CN203225643U

CN203225643U - 漂浮式发电设备

Info

Publication number: CN203225643U
Application number: CN 201320135628
Authority: CN
Inventors: 张平; 韦美雁; 郭美珍
Original assignee: Hunan University of Science and Engineering
Current assignee: Hunan University of Science and Technology; Hunan University of Science and Engineering
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2023-03-12

Abstract

本实用新型公开了一种漂浮式发电设备，其特征在于：包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体，所述的微发电结构体由悬臂梁、压电材料、永磁体和线圈组成；所述的微发电结构体固定在腔体的内壁上，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态；所述的腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；所述的压电材料固定在悬臂梁外表面；所述的悬臂梁同时驱动两个发电单元对外输出电能，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。

Description

漂浮式发电设备

技术领域

本发明涉及新能源设施领域，特别涉及一种漂浮式发电设备。

背景技术

当今世界能源紧张，寻找新的能源问题是世人最为迫切的渴求，特别是寻找地球上再生能源更是人们所追求的目标。地球上海洋的波浪是一种蕴藏着巨大的能量，人们不断努力寻找各种各样的方法，去开发这一巨大的再生能源而实践探索，开发出多种类型的发电装置。

国内外学者提出了多种海浪发电方式，大多利用各类机械装置将海浪的往复直线运动转换成旋转运动，进而由旋转电机进行能量转换，或者使用直线电机将进行能量转换。但不管是采用旋转电机还是直线电机，由于海浪运动速度较慢，发电机体积和质量一般较大，制造成本较高，若使用传统齿轮箱进行增速，增加发电机动子速度，必然会带来系统效率降低，需要定期维护等问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种使用海浪、风力发电的装置，该装置还可以用做水力、振动能等可再生能源发电装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种漂浮式发电设备，包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态；所述的腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；所述的微发电结构体由悬臂梁、压电材料、永磁体和线圈组成；所述悬臂梁的一端为固定端，另一端为自由端，所述自由端产生与悬臂梁上下表面垂直的运动；所述的压电材料固定在悬臂梁外表面；所述的悬臂梁同时驱动两个发电单元对外输出电能，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。

可以是永磁体与悬臂梁的自由端相连，随自由端一起做与悬臂梁上下表面垂直的运动；线圈位置固定，位于永磁体的磁场范围之内；永磁体随悬臂梁自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

也可以是线圈与悬臂梁的自由端相连，随自由端一起做与悬臂梁上下表面垂直的运动；永磁体位置固定；线圈位于永磁体的磁场范围之内；线圈随悬臂梁自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

永磁体可以是条形磁铁，从线圈中央穿过。

永磁体也可以是U型磁铁，线圈的一部分位于磁铁的U型空隙中。

进一步的，微发电结构体还包括两个整流电路，压电材料的电能输出端和线圈的电能输出端分别连接在整流电路的输入端。

本发明创造与现有技术相比，具有如下特征：

1、本发明可以用作海浪发电，整体使用漂浮结构，对海水深度不做要求，既可以部署在近海岸边，又可以部署在远离海岸线的区域。不受海浪强度限制，转换效率高。

2、本发明可作为风力发电装置使用，可以与波浪发电同时进行，也可以将本装置添加固定叶片后悬挂在风口，单独进行风力发电。

3、本发明可以作为水力发电装置使用。不需要拦河造坝抬高水位，不受地势、水量等因素的限制。

4、本发明可用作振动能发电，如直接放置在车船上，获取振动能发电。

附图说明

图1为漂浮式发电设备结构示意图。

图2为永磁体固定的悬臂梁式微发电结构体实施例1结构示意图。

图3为永磁体固定的悬臂梁式微发电结构体实施例2结构示意图。

图4为线圈固定的悬臂梁式微发电结构体实施例1结构示意图。

图5为线圈固定的悬臂梁式微发电结构体实施例2结构示意图。

图6为一种并联方式汇聚的电路结构示意图。

图7为悬臂梁及压电材料部位放大效果图。

图8为单个发电单元整流后波形效果示意图。

图9为多个发电单元整流后汇聚效果示意图。

其中(1)微发电结构体(2)封闭的腔体

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种漂浮式发电设备，包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体。微发电结构体由悬臂梁、压电材料、永磁体和线圈组成。微发电结构体固定在腔体的内壁上，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态，不论振动能量方向如何，其中至少两个发电结构可以最大限度的吸收该能量。

腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；压电材料固定在悬臂梁外表面。每个微发电结构体均包含两个微发电单元，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。

当装置受到外力作用时，各个微发电结构体将吸收相应方向上的能量。这些能量以势能的形式储存在各个悬臂梁中，进而引起个悬臂梁发生谐振，悬臂梁的形变将带动与之固定在一起的压电材料发生形变，通过正压电效应输出电能。悬臂梁的谐振同时也会使得线圈和永磁体做相对运动，引起穿过线圈的磁通量发生变化，通过电磁感应原理输出电能。

所述腔体的外壳应是刚性材质，外壳有一定的韧度，不易变形，具备一定的抗冲击和抗腐蚀老化能力，以抵御高强度风浪的冲击。腔体内部为一个封闭的空间，以防止海水的渗入，导致腐蚀，腔体还要具备防止外界温度变化导致的热胀冷缩的破坏。主要部件位于封闭腔内，不受海水腐蚀危害，寿命长、建设和运行成本低.

本发明整体使用漂浮结构，腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；故而对海水深度不做要求，既可以部署在近海岸边，又可以部署在远离海岸线的区域，施工容易、对环境破坏小。

腔体的外壳形状呈对称结构，以支持其在水面随水波摆动，从而更好的吸收振动能量，可以使用球状或者圆柱状的外壳形状。本发明不受海浪强度限制，可充分地利用小、中、大海浪的波能发电。

进一步，腔体外壳还可以增加叶片等装置，以提高吸收外力的能力。例如在腔体外壳位于水面之上的位置，可以增加固定叶片，该固定安装的风叶，位于空气之中，距离水面有一定高度，用以增大风阻，风力作用在风叶上，装置整体受力不平衡，从而带动腔体在水面摇晃，固定在腔体内表面的悬臂梁捕获该振动能量。该叶片主要用于增大风阻，故而制作简单，形状灵活。

悬臂梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动固定端。悬臂梁的另一端为自由端，自由端可产生与悬臂梁上下表面垂直的运动，外界产生的与悬臂梁上下表面垂直的振动将被悬臂梁捕获，传递到悬臂梁结构的振动能发电系统。

如图2、3、4、5所示，微发电结构体包含一个悬臂梁，悬臂梁通常是由形状规则的片状弹性材料构成，通常制作成矩形状薄片，悬臂梁采用高弹性模量的材料，要求具有很好的弹性振动效果和较低的阻尼内耗，同时还要求许用应变较大，塑性小，机械品质因素高。

微发电结构体包括压电式和电磁感应式两个发电单元，压电式发电单元利用压电材料的正压电效应，将悬臂梁振动动能转化成电能，电磁感应式发电单元利用线圈和永磁体的相对运动实现电磁感应发电输出；压电材料涂覆在悬臂梁上下表面；电源管理单元分别连接压电材料或者线圈的电能输出端。

压电式发电单元利用压电材料的正压电效应，将悬臂梁振动动能转化成电能。如图2、3、4、5所示，所述的压电材料涂覆在悬臂梁上下表面，图7悬臂梁固定压电材料部分的放大效果图。

当外界因素引起悬臂梁振动时，压电材料随悬梁臂做上下振动，压电材料体内的电偶极矩会随之发生变化，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应的存在实现了振动的机械能到电能转化。

实施例中压电材料工作在31模式，其极化方向沿厚度方向。为了获得较大的功率输出。为了提高平均应力，压电材料可制作成变截面的形状，同时应选用压电系数和韧性均较高的材料(例如，压电纤维)作为压电材料。压电材料上下外表面安装一对电极，电极上的导线将压电材料转换得到的电能输出。

电磁感应式发电单元利用线圈和永磁体的相对运动实现电磁感应发电输出，具体实现又分为两种方案：一种是线圈固定，另一种是永磁体固定。所述的永磁体有U型和条形等形式。

图2、3是两种永磁体固定实施例结构示意图。所述的线圈与悬臂梁的自由端相连，随自由端一起做与悬臂梁上下表面垂直的运动；永磁体位置固定(如图下方的虚线所示)；所述的线圈位于永磁体的磁场范围之内；线圈随悬臂梁自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

图4、5是两种线圈固定的实施例结构示意图。永磁体与悬臂梁的自由端相连，随自由端一起做与悬臂梁上下表面垂直的运动；所述线圈位置固定(如图下方的虚线所示)，位于永磁体的磁场范围之内；永磁体随悬臂梁自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

对于图2、3所示实施例，还可以在悬臂梁的自由端添加一个质量块，以改善悬臂梁的频率特征。图4、5所示实施例，与悬臂梁的自由端相连的永磁体充当了质量块的作用。

图2、4所示的实施例中，永磁体是条形磁铁，从线圈中央穿过。图3、5所示的实施例中，永磁体是U型磁铁，线圈的一部分位于磁铁的U型空隙中。

压电材料可获得较高的脉冲电压，但电流较小，线圈中获得的电压较低而电流大，压电材料和线圈中获得的电能相互补充。

本发明包括至少三个的微发电结构体，微发电结构体固定在腔体的内壁上，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态，不论振动能量方向如何，其中至少两个发电结构可以最大限度的吸收该能量。其他微发电结构体安装在腔体内壁的不同方位，通过各个微发电结构体中的悬臂梁，实现对来自各个方向能量的有效吸收，提高装置整体的振动能量吸收的能力。装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。

微发电结构的悬臂梁的固定端可以直接安装在封闭腔体的内壁，压电材料固定在悬臂梁外表面；线圈和永磁体中的一个与在悬臂梁的自由端相连，另一个通过固定支架固定在封闭腔体的内壁。

微发电结构还可以包含一个固定座，悬臂梁的固定端安装在固定座上，固定座安装在封闭腔体的内壁上，压电材料固定在悬臂梁外表面；线圈和永磁体中的一个与在悬臂梁的自由端相连，另一个通过固定支架固定在微发电结构的固定座上。这样微发电结构就成为一个独立的整体，可以方便进行批量化生产，也有利于安装部署。

每个微发电结构体还包括两个整流电路，压电材料的电能输出端和线圈的电能输出端分别连接在整流电路的输入端。各个整流电路的输出的电能以并联方式、或者串联方式、或者混联方式进行汇聚，具体采用哪一种连接方式可根据对输出电能的电压和电流大小等要求来决定。

可使用桥式整流电路进行整流，可使用RC滤波电路进行滤波，必要时还可以进行电压变化，这些都是公知的技术。

通过使用整流电路将各个线圈输出的交流电转化为直流电，给电能的汇聚提供了方便，故而不同线圈间电能的汇聚将更为简单，汇聚电路的结构将更为简单，连接线路更容易实现，装置整体上更加简洁。

图8是单个发电单元输出电能，经过整流后的波形效果图。由于各个线圈所处的磁场环境等诸多因素并不完全相同，故而各个发电单元输出的电能信号的相位并不完全同步，幅值也会各有不同。若直接使用交流方式汇聚，同步问题难以处理。转化为直流信号以后，汇聚将变得十分简单。图9是多个发电单元输出电能整流后进行汇聚的波形效果图。

如图6所示，该电路片段中发电单元以并联方式联接，图中的二极管为防反充肖特基二极管，能有效防止电池组对前向电路反充电。经过汇聚后的电能可以经过变换后直接输出，也可以存储到储能设备之中。

本发明可用作海浪发电装置，让本装置通过自身浮力漂浮在海面上。本发明装置随海浪做摇摆，带动内部的微发电结构体对外输出电能。本发明不受海浪强度限制，转换效率高，可充分地利用小、中、大海浪的波能发电。本发明的外壳可以充当保护外壳，起到抗风浪冲击的作用。

本发明还可作为水力发电装置使用。可以部署内陆的河流中，将本装置的通过绳子牵引潜浮在水中，水流直接冲击在外壳上，因为受力不平衡，装置将在牵引绳的尾端做不规则运动，从而带动内部的微发电结构体对外输出电能。

相对于传统的水轮式水力发电装置，本装置作为水力发电装置使用时不需要拦河造坝抬高水位，对生态环境没有影响，不受地势、水量等因素的限制。

本发明还可作为风力发电装置使用，在外壳上固定一个到多个风叶，用以提高风阻，风力作用在风叶，由于受力不平衡，装置将产生摆动，位于装置各个空腔个微发电结构体吸收能量并进行转化，外输出电能。

相对于传统的风轮式风力发电装置，本装置作为风力发电装置使用时建设成本低，噪声低，维护简单，稳定性高，对生态环境没有影响，不受风速大小等因素的限制。

本发明可用作振动能发电，如直接放置在车船上，获取振动能发电。

本发明可靠性高。装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。

根据发电功率的要求，本发明可以设计成大小不等的体积，内部可以包含数量不等的微发电结构体，可在单独设置，也可以多台联网设置，建立一个大型发电厂，将可以发出巨大的电力，大大缓解能源紧缺状况。

以上所述的仅是本发明的实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种漂浮式发电设备，其特征在于：包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态；所述的腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；所述的微发电结构体由悬臂梁、压电材料、永磁体和线圈组成；所述悬臂梁的一端为固定端，另一端为自由端，所述自由端产生与悬臂梁上下表面垂直的运动；所述的压电材料固定在悬臂梁外表面；所述的悬臂梁同时驱动两个发电单元对外输出电能，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。

2.如权利要求1所述的漂浮式发电设备，其特征在于，所述的永磁体与悬臂梁的自由端相连，随自由端一起做与悬臂梁上下表面垂直的运动；所述线圈位置固定，位于永磁体的磁场范围之内；永磁体随悬臂梁自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

3.如权利要求1所述的漂浮式发电设备，其特征在于，所述的线圈与悬臂梁的自由端相连，随自由端一起做与悬臂梁上下表面垂直的运动；所述永磁体位置固定；所述的线圈位于永磁体的磁场范围之内；线圈随悬臂梁自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

4.如权利要求1所述的漂浮式发电设备，其特征在于，所述的永磁体是条形磁铁，从线圈中央穿过。

5.如权利要求1所述的漂浮式发电设备，其特征在于，所述的永磁体是U型磁铁，线圈的一部分位于磁铁的U型空隙中。

6.如权利要求1所述的漂浮式发电设备，其特征在于，所述的微发电结构体还包括两个整流电路，压电材料的电能输出端和线圈的电能输出端分别连接在整流电路的输入端。