CN111884539A - 一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，涉及波浪能发电技术领域。其包括波浪能采集结构和涡激振动发电结构，波浪能采集结构用于将波浪能转化为气体振荡波，波浪能采集结构包括自下而上依次连接的气室、连接套筒和圆柱通气管道，圆柱通气管道用于将气体振荡波传递给涡激振动压电发电结构；涡激振动压电发电结构位于圆柱通气管道中，涡激振动发电结构包括悬臂梁支撑架、悬臂梁固定座、悬臂梁以及涡激钝体发电结构，通过对涡激钝体内部结构进行改进，在涡激钝体内部设计电磁振动发电结构收集涡激振动中钝体的振动能产生电能。本发明装置具有发电效率稳定、可长时间供电、能量转化效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，具体涉及一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置。
背景技术
海洋观测是海洋科学研究的基础，也是全球海洋科技竞争的重要发力点，要认识海洋、经略海洋，推动我国海洋强国建设离不开全海域观测，它是海洋经济开发、环境保护和权益维护的基础。实施“透明海洋”战略，加强海洋观测技术装备开发，加快海洋观测体系建设是海洋科技创新的一个重要方向，对于海洋信息的监测，多数通过漂浮在海面上的浮标完成，而电池是海洋监测浮标的主要供电来源，传统电池寿命较短且需要定期更换，维护较为困难，而太阳能电池受天气影响较大，遇到连雨天气时，太阳能电池列阵发电不足，难以保证浮标的正常工作，且废旧电池对海洋环境造成严重污染。波浪能作为一种储量大、分布广的资源，为海洋监测浮标电力供给提供了更为便捷的途径。
现有技术有关波浪能发电方面的研究有许多，然而大部分均是采用单一的发电方式，因此有望发明一种更加合理的多源供能复合波浪浮能装置，以实现装置的长期稳定工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，该装置通过对涡激钝体内部结构进行改进，通过在涡激钝体内部设计压电电磁振动发电结构收集涡激振动中钝体的振动能产生电能，本发明在单一振动的基础上，完成了压电电磁复合发电，本发明装置具有发电效率稳定、可长时间供电、能量转化效率高的优点。
为实现上述目的，本发明所需克服的主要技术问题在于，如何在现有涡激钝体结构的基础上，对其进行改进，以使其完成压电电磁复合发电。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其包括波浪能采集结构和涡激振动发电结构，所述的波浪能采集结构用于将波浪能转化为气体振荡波，所述的波浪能采集结构包括自下而上依次连接的气室、连接套筒和圆柱通气管道，所述的圆柱通气管道用于将所述的气体振荡波传递给所述的涡激振动发电结构；
所述的涡激振动发电结构位于所述的圆柱通气管道中，其包括悬臂梁支撑架、悬臂梁固定座、悬臂梁以及涡激钝体发电结构，所述的悬臂梁支撑架固定在所述的圆柱通气管道的顶部，所述的悬臂梁固定座固定在所述的悬臂梁支撑架的中部，所述的悬臂梁的底部与所述的悬臂梁固定座连接，所述的涡激钝体上部与所述的悬臂梁的顶部连接；
所述的涡激钝体发电结构包括上端盖、下端盖、磁悬浮式电磁发电装置和磁动力压电发电装置，所述的上端盖和下端盖内设置有大圆柱凹槽和小圆柱凹槽，所述的大圆柱凹槽的中部设置有一层环形凸起，所述的大圆柱凹槽、小圆柱凹槽左右分别设有一个对称的滑孔，所述的大圆柱凹槽和小圆柱凹槽通过环形凸起中的滑孔相通，所述的磁悬浮式电磁发电装置包括振子、线圈、限位磁环和限位垫片，所述的振子是由多个磁环和多个非磁环叠加构成的，所述限位磁环固定在所述线圈内侧，组成叠加结构，所述的叠加结构固定在所述的大圆柱凹槽的环形凸起的左右两侧，所述的限位磁环通过磁悬浮作用使得所述的振子悬浮在所述的大圆柱凹槽的内部；
所述的磁动力压电发电装置包括滑块、复位弹簧、挤压块和弹性压电片，所述的滑块内部设有一块圆柱形永磁体，所述的圆柱形永磁体的外部磁极与振子磁环的外磁极相斥，所述的滑块位于圆柱形凹槽和圆柱形发电室连接的滑孔中，可上下滑动，所述的挤压块位于小圆柱凹槽内，所述的滑块和所述的挤压块之间通过所述复位弹簧连接。
作为本发明的一个优选方案，上述的气室的内部为中空呈圆台形，在上述的气室的一侧设置有进水口，在上述的气室的顶部设置有法兰盘，上述的连接套筒的顶部和底部均设置有法兰盘，上述的气室的顶部的法兰盘与上述的连接套筒的底部的法兰盘连接在一起，上述的连接套筒的顶部的法兰盘与上述的圆柱通气管道的底部的法兰盘连接在一起。
作为本发明的另一个优选方案，上述的进水口的高度为上述气室高度的一半，上述的气室底部设置有30°斜坡。
进一步的，上述的气室的顶部的出气口处设有螺纹孔；上述的连接套筒为内部空心的圆台形状。
进一步的，上述的悬臂梁支撑架为两头加宽，中间为椭圆形的梁状结构；上述的悬臂梁固定座设置有夹槽，上述的悬臂梁的顶部通过螺栓固定在上述的悬臂梁固定座的夹槽内。
进一步的，上述的悬臂梁支撑架的两端各有三个通孔；
上述的涡激振动发电结构通过悬臂梁支撑架以螺纹连接的方式固定在悬臂梁的顶端。
进一步的，上述的涡激钝体上端盖顶部设有夹槽，每个夹槽上设有两个通孔，通过螺栓与悬臂梁的底部连接。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)本发明可以在钝体内部设计电磁振动发电结构收集涡激振动中钝体的振动能产生电能，该技术方案在单一振动的基础上，完成了压电电磁复合发电。
(2)本发明利用气室顶部高压高速气流驱动钝体形成高频涡激振动，实现低频波浪激振向高频振动转换，提高了能量转换效率。
(3)本发明压电悬臂梁与自由端钝体集成设计，实现了涡激悬臂梁激振发电，不与水流接触，仅受双向弯曲变形因此受力均匀，稳定性强。
(4)本发明电磁发电装置位于钝体内部，实现钝体与电磁激振发电集成设计，采用密封组装，避免干扰，保证长期稳定工作，提高了浮标在海上的连续工作时间；
(5)本发明采用气流驱动压电悬梁结构发电，避免机械冲击造成压电陶瓷脆裂，同时避免波浪冲击过载作用，提高了发电系统工作寿命。
综上所述，本发明一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置主要解决了海洋小型传感器供电困难的技术问题，其具有发电效率稳定，可长时间供电，能量转化效率高的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置的结构示意图；
图2为本发明涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置的装配剖面图；
图3为本发明涡激振动发电结构的示意图；
图4为本发明涡激钝体发电装置装配剖面图；
图5为本发明涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置的工作原理图；
图中：1、波浪能采集结构，101、气室，102、连接套筒，103、圆柱通气管道，2、涡激振动发电结构，201、悬臂梁支撑架，202、悬臂梁固定座，203、悬臂梁，204A、右侧弹性压电片，204B、左侧弹性压电片，3、涡激钝体发电结构，301、上端盖，302、下端盖，3001、振子，3002、磁环，3003、线圈，3004、限位磁环，3005、圆柱形永磁体，3006、复位弹簧，3007、挤压块，3008、限位垫片，3009、弹性压电片，3010、滑块，3011、大圆柱凹槽，3012、小圆柱凹槽。
具体实施方式
本发明提出了一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明中所述及的大圆柱凹槽，其直径为6-8cm；
本发明中述及的小圆柱凹槽，其直径为3-5cm。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”等等将被理解为包括所陈述的部件或组成部分，而并未排除其他部件或其他组成部分。
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等来描述一个部件或特征与另一部件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他部件或特征“下方”或“下”的部件将取向在所述部件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。部件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
结合图1和图2所示，本发明一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，包括波浪能采集结构1和涡激振动发电结构2，其中，波浪能采集结构1用于将波浪能转化为气体振荡波；涡激振动发电结构，用于将波浪能转换为气室水柱振动能，并压缩气体形成涡激振动引发涡激钝体发电结构和悬臂梁机械振动并利用该机械振动产生电能。
具体的，波浪能采集结构1，包括气室101、连接套筒102和圆柱通气管道103，气室101内部为圆台形空间，右侧开有进水口，进水口的高度为气室101高度的一半，气室底部设有30°斜坡，气室101的顶部出气口处设有螺纹孔；连接套筒102为空心圆台形状，上下两端设有法兰盘，连接套筒102底部与气室101通过螺栓连接，顶部与圆柱通气管道103底部通过螺栓连接；圆柱通气管道103上下为通孔；波浪能采集结构1能够将波浪能转化为空气振荡波，并通过圆柱通气管道103传递给涡激振动压电发电结构2。
作为本发明的主要改进点，涡激振动发电结构如图3所示，其位于圆柱通气管道103中，具体的，涡激振动发电结构包括悬臂梁支撑架201、悬臂梁固定座202、悬臂梁203、右侧弹性压电片204A、左侧弹性压电片204B、涡激钝体发电结构3；所述的悬臂梁支撑架为两头加宽，中间为椭圆形的梁状结构；所述的悬臂梁固定座202设有夹槽，所述的悬臂梁203顶部通过螺栓固定在悬臂梁固定座202的夹槽内，悬臂梁203的设有固定在右侧的右侧弹性压电片204A和固定在左侧的左侧弹性压电片204B；涡激钝体发电结构3分为上端盖301和下端盖302，钝体上端盖301顶部设有夹槽，通过螺栓固定在悬臂梁203的底部。
如图4所示，上述的涡激钝体发电结构3包括磁悬浮式电磁发电装置和磁动力压电发电装置，实现了涡激钝体与电磁激振发电集成设计；涡激钝体上端盖301和涡激钝体下端盖302内部设有大圆柱凹槽3011和小圆柱凹槽3012；
磁悬浮式电磁发电装置包括振子3001、线圈3003、限位磁环3004和限位垫片3008，振子3001是由多个磁环3002和多个非磁环叠加构成；
线圈3003和限位磁环3004，组成限位磁环3004在内，线圈3003在外的叠加结构；
大圆柱凹槽3011的环形凸起的左右两侧各固定一个由线圈3003和限位磁环3004组成的叠加结构；
限位磁环3004的内磁极与振子磁环的外磁极相斥，通过磁悬浮作用使振子悬浮在大圆柱凹槽3011的内部；
磁动力压电发电装置包括滑块3010、复位弹簧3006、挤压块3007和弹性压电片3009，滑块位于大圆柱凹槽的环形凸起的滑孔中，滑块内部设有一块圆柱形永磁体3005，弹性压电片3009位于小圆柱凹槽3012最里侧，所述的挤压块3007位于弹性压电片3009的上方，挤压块3007和滑块3010之间通过复位弹簧3006连接。
下面对本发明涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置的工作原理及工作过程做详细介绍。
一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，如图5所示，整个装置漂浮在海面上，随着海面波浪的上下起伏，气室101中的水位随波浪上下运动，气室101中的空气随着水位的升降被排出或吸入，产生气流，气流流经连接套筒102进入圆柱通气管道103，使涡激钝体发电结构3和悬臂梁203处于流场中，由于卡门涡街效应，涡街脱落时带动悬臂梁203产生振动，从而带动涡激钝体发电结构3摆动，悬臂梁203振动时，挤压固定在悬臂梁203上的左侧压电片204A和右侧压电片204B发电；当流场静止时，涡激钝体发电结构3内部的振子3001收到限位磁环3004的磁场作用，悬浮在大圆柱凹槽3011内部，当受到流场作用时，悬臂梁203带动涡激钝体发电结构3摆动，涡激钝体发电结构3内部的振子3001随涡激钝体3的摆动而滑动；当振子3001滑动时，切割磁感线，使位于限位磁环3004中的磁通量发生变化，由法拉第电磁感性定律，进行电磁发电；振子3001滑动时，当振子3001上的磁环3002与滑块3010的圆柱形永磁体3005位置对应时，滑块3010收到斥力，向后滑动，挤压复位弹簧3006进而推动挤压块3007，按压弹性压电片3009，实现压电发电，当振子3001非磁环与滑块3010位置对应时，复位弹簧3006推动滑块3010回到初始位置。涡激钝体发电结构3摆动频率越快，发电效率越高，实现了机械能和电能的转换。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。
尽管本文中较多的使用了诸如波浪能采集结构、气室、连接套筒等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其包括波浪能采集结构和涡激振动发电结构，所述的波浪能采集结构用于将波浪能转化为气体振荡波，其特征在于：
所述的波浪能采集结构包括自下而上依次连接的气室、连接套筒和圆柱通气管道，所述的圆柱通气管道用于将所述的气体振荡波传递给所述的涡激振动发电结构；
所述的涡激振动发电结构位于所述的圆柱通气管道中，其包括悬臂梁支撑架、悬臂梁固定座、悬臂梁以及涡激钝体发电结构，所述的悬臂梁支撑架固定在所述的圆柱通气管道的顶部，所述的悬臂梁固定座固定在所述的悬臂梁支撑架的中部，所述的悬臂梁的底部与所述的悬臂梁固定座连接，所述的涡激钝体发电结构上部与所述的悬臂梁的顶部连接；
所述的涡激钝体发电结构包括上端盖、下端盖、磁悬浮式电磁发电装置和磁动力压电发电装置，所述的上端盖和下端盖内设置有大圆柱凹槽和小圆柱凹槽，所述的大圆柱凹槽的中部设置有一层环形凸起，所述的大圆柱凹槽、小圆柱凹槽左右分别设有一个对称的滑孔，所述的大圆柱凹槽和小圆柱凹槽通过环形凸起中的滑孔相通，所述的磁悬浮式电磁发电装置包括振子、线圈、限位磁环和限位垫片，所述的振子是由多个磁环和多个非磁环叠加构成的，所述限位磁环固定在所述线圈内侧，组成叠加结构，所述的叠加结构固定在所述的大圆柱凹槽的环形凸起的左右两侧，所述的限位磁环通过磁悬浮作用使得所述的振子悬浮在所述的大圆柱凹槽的内部；
所述的磁动力压电发电装置包括滑块、复位弹簧、挤压块和弹性压电片，所述的滑块内部设有一块圆柱形永磁体，所述的圆柱形永磁体的外部磁极与振子磁环的外磁极相斥，所述的滑块位于圆柱形凹槽和圆柱形发电室连接的滑孔中，可上下滑动，所述的挤压块位于小圆柱凹槽内，所述的滑块和所述的挤压块之间通过所述复位弹簧连接。
2.根据权利要求1所述的一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其特征在于：所述的气室的内部为中空呈圆台形，在所述的气室的一侧设置有进水口，在所述的气室的顶部设置有法兰盘，所述的连接套筒的顶部和底部均设置有法兰盘，所述的气室的顶部的法兰盘与所述的连接套筒的底部的法兰盘连接在一起，所述的连接套筒的顶部的法兰盘与所述的圆柱通气管道的底部的法兰盘连接在一起。
3.根据权利要求2所述的一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其特征在于：所述的进水口的高度为所述气室高度的一半，所述的气室底部设置有30°斜坡。
4.根据权利要求2所述的一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其特征在于：所述的气室的顶部的出气口处设有螺纹孔；所述的连接套筒为内部空心的圆台形状。
5.根据权利要求1所述的一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其特征在于：所述的悬臂梁支撑架为两头加宽，中间为椭圆形的梁状结构；所述的悬臂梁固定座设置有夹槽，所述的悬臂梁的顶部通过螺栓固定在所述的悬臂梁固定座的夹槽内。
6.根据权利要求1所述的一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其特征在于：所述的悬臂梁支撑架的两端各有三个通孔；
所述的涡激振动发电结构通过悬臂梁支撑架以螺纹连接的方式固定在悬臂梁的顶端。
7.根据权利要求1所述的一种涡激钝体振动的压电电磁复合波浪浮能装置，其特征在于：所述的涡激钝体上端盖顶部设有夹槽，每个夹槽上设有两个通孔，通过螺栓与悬臂梁的底部连接。
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