專利名稱：具有帶有電荷產生材料的發(fā)電機的流體發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及流體發(fā)電機，且更特定來說，在一個或一個以上實施例中，本發(fā)明涉及具有帶有電荷產生材料的發(fā)電機的流體發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
歸因于近來出現的能源問題，相當關注(例如)使用風力發(fā)電系統(tǒng)(例如，有時稱為風能轉換系統(tǒng))中的風流動及動能水力發(fā)電系統(tǒng)中的水流流動來將自然界中發(fā)生的流體流動的動能轉換成電能。舉例來說，風能轉換系統(tǒng)涉及引導風通過使發(fā)電機旋轉的渦輪機，從而引起發(fā)電機產生電力，而動能水力發(fā)電系統(tǒng)通常涉及將渦輪機浸沒在水下且引導流動的水流通過渦輪機，從而致使渦輪機使發(fā)電機旋轉以產生電力。此類渦輪機為將移動流體的動能轉換成電力的具有若干子機器的復雜機器。SP，這些機器具有遭遇故障且需要大量維護的較大數目的移動部件，從而導致較高的維護成本。特定來說，發(fā)電量取決于渦輪機葉片的長度，例如，每一渦輪機葉片的長度越長，發(fā)電量越高。然而，長葉片是昂貴的、可遭遇缺陷及故障、占據大量空間且產生過多噪聲及振動。較長螺旋槳不僅增加材料及安裝成本，而且增加維護成本。因此，當前風能轉換系統(tǒng)及動能水力發(fā)電系統(tǒng)通常受困于低效率、高資金成本、不可預測的故障、過高的噪聲及振動及/或高維護。許多這些渦輪機以相對低的旋轉速度(例如，對于風渦輪機來說通常為20rpm)操作且需要齒輪來將旋轉速度增加到對于發(fā)電機有用的旋轉速度(例如，對于1.5MW發(fā)電機來說通常為1500rpm)。這涉及可引起齒輪發(fā)生故障的高水平轉動力矩及伴隨而來的高齒輪嚙合力，從而意味著需要大量維護來減少故障量。因為渦輪機的低速度，各種齒輪箱組件通常由滾動元件軸承支撐。這些軸承遭受可致使軸承過早地出故障的大量徑向負載，從而意味著需要大量維護來減少故障量。由于上文陳述的原因且由于下文陳述的所屬領域的技術人員在閱讀及理解本說明書后將明白的其它原因，此項技術中需要對現有流體發(fā)電系統(tǒng)(例如，風能轉換系統(tǒng)及動能水力發(fā)電系統(tǒng))的替代物。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供具有發(fā)電機的流體發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電機具有電荷產生材料及一對末端邊界約束。所述對末端邊界約束的末端邊界約束中的一者鄰近于電荷產生材料的一末端而物理地耦合到電荷產生材料且所述對末端邊界約束中的另一者鄰近于電荷產生材料的相對末端而物理地耦合到電荷產生材料。對于一些實施例，末端邊界約束可為有源或無源的。對于其它實施例， 末端邊界約束中的至少一者可電耦合到用于調整發(fā)電機的振動特性的控制器。


圖1說明根一實施例的發(fā)電機。圖2為根據另一實施例的沿著圖1中的線2-2取得的橫截面圖。圖3為根據另一實施例的發(fā)電機的第一彎曲模式的實例。圖4說明根據另一實施例的作為流體發(fā)電系統(tǒng)的一部分的轉換器及控制器。圖5說明根據另一實施例的在其上具有多個質量塊的發(fā)電機。圖6說明根據另一實施例的另一形狀的發(fā)電機。圖7為根據另一實施例的在一側上具有多個電極且在相對側上具有單個電極的發(fā)電機的頂部等距視圖。圖8為根據另一實施例的圖7中的發(fā)電機的底部等距視圖。圖9為根據另一實施例的展不襯底的相對側上的發(fā)電機的橫截面圖。圖10說明根據另一實施例的具有懸臂式發(fā)電機的流體發(fā)電系統(tǒng)。圖11說明根據另一實施例的具有耦合到多個邊界約束的發(fā)電機的流體發(fā)電系統(tǒng)。圖12為根據另一實施例的沿著圖11中的線12-12取得的放大圖。圖13說明根據另一實施例的具有多個發(fā)電機的流體發(fā)電系統(tǒng)。圖14說明根據另一實施例的用于調整發(fā)電機中的張力的張力調整器的實施例。圖15說明根據另一實施例的用于調整發(fā)電機中的張力的張力調整器的另一實施例。圖16為根據另一實施例的操作流體發(fā)電系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實施例方式在本實施例的以下詳細描述中，參考形成本實施例的一部分的附圖，且在附圖中通過說明展示可實踐的特定實施例。充分詳細地描述這些實施例以使得所屬領域的技術人員能夠實踐所揭示的標的物，且應理解，可使用其它實施例且可做出過程改變、電改變或機械改變而不脫離所主張的標的物的范圍。因此，不以限制意義理解以下詳細描述，且所主張的標的物的范圍僅由所附權利要求書及其等效物界定。圖1說明發(fā)電機100，例如，電壓產生條。舉例來說，發(fā)電機可稱為電力發(fā)電機，因為其可在響應于流體流過其而振動時產生電力。圖2為沿著圖1中的線2-2取得的發(fā)電機100的橫截面圖(其中為清楚起見省略交叉影線)。對于一個實施例,發(fā)電機100可包括電荷產生(例如，電壓產生)材料，例如壓電材料112 (例如，壓電薄膜)。壓電材料112可響應于由流過發(fā)電機100的流體施加到其的振動彎曲及/或扭轉應力而產生電荷(例如，輸出電壓)。表I給出合適壓電材料的一些實例。表I合適壓電材料的實例
權利要求
1.一種流體發(fā)電系統(tǒng)，其包含: 發(fā)電機，其包含電荷產生材料 '及 一對末端邊界約束； 其中所述對末端邊界約束的所述末端邊界約束中的一者鄰近于所述電荷產生材料的一末端而物理地耦合到所述電荷產生材料，且所述對末端邊界約束中的另一者鄰近于所述電荷產生材料的相對末端而物理地耦合到所述電荷產生材料。
2.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中發(fā)電機經配置以響應于流體流過其而振動，且所述電荷產生材料經配置以響應于所述發(fā)電機振動而產生交變電荷。
3.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述對末端邊界約束中的至少一者為有源邊界約束。
4.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng),其中電荷產生材料為壓電材料。
5.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述對末端邊界約束中的每一者為無源邊界約束。
6.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述對末端邊界約束中的每一者包含平移剛性元件及/或扭轉剛性元件。
7.根據權利要求6所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述平移剛性元件及/或所述扭轉剛性元件包含壓電材料或形狀記憶材料。
8.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包含物理地耦合到所述電荷產生材料的所述末端中的一者的 張力調整器。
9.根據權利要求8所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述張力調整器為有源張力調整器。
10.根據權利要求9所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述有源張力調整器包含壓電材料或形狀記憶材料。
11.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包含定位在所述發(fā)電機上的一個或一個以上質量塊。
12.根據權利要求11所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述一個或一個以上質量塊中的至少一者為有源質量塊。
13.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包含物理地耦合到所述發(fā)電機的相對側面中的每一者的側面邊界約束。
14.根據權利要求13所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述側面邊界約束中的至少一者為有源側面邊界約束。
15.根據權利要求14所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述側面邊界約束中的作為有源側面邊界約束的所述至少一者包含壓電材料或形狀記憶材料。
16.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包含轉換器，所述轉換器電耦合到所述發(fā)電機且經配置以將從所述發(fā)電機接收的AC電壓轉換成DC電壓。
17.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng),其中所述發(fā)電機位于襯底上。
18.根據權利要求17所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機為第一發(fā)電機，且所述流體發(fā)電系統(tǒng)進一步包含第二發(fā)電機，其中所述第一及第二發(fā)電機位于所述襯底的相對表面上。
19.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機為第一發(fā)電機，其中所述對末端邊界約束為一對第一末端邊界約束，且所述流體發(fā)電系統(tǒng)進一步包含: 定位在所述第一發(fā)電機上的第二發(fā)電機，所述第二發(fā)電機包含電荷產生材料；及一對第二末端邊界約束； 其中所述對第二末端邊界約束的所述第二末端邊界約束中的一者鄰近于所述第二發(fā)電機的所述電荷產生材料的一末端而物理地耦合到所述第二發(fā)電機的所述電荷產生材料，且所述對第二末端邊界約束中的另一者鄰近于所述第二發(fā)電機的所述電荷產生材料的相對末端而物理地耦合到所述第二發(fā)電機的所述電荷產生材料。
20.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機進一步包含: 多個個別、分離電極，其電耦合到所述電荷產生材料的表面；及 單個電極，其電耦合到所述電荷產生材料的相對表面。
21.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機進一步包含形成在其側面中的槽口。
22.根據權利要求1所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包含電耦合到所述末端邊界約束中的至少一者的控制器。
23.根據權利要求22所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述控制器電耦合到所述發(fā)電機以接收在所述發(fā)電機振動時由所述電荷產生材料產生的AC信號。
24.根據權利要求22所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述控制器進一步電耦合到以下各者中的至少一者:物理地耦合到所述發(fā)電機的至少一個側面的側面邊界約束、定位在所述發(fā)電機上的至少一個質 量塊，及物理地耦合到所述電荷產生材料的所述末端中的一者的張力調整器。
25.根據權利要22所述的流體發(fā)電系統(tǒng)，其中所述控制器進一步電耦合到流量傳感器以從所述流量傳感器接收指示發(fā)電機定位在其中的流體的流率的電信號。
26.—種流體發(fā)電系統(tǒng),其包含: 發(fā)電機，其包含電荷產生材料，所述電荷產生材料可在所述發(fā)電機響應于流體流過所述發(fā)電機而振動時產生電荷； 以下各者中的至少一者:物理地耦合到所述發(fā)電機的邊界約束、定位在所述發(fā)電機上的質量塊，及物理地耦合到所述發(fā)電機的一末端的張力調整器；及 控制器，其電耦合到所述發(fā)電機且電耦合到以下各者中的至少一者:物理地耦合到所述發(fā)電機的所述邊界約束、定位在所述發(fā)電機上的所述質量塊，及物理地耦合到所述發(fā)電機的所述末端的所述張力調整器。
27.根據權利要求26所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述控制器經配置以致使基于所述流動流體的流率及/或所述發(fā)電機產生的功率來調整所述邊界約束的剛性、所述質量塊的分布及所述張力調整器對所述發(fā)電機施加的張力中的至少一者。
28.一種操作流體發(fā)電系統(tǒng)的方法，其包含: 響應于流體流過所述流體發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機而使所述發(fā)電機振動，使得與所述發(fā)電機一起振動的所述發(fā)電機的電荷產生材料產生功率輸出，其中邊界約束物理地耦合到所述發(fā)電機，質量塊定位在所述發(fā)電機上，且/或張力調整器物理地耦合到所述發(fā)電機； 在所述流體發(fā)電系統(tǒng)的控制器處接收電信號；及 響應于具有特定值的所述電信號通過將來自所述控制器的電信號發(fā)送到所述邊界約束、質量塊及/或張力調整器中的相應者以調整所述邊界約束的剛性、所述質量塊的分布及/或所述張力調整器對所述發(fā)電機施加的張力來調整由所述電荷產生材料產生的所述功率輸出。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述電信號的所述特定值指示所述流體流過所述發(fā)電機的特定流率。
30.根據權利要求28所述的方法，其中所述電信號的所述特定值指示由所述電荷產生材料產生的所述功率輸出。
31.根據權利要求30所述的方法，其進一步包含: 比較所述特定值與指示所述電荷產生材料的所要功率輸出的值；且 其中響應于具有特定值的所述電信號來調整由所述電荷產生材料產生的所述功率輸出發(fā)生在所述特定值與指示所述電荷產生材料的所述所要功率輸出的所述值相差至少某一量時.
全文摘要
本發(fā)明涉及一種流體發(fā)電系統(tǒng)的實施例，其具有包含電荷產生材料的發(fā)電機及一對末端邊界約束。所述對末端邊界約束的所述末端邊界約束中的一者鄰近于所述電荷產生材料的一末端而物理地耦合到所述電荷產生材料，且所述對末端邊界約束中的另一者鄰近于所述電荷產生材料的相對末端而物理地耦合到所述電荷產生材料。對于一些實施例，所述末端邊界約束可為有源或無源的。對于其它實施例，所述末端邊界約束中的至少一者可電耦合到用于調整所述發(fā)電機的振動特性的控制器。
文檔編號F03D5/00GK103168167SQ201180049416
公開日2013年6月19日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權日2010年10月12日
發(fā)明者達優(yōu)釋·阿拉爾 申請人:希爾溫德有限公司