CN112332699A - 一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，属于水力发电及低功耗新能源技术领域。由增压管道、主管道、底座、顶盖、塑料薄膜、压电叠堆、力学放大器、压电框架和密封胶圈组成。增压管道与主管道通过螺纹相连接，增压管道与主管道之间安装有密封胶圈，压电叠堆粘贴在压电框架上，并与力学放大器通过粘贴连接在一起，力学放大器通过螺柱固定在主管道上方。当水流通过增压管道时，会使管道压力脉动增加，压力脉动传递到塑料薄膜上，使之产生振动，振动通过力学放大器后传递到压电叠堆上，使压电叠堆产生形变，产生电能。本发明增大了管道压力脉动，放大由压力脉动所产生的振动幅值，提高能量收集效率，装置结构简单，成本较低且易于推广。
Description
技术领域
本发明为一种基于管道水流压力脉动的水能俘获装置，可有效采集管道中的水能并转化为电能，属于水力发电及低功耗新能源技术领域。
背景技术
随着信息及电子技术的飞速发展,已有大量的无线传感器产品问世,但无线传感器的供能问题仍然是亟待解决的问题,现有的无线传感器依然采用电池供电的传统供能方式,而传统供能方式存在电池寿命短、需要经常更换等缺点。为克服传统供能的缺点,人们发现从环境中直接获取能量、供能是一种很好的替代方法。收集技术形式多种多样,这主要与其应用环境和能量供给方式有关,当然不同的能量收集技术的供能水平也参差不齐，光能、热能、风能和生物组织的生化能等都是自供能的能量来源，但是这些能源都受到其环境和应用场合的限制,并且能够提供的能量都很低,很难满足电子设备的功能要求。
振动在环境中无处不在,与其他能量收集方式相比应用范围更广泛。在流体管道中，压力脉动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他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，为了对流体管道中的压力脉动进行利用开发，需要一种用于收集管道压力脉动所产生的振动能的能量采集装置。
公开号为CN 107707151 A，标题为“一种应用于管道流体监测的压电俘能器”的发明公开了一种利用管道水流发电的压电俘能装置。该发明通过管道水流冲击叶轮，使叶轮转动，进而带动永磁体转动，使压电振子产生挠度，从而压电片发生变形。该发明工艺简单，成本低，但是叶轮两侧同时承受水流冲击，叶轮转动方向不稳定且不平衡，发电效果并不理想。
公开号为CN 110752776 A，标题为“一种伸缩式管道流俘能器”的发明公开了一种利用管道水流发电的压电俘能装置。该发明利用弹簧的弹力与水流的冲击力形成动态平衡，利用凸轮使压电片产生变形发电。该发明较容易达到平衡状态，但达到平衡后不易产生振动，压电片变形量小，发电能力一般。
公开号为CN 107359819 A，标题为“一种管道流俘能器”的发明公开了一种利用管道水流涡激振动发电的压电俘能装置。该发明通过水流冲击钝体，使钝体振动，带动与钝体相连的凸轮摆动，进而使压电片产生弯曲，产生电能。但该发明在低流速时不易产生振动，无法产生足够的电能。
本发明与发明专利公开号为CN 107707151 A，公开号为CN 107707151 A，公开号为CN 107359819 A的本质区别是：1.本发明具有增压装置，能增大管道水流压力脉动，增大压电片的振动幅值和频率。2.本发明的发电装置在管道外部，不占用管道内部空间，不会对管道中的水流造成扰动。3.本发明使用的力学放大器，能够有效的将管道水流的压力脉动所产生的振动转换为作用在压电叠堆上的激振力，进而使压电叠堆产生更大的变形，提高发电效率。
本发明为了克服以上缺点，提出一种能够在水流管道中稳定发电，有较长使用寿命，具有增压功能且能够使压电叠堆发生大幅度振动，机械结构简单、方便快捷的水能俘获装置。
发明内容
本发明的目的是由于现有水能俘获装置存在工作环境不稳定、装置易损坏、发电量小、电压输出不稳定及能量转化效率低等技术缺陷，提出一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置。
一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，包括增压装置、主管道、塑料薄膜、导流槽、力学放大器、压电框、压电叠堆、底座、顶盖、螺柱、螺母、正极导线、负极导线、传导柱、密封胶圈A和密封胶圈B；
其中，增压装置、主管道、力学放大器、压电框、底座、顶盖、传导柱、密封胶圈A和密封胶圈B的数量均为1个；正极导线和负极导线的数量均为1根；塑料薄膜的数量为1片；压电叠堆有两块；螺柱为4根；螺母为4个；导流槽为12片。
各个模块的安装及连接关系如下：增压装置与主管道进水口通过螺纹相连，增压装置与主管道之间安装有密封胶圈A；主管道出水口通过焊接安装有导流槽；主管道正上方开有阶梯孔，塑料薄膜粘贴在阶梯孔小孔颈处，塑料薄膜上方紧贴密封胶圈B；密封胶圈B与底座相连；传导柱通过粘贴安装在塑料薄膜上，穿过底座中间的圆柱孔与力学放大器底端通过粘贴相连；底座上方安装有力学放大器；力学放大器顶端与顶盖相连，并通过螺柱固定在底座上；底座通过螺柱固定在主管道上，并压紧密封胶圈B，使塑料薄膜紧贴在阶梯孔上；力学放大器与压电框通过粘贴连接；压电叠堆粘贴在压电框上；正极导线和负极导线与压电叠堆相连；正极导线与负极导线并联连接至能量储存装置。
增压装置由进水管道、增压管道、进气管、柱状体和隔板组成，进水管道直径略大于增压管道直径，当水流从较大直径的进水管道进入到较小直径的增压管道时，会在孔径变化剧烈位置处形成局部低压，在低压位置处开有两个进气孔，进气孔通过两个进气管与空气相连，此时产生的局部低压会低于大气压，空气经过进气管与进气孔被吸入到增压管道中，使管道中的水流压力脉动增加。
增压装置开有两个进气管，两个进气管分别位于增压管道中轴线两侧，对称分布，分别距管道中间对称面约十二分之一圆周处，与中轴线约呈60°角；所述的进气管一端与进气孔相连，末端封闭，中部另开有进气孔，且进气孔装有挡板，防止水流溅出或防止异物进入管道；增压管道中间有垂直安装的挡板，挡板中间有柱状体，用于减小增压管道空间，增大管道压力脉动，且有扰流功能。
力学放大器由滑轨、侧边块、连接梁、顶块、滑动块、接触梁组成的；
其中，顶块和滑动块的数量均为1个；接触梁和侧边块的数量均为2个；滑轨的数量为4根；连接梁的数量为8根。
力学放大器各部位的安装及连接关系如下：侧边块与连接梁通过铰链相连，与侧边块上部相连的连接梁与顶块通过铰链相连，与侧边块下部相连的连接梁与滑动块通过铰链相连，滑轨上部与顶块通过过盈配合连接，滑轨下部与滑动块通过间隙配合连接，保证滑动块可以在滑轨上顺利滑动，滑轨底部与底座通过粘贴相连，用于支撑力学放大器，接触梁与侧边块通过粘贴相连；
其工作过程如下：传导柱将水流压力脉动引起的振动传递给力学放大器滑动块，滑动块沿导轨上下滑动，带动接触梁的横向位置发生变化，进而使与接触梁相连的压电叠堆产生变形，产生电能。
主体管道出水口安装有导流槽。
本压电俘能装置中各个模块的功能为：增压装置使水流中混入空气，增加管道水流压力脉动；传导柱将管道中的水流压力脉动传递给力学放大器；力学放大器将管道中水流产生的振动经过放大并传递给压电叠堆，相应的提高压电叠振动的幅值与频率，使装置能量收集效率增加；主管道出水口处的导流槽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。
本压电俘能装置的工作过程为：向增压装置进水管道通入水，经过增压管道后水流压力脉动增大，压力脉动通过主管道上方的塑料薄膜和传导柱传递到力学放大器上，使其产生振动，振动经过力学放大器放大并传递到压电叠堆上，进而使压电叠堆上的压电层产生形变，最终产生电能。
力学放大器、压电框架均由轻质塑料制成。
每块压电叠堆均由M个基础层和N个压电层组成，M和N不相等，且均大于等于6的整数，基础层由不锈钢制成，压电层由压电陶瓷制成。
压电叠堆的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。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明所采用的增压装置可有效增大管道水流的压力脉动，相应提高压电叠堆振动的幅值与频率，增加能量收集效率。
2、本发明所采用的增压装置具有两个对称分布的进气管，且进气管末端封闭，中部另开有进气孔，且进气孔装有挡板，防止水流溅出或防止异物进入管道；
增压管道中间有垂直安装的挡板，挡板中间有柱状体，用于减小增压管道空间，增大管道压力脉动，且具有扰流功能。
3、本发明所采用的力学放大器与压电框经过拓扑结构优化，能够有效的将管道水流的压力脉动所产生的振动转换为作用在压电叠堆上的激振力，进而使压电叠堆产生更大的变形，提高电能输出。
4、本发明所采用的导流槽可以对管道中的增压水流进行整流，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。
5、本发明所采用的机械结构简单，制造容易且成本低，安装简便，易于推广。
附图说明
图1是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置的立体结构示意图；
图2是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中增压装置结构示意图；
图3是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中增压装置剖视图；
图4是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中力学放大器结构示意图；
图5是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中压电框架结构示意图；
图6是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中力学放大器与压电框装配示意图；
图7是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中压电叠堆结构示意图；
图8是本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中主管道剖视图。
图中，1为顶盖，2为螺母，3为螺柱，4为压电框，5为压电叠堆，6为力学放大器，其中，601为顶块，602为连接梁，603为滑轨，604为侧边块，605为滑动块，606为接触梁，7为传导柱，8为底座，9为塑料薄膜，10为导流槽，11为密封胶圈B， 12为导主管道，13为密封胶圈A，14为增压装置，其中，1401为进水管道，1402为进气管挡板，1403为进气管，1404为增压管道，1405为挡板，1406为柱状体，15为基础层，16为压电层，17为正极导线，18为负极导线。
具体实施方案
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案对本发明作进一步详细地描述，该实施仅用于解释本发明，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具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置。
图1展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置的具体组成构件。
图1中展示出的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置包括，1为顶盖，2为螺母，3为螺柱，4为压电框，5为压电叠堆，6为力学放大器，其中，601为顶块，602为连接梁，603为滑轨，604为侧边块，605为滑动块，606为接触梁，7为传导柱，8为底座，9为塑料薄膜，10为导流槽，11为密封胶圈B，12为主管道，13为密封胶圈A，14为增压装置，其中，1401为进水管道，1402为进气管挡板，1403为进气管，1404为增压管道，1405为挡板，1406为柱状体，15为基础层，16为压电层，17为正极导线，18为负极导线。
其中，顶盖1、压电框4、力学放大器6、传导柱7、底座8、密封胶圈B11、主管道12、密封胶圈A13和增压装置14的数量均为1个；正极导线17和负极导线18的数量均为1根；塑料薄膜9的数量为1片；压电叠堆5有两块；螺柱3为4根；螺母2为4个；导流槽10为12片。
从图1中可以看出，增压装置14与主管道12进水口通过螺纹相连，增压装置14与主管道12之间安装有密封胶圈A13；主管道12出水口通过焊接安装有导流槽10；主管道12正上方开有阶梯孔，塑料薄膜9粘贴在阶梯孔小孔颈处，塑料薄膜9上方紧贴密封胶圈B11；密封胶圈B11与底座8相连；传导柱7通过粘贴安装在塑料薄膜9上，穿过底座8中间的圆柱孔与力学放大器6底端通过粘贴相连；底座8上方安装有力学放大器6；力学放大器6顶端与顶盖1相连，并通过螺柱3固定在底座8上；底座8通过螺柱3固定在主管道12上，并压紧密封胶圈B11，使塑料薄膜9紧贴在阶梯孔上；力学放大器6与压电框4通过粘贴连接；压电叠堆5粘贴在压电框4上。
图2展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中增压装置的结构示意图。
从图2中可以看出，增压装置14由进水管道1401、进气管挡板1402、进气管143、增压管道1404、隔板1405、柱状体1406组成，进水管道1401直径略大于增压管道1404直径，当水流从较大直径的进水管道1401进入到较小直径的增压管道1404时，会在孔径变化剧烈位置处形成局部低压，在低压位置处开有两个进气孔，进气孔通过两个进气管1403与空气相连，此时产生的局部低压会低于大气压，空气经过进气管1403与进气孔被吸入到增压管道1404中，使管道中的水流压力脉动增加。
增压装置14开有两个进气管1403，两个进气管1403分别位于增压管道1404中轴线两侧，对称分布，分别距管道中间对称面约十二分之一圆周处，与中轴线约呈60°角；所述的进气管1403一端与进气孔相连，末端封闭，中部另开有进气孔，且进气孔装有挡板1402，防止水流溅出或防止异物进入管道；增压管道1404中间有垂直安装的隔板1405，隔板1405中间有柱状体1406，用于减小增压管道1404的管内空间，增大管道压力脉动，且有扰流功能。
图3展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中增压装置14剖视图。
图4展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中力学放大器6的结构示意图。
图4中展示的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中的力学放大器6是由顶块601、连接梁602、滑轨603、侧边块604、滑动块605、接触梁606组成的；
其中，顶块601和滑动块605的数量均为1个；接触梁606和侧边块604的数量均为2个；滑轨603的数量为4根；连接梁602的数量为8根。
从图4中可以看出，侧边块604与连接梁602通过铰链相连，与侧边块604上部相连的连接梁602与顶块601通过铰链相连，与侧边块604下部相连的连接梁602与滑动块605通过铰链相连，滑轨603上部与顶块601通过过盈配合连接，滑轨603下部与滑动块605通过间隙配合连接，保证滑动块605可以在滑轨603上顺利滑动，滑轨603底部与底座8通过粘贴相连，用于支撑力学放大器6，接触梁606与侧边块604通过粘贴相连；
力学放大器6的工作过程如下：传导柱7将水流压力脉动引起的振动传递给力学放大器滑动块605，滑动块605沿滑轨603上下滑动，带动接触梁606的横向位置发生变化，进而使与接触梁606相连的压电叠堆5产生变形，产生电能。
图5展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中压电框架的结构示意图。
从图5中可以看出，压电叠堆5通过粘贴安装在压电框4上。
图6展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中力学放大器与压电框的装配示意图。
从图6中可以看出，压电叠堆5与压电框相连，压电叠堆中间部位通过粘贴安装在力学放大器6的接触梁606上；力学放大器、压电框架均由轻质塑料制成。
图7展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中压电叠堆的结构示意图。
从图7中可以看出，压电叠堆是由基础层15、压电层16、正极导线17、负极导线18组成的；基础层15与压电层16交错叠堆，正极导线17与压电层16相连，负极导线18与基础层15相连。
图8展示了一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置中主管道的剖视图。
从图8中可以看出，主管道12上方开有阶梯孔，塑料薄膜9粘贴在阶梯孔小孔径处，上方安装有密封胶圈B11；主管道12出水口安装有导流槽10。
综上所述，本发明一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置与常见的水能俘获装置相比，能够有效利用管道中中水流产生的压力脉动，利用压力脉动产生低频振动，对振动的幅值进行放大，提高能量采集效率，装置结构简单、使用寿命长且易于推广
尽管以上结合附图对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，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，任何在本发明的思路和原则之内所作的任何改变、修改、替换和变型等，均属于本发明的权力要求保护范畴。
Claims (12)
1.一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于：包括增压装置、主管道、塑料薄膜、导流槽、力学放大器、压电框、压电叠堆、底座、顶盖、螺柱、螺母、正极导线、负极导线、传导柱、密封胶圈A和密封胶圈B；
其中，增压装置、主管道、力学放大器、压电框、底座、顶盖、传导柱、密封胶圈A和密封胶圈B的数量均为1个；正极导线和负极导线的数量均为1根；塑料薄膜的数量为1片；压电叠堆有两块；螺柱为4根；螺母为4个；导流槽有12片。
2.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，各个模块的安装及连接关系如下：增压装置与主管道进水口通过螺纹相连，增压装置与主管道之间安装有密封胶圈A；主管道出水口通过焊接安装有导流槽；主管道正上方开有阶梯孔，塑料薄膜粘贴在阶梯孔小孔颈处，塑料薄膜上方紧贴密封胶圈B；密封胶圈B与底座相连；传导柱通过粘贴安装在塑料薄膜上，穿过底座中间的圆柱孔与力学放大器底端通过粘贴相连；底座上方安装有力学放大器；力学放大器顶端与顶盖相连，并通过螺柱固定在底座上；底座通过螺柱固定在主管道上，并压紧密封胶圈B，使塑料薄膜紧贴在阶梯孔上；力学放大器与压电框通过粘贴连接；压电叠堆粘贴在压电框上；正极导线和负极导线与压电叠堆相连；正极导线与负极导线并联连接至能量储存装置。
3.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，所述的增压装置由进水管道、进气管挡板、进气管、增压管道、隔板、柱状体组成，进水管道直径略大于增压管道直径，当水流从较大直径的进水管道进入到较小直径的增压管道时，会在孔径变化剧烈位置处形成局部低压，在低压位置处开有两个进气孔，进气孔通过两个进气管与空气相连，此时产生的局部低压会低于大气压，空气经过进气管与进气孔被吸入到增压管道中，使管道中的水流压力脉动增加。
4.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，所述的增压装置开有两个进气管，两个进气管分别位于增压管道中轴线两侧，距中轴线约十二分之一圆周处，与中轴线约呈60°角；所述的进气管一端与进气孔相连，末端封闭，中部另开有进气孔，且进气孔装有挡板，防止水流溅出或防止异物进入管道；增压管道中间有垂直安装的挡板，挡板中间有柱状体，用于减小增压管道的空间，增大管道压力脉动，且有扰流功能。
5.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，所述的力学放大器由滑轨、侧边块、连接梁、顶块、滑动块、接触梁组成的；
其中，顶块和滑动块的数量均为1个；接触梁和侧边块的数量均为2个；滑轨的数量为4根；连接梁的数量为8根。
6.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，所述的力学放大器各部位的安装及连接关系如下：侧边块与连接梁通过铰链相连，与侧边块上部相连的连接梁与顶块通过铰链相连，与侧边块下部相连的连接梁与滑动块通过铰链相连，滑轨上部与顶块通过过盈配合连接，滑轨下部与滑动块通过间隙配合连接，保证滑动块可以在滑轨上顺利滑动，滑轨底部与底座通过粘贴相连，用于支撑力学放大器，接触梁与侧边块通过粘贴相连；
其工作过程如下：传导柱将水流压力脉动引起的振动传递给力学放大器滑动块，滑动块沿导轨上下滑动，带动接触梁的横向位置发生变化，进而使与接触梁相连的压电叠堆产生变形，产生电能。
7.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，主体管道出水口安装有导流槽。
8.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，本压电俘能装置中各个模块的功能为：增压装置使水流混入空气，增加管道水流压力脉动；传导柱将管道中的水流压力脉动传递给力学放大器；力学放大器将管道中水流产生的振动经过放大并传递给压电叠堆，相应的提高压电叠振动的幅值与频率，使装置能量收集效率增加；主管道出水口处的导流槽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。
9.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，本压电俘能装置的工作过程为：向增压装置进水管道通入水，经过增压管道后水流压力脉动增大，压力脉动通过主管道上方的塑料薄膜和传导柱传递到力学放大器上，使其产生振动，振动经过力学放大器放大并传递到压电叠堆上，进而使压电叠堆上的压电层产生形变，最终产生电能。
10.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，力学放大器、压电框架均由轻质塑料制成。
11.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，每块压电叠堆均由M个基础层和N个压电层组成，M和N不相等，且均大于等于6的整数，基础层由不锈钢制成，压电层由压电陶瓷制成。
12.根据权力要求1所述的一种具有增压装置的管道压力脉动能量采集装置，其特征在于，压电叠堆的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。
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| WO2016108338A1 (ko) * | 2014-12-29 | 2016-07-07 | 노츠 주식회사 | 배관을 이용한 재생 에너지 수집 장치 및 시스템 |
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