一種雙水翼壓電潮流能發電裝置
2023-12-03 02:32:57 3
1.本發明屬於潮流發電狀錐相關技術領域，尤其涉及一種雙水翼壓電潮流能發電裝置。
背景技術：
2.本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。
3.能源是社會發展的基石。現階段的能源消耗主要來自於傳統的化石能源，以石油、煤炭、天然氣為主。化石能源的大規模使用，引發了一系列環境問題。因此，清潔可持續能源的發展越來越受世界各國重視。
4.在各種清潔能源中，海洋能具有獨特的優勢，其開發潛力巨大。據調查和估算，我國海洋能資源約為4.31
×
108kw，其開發前景十分可觀。與其他形式的海洋能相比，潮流能具有更好的穩定性，更容易進行捕獲。並且相對於太陽能和風能，其能量密度更大。
5.傳統的潮流能發電裝置主要是葉片旋轉式的，多應用於較深海域，存在設備體積龐大、成本高昂、電力輸送難等工程問題。而振蕩水翼式可以在應用在沿海的淺水海域，整體結構相對簡單，並且安裝維護更為方便。同時由於水翼的運動速度較小，對水下生物的影響更小。
6.振蕩水翼式發電裝置的一般工作原理為：在來流的作用下，水翼產生振蕩運動，然後利用機械機構或其他的裝置，將水翼的振蕩運動轉化成發電機所需要的旋轉運動。
7.中國專利201811421489.4中提出了一種雙水翼升沉-俯仰耦合運動振蕩式潮流能發電裝置，可以實現水翼在來流下的可持續振蕩運動。
8.目前的振蕩水翼式發電裝置，在水翼捕獲潮流能後，往往需要增加機械機構或其他裝置，將水翼的振蕩運動進行轉化，以滿足普通發電機需要，這樣就會增加了發電裝置的複雜性。
技術實現要素：
9.為克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種雙水翼壓電潮流能發電裝置，將振蕩水翼和壓電效應結合起來，不用設計中間的轉換機構，直接將水翼捕獲的潮流能進行發電，發電裝置得到進一步簡化，能量利用率更高。
10.為實現上述目的，本發明的一個或多個實施例提供了如下技術方案：一種雙水翼壓電潮流能發電裝置，包括：平行設置的第一直線作用液壓缸和第一導軌，在所述第一直線作用液壓缸與所述第一導軌之間通過第一擺動液壓缸連接的第一水翼；
11.平行設置的第二直線作用液壓缸和第二導軌，在所述第二直線作用液壓缸與所述第二導軌之間通過第二擺動液壓缸連接的第二水翼；
12.在所述第一水翼、第二水翼上均設置有壓電陶瓷塊；
13.在第一導軌或第二導軌上設置有若干壓電振子，所述壓電振子上設置有壓電聚合
物，以及在所述第一直線作用液壓缸或第二直線作用液壓缸上下運動的帶動下與所述壓電振子可相互作用的若干撥片。
14.進一步的，所述第一水翼與所述第二水翼的初始俯仰角相差60-80
°
。
15.進一步的，所述第一擺動液壓缸固定在所述第一直線作用液壓缸的輸出軸上，所述第一擺動液壓缸的俯仰軸貫穿第一水翼後與第一滑塊連接，所述第一滑塊設置在第一導軌上且可沿第一導軌上下運動；
16.或，所述第二擺動液壓缸固定在所述第二直線作用液壓缸的輸出軸上，所述第二擺動液壓缸的俯仰軸貫穿第二水翼後與第二滑塊連接，第二滑塊設置在第二導軌上且可沿第二導軌上下運動。
17.進一步的，所述第一滑塊的表面開設有可容納第一軸承的孔，所述第一軸承的外圈與第一滑塊的孔壁連接，所述第一軸承的內圈與所述第一擺動液壓缸的俯仰軸連接；
18.或，所述第二滑塊的表面開設有可容納第二軸承的孔，所述第二軸承的外圈與第二滑塊的孔壁連接，所述第二軸承的內圈與所述第二擺動液壓缸的俯仰軸連接。
19.進一步的，所述第一直線作用液壓缸與所述第二擺動液壓缸液壓連接，在所述第一直線作用液壓缸的上下運動下帶動所述第二擺動液壓缸的仰俯運動；
20.所述第二直線作用液壓缸與所述第一擺動液壓缸液壓連接，在所述第二直線作用液壓缸的上下運動下帶動所述第一擺動液壓缸的仰俯運動。
21.進一步的，所述壓電陶瓷塊的極化方向垂直於所述第一水翼或第二水翼的表面。
22.進一步的，在所述第一滑塊上沿第一滑塊的運動方向上等間距設置有多個第一撥片，第一撥片與設置在第一導軌上的第一壓電振子交錯布置；
23.或，在所述第二滑塊上沿第二滑塊的運動方向上等間距設置有多個第二撥片，第二撥片與設置在第二導軌上的第二壓電振子交錯布置。
24.進一步的，在所述撥片上設置有第一永磁鐵，在所述壓電振子上設置有第二永磁鐵，所述第一永磁鐵的磁面與所述第二永磁鐵的磁面相對且互斥。
25.進一步的，在所述壓電振子的遠離設置第二永磁鐵的一端的上下表面設置有壓電聚合物。
26.進一步的，還包括儲電單元，所述儲電單元與所述壓電聚合物、壓電陶瓷塊電性連接，用於存儲所產生的電荷。
27.以上一個或多個技術方案存在以下有益效果：
28.在本發明中，在潮流能的作用下，第一水翼和第二水翼進行振蕩運動，可以分解為繞俯仰軸的俯仰運動和垂直於來流方向的升沉運動。由於俯仰運動，水翼的攻角發生改變，水翼表面的壓電陶瓷塊所受到的力隨之改變，根據壓電效應，就會產生電荷。由於升沉運動，水翼帶動與之連接的滑塊一起運動，滑塊帶動與之固定連接的撥片運動，撥片上的永磁體就會施加作用力於壓電振子上的永磁體，進而壓電振子上的壓電聚合物受力變形，根據壓電效應，產生電荷。儲電裝置將水翼表面和壓電振子所產生的電荷進行存儲。整個發電過程中，在水翼捕獲潮流能後，直接利用水翼的俯仰和升沉運動，無其他運動轉化機構，整體結構十分簡單，便於安裝和維護。
29.本發明綜合利用水翼的俯仰和升沉運動進行壓電發電，能量利用率更高。
30.本發明附加方面的優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得
明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
31.構成本發明的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。
32.圖1為本發明實施例一中潮流發電裝置的整體結構示意圖；
33.圖2為本發明實施例一中水翼的俯仰軸與擺動液壓缸、滑塊的連接示意圖；
34.圖3為本發明實施例一中雙水翼聯動液壓系統示意圖；
35.圖4為本發明實施例一中水翼表面的壓力隨攻角變化的示意圖；
36.圖5為本發明實施例一中水翼結構的示意圖；
37.圖6為本發明實施例一中撥片和壓電振子的相對位置圖；
38.圖7為本發明實施例一中撥片和壓電振子的結構示意圖；
39.圖8為本發明實施例一中潮流發電裝置的工作原理流程圖。
40.附圖標記說明：
41.1、第一直線作用液壓缸，2、第一活塞杆，3、第一擺動液壓缸，4、第一水翼，5、第一導軌，6、第一滑塊，7、第一撥片，8、第一壓電振子，9、第二直線作用液壓缸，10、第二活塞杆，11、第二擺動液壓缸，12、第二水翼，13、第二導軌，14、第二滑塊，15、第二撥片，16、第二壓電振子，17、海底平臺，18、軸承，19、俯仰軸，20、壓電陶瓷塊，21、第一永磁鐵，22、第二永磁鐵，23、壓電聚合物。
具體實施方式
42.應該指出，以下詳細說明都是示例性的，旨在對本發明提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
43.需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本發明的示例性實施方式。
44.在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
45.實施例一
46.如圖1所示，本實施例公開了一種雙水翼壓電潮流能發電裝置，由兩個水翼壓電模塊組成，兩個水翼壓電模塊的整體結構相同，第一水翼壓電模塊包括：平行設置的第一直線作用液壓缸1和第一導軌5，在所述第一直線作用液壓缸1與所述第一導軌5之間通過第一擺動液壓缸3連接的第一水翼4；
47.第二水翼壓電模塊包括：平行設置的第二直線作用液壓缸9和第二導軌13，在所述第二直線作用液壓缸9與所述第二導軌13之間通過第二擺動液壓缸11連接的第二水翼12；
48.其中，所述第一直線作用液壓缸1與所述第二擺動液壓缸液壓11連接，在所述第一直線作用液壓缸1的上下運動下帶動所述第二擺動液壓缸3的仰俯運動；
49.所述第二直線作用液壓缸9與所述第一擺動液壓缸3液壓連接，在所述第二直線作用液壓缸9的上下運動下帶動所述第一擺動液壓缸3的仰俯運動；
50.在第一導軌5或第二導軌13上設置有若干壓電振子，所述壓電振子上設置有壓電
聚合物23，以及在所述第一直線作用液壓缸1或第二直線作用液壓缸9上下運動的帶動下與所述壓電振子可相互作用的若干撥片。
51.在本實施例中，第一水翼電壓模塊和第二水翼壓電模塊的不同點在於，第一水翼4和第二水翼12的初始俯仰角不同，存在60-80
°
的角度差。
52.在本實施中，如圖5所示，第一水翼4和第二水翼12的上下表面均有排列規則的凹槽，在凹槽的內部嵌入有壓電陶瓷塊20，而且壓電陶瓷塊20的極化方向垂直於第一水翼4或第二水翼12的表面。在保證水翼本體結構強度的前提下，凹槽的數量應該儘可能的多，從而嵌入更多的壓電陶瓷塊20，從而提供發電量。
53.在本實施例中，第一直線作用液壓缸1、第二直線作用液壓缸9，第一導軌5、第二導軌13均固定在海底平臺17上，從而對整個發電裝置起支撐作用。
54.可以理解的是，第一第一直線作用液壓缸1、第二直線作用液壓缸9，第一導軌5、第二導軌13兩兩之間相互平行設置。
55.在本實施例中，第一擺動液壓缸3固定在第一直線作用液壓缸1的輸出軸上，第一擺動液壓缸3的俯仰軸19貫穿第一水翼4後與第一滑塊6連接，第一滑塊6設置在第一導軌5上且可沿第一導軌5上下運動。
56.如圖2所示，第一直線作用液壓缸1上的第一活塞杆2與第一擺動液壓缸3固定連接，第一擺動液壓缸3上的第一俯仰軸末端與軸承18的內圈固定連接，在第一滑塊6一側面上開設有可容納軸承18的孔，軸承18嵌入在第一滑塊6開設的孔內，軸承18的外圈與第一滑塊6的孔內固定連接。
57.第一滑塊6可沿第一導軌5上下往復運動，第一活塞杆2的運動方向與第一滑塊6的運動方向保持平行，以形成對第一水翼4的雙支撐結構。
58.可以理解的是，第一水翼4與第一俯仰軸固定連接，以能夠實現第一仰俯軸擺和第一水翼同步的擺動運動即可。
59.在本實施例中，第二擺動液壓缸11固定在所述第二直線作用液壓缸9的輸出軸上，所述第二擺動液壓缸11的俯仰軸貫穿第二水翼12後與第二滑塊14連接，第二滑塊14設置在第二導軌13上且可沿第二導軌13上下運動。
60.具體的，第二直線作用液壓缸11上的第二活塞杆10與第二擺動液壓缸11固定連接，第二擺動液壓缸11上的第二俯仰軸末端與軸承18的內圈固定連接，在第二滑塊14一側面上開設有可容納軸承18的孔，軸承18嵌入在第二滑塊14開設的孔內，軸承18的外圈與第二滑塊14的孔內固定連接。
61.第二滑塊14可沿第二導軌13上下往復運動，第二活塞杆10的運動方向與第二滑塊14的運動方向保持平行，以形成對第二水翼12的雙支撐結構。
62.可以理解的是，第二水翼12與第二俯仰軸固定連接，以能夠實現第二仰俯軸擺和第二水翼12同步的擺動運動即可。
63.在本實施例中，如圖7所示，第一滑塊6的中心具有可供第一導軌5穿過的中心孔，第一滑塊6可沿第一導軌5上下做往復運動，第一滑塊6的一側面具有第一延伸條塊，第一延伸條塊的方向為第一滑塊6的運動方向，在第一延伸條塊上等間距設置有第一撥片7，與第一延伸條塊位於同一平面的的第一導軌5的一側面的設置有第一壓電振子8，第一壓電振子8沿第一滑塊6的運動方向等間距排列，第一撥片7與第一振子8的間距相同。
64.如圖6-圖7所示，第一撥片7和第一壓電振子8一一對應，交錯布置，第一直線作用液壓缸1的上下運動的距離不能大於第一壓電振子8的排列間隙。
65.同理，第二滑塊14的中心具有可供第二導軌13穿過的中心孔，第二滑塊14可沿第二導軌13上下做往復運動，第二滑塊14的一側面具有第二延伸條塊，第二延伸條塊的方向為第二滑塊14的運動方向，在第二延伸條塊上等間距設置有第二撥片15，與第二延伸條塊位於同一平面的的第二導軌13的一側面的設置有第二壓電振子16，第二壓電振子16沿第二滑塊14的運動方向等間距排列，第二撥片15與第二壓電振子16的間距相同。
66.第二撥片15和第二壓電振子16一一對應，交錯布置。第二直線作用液壓缸9的上下運動的距離不能大於第二壓電振子16的排列間隙。
67.如圖7所示，在第一撥片7的自由端固定有第一永磁鐵21，壓電振子8採用懸臂梁支撐結構，在第一壓電振子8的自由端固定有第二永磁鐵22，第一永磁鐵21與第二永磁鐵22相對的面磁極相同，保證第一永磁鐵21與第二永磁鐵22之間的磁力為斥力，在靠近第一壓電振子8的固定端的一側，其上下表面均附著壓電聚合物23。
68.相同的，在第二撥片15的自由端固定有第一永磁鐵21，第二壓電振子16採用懸臂梁支撐結構，在第二壓電振子16的自由端固定有第二永磁鐵22，第一永磁鐵21與第二永磁鐵22相對的面磁極相同，保證第一永磁鐵21與第二永磁鐵22之間的磁力為斥力，在靠近第二壓電振子16的固定端的一側，其上下表面均附著壓電聚合物23。
69.單一水翼的發電裝置在來流的作用下，單一水翼位於存在運動的死點(俯仰運動或升沉運動的極限位置)，利用水翼進行壓電發電必須解決運動死點問題，使水翼的振蕩運動一直進行，因此本發明採用雙水翼聯動液壓系統。
70.在本實施例中，採用雙水翼聯動液壓系統，第一直線作用液壓缸1的出油口和第二擺動液壓缸11的進油口連接，第一直線作用液壓缸1的進油口和第二擺動液壓缸11的出油口連接。第二直線作用液壓缸9的進油口和第一擺動液壓缸3的出油口連接，第二直線作用液壓缸9的出油口和第一擺動液壓缸3的進油口連接。
71.如圖3(a)所示，第一水翼4位於俯仰運動的極點，而第二水翼12處於升沉運動的極點。在來流作用下，第一水翼4向下運動，同時帶動第一活塞杆2向下運動。通過液壓迴路，第二擺動液壓缸11帶動第二水翼12逆時針運動，即第二水翼12的俯仰角開始變化。當俯仰角度達到一定值時，第二水翼12開始向下運動，此時克服了第二水翼12的升沉運動死點。同時帶動第二活塞杆10向下運動，通過液壓迴路，第一擺動液壓缸3帶動第一水翼4順時針轉動，此時克服了第一水翼4的俯仰運動死點。
72.本實施例所提供的潮流發電裝置的發電位置分為兩類，第一類是位於水翼表面的壓電陶瓷塊，第二類是位於壓電振子上的壓電聚合物。
73.本實施例所提供的潮流發電裝置的發電過程原理為：
74.當流體流經攻角不為零的水翼板時，流體流速在水翼板的上下表面的變化率不同，形成高壓區與低壓區。如圖4(a)所示，當水翼板的俯仰角度為負時，其上表面為低壓區，下表面為高壓區。如圖4(b)所示，當水翼板的俯仰角度為正時，其上表面為高壓區，下表面為低壓區。因為水翼板的俯仰運動，其仰俯角度一直發生改變，海水作用在水翼板表面的力也隨之改變，即水翼板表面的壓電陶瓷塊20在其極化方向上受到一直變化的力，根據壓電效應，產生電荷。
75.在第一水翼4的進行升沉運動的同時，帶動第一滑塊6沿著第一導軌5進行往復直線運動，第一滑塊6同時帶動第一撥片7上下運動，相對設置的第一永磁體21和第二永磁體22之間的間距也隨之變動，則作用在第一壓電振子8的自由端上的磁體斥力也是變換的。第一壓電振子8在磁體斥力作用下，向下彎曲，其上表面為拉應力，下表面為壓應力，並且隨著第一撥片7的運動發生改變。即位於第一壓電振子8上表面的壓電聚合物23受到變化的拉應力，位於第一壓電振子8下表面的壓電聚合物23受到變化的壓應力。因此，根據壓電效應，壓電聚合物23會產生電荷。
76.如圖8所示，將壓電陶瓷塊20和壓電聚合物23產生的電荷，通過電路存儲在儲電裝置內，然後由儲電裝置對外部的負載進行供電。
77.上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。