CN115306627A - 一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源发电技术领域，且公开了一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，包括振动系统；传动系统；能量采集系统，振动系统上的振子采用三棱柱振子，三棱柱振子的两端分别固定设有端板，两个端板之间刚性连接有传动结构，传动结构固定在线性滑轨上；传动结构上刚性连接有一块钢板，钢板上焊有销轴和弹簧挂钩，振动系统通过销轴、连杆、连杆轴颈实现与传动系统也就是曲轴相连接。本发明结合曲轴的工作原理，利用了曲轴中的曲柄能同时连接多个振动系统，有效的提高了发电装置的发电特性，大幅降低了发电装置的成本，提高了能量转化效率，增强了原有发电装置的适用范围。

Description

一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体是一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置。
背景技术
近年来，能源储备已经成为影响各国发展的关键问题。我国地处太平洋西北部，近海海域包括渤海、黄海、东海以及南海，海域十分辽阔，同时受热带亚热带季风影响，海洋洋流能源规模庞大、分布广泛、蕴藏量十分丰富，海洋洋流优势备受我国能源开发者青睐。
天津大学团队成功研制了一种新型的三棱柱振子单自由度振动能量收集系统——FIMECS(Flow Induced Motion Energy Conversion System)，充分地将流致振动与海流能开发技术相结合，FIMECS发电装置就是从流致振动现象出发，利用振动机械能，有效的转化为电能。然而，FIMECS装置具有显著缺陷：FIMECS振动发电装置采用三棱柱振子单自由度振动发电，振子间相互独立，故每套FIMECS系统均须配备一套传动、发电、传电及变频设备；同时，由于振动一致性差，导致变频成本高，不利于上网流通。可见，上述缺陷极大的降低了FIMECS振动发电装置的工程经济性与实用性。
曲轴是发动机中最重要的部件，它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发电机工作。曲轴的设计模型主要由曲轴前端、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重、曲轴后端等组成。主轴颈与连杆一端连接，连杆另一端与滑板上销轴连接，是一个典型的曲柄滑块机构。滑板驱动连杆做周期运动，连杆带动连杆轴颈和曲柄以主轴颈为中心做旋转运动，通过这一传动结构可以将滑板的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动。为此，针对FIMECS单振子发电设备的根本问题，并结合曲轴的工作原理，本发明提出一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，本发明提供了一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，具有提高了能量转化效率，增强了原有发电装置的适用范围与工程实用性的优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，包括振动系统；传动系统；能量采集系统，振动系统上的振子采用三棱柱振子，三棱柱振子的两端分别固定设有端板，两个端板之间刚性连接有传动结构，传动结构固定在线性滑轨上；传动结构上刚性连接一块钢板，钢板上焊有销轴和弹簧挂钩，振动系统通过销轴、连杆、连杆轴颈实现与传动系统也就是曲轴相连接；
传动系统包括连杆，连杆的一端连接设有销轴，销轴的一端焊接在振动系统上的传动结构的钢板上；
能量采集系统包括齿轮，其中齿轮连接在传动系统；
通过三棱柱振子被水流冲击时发生流致振动，进而带动端板以及传动结构移动，从而带动销轴移动，通过传动系统将三棱柱振子的振动转换为齿轮的转动，通过能量采集系统对齿轮产生的能量进行收集。
进一步的，振动系统中的三棱柱振子材料选用耐腐蚀材料，且相较于其他非流线型截面形状的振子有优越的发电特性。
进一步的，振动系统通过销轴带动连杆做往复圆周运动，连杆远离销轴的一端连接设有曲柄，曲柄上连接设有主轴颈。
进一步的，曲柄能够根据实际工况来调节相互之间的间距。
进一步的，主轴颈与齿轮之间相互连接，且齿轮通过齿轮轴连接在电磁发电机上。
进一步的，电磁发电机为直流发电机。
进一步的，电磁发电机在齿轮的转动下单向转动工作，以此发出直流电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、利用了曲轴中的曲柄能同时连接多个振动系统，有效的提高了发电装置的发电特性，大幅降低了发电装置的成本，提高了能量转化效率，增强了原有发电装置的适用范围与工程实用性。
2、该装置能有效提高流致振动发电效率，并解决单振子振动发电装置存在的明显缺陷；同时，该装置采用发动机上的重要部件曲轴作为装置的传动系统，曲轴能同时连接多个振动系统，且可以随意改变振动系统之间的间距，降低制造成本，提高发电质量，增强流致振动发电的经济性与工程适用性。
附图说明
图1为本发明一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置的整体结构示意图；
图2为本发明传动结构的连接结构示意图；
图3为本发明曲轴的结构示意图；
图4为本发明电磁发电机和位移及电压采集系统之间的连接结构示意图。
附图说明：1、振动系统；2、传动系统；3、能量采集系统；4、承力结构；5、磁致位移传感器；6、端板；7、传动结构；8、弹簧；9、弹簧挂钩；10、线性滑轨；11、三棱柱振子；12、连杆轴颈；13、主轴颈；14、曲柄；15、销轴；16、连杆；17、电磁发电机；18、齿轮；19、电能输出线；20、供电电源；21、励磁电流输入线；22、负荷电阻；23、位移及电压采集系统组成。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置包括振动系统1；传动系统2；能量采集系统3，振动系统1上的振子采用三棱柱振子11，三棱柱振子11的两端分别固定设有端板6，两个端板6彼此靠近的一端上滑动设有传动结构7，传动结构7与传动系统2连接。
三棱柱振子11选用碳纤维等其他耐火材料制成，且相较于其他非流线型截面形状的振子有优越的发电特性，各个三棱柱振子11间隔(距离)依次布置在水槽内，其中各个三棱柱振子11之间的间隔能够根据实际的使用情况进行调整。三棱柱振子11和端板6相连接，传动系统2还包括承力结构4，承力结构4与能量采集系统3相互连接，且在此实施例中，承力结构4的形状为板状材料，承力结构4上贯穿设有磁致位移传感器5，通过磁致位移传感器5能够对传动结构7实际的位移量进行记录，承力结构4远离能量材料系统3的一端固定设有两个线性滑轨10，线性滑轨10上滑动设有传动结构7，传动结构7与端板6之间固定连接，在此实施例中，传动结构7包括竖直放置的板状结构，且磁致位移传感器5未与传动结构7连接或抵触，即磁致位移传感器5位于传动结构7的一侧，传动结构7沿端板长度方向分布的两端分别固定设有弹簧8，传动结构7一侧的弹簧8远离传动结构7的一端固定连接在承力结构4上，传动结构7另一侧的弹簧8远离传动结构7的一端固定连接在横杆上，其中横杆沿长度方向分布的两端固定连接在线性滑轨10上，从而当传动结构7沿着线性滑轨10移动时，带动弹簧8进行伸缩移动，方便协助传动结构7带动主轴颈13进行转动，从而带动齿轮18转动，使得齿轮18将转动力将能源存放在能源采集系统3内，其中为了方便弹簧8与传动结构7之间的连接稳定，进而在传动结构7上固定设有弹簧挂钩9，使得靠近传动结构7一端的弹簧8连接在弹簧挂钩9上，需要说明的是，上述装置使用的材料均选用市场上的常见材料即可，在此不对材料的组成成分进行赘述。
振动系统1的上侧为传动系统2，其中传动系统2包括主轴颈13，主轴颈13横跨若干承力结构4，且主轴颈13上连接设有若干曲柄14，相邻的两个曲柄14之间固定设有连杆轴颈12，连杆轴颈12在空间上位于两个承力结构4之间，连杆轴颈12的中心位置转动设有连杆16，通过上述的装置共同组成曲轴，通过连杆16的移动，能够带动曲柄14以及主轴颈13进行转动，同时需要说明的是，为了减少在制造装置时额外对曲轴进行加工处理，进而在此实施例中曲轴根据实际工况的需要在市场上选用常见的即可。
传动系统2和能量采集系统3相连接，电磁发电机16选配直流发电机，电磁发电机16上转动连接有齿轮18，其中电磁发电机16上连接有电能输出线19，电能输出线19远离电磁发电机16的一端连接设有位移及电压采集系统23，电能输出线19上连接有负荷电阻22，通过负荷电阻22对电磁发电机17的产生的电流在运输过程进行保护，从而避免电流较大时对位移及电压采集系统23造成损坏，供电电源20通过励磁电流输入线21与齿轮18连接，当水流流过水槽，导致四个三棱柱振子11发生流致振动，各自的振动系统1上下振动带动传动系统2的主轴颈13单向转动，主轴颈13通过齿轮18与发电机转子连接。通过如图的传动装置7实现了无论三棱柱振子11向哪个方向旋转，都能实现电磁发电机17的单向转动工作，从而发出直流电源。三棱柱振子11与三棱柱振子11各自连接的振动装置、传动装置都按如图所示布置在水槽上，工作机制完全相同。下面详细阐述最佳实施方式。
当水流流过水槽，导致四个三棱柱振子11发生流致振动，四个三棱柱振子11带动各自的端板6上下振动，各自的端板6通过各自的传动结构7沿各自线性滑轨10带着钢板进行上下滑动，销轴15焊接在钢板上通过下部连杆轴颈12和连杆16连接，连杆16通过上部连杆轴颈12和曲柄14连接，销轴15上下振动通过连杆16上下两部分的连杆轴颈12来带动连杆16做往复周期运动，同时带动弹簧8进行往复伸缩运动，连杆16带动上部连杆轴颈12和曲柄14以主轴颈13为中心做旋转运动，转动的主轴颈13通过齿轮18带动发电机转子转动，从而带动电磁发电机17产生直流电能，使得直流电通过电能输出线19将电能输入至位移及电压采集系统23，并且在直流电输送的过程中，通过负荷电阻22对位移及电压采集系统23进行保护。上述所述过程也就是整个发电装置的发电过程，振动系统1通过销轴15和连杆16将振子由于流致振动现象所产生的上下振动转换为传动系统2也就是曲轴的往复圆周运动，对外做工并且通过齿轮带动发电机运转来输出电能，进一步的体现了该发明装置的创新点运用曲轴的工作原理：它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发电机工作，把曲轴当作本发明装置的传动系统，有效的提高了发电装置的发电特性，提高了能量转化效率，增强了原有发电装置的适用范围与工程实用性。本装置的传动系统2也就是曲轴可以根据装置之间的间距来选择适合的尺寸，也就是说本装置的装置之间的间隔可以根据实际工况任意规定。
并且采用三棱柱形状截面的三棱柱振子11，三棱柱形状截面的振子相较于其他非流线型截面形状的振子有更优越的发电特性；更为优越的一点是在传动板内，可设置一对振子，进一步提高对水流能的利用效率，同时节省空间、保证各设备合理布局。本装置的传动系统2，能量收集系统3均放在承力结构4的上方接触不到海水，防止海水的侵蚀，延长装置的工作寿命。本装置采用的传动系统2(曲轴)便于拆卸，提高调节系统的刚度，更加保证了装置运行的稳定性；同时传动系统2中的曲柄数量有多种选择，可以同时连接多个振动系统1，且可以随意改变振动系统1之间的间距，能充分满足实际工程中所需要的发电量。本装置的整体框架结构和承力结构4固定在相应的水槽中，大大加强了装置的稳定性，保证了发电装置的安全与稳定。本装置在安装与检修方面也具有突出的优势，本装置的振动系统1、传动系统2、能量收集系统3之间的安装十分简便，各个系统在工作和检修的过程中相互扰动小，同时使得装置的初始安装和后续保养检修更加方便高效，增强了工程实用性。
并且该装置整体框架结构，振动系统1、传动系统2和能量收集系统3结构设计简单，易于制造，便于拆卸更替，并且只需要一台发电机，降低了制造与安装成本，具有良好的经济适用性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，包括振动系统；传动系统；能量采集系统，其特征在于：所述振动系统上的振子采用三棱柱振子，所述三棱柱振子的两端分别固定设有端板，两个端板之间刚性连接有传动结构，所述传动结构固定在线性滑轨上；
所述传动结构上刚性连接有一块钢板，钢板上焊有销轴和弹簧挂钩，所述传动结构通过销轴、连杆、连杆轴颈与传动系统也就是曲轴相连接；
所述传动系统包括连杆，所述连杆的一端连接设有销轴，所述销轴的一端连接在振动系统上的传动结构上；
所述能量采集系统包括齿轮，其中所述齿轮连接在传动系统；
通过所述三棱柱振子被水流冲击时发生流致振动，进而带动所述端板以及传动结构移动，从而带动销轴转动，通过传动系统将三棱柱振子的振动转换为齿轮的转动，通过所述能量采集系统对齿轮产生的能量进行收集。
2.根据权利要求1所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述振动系统中的三棱柱振子材料选用耐腐蚀材料，且相较于其他非流线型截面形状的振子有优越的发电特性。
3.根据权利要求1所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述振动系统通过销轴带动连杆做往复圆周运动，所述连杆远离销轴的一端连接设有曲柄，所述曲柄上连接设有主轴颈。
4.根据权利要求3所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述曲柄能够根据实际工况来调节相互之间的间距。
5.根据权利要求3所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述主轴颈与齿轮之间相互连接，且所述齿轮通过齿轮轴连接在电磁发电机上。
6.根据权利要求5所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述电磁发电机为直流发电机。
7.根据权利要求6所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述电磁发电机在所述齿轮的转动下单向转动工作，以此发出直流电源。
8.根据权利要求1所述的一种基于曲轴原理流致振动多振子联动发电装置，其特征在于：所述传动结构沿端板长度方向分布的两端分别固定设有若干弹簧。
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