CN113676079A - 一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置。内外环桨叶同轴活动套装布置且相对旋转，内外环桨叶间的环形间隙中有沿周向间隔均布的片状磁性压电组件和磁钢，多个磁性压电组件以悬臂梁形式连接在外环桨叶内周面上，磁性压电组件和磁钢磁性排斥配合，磁性压电组件外侧边沿轴向布置；内外环桨叶相对旋转带动磁性压电组件和磁钢相对旋转，进而带动磁性压电组件往复振动运动而产生机械能，再转化成电能。本发明采用压电结构捕获微流能，降低了最低发电流速，双转子结构设计能有效提高微流作用下压电片振荡频率，提高了装置发电效率。

Description

一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置
技术领域
本发明涉及了一种微流能发电装置，具体涉及一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置。
背景技术
海洋观测是研究、开发和利用海洋的基础，也是发展经济、开发海洋资源、开展海洋避险救灾工作必要基础措施。随着“信息时代”的到来和发展，获取、传播、利用海洋信息成为开展所有海洋活动的前提。
然而，目前制约我国建立全面的海洋观测系统，尤其是服务于深远海观测系统的主要瓶颈之一是缺乏有效的能源供给手段，海洋观测装备如海上浮标、自主无人潜水器、水下滑翔机、海底观测网等，其能源供给主要通过锂电池等提供电力供应，然而携带电池的数量和仪器功耗间存在一定的制约关系，其高昂的运营成本限制了我国深远海观测设备的大规模部署。为了延长水下观测装备的工作时间，目前一些研究提出了包括核电池、水下无线能量传输技术等多种技术方向，但是这些方案目前仍不成熟，距离实际应用存在一定的差距。而在近些年来，以海流能、波浪能等为代表的海洋能技术的日渐成熟，为解决这类海洋装备的原位供能提出了一种全新的设计方案，即通过海洋能捕获为水下装备提供供能。
发明内容
为了解决背景技术中存在的基于传统潮流能利用装置低流速微流实用性差的问题，本发明结合了新型压电材料的压电发电特性和设计了一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，装置是一种双转子的捕能结构，可以有效提取低流速微流能；本发明采用压电结构在微流冲击下捕获微流能，降低了最低发电流速，双转子结构设计能有效提高微流作用下压电片振荡频率，提高了装置发电效率。
本发明的技术方案是：
本发明包括外环桨叶、内环桨叶、磁性压电组件和磁钢；内环桨叶活动套装于外环桨叶中间，内环桨叶和外环桨叶同轴布置且相对旋转，内环桨叶和外环桨叶之间存在环形间隙，环形间隙中布置有多个呈片状的磁性压电组件和多个磁钢，多个磁性压电组件沿环形间隙的周向间隔布置，多个磁性压电组件片状的外侧边均以悬臂梁形式固定连接在外环桨叶的内周面上，多个磁钢沿周向间隔均布固定在内环桨叶的外周面上，磁性压电组件和磁钢磁性排斥配合，磁性压电组件片状的外侧边所在的直线沿内环桨叶和外环桨叶轴向方向布置；内环桨叶和外环桨叶相对旋转的同时分别带动磁性压电组件和磁钢相对旋转，由磁钢相对于磁性压电组件的变化移动带动磁性压电组件的内端往复振动运动而产生机械能，再由压电效应变成电能。
所述的磁性压电组件包括压电片、磁钢质量块和压电基底；压电片布置在压电基底上，压电基底的一侧边固定在外环桨叶的内周面，压电基底的另一侧边固定设有一条磁钢质量块，磁钢质量块的长度方向平行于压电基底的另一侧边；磁钢质量块用于和内环桨叶上所固定的磁钢磁性排斥配合。
所述内环桨叶外周面上沿周向间隔设有多个条形槽，每个条形槽沿轴向布置，每个条形槽中安装磁钢。
所述磁钢为沿内环桨叶轴向方向设置的条形块。
所述的磁钢质量块和磁钢之间具有间隙，不接触。
所述的磁钢质量块靠近内环转子一侧为N极，靠近外环转子一侧为S极；磁钢靠近外环转子一侧为N极，紧贴内环转子条形槽一侧为S极。
还包括压电片固定结构，压电基底的一侧边通过压电片固定结构固定在外环桨叶的内周面，压电片固定结构为沿外环桨叶轴向方向设置的条形块。
所述的外环桨叶和内环桨叶的叶片旋向布置相反，使得外环桨叶和内环桨叶在海洋潮流作用下产生的旋转方向相反。
还包括旋转轴、支架结构和顶端固定件，内环桨叶和外环桨叶之间通过旋转轴铰接安装；外环桨叶的中心设有旋转轴，旋转轴外周通过镂空的支架结构和外环桨叶的内周面同轴固定连接，内环桨叶中心设有通孔，旋转轴活动套装在内环桨叶的通孔中，旋转轴的两端均设有顶端固定件，顶端固定件将内环桨叶轴向限位在旋转轴上。
所述的外环桨叶主要由环形外壳和多个叶片构成，多个叶片内端在环形外壳外周面沿圆周间隔布置并固定于环形外壳外周面。
所述的内环桨叶主要由环形内壳和多个叶片构成，多个叶片的外端在环形内壳内周面沿圆周间隔布置并固定于环形内壳内周面，且环形内壳的中心设有孔套，多个叶片的内端沿圆周间隔布置并固定于孔套外周。
所述的内环转子采用阻力型叶片，微流作用下内环转子启动性能更好；外环转子采用升力型叶片，流速更大时，外环转子效率更高，内外环转子相对转动，增加相对转速进而增大了压电片振荡频率。
所述的内环桨叶3D打印一体打印成型。
所述的磁钢由环氧树脂灌封在内环转子部分磁钢槽中。
所述的内环桨叶数量根据需求在3-6片灵活布置，采用阻力型翼型。
所述的外环桨叶数量采用6-12叶片形式，采用升力型翼型。
所述的压电片采用PZT-5H材料，压电片轴向布置3行，圆周数量根据需求在6-12之间灵活布置。
本发明的有益效果：
本发明装置相比其他海洋能源，海底微流能装置，具有能量密度高、可实现原位供能等优势，可以在超低微流流速下实现微流能的提取、存储和利用，对海底用电装备的长期供电具有重要意义；本发明采用压电捕能的发电形式，避免了传统电机结构笨重、力矩大的缺点，增加了低流速下启动性能和捕能效率；本发明采用磁激压电片振动的形式，使得每个压电片具有多稳态，增加了压电片振荡频率，提高了捕能效率；本发明采用内外双转子结构，内环转子阻力型叶片可以在低流速下启动激振压电片；外环转子升力型叶片可以在更高流速下提供更高效率的转动，内外环转子结构形式扩大了流速捕获范围，相向转动提高了相对转动转速，增加了装置捕能效率。
附图说明
图1是本发明整体设计图；
图2是本发明内环转子部分设计图；
图3是本发明外环转子部分设计图；
图4是压电发电部分设计图；
图5是旋转轴和顶端固定件连接图。
图中，1外环桨叶、2内环桨叶、3顶端固定件、4旋转轴、5压电片、6磁钢、7磁钢质量块、8压电片固定结构、9支架结构、10压电基底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的装置包括外环桨叶1、内环桨叶2、磁性压电组件和磁钢6；内环桨叶2活动套装于外环桨叶1中间，内环桨叶2和外环桨叶1同轴布置且相对旋转，内环桨叶2和外环桨叶1之间存在环形间隙，环形间隙中布置有多个呈片状的磁性压电组件和多个磁钢6，多个磁性压电组件沿环形间隙的周向间隔布置，多个磁性压电组件片状的外侧边均以悬臂梁形式固定连接在外环桨叶1的内周面上，磁性压电组件和磁钢6磁性排斥配合，磁性压电组件片状的外侧边所在的直线沿内环桨叶2和外环桨叶1轴向方向布置；外环桨叶1和内环桨叶2的叶片旋向布置相反，外环桨叶1主要由环形外壳和多个叶片构成，多个叶片内端在环形外壳外周面沿圆周间隔布置并固定于环形外壳外周面，外环桨叶1数量采用6-12叶片形式，采用升力型翼型；内环桨叶2主要由环形内壳和多个叶片构成，内环桨叶2由3D打印一体打印成型，多个叶片的外端在环形内壳内周面沿圆周间隔布置并固定于环形内壳内周面，且环形内壳的中心设有孔套，孔套中的孔即为通孔，多个叶片的内端沿圆周间隔布置并固定于孔套外周，内环桨叶2数量根据需求在3-6片灵活布置，采用阻力型翼型；内环桨叶2和外环桨叶1相对旋转的同时分别带动磁性压电组件和磁钢6相对旋转，由磁钢6相对于磁性压电组件的变化移动带动磁性压电组件的内端往复振动运动而产生机械能，再由压电效应变成电能。
如图2所示，磁钢6为沿内环桨叶2轴向方向设置的条形块，内环桨叶2外周面上沿周向间隔设有多个条形槽，每个条形槽沿轴向布置，每个条形槽中由环氧树脂灌封磁钢6。
如图3所示，还包括压电片固定结构8，压电基底10的一侧边通过压电片固定结构8固定在外环桨叶1的内周面，压电片固定结构8为沿外环桨叶1轴向方向设置的条形块，压电片固定结构8上开设有多个螺栓孔，压电基底10的一侧边也开设有多个螺栓孔，压电片固定结构8和压电基底10的螺栓孔相一一对应后通过螺栓连接而使得压电基底10的一侧边固定在外环桨叶1的内周面。
如图1和图4所示，磁性压电组件包括压电片5、磁钢质量块7和压电基底10；压电片5布置在压电基底10上，每组压电片采用悬臂梁结构，压电基底10的一侧边固定在外环桨叶1的内周面，压电基底10的另一侧边固定设有一条磁钢质量块7，压电片5的悬臂梁一端固定磁钢质量块，磁钢质量块7的长度方向平行于压电基底10的另一侧边，压电片5采用PZT-5H材料，压电片5轴向布置3行，圆周数量根据需求在6-12之间灵活布置。
如图2和图4所示，磁钢质量块7和磁钢6之间具有间隙不接触，磁钢质量块7用于和内环桨叶2上所固定的磁钢6磁性排斥配合。磁钢质量块7靠近内环转子一侧为N极，靠近外环转子一侧为S极；磁钢6靠近外环转子一侧为N极，紧贴内环转子条形槽一侧为S极。
如图1、图3和图5所示，还包括旋转轴4、支架结构9和顶端固定件3，内环桨叶2和外环桨叶1之间通过旋转轴4铰接安装；外环桨叶1的中心设有旋转轴4，旋转轴4外周通过镂空的支架结构9和外环桨叶1的内周面同轴固定连接，内环桨叶2中心设有通孔，旋转轴4活动套装在内环桨叶2的通孔中，旋转轴4的两端均设有顶端固定件3，顶端固定件3将内环桨叶2轴向限位在旋转轴4上，使得内环桨叶2在旋转轴4上只能旋转，而无法沿轴向移动，由旋转轴4和顶端固定件3组成中心固定轴，内环桨叶2和外环桨叶1穿过旋转轴4并绕轴转动，顶端固定件3固定在轴一端限定两个转子轴向窜动。
本发明的具体实施工作过程如下：
具体实施中，海洋潮流来流时，由于内环桨叶2和外环桨叶1不同桨叶叶片的旋向设置，带动内环桨叶2和外环桨叶1分别沿顺时针和逆时针旋转，而内环桨叶2和外环桨叶1相对旋转，进而带动磁性压电组件和磁钢6相对旋转。
各个磁性压电组件中的磁钢质量块7和磁钢6沿周向相对旋转，且由于磁钢质量块7和磁钢6磁极极性布置方向相同，进而带动每个磁性压电组件中的磁钢质量块7受磁钢转动影响而产生磁激振变化，引起自身所连接的压电片5往复振动。
最后由于压电片5的压电原理进而将往复振动的机械能转化为电能。
本发明采用压电捕能的发电形式，避免了传统电机结构笨重、力矩大的缺点，增加了低流速下启动性能和捕能效率；采用磁激压电片振动的形式，使得每个压电片具有多稳态，增加了压电片振荡频率，提高了捕能效率；采用内外双转子结构，内环转子阻力型叶片可以在低流速下启动激振压电片；外环转子升力型叶片可以在更高流速下提供更高效率的转动，内外环转子结构形式扩大了流速捕获范围，相向转动提高了相对转动转速，增加了装置捕能效率。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：包括外环桨叶(1)、内环桨叶(2)、磁性压电组件和磁钢(6)；内环桨叶(2)活动套装于外环桨叶(1)中间，内环桨叶(2)和外环桨叶(1)同轴布置且相对旋转，内环桨叶(2)和外环桨叶(1)之间存在环形间隙，环形间隙中布置有多个呈片状的磁性压电组件和多个磁钢(6)，多个磁性压电组件沿环形间隙的周向间隔布置，多个磁性压电组件片状的外侧边均以悬臂梁形式固定连接在外环桨叶(1)的内周面上，多个磁钢(6)沿周向间隔均布固定在内环桨叶(2)的外周面上，磁性压电组件和磁钢(6)磁性排斥配合，磁性压电组件片状的外侧边所在的直线沿内环桨叶(2)和外环桨叶(1)轴向方向布置；内环桨叶(2)和外环桨叶(1)相对旋转的同时分别带动磁性压电组件和磁钢(6)相对旋转，由磁钢(6)相对于磁性压电组件的变化移动带动磁性压电组件的内端往复振动运动而产生机械能，再由压电效应变成电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述磁性压电组件包括压电片(5)、磁钢质量块(7)和压电基底(10)；压电片(5)布置在压电基底(10)上，压电基底(10)的一侧边固定在外环桨叶(1)的内周面，压电基底(10)的另一侧边固定设有一条磁钢质量块(7)，磁钢质量块(7)的长度方向平行于压电基底(10)的另一侧边；磁钢质量块(7)用于和内环桨叶(2)上所固定的磁钢(6)磁性排斥配合。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述内环桨叶(2)外周面上沿周向间隔设有多个条形槽，每个条形槽沿轴向布置，每个条形槽中安装磁钢(6)。
4.根据权利要求2所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述的磁钢质量块(7)和磁钢(6)之间具有间隙，不接触。
5.根据权利要求2所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述的磁钢质量块(7)靠近内环转子一侧为N极，靠近外环转子一侧为S极；磁钢(6)靠近外环转子一侧为N极，紧贴内环转子条形槽一侧为S极。
6.根据权利要求2所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：还包括压电片固定结构(8)，压电基底(10)的一侧边通过压电片固定结构(8)固定在外环桨叶(1)的内周面，压电片固定结构(8)为沿外环桨叶(1)轴向方向设置的条形块。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述的外环桨叶(1)和内环桨叶(2)的叶片旋向布置相反，使得外环桨叶(1)和内环桨叶(2)在海洋潮流作用下产生的旋转方向相反。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：还包括旋转轴(4)、支架结构(9)和顶端固定件(3)，内环桨叶(2)和外环桨叶(1)之间通过旋转轴(4)铰接安装；外环桨叶(1)的中心设有旋转轴(4)，旋转轴(4)外周通过镂空的支架结构(9)和外环桨叶(1)的内周面同轴固定连接，内环桨叶(2)中心设有通孔，旋转轴(4)活动套装在内环桨叶(2)的通孔中，旋转轴(4)的两端均设有顶端固定件(3)，顶端固定件(3)将内环桨叶(2)轴向限位在旋转轴(4)上。
9.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述的外环桨叶(1)主要由环形外壳和多个叶片构成，多个叶片内端在环形外壳外周面沿圆周间隔布置并固定于环形外壳外周面。
10.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的双转子微流能捕能发电装置，其特征在于：所述的内环桨叶(2)主要由环形内壳和多个叶片构成，多个叶片的外端在环形内壳内周面沿圆周间隔布置并固定于环形内壳内周面，且环形内壳的中心设有孔套，多个叶片的内端沿圆周间隔布置并固定于孔套外周。
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