CN209671127U - 基于多稳态驰振的流体能量捕获器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，包括竖直相对放置的两个机架和钝体支架，钝体支架的水平底板中央固接钝体，钝体带动钝体支架的两个侧板分别在两个机架上运动，每个机架的外侧壁上安装有限位组件，用于钝体支架的两个侧板上下运动的限位，每个机架的侧壁下端均固接弹性组件的一端，用于提供钝体运动的恢复力，弹性组件的另一端固接在钝体支架的水平底板的两端，钝体支架的一侧板上部固接驱动组件，驱动组件连接转子发电机。本实用新型公开的发电装置，采用多稳态振动模式，可让钝体在较小的流体激振力作用下产生大幅运动，使钝体在多个平衡点间往复运动，从而带动发电机输出更多的电能。

Description

基于多稳态驰振的流体能量捕获器

技术领域

本实用新型属于流体发电设备技术领域，具体涉及基于多稳态驰振的流体能量捕获器。

背景技术

目前，随着低功耗无线传感器件和信息物流网的迅速发展，长期有效供电问题日益成为微型传感器实用化、产业化的一大障碍。化学电池由于寿命短、相对体积较大、需要更换或充电、易造成环境污染等明显缺陷已无法满足其发展的需要。可再生能源的利用和开发受到各国高度重视，海洋流、河流以及各种城市管路中的水流广泛存在于我们生活环境中，这些流体能量不仅触手可及，而且具有分布广泛和绿色可再生性，可作为一种优质的能量来源，存在巨大的开发潜能。因此，将这些流体动能有效地转化为电能，为无线传感器系统或微机电系统实现自供电，具有重要的工程应用价值。

传统使用流体动能转化为电能的装置，多采用桨叶式结构，如水轮机和风力机等，虽然发电量较大且技术相对成熟，但桨叶式发电装置为微型传感器供电时存在难于进行比例小型化、流体启动速度较高等缺点。当流体速度较低或者变化范围较大时，利用传统的流体动能发电技术进行电能获取存在较大困难。因此，突破依赖电池供电以及电力长距离输送的发展瓶颈，寻找新型可替代的电源具有非常重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供基于多稳态驰振的流体能量捕获器，解决了传统桨叶式结构难于小型化、结构复杂的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，基于多稳态驰振的流体能量捕获器，其特征在于，包括竖直相对放置的两个机架和钝体支架，钝体支架包括竖直相对的两个侧板和两侧板中央一体成型的水平底板，钝体支架的水平底板中央固接钝体，钝体带动钝体支架的两个侧板分别在两个机架上运动，每个机架的外侧壁上均安装一组竖直方向的直线导轨，用于防止钝体带动钝体支架上下运动过程中发生卡顿，两个机架的侧壁底部与钝体支架两个侧板相对的底部之间安装有磁性组件，用于为钝体运动提供非线性恢复力，钝体支架的一侧板上部固接驱动组件，驱动组件连接转子发电机。

本实用新型的其他特点还在于，

两个机架之间固接水平连接板，水平连接板上放置转子发电机，转子发电机的外壳通过螺栓固接在连接板上。

驱动组件包括安装在钝体支架一侧板上部的齿条，齿条包括相互平行的齿条A和齿条B，齿条A啮合齿轮A，齿条B啮合齿轮B，齿轮A和齿轮 B连接在轴上，齿轮A和轴连接处安装有单向超越离合器A，齿轮B与轴连接处安装有单向超越离合器B，轴固定连接增速器的输入轴，增速器的输出轴通过联轴器连接转子发电机。

两个机架的侧壁底部与钝体支架两个侧板相对的底部之间安装有磁性组件，用于为钝体运动提供非线性恢复力。

磁性组件包括单个永磁体A，永磁体A固接在钝体支架相对的两侧板侧壁底部，两个机架侧壁底部固接竖直并列固接有多个永磁体B，永磁体A与永磁体B相对。

永磁体B的个数为3个或4个。

本实用新型的有益效果是，基于多稳态驰振的流体能量捕获器，解决了传统桨叶式结构难于小型化、结构复杂的问题。相比于传统的发电装置具有以下优势：

(1)本实用新型能量捕获器采用机械传动，结构简单紧凑，造价远低于桨叶式发电装置，且工作过程中不会产生任何污染物质，环保安全。而且可根据不同雷诺数的液流，通过替换不同截面形状的钝体来提高发电效率，如半圆形、梯形、多边形等各种组合图形的截面形状；

(2)本实用新型的能量捕获器，在使用时可额外增加封闭性罩体形成封闭结构，将捕能装置、传递装置、发电装置都封闭在圆柱形壳体内，能有效的避免流体对发电装置的腐蚀、破坏，延长能量捕获器的使用寿命；

(3)本实用新型的能量捕获器，当增加封闭性罩体后，该发电装置浸泡在流体中，因此发电机切割磁感线发生感应电流造成的热量可以通过传递给箱体，从而被流过的流体及时带走，能有效散热；

(4)本实用新型的能量捕获器，采用多稳态振动模式，可让钝体在较小的流体激振力作用下产生大幅运动，使钝体在多个平衡点间往复运动，从而带动发电机输出更多的电能。

附图说明

图1是本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器的结构示意图；

图2是本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器的主视图；

图3是本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器的俯视图；

图4是本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器的左视图；

图5为非圆形截面钝体产生流致振动的原理图；

图6为多稳态振动系统势能函数图，其中(a)为三稳态势能函数；(b) 为四稳态势能函数。

图中，1.机架，2.直线导轨，3.钝体，4.钝体支架，5.弹簧支架，6.弹簧， 7.永磁体A，8.永磁体B，9.单向超越离合器A，10.齿轮A，11.单向超越离合器B，12.齿轮B，13.齿条A，14.齿条B，15.增速器，16.联轴器，17.转子发电机，18.连接板，19.轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，如图1、图2和图3 所示，包括竖直相对放置的两个机架1和钝体支架4，钝体支架4包括竖直相对的两个侧板和两侧板中央一体成型的水平底板，钝体支架4的水平底板中央固接钝体3，钝体3带动钝体支架4的两个侧板分别在两个机架1上运动，每个机架1的外侧壁上安装有限位组件，用于钝体支架4的两个侧板上下运动的限位，每个机架1的侧壁下端均固接弹性组件的一端，用于提供钝体3运动的恢复力，弹性组件的另一端固接在钝体支架4的水平底板的两端，钝体支架4的一侧板上部固接驱动组件，驱动组件连接转子发电机17，钝体支架4通过驱动组件带动转子发电机17发电。

两个机架1之间固接连接板18，连接板18上放置转子发电机17，转子发电机17的外壳通过螺栓固接在连接板18上。

弹性组件包括分别固接在两个机架1侧壁的弹簧支架5，弹簧支架5的一端固接竖直方向弹簧6的一端，弹簧6的一端固接在钝体支架4的水平底板上。

驱动组件包括安装在钝体支架4一侧板上部的齿条，齿条包括相互平行的齿条A13和齿条B14，齿条A13啮合齿轮A10，齿条B14啮合齿轮B12，齿轮A10和齿轮B12连接在轴19上，齿轮A10和轴19连接处安装有单向超越离合器A9，齿轮B12与轴19连接处安装有单向超越离合器B11，轴19 固定连接增速器15的输入轴，增速器15的输出轴通过联轴器16连接转子发电机17，增速器15通过螺栓固定在连接板18上。

两个机架1的侧壁底部与钝体支架4两个侧板相对的底部之间安装有磁性组件，用于为钝体3运动提供非线性恢复力。

磁性组件包括单个永磁体A7，永磁体A7固接在钝体支架4相对的两侧板侧壁底部，两个机架1侧壁底部固接竖直并列固接有多个永磁体B8，永磁体A7与永磁体B8相对，永磁体A7与永磁体B8之间有间距，间距可调，单个永磁体A7与永磁体B8之间可产生非线性磁作用力。

永磁体B8的个数为3或4个。

限位组件包括每个机架1的外侧壁上均安装一组竖直方向的直线导轨 2，用于防止钝体3带动钝体支架4上下运动过程中发生卡顿。

本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，由于钝体3受重力作用，弹簧6处于拉伸状态，弹簧6储存弹性势能，由于钝体3自身重力和流体流过时给钝体3的力使得弹簧6拉伸，当无流体通过或流体速度减慢时，依靠弹簧6的弹性势能，钝体3可以恢复位置，从而使得钝体3带动钝体支架4往复上下运动；在钝体3的两侧，钝体支架4的下部安装有3或4个强磁型永磁体B8，永磁体A7与3个或4个永磁体B8之间产生的磁排斥或者磁吸引力为钝体运动提供非线性恢复力，钝体支架4上装有齿条A13和齿条 B14，齿条A13与齿轮A10啮合，齿条B14与齿轮B12啮合，单向超越离合器A9与单向超越离合器B11的工作方向相反；当钝体3向上运动时，齿条A13驱动齿轮A10和单向超越离合器A9转动，由于单向超越离合器B11 的作用，齿轮B12的旋转运动不传递给轴19，从而齿轮A10带动轴19、增速器15和转子发电机17单方向转动；当钝体3向下运动时，齿条B14驱动齿轮B12转动，此时齿轮A10空转，齿轮B12借助单向超越离合器B11，将齿轮B12的旋转运动传递给轴19、增速器15和转子发电机17，从而使转子发电机始终单方向转动，并发电。

为了保证齿轮齿条机构、增速器、转子发电机等免受液体腐蚀，可采用高强度塑料或者不锈钢板将其进行密封，仅仅留下钝体暴露在流体中。

本实用新型的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，具体工作原理如下：

当流体流经固体时会对固体表面施加交替相间的流体力，使得固体发生往复运动，而固体的往复运动又改变流体流态，进而改变作用于固体表面的流体力，这种流体与固体相互作用的现象称为流致振动，如图5所示，基于流致振动发电装置结构尺寸可进行比例小型化，具有成本低、适用范围广等特点。

将本实用新型的多稳态驰振流体动能发电装置放置在与流体流向垂直的方向，即钝体3的轴线与液体流动的方向垂直，当流体的流速到达一定速度时，流体冲击钝体3，流体中产生的交替漩涡使钝体3带动钝体支架4上下振动，钝体支架4上装有齿条A13和齿条B14，当钝体3向上运动时，钝体支架4带动齿条A13和齿条B14同时向上运动，由于单向超越离合器B11 和单向超越离合器A9的工作方向刚好相反，齿条A13向上运动时，齿条 A13驱动齿轮A10和单向超越离合器A9转动，由于单向超越离合器B11的作用，齿轮B12的旋转运动不传递给轴19，从而齿轮A10带动轴19、增速器15和转子发电机17单方向转动。当钝体3向下运动时，齿条B14驱动齿轮B12转动，此时齿轮A10空转，齿轮B12借助单向超越离合器B11，将齿轮B12的旋转运动传递给轴19、增速器15和转子发电机17，从而使转子发电机始终单方向转动。

当钝体3在垂直于来流的方向上产生上下振动时，当使用3个永磁体 B8时，由于单个永磁体A7与3个永磁体B8之间存在非线性磁作用力，钝体3产生非线性振动的势能函数如图6(a)所示，运动过程中钝体3如图6 (a)中的小球体A，在位置1和位置2之间往复运动形成大幅运动，要经过2个势垒和3个势阱，图6(a)中虚线表示小球体A运动过程的中间位置，与没有非线性磁作用力的振动相比，在非线性磁作用力下钝体3的运动位移、速度的幅值均增大从而增加发电效率；

当采用4个永磁体B8时，钝体3产生非线性振动的势能函数如图6(b) 所示，钝体3的运动过程类似于图6(a)。根据来流的雷诺数可选择三稳态和四稳态振动模式，以提高该流致振动发电装置的发电效率。

Claims (5)

1.基于多稳态驰振的流体能量捕获器，其特征在于，包括竖直相对放置的两个机架(1)和钝体支架(4)，所述钝体支架(4)包括竖直相对的两个侧板和两侧板中央一体成型的水平底板，所述钝体支架(4)的水平底板中央固接钝体(3)，所述钝体(3)带动所述钝体支架(4)的两个侧板分别在两个所述机架(1)上运动，每个所述机架(1)的外侧壁上均安装一组竖直方向的直线导轨(2)，用于防止钝体(3)带动所述钝体支架(4)上下运动过程中发生卡顿，两个所述机架(1)的侧壁底部与所述钝体支架(4)两个侧板相对的底部之间安装有磁性组件，用于为所述钝体(3)运动提供非线性恢复力，所述钝体支架(4)的一侧板上部固接驱动组件，所述驱动组件连接转子发电机(17)。

2.如权利要求1所述的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，其特征在于，两个所述机架(1)之间固接连接板(18)，所述连接板(18)上放置所述转子发电机(17)，所述转子发电机(17)的外壳通过螺栓固接在所述连接板(18)上。

3.如权利要求1或2所述的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，其特征在于，所述驱动组件包括安装在所述钝体支架(4)一侧板上部的齿条，所述齿条包括相互平行的齿条A(13)和齿条B(14)，所述齿条A(13)啮合齿轮A(10)，所述齿条B(14)啮合齿轮B(12)，所述齿轮A(10)和齿轮B(12)连接在轴(19)上，所述齿轮A(10)和所述轴(19)连接处安装有单向超越离合器A(9)，所述齿轮B(12)与所述轴(19)连接处安装有单向超越离合器B(11)，所述轴(19)固定连接增速器(15)的输入轴，所述增速器(15)的输出轴通过联轴器(16)连接转子发电机(17)。

4.如权利要求1所述的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，其特征在于，所述磁性组件包括单个永磁体A(7)，所述永磁体A(7)固接在所述钝体支架(4)相对的两侧板侧壁底部，两个所述机架(1)侧壁底部固接竖直并列固接有多个永磁体B(8)，所述永磁体A(7)与所述永磁体B(8)相对。

5.如权利要求4所述的基于多稳态驰振的流体能量捕获器，其特征在于，所述永磁体B(8)的个数为3个或4个。