轮机以及与之相连的一个微型旋转式发电机，电磁截止阀以及低压腔，在动物潜水至一定深度后，外界海水压力大于低压腔内的压力，海水进入水轮机，带动水轮机以及发电机转动从而实现发电，此发明的实验室测试系统的实测能量转换效率比较低(2％左右)，应用较困难；与国内浙江大学的王峰、顾临怡在论文《基于开关液压源的深海水压型能量供给技术研究》([J].机械工程学报,2004(05):141-144.)中提出的一种基于海水静水压力能的水下能量供给系统进行对比分析，其提出的压力能发电装置的缺点在于：装置体积非常庞大，不可能应用于海洋动物遥测标签中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，通过对其整体结构的布局和关键组件的结构设计，尤其是对发电单元的结构设计，利用海水压力能转换为电能，实现发电过程，该装置结构简单，体积小，能量转化率高，主要用于海洋动物遥测标签的供电，其可以利用海洋动物在上浮与下潜过程中的海水压力变化进行发电，为遥测标签供能，提高标签的能量供应能力，延长标签的工作时间或提高标签可携带的传感器数量与种类。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，该装置包括低压腔和发电单元，其中,
所述发电单元设置有中央通道和将该中央通道包围其中的外侧通道，所述中央通道、外侧通道以及低压腔三者能够连通，在连通之处设置有电磁阀，用于控制所述中央通道、外侧通道以及低压腔三者的连通关系，所述中央通道和外侧通道之间设置有永磁体，所述外侧通道中设置有线圈和与该线圈连接的复位机构；
所述电磁阀通电后，所述中央通道与外侧通道隔断，所述外侧通道与所述低压腔连通，在所述外侧通道中，外界海水压力大于所述低压腔内压力，在外界海水压力作用下所述线圈在所述外侧通道中向靠近所述电磁阀一端运动；所述电磁阀断电后，所述低压腔与所述外侧通道隔断，所述中央通道与外侧通道连通，海水从所述中央通道进入并流进所述外侧通道中，所述外侧通道中的压力与外界海水压力相等，在所述复位机构的作用下，所述线圈在所述外侧通道中向远离所述电磁阀的一端运动；通过电磁阀的通电和断电切换，所述线圈在所述外侧通道中来回运动切割所述永磁体产生的磁场，以此实现海水压力能的发电过程。
进一步优选地，所述电磁阀包括阀体、阀芯和电磁铁，通过电磁铁的通电或断电控制电磁阀的阀芯的动作，当该电磁阀的电磁铁通电后，该电磁阀的阀芯向前运动，以此将所述中央通道和所述外侧通道隔断，当该电磁阀的电磁铁断电后，所述阀芯向后运动，以此将所述低压腔与所述中央通道隔断。
进一步优选地，所述电磁阀阀芯的前端设置有弹簧，在所述电磁阀通电时，所述弹簧被压缩，在所述电磁阀断电时，所述弹簧推动所述阀芯复位，使得阀芯能实现隔断低压腔与外侧通道的效果。
进一步优选地，所述复位机构为弹簧。
进一步优选地，所述永磁体包括多对N极和S极，其中，N极和S极间隔排列。
进一步优选地，该微型发电装置使用时携带在海洋动物上，利用海洋动物的上浮和下潜过程中海水的压力变化进行发电，当所述低压腔浮出海水面后，电磁阀通电，电磁阀的阀芯向右运动使得低压腔与外侧通道连通，低压腔内的压力大于外界空气压力，所述低压腔中的海水自动从外侧通道中排出。
进一步优选地，所述微型发电装置的发电单元、电磁阀的阀体、阀芯、弹簧、复位机构和低压腔的材料均为不锈钢。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的微型发电装置，其通过利用线圈切割磁场的原理进行发电，其中通过利用海水压力驱动线圈运动，实现从海水压力能到电能的转换，实验表明，该能量的转换效率在13％左右，相比现有的能量转换装置而言，大幅提高；
2、本发明中通过利用海水的静水压力能作为驱动能源，其作为一种可再生的清洁能源，节能环保，并且该发电装置结构简单，制造成本，具备良好的发电高性价比；
3、本发明提供的装置的体积可按照需要设计，最小可以为5号电池大小，也可以根据发电需要增大体积，其携带在海洋动物上，适合为海洋动物遥测标签供电，且理论上可获得的能量相比现在的遥测标签中使用的同等体积电池的能量要多很多，能大幅提高遥测标签的供电能力。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的微型发电装置电磁阀断电时的截面示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的微型发电装置电磁阀通电时的截面示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-发电单元，2-电磁阀，3-阀芯，4-弹簧，5-外侧通道，6-复位机构，7-中央通道，8-永磁体，9-线圈，10-低压腔，11-电磁铁。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，该装置包括低压腔10和发电单元1，其中,
所述发电单元1设置有中央通道7和将该中央通道包围其中的外侧通道5，本实施例中，中央通道设置在发电单元的中轴线上，所述中央通道7、外侧通道5以及低压腔10三者能够连通，在连通之处设置有电磁阀2，用于控制所述中央通道、外侧通道以及低压腔三者的连通关系，所述中央通道7和外侧通道5之间设置有永磁体8，所述外侧通道5中设置有线圈9和与该线圈连接的复位机构6；
所述电磁阀2通电后，所述中央通道7与所述外侧通道5隔断，所述外侧通道5与所述低压腔10连通，在所述外侧通道5中，外界海水压力大于所述低压腔内压力，在外界海水压力作用下所述线圈在所述外侧通道中向左运动，即靠近电磁阀方向；所述电磁阀2断电后，所述低压腔10与所述外侧通道5隔断，所述中央通道7与外侧通道5连通，海水从所述中央通道进入并流进所述外侧通道5中，所述外侧通道中的压力与外界海水压力相等，在所述复位机构6的作用下，所述线圈9在所述外侧通道中向右运动，即远离电磁阀方向；通过电磁阀2的通电和断电切换，所述线圈9在所述外侧通道中来回运动切割所述永磁体产生的磁场，以此实现海水压力能的发电过程。
当所述低压腔10内的海水积累到一定程度，随着海洋动物浮出海水面后，电磁阀通电，电磁阀的阀芯向右运动到一定位置，就可保证低压腔与外侧通道连通，当低压腔内的压力大于外界空气压力时，该低压腔中的海水自动从外侧通道中排出。
所述电磁阀阀芯的前端设置有弹簧4，在所述电磁阀通电时，该电磁阀的阀芯向前运动，所述弹簧被压缩，在所述电磁阀断电时，所述弹簧推动所述阀芯复位，并保持一定的作用力顶住阀芯，使得阀芯能实现隔断低压腔与外侧通道的效果。
本实施例中，复位机构6为弹簧，但不仅仅限于此。
微型发电装置发电单元本体、电磁阀阀体、阀芯、弹簧、复位机构、低压腔等均采用耐腐蚀的不锈钢材料，但不仅仅限于此。
所述永磁体8包括多对N极和S极，其中，N极和S极间隔排列。永磁体8固定在装置主体上，线圈9可沿永磁体8轴向在外侧通道内自由滑动，复位机构6一端与线圈9固定连接，另一端的固定在发电单元本体上，弹簧4的一端与压力自平衡阀芯固定连接，另一端与发电单元的本体固定连接，低压腔10为耐压空腔，其与阀芯由管道或小孔连通，其体积与形状可根据需要设计，本实施例中，电磁阀包括阀体、电磁铁和压力自平衡阀芯，控制该电磁阀的电磁铁的通电或者断电来控制阀芯的动作控制发电装置内部海水流动的方向，阀芯两端压力是平衡的，当电磁铁驱动阀芯运动时，只需要克服阀芯弹簧的力即可，因此大大降低了电磁铁的功耗。线圈在复位机构和高压海水的作用下沿着永磁体轴向做往复直线运动，运动中线圈切割磁感应线，在线圈中产生感应电动势，从而实现发电。
如图1所示为发电装置的初始状态，此时电磁阀2的阀芯3处于图中所示左边位置，海水压力同时作用在电磁阀2的左右两端，阀芯3两端海水压力平衡，其在弹簧4作用下被压紧在图中所示位置，在该状态下，低压腔被封闭，低压腔10与外侧通道5隔断，外侧通道5与中央通道7连通，海水压力同时作用于线圈9的左右两端，线圈9两端受到的海水压力相等，其在复位机构6力的作用下处于图中所示位置。
如图2所示，当电磁阀2通电时，阀芯3在向右边运动，并压缩弹簧4，直至封闭中央通道7，外侧通道5与中央通道7隔断，低压腔10与外侧通道5连通，由于低压腔10的内部压力低于外界海水的压力，线圈9右边的海水压力大于左边外侧通道5的海水压力，线圈9向图示左边运动，同时复位机构6被压缩，直至线圈9移动至左极限位置。
当电磁阀2断电后，阀芯3在弹簧4的弹力作用下回到初始状态，恢复至图1所示位置，此时，阀芯3将低压腔10与外侧通道5隔开，外侧通道5与中央通道7连通，外侧通道5的海水压力等于中央通道7的海水压力，线圈9左右两端的海水压力相等，其在复位机构6的推力作用下，向图示右边方向运动，直至线圈9移动至右极限位置。
电磁阀2通电与断电一次为一个周期，只要发电装置低压腔10内的压力低于外界海水的压力，发电过程将持续进行，线圈9往复运动切割永磁体的磁感线，在线圈9中产生感应电动势与电流，本装置外部设有电能存储单元，将动子产生的电能存储起来。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，该装置包括低压腔(10)和发电单元(1)，其中,
所述发电单元(1)设置有中央通道(7)和将该中央通道包围其中的外侧通道(5)，所述中央通道(7)、外侧通道(5)以及低压腔(10)三者能连通，在连通之处设置有电磁阀(2)，用于控制所述中央通道、外侧通道以及低压腔三者的连通关系，所述中央通道(7)和外侧通道(5)之间设置有永磁体(8)，所述外侧通道(5)中设置有线圈(9)和与该线圈连接的复位机构(6)；
所述电磁阀(2)通电后，所述中央通道(7)与外侧通道(5)隔断，所述外侧通道(5)与低压腔(10)连通，在所述外侧通道(5)中，外界海水压力大于所述低压腔内压力，在外界海水压力作用下所述线圈在所述外侧通道中向靠近所述电磁阀(2)的一端运动；所述电磁阀(2)断电后，所述低压腔(10)与所述外侧通道(5)隔断，所述中央通道(7)与外侧通道(5)连通，海水从所述中央通道进入并流进所述外侧通道(5)中，所述外侧通道中的压力与外界海水压力相等，在所述复位机构(6)的作用下，所述线圈(9)在所述外侧通道中向远离所述电磁阀(2)的一端运动；通过电磁阀(2)的通电和断电切换，所述线圈(9)在所述外侧通道中来回运动切割所述永磁体产生的磁感线，以此实现海水压力能的发电过程。
2.如权利要求1所述的一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，所述电磁阀(2)包括阀体、阀芯(3)和电磁铁(11)，通过电磁铁的通电或断电控制电磁阀的阀芯的动作，当该电磁阀的电磁铁通电后，该电磁阀的阀芯向前运动，以此将所述中央通道和所述外侧通道隔断，当该电磁阀的电磁铁断电后，所述阀芯向后运动，以此将所述低压腔与所述中央通道隔断。
3.如权利要求1所述的一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，所述电磁阀阀芯的前端设置有弹簧(4)，在所述电磁阀通电时，所述弹簧被压缩，在所述电磁阀断电时，所述弹簧推动所述阀芯复位，阀芯能实现隔断低压腔与外侧通道的效果。
4.如权利要求1所述的一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，所述复位机构(6)为弹簧。
5.如权利要求1所述的一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，所述永磁体(8)包括多对N极和S极，其中，N极和S极间隔排列。
6.如权利要求1所述的一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，该微型发电装置使用时携带在海洋动物上，利用海洋动物的上浮和下潜过程中海水的压力变化进行发电，当所述低压腔浮出海水面后，电磁阀通电，电磁阀的阀芯向右运动使得低压腔与外侧通道连通，当低压腔内的压力大于外界空气压力时，所述低压腔中的海水自动从外侧通道中排出。
7.如权利要求1所述的一种利用海水压力能驱动的微型发电装置，其特征在于，所述微型发电装置的发电单元、电磁阀的阀体、阀芯、弹簧、复位机构和低压腔的材料均为不锈钢。
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