專利名稱：不倒翁多模發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源設(shè)施領(lǐng)域，特別涉及一種振動(dòng)能、風(fēng)能、水能、海浪等多種形式能量轉(zhuǎn)化發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界能源緊張，尋找新的能源問題是世人最為迫切的渴求，特別是尋找地球上再生能源更是人們所追求的目標(biāo)。振動(dòng)是一種廣泛存在的現(xiàn)象，特別是在汽車、飛機(jī)、橋梁或大型機(jī)械等多種場(chǎng)合中。振動(dòng)能量采集就是采集機(jī)械、車輛、樓宇以及如橋梁等其它建筑架構(gòu)產(chǎn)生的一般機(jī)械振動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)換為電能，無需布線和電池，就可驅(qū)動(dòng)傳感器或者其他電路裝置的一種能量采集技術(shù)。地球上海洋的波浪是一種蘊(yùn)藏著巨大的能量，人們不斷努力尋找各種各樣的方法，去開發(fā)這一巨大的再生能源而實(shí)踐探索，開發(fā)出多種類型的發(fā)電裝置。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種海浪發(fā)電方式，大多利用各類機(jī)械裝置將海浪的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而由旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，或者使用直線電機(jī)將進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。但不管是采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)還是 直線電機(jī)，由于海浪運(yùn)動(dòng)速度較慢，發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量一般較大，制造成本較高，若使用傳統(tǒng)齒輪箱進(jìn)行增速，增加發(fā)電機(jī)動(dòng)子速度，必然會(huì)帶來系統(tǒng)效率降低，需要定期維護(hù)等問題?，F(xiàn)有的風(fēng)輪發(fā)電裝置，一般都包含一個(gè)風(fēng)輪機(jī)構(gòu)，受水面發(fā)電應(yīng)用環(huán)境的影響，風(fēng)輪機(jī)構(gòu)的安裝高度受到限制，同時(shí)在諸如航標(biāo)等浮動(dòng)平臺(tái)上，風(fēng)輪機(jī)構(gòu)的固定本身就有一定難度。風(fēng)輪機(jī)構(gòu)暴露在空氣之中，并且有一定的高度，容易受到風(fēng)浪的襲擊而損壞，導(dǎo)致無法工作，浮動(dòng)平臺(tái)供電，尤其是遠(yuǎn)離海岸線的位置，維護(hù)起來非常困難。另外風(fēng)輪機(jī)構(gòu)等成本較高，并且風(fēng)輪發(fā)電方式還存在一個(gè)最小啟動(dòng)風(fēng)速，低于該風(fēng)速，將不能正常工作。傳統(tǒng)的水力發(fā)電機(jī)需要攔河造壩抬高水位，利用水流積蓄的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。傳統(tǒng)的水電站建設(shè)成本極高，同時(shí)盲目建造水電站將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的損壞，另外也不是所有的河流都適合建造水電站。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用振動(dòng)能、風(fēng)力發(fā)電的裝置，該裝置還可以用做水力、海浪等可再生能源發(fā)電裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種不倒翁多模發(fā)電裝置，包括不倒翁結(jié)構(gòu)體、壓電材料、至少三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體；所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體固定在腔體的內(nèi)壁上，其中的三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)所在軸向線成三維正交狀態(tài)；所述不倒翁結(jié)構(gòu)體的底部外側(cè)與地面的結(jié)合部位附近固定有壓電材料；所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體由彈性部件、壓電材料、永磁鐵和線圈組成，所述的壓電材料固定在彈性部件外表面，所述的彈性部件同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)電單元對(duì)外輸出電能，一個(gè)利用壓電材料的正壓電效應(yīng)輸出電能，另一個(gè)利用電磁感應(yīng)原理輸出電能。作為進(jìn)一步優(yōu)化，彈性部件可以是懸臂梁，懸臂梁的一端為固定端，另一端為自由端，所述自由端產(chǎn)生與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)。作為進(jìn)一步優(yōu)化，彈性部件也可以是彈簧，彈簧的一端為固定端，另一端為自由端，所述自由端產(chǎn)生與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)。作為進(jìn)一步優(yōu)化，使用懸臂梁作為彈性部件時(shí)，可以是永磁鐵與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。作為進(jìn)一步優(yōu)化，使用懸臂梁作為彈性部件時(shí)，也可以是線圈與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。作為進(jìn)一步優(yōu)化，使用彈簧作為彈性部件時(shí)，可以是永磁鐵與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。作為進(jìn)一步優(yōu)化，使用彈簧作為彈性部件時(shí)，也可以是線圈與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。作為進(jìn)一步優(yōu)化，永磁鐵可以是條形磁鐵，從線圈中央穿過。作為進(jìn)一步優(yōu)化，永磁鐵也可以是U型磁鐵，線圈的一部分位于磁鐵的U型空隙中。作為進(jìn)一步優(yōu)化，微發(fā)電結(jié)構(gòu)體還包括兩個(gè)整流電路，壓電材料的電能輸出端和線圈的電能輸出端分別連接在整流電路的輸入端。
本發(fā)明創(chuàng)造與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特征:
1、風(fēng)能、振動(dòng)能、水能、海洋波浪能都是清潔能源，不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)污染，是一種取之不盡的能源。2、本發(fā)明可以用作風(fēng)力發(fā)電，在裝置外面固定葉片，以增大受風(fēng)面積。風(fēng)力作用在葉片上，受力不平衡，將發(fā)生擺動(dòng)，進(jìn)而可以通過正壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理對(duì)外輸出電倉(cāng)泛。3、本發(fā)明可以用作振動(dòng)能發(fā)電，如直接放置在車船上，獲取振動(dòng)能發(fā)電。4、本發(fā)明可以作為水力發(fā)電裝置使用，不需要攔河造壩抬高水位，建設(shè)成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，對(duì)生態(tài)環(huán)境沒有影響，不受地勢(shì)、水量等因素的限制。5、本發(fā)明可以作為海浪發(fā)電裝置使用，通過綁定浮子，讓本裝置漂浮在海面上，隨波浪起伏搖擺，對(duì)海水深度不做要求，既可以部署在近海岸邊，又可以部署在遠(yuǎn)離海岸線的區(qū)域，施工容易、對(duì)環(huán)境破壞小。6、本發(fā)明不受海浪強(qiáng)度限制，轉(zhuǎn)換效率高，可充分地利用小、中、大海浪的波能發(fā)電。7、裝置內(nèi)每個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體都能對(duì)捕獲的能量，同時(shí)通過正壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理兩種方式轉(zhuǎn)化為電能，可發(fā)揮兩種能量轉(zhuǎn)化方式的優(yōu)勢(shì)，克服各自的不足，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，能量轉(zhuǎn)化效率高。8、該裝置根據(jù)發(fā)電功率的要求可以設(shè)計(jì)成大小不等的體積，可在單獨(dú)，也可以多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)置，建立一個(gè)大型發(fā)電廠，將可以發(fā)出巨大的電力，大大緩解能源緊缺狀況。9、本發(fā)明可靠性高，在部分模塊損壞的情況下依然能正常工作。裝置內(nèi)部包含多個(gè)獨(dú)立的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，既可以充分吸收能量，提高轉(zhuǎn)化效率，也同時(shí)增強(qiáng)中裝置的整體的可靠性，即便其中部分損壞，整個(gè)裝置仍能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化。10、本發(fā)明可以為航標(biāo)燈等海洋儀器設(shè)備供電、也可以通過電纜輸送到海島或沿岸并網(wǎng)供電，還可以用在偏遠(yuǎn)山區(qū)供電，其應(yīng)用領(lǐng)域很廣。11、本發(fā)明可以用作裝飾品、玩具等用途，適當(dāng)改造可以作為家電小設(shè)備使用。例如，集成發(fā)光元件，可以作為臺(tái)燈使用；集成MP3，可以作為音樂播放器使用；可以作為手機(jī)充電器。12、裝置的腔體外殼，具備一定的抗沖擊和抗腐蝕老化能力，可以抵御高強(qiáng)度風(fēng)浪的沖擊。主要部件位于封閉腔內(nèi)，不受腐蝕危害,壽命長(zhǎng)、建設(shè)和運(yùn)行成本低,且系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、能量轉(zhuǎn)化率高。


圖1為不倒翁多模發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為永磁鐵固定的懸臂梁式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為永磁鐵固定的懸臂梁式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為線圈固定的懸臂梁式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為線圈固定的懸臂梁式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為永磁鐵固定的彈簧式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為永磁鐵固定的彈簧式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為線圈固定的彈簧式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為線圈固定的彈簧式微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為一種并聯(lián)方式匯聚的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為懸臂梁及壓電材料部位放大效果圖。圖12為彈簧及壓電材料部位放大效果圖。圖13為截取彈簧及壓電材料部位的一個(gè)片段放大后效果圖。圖14為單個(gè)發(fā)電單元整流后波形效果示意圖。圖15為多個(gè)發(fā)電單元整流后匯聚效果示意圖。其中(I)彈性部件為懸梁臂的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體(2)彈性部件為彈簧的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體(3 )不倒翁結(jié)構(gòu)體(4)壓電材料
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖1所示，一種不倒翁多模發(fā)電裝置，包括不倒翁結(jié)構(gòu)體、壓電材料、至少三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體；微發(fā)電結(jié)構(gòu)體固定在腔體的內(nèi)壁上，其中的三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)所在軸向線成三維正交狀態(tài)；不倒翁結(jié)構(gòu)體的底部外側(cè)與地面的結(jié)合部位附近固定有壓電材料，以不倒翁與地面接觸點(diǎn)為中心成對(duì)稱分布。微發(fā)電結(jié)構(gòu)體由彈性部件、壓電材料、永磁鐵和線圈組成；壓電材料固定在彈性部件外表面；每個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，均通過彈性部件同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)電單兀對(duì)外輸出電能，一個(gè)利用壓電材料的正壓電效應(yīng)輸出電能，另一個(gè)利用電磁感應(yīng)原理輸出電能。當(dāng)外力作用在裝置上，不倒翁將發(fā)生搖擺，位于其底部外側(cè)的壓電材料受壓力情況發(fā)生變化，導(dǎo)致壓電材料不同部位發(fā)生形變。壓電材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)的存在實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)化。不倒翁內(nèi)部的各個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體將吸收相應(yīng)方向上的能量。這些能量以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在各個(gè)彈性部件中，進(jìn)而引起個(gè)彈性部件發(fā)生諧振，彈性部件的形變將帶動(dòng)與之固定在一起的壓電材料發(fā)生形變，通過正壓電效應(yīng)輸出電能。彈性部件的諧振同時(shí)也會(huì)使得線圈和永磁鐵做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，通過電磁感應(yīng)原理輸出電能。
微發(fā)電結(jié)構(gòu)體中的彈性部件可以是懸臂梁，懸臂梁的一端為固定端，另一端為自由端，所述自由端產(chǎn)生與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)。微發(fā)電結(jié)構(gòu)體中的彈性部件也可以是彈簧，彈簧的一端為固定端，另一端為自由端，所述自由端產(chǎn)生與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)。使用懸臂梁作為彈性部件時(shí)，可以是永磁鐵與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。使用懸臂梁作為彈性部件時(shí)，也可以是線圈與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。使用彈簧作為彈性部件時(shí)，可以是永磁鐵與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。使用彈簧作為彈性部件時(shí)，也可以是線圈與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。永磁鐵也可以有不同的形狀，永磁鐵可以是條形磁鐵，從線圈中央穿過。永磁鐵也可以是U型磁鐵，線圈的一部分位于磁鐵的U型空隙中。
依照微發(fā)電結(jié)構(gòu)體的不同，本發(fā)明的有不同的實(shí)現(xiàn)方案。下面分別結(jié)合實(shí)施例對(duì)典型的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體工作原理進(jìn)行說明，依照所述的彈性部件的不同，所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體可以分為兩個(gè)大類:一是彈性部件是懸臂梁，二是彈性部件是彈簧。各個(gè)大類中又有具體結(jié)構(gòu)變化，下面分別加以說明。
實(shí)施例1:彈性部件是懸臂梁的實(shí)施例
所述的彈性部件是懸臂梁，所述懸臂梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)固定端。懸臂梁的另一端為自由端，所述的自由端可產(chǎn)生與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)，外界產(chǎn)生的與懸臂梁上下表面垂直的振動(dòng)將被懸臂梁捕獲，傳遞到懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能發(fā)電系統(tǒng)。如圖2、3、4、5所示，為彈性部件為懸臂梁的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例。所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體包含一個(gè)懸臂梁，懸臂梁通常是由形狀規(guī)則的片狀彈性材料構(gòu)成，通常制作成矩形形狀的薄片，懸臂梁采用高彈性模量的材料，要求具有很好的彈性振動(dòng)效果和較低的阻尼內(nèi)耗，同時(shí)還要求許用應(yīng)變較大，塑性小，機(jī)械品質(zhì)因素高。所述彈性部件為懸臂梁的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體包括壓電式和電磁感應(yīng)式兩個(gè)發(fā)電單元，壓電式發(fā)電單元利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將懸臂梁振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，電磁感應(yīng)式發(fā)電單元利用線圈和永磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)發(fā)電輸出；所述的壓電材料涂覆在懸臂梁上下表面；電源管理單元分別連接壓電材料或者線圈的電能輸出端。壓電式發(fā)電單元利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將懸臂梁振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。如圖2、3、4、5所示，所述的壓電材料涂覆在懸臂梁上下表面，圖11懸臂梁固定壓電材料部分的放大效果圖。用以展示壓 電材料、懸臂梁以及電極等元件間的位置關(guān)系。當(dāng)外界因素引起懸臂梁振動(dòng)時(shí)，壓電材料隨懸梁臂做上下振動(dòng)，壓電材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)的存在實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)的機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)化。實(shí)施例中壓電材料工作在31模式，其極化方向沿厚度方向。為了獲得較大的功率輸出。為了提高平均應(yīng)力，壓電材料可制作成變截面的形狀，同時(shí)應(yīng)選用壓電系數(shù)和韌性均較高的壓電材料(例如，壓電纖維)制作壓電材料。所述壓電材料上下外表面安裝一對(duì)電極，電極上的導(dǎo)線將壓電材料轉(zhuǎn)換得到的電能輸出。所述的電磁感應(yīng)式發(fā)電單元利用線圈和永磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)發(fā)電輸出，具體實(shí)現(xiàn)又分為兩種方案:一種是線圈固定，另一種是永磁鐵固定。所述的永磁鐵有U型和條形等形式。圖2、3是兩種永磁鐵固定的電磁感應(yīng)式發(fā)電單元實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。所述的線圈與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定(如圖下方的虛線所示)；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。圖4、5是兩種線圈固定的電磁感應(yīng)式發(fā)電單元實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。所述的永磁鐵與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定(如圖下方的虛線所示)，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。作為進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)于圖2、3所示實(shí)施例，還可以在懸臂梁的自由端添加一個(gè)質(zhì)量塊，以改善懸臂梁的頻率特征。圖4、5所示實(shí)施例，與懸臂梁的自由端相連的永磁鐵充當(dāng)了質(zhì)量塊的作用。質(zhì)量塊的質(zhì)量大小需要依據(jù)本裝置的應(yīng)用場(chǎng)合和懸臂梁尺寸、材質(zhì)等因素進(jìn)行綜合考慮。圖2、4所示的實(shí)施例中，永磁鐵是條形磁鐵，從線圈中央穿過。圖3、5所示的實(shí)施例中，永磁鐵是U型磁鐵，線圈的一部分位于磁鐵的U型空隙中。壓電材料可獲得較高的脈沖電壓，但電流較小，線圈中獲得的電壓較低而電流大，壓電材料和線圈中獲得的電能相互補(bǔ)充。
實(shí)施例2:彈性部件是彈簧的實(shí)施例
所述的所述的彈性部件可以是彈簧，所述彈簧的一端為固定端。彈簧的另一端為自由端，所述的自由端可產(chǎn)生與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)，外界產(chǎn)生的與彈簧伸縮方向一致的振動(dòng)將被彈黃捕猶，傳遞到彈黃結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能發(fā)電系統(tǒng)。如圖6、7、8、9所示，為彈性部件為彈簧的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體實(shí)施例。所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體包含一個(gè)彈簧，彈簧通常是由形狀規(guī)則的彈性材料構(gòu)成，形狀可以與普通彈簧相同，彈簧采用高彈性模量的材料，要求具有很好的彈性振動(dòng)效果和較低的阻尼內(nèi)耗，同時(shí)還要求許用應(yīng)變較大，塑性小，機(jī)械品質(zhì)因素高。所述彈簧結(jié)構(gòu)發(fā)電裝置包括壓電式和電磁感應(yīng)式兩個(gè)發(fā)電單元，壓電式發(fā)電單元利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將彈簧振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，電磁感應(yīng)式發(fā)電單元利用線圈和永磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)發(fā)電輸出；所述的壓電材料涂覆在彈簧上下表面；電源管理單元分別連接壓電材料或者線圈的電能輸出端。壓電式發(fā)電單元利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將彈簧振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。如圖
6、7、8、9所示，所述的壓電材料涂覆在彈簧上下表面，圖12、13分別是彈簧部位的兩個(gè)不同放大級(jí)別的示意圖。用以展示壓電材料、彈簧以及電極等元件間的位置關(guān)系。當(dāng)外界因素引起彈簧振動(dòng)時(shí)，壓電材料隨彈簧做伸縮運(yùn)動(dòng)，壓電材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)的存在實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)的機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)化。所述壓電材料上下外表面可以安裝一對(duì)電極，電極上的導(dǎo)線將壓電材料轉(zhuǎn)換得到的電能輸出。所述的電磁感應(yīng)式發(fā)電單元利用線圈和永磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)發(fā)電輸出，具體實(shí)現(xiàn)又分為兩種方案:一種是線圈固定，另一種是永磁鐵固定。所述的永磁鐵有U型和條形等形式。圖6、7是兩種線圈固定的電磁感應(yīng)式發(fā)電單元實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。所述的永磁鐵與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定(如圖下方的虛線所示)，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。
圖8、9是兩種永磁鐵固定的電磁感應(yīng)式發(fā)電單元實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。所述的線圈與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定(如圖下方的虛線所示)；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。
作為進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)于圖8、9所示實(shí)施例，還可以在彈簧的自由端添加一個(gè)質(zhì)量塊，以改善彈簧的頻率特征。圖6、7所示實(shí)施例，與彈簧的自由端相連的永磁鐵充當(dāng)了質(zhì)量塊的作用。質(zhì)量塊的質(zhì)量大小需要依據(jù)本裝置的應(yīng)用場(chǎng)合和彈簧尺寸、材質(zhì)等因素進(jìn)行綜合考慮。
圖6所示的實(shí)施例中,永磁鐵是條形磁鐵,從線圈中央穿過。圖9所示的實(shí)施例中，由兩塊永磁鐵構(gòu)建空間磁場(chǎng)分布，線圈在兩塊永磁鐵間空隙運(yùn)動(dòng)。
圖7、8所示的實(shí)施例中，永磁鐵是U型磁鐵，線圈的一部分位于磁鐵的U型空隙中。
進(jìn)一步的，如圖6、7、8、9所示，本發(fā)明還包括一個(gè)滑桿，引入滑桿可以使得本發(fā)明在使用時(shí)，既可以如圖所示沿垂直方向安裝，也可以沿水平等其他方向安裝，從而可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。具體實(shí)現(xiàn)如下: 滑桿位于彈簧固定端以一側(cè)固定，為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)固定?；瑮U沿彈簧螺旋體軸向穿過，彈簧及固定彈簧自由端的物體沿滑桿方向自由滑動(dòng)。圖6、7中的線圈以及圖8、9中的永磁鐵可以直接固定在滑桿的末端。
裝置內(nèi)每個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體都能對(duì)捕獲的能量，同時(shí)通過正壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理兩種方式轉(zhuǎn)化為電能，壓電材料可獲得較高的脈沖電壓，但電流較小，線圈中獲得的電壓較低而電流大，壓電材料和線圈中獲得的電能相互補(bǔ)充，克服各自的不足，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，能量轉(zhuǎn)化效率高。
各個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體均包含正壓電效應(yīng)發(fā)電單元和電磁感應(yīng)發(fā)電單元。從壓電材料和線圈中輸出的電能，分別經(jīng)過整流濾波電路后進(jìn)行匯聚?？墒褂脴蚴秸麟娐愤M(jìn)行整流，可使用RC濾波電路進(jìn)行濾波，這些都是公知的技術(shù)。
通過使用整流電路將各個(gè)線圈輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，給電能的匯聚提供了方便，故而不同線圈間電能的匯聚將更為簡(jiǎn)單，匯聚電路的結(jié)構(gòu)將更為簡(jiǎn)單，連接線路更容易實(shí)現(xiàn)，裝置整體上更加簡(jiǎn)潔。
圖14是單個(gè)發(fā)電單元輸出電能，經(jīng)過整流后的波形效果圖。由于各個(gè)線圈所處的磁場(chǎng)環(huán)境等諸多因素并不完全相同，故而各個(gè)發(fā)電單元輸出的電能信號(hào)的相位并不完全同步，幅值也會(huì)各有不同。若直接使用交流方式匯聚，同步問題難以處理。轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)以后，匯聚將變得十分簡(jiǎn)單。圖15是多個(gè)發(fā)電單元輸出電能整流后進(jìn)行匯聚的波形效果圖。
所有這些多個(gè)發(fā)電單元電能匯聚方式可以是串聯(lián)方式，也可以是并聯(lián)方式，還可以是混聯(lián)方式，具體根據(jù)對(duì)輸出電能的電壓和電流大小等要求來決定。不論采取何種聯(lián)接方式實(shí)現(xiàn)匯聚，都應(yīng)該對(duì)各個(gè)發(fā)電單元采取一定的保護(hù)措施，以防止逆充電而對(duì)各個(gè)發(fā)電單元造成損害。
如圖10所示，該電路片段中發(fā)電單元以并聯(lián)方式聯(lián)接，圖中的二極管為防反充肖特基二極管，能有效防止電池組對(duì)前向電路反充電。
本發(fā)明包括至少三個(gè)的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，微發(fā)電結(jié)構(gòu)體固定在腔體的內(nèi)壁上，其中的三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)所在軸向線成三維正交狀態(tài)，不論振動(dòng)能量方向如何，其中至少兩個(gè)發(fā)電結(jié)構(gòu)可以最大限度的吸收該能量。其他微發(fā)電結(jié)構(gòu)體安裝在腔體內(nèi)壁的不同方位，通過各個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體中的彈性部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)來自各個(gè)方向能量的有效吸收，提高裝置整體的振動(dòng)能量吸收的能力。裝置內(nèi)部包含多個(gè)獨(dú)立的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，既可以充分吸收能量，提高轉(zhuǎn)化效率，也同時(shí)增強(qiáng)中裝置的整體的可靠性，即便其中部分損壞，整個(gè)裝置仍能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化。微發(fā)電結(jié)構(gòu)的彈性部件的固定端可以直接安裝在封閉腔體的內(nèi)壁，壓電材料固定在彈性部件外表面；線圈和永磁鐵中的一個(gè)與在彈性部件的自由端相連，另一個(gè)通過固定支架固定在封閉腔體的內(nèi)壁。微發(fā)電結(jié)構(gòu)還可以包含一個(gè)固定座，彈性部件的固定端安裝在固定座上，固定座安裝在封閉腔體的內(nèi)壁上，壓電材料固定在彈性部件外表面；線圈和永磁鐵中的一個(gè)與在彈性部件的自由端相連，另一個(gè)通過固定支架固定在微發(fā)電結(jié)構(gòu)的固定座上。這樣微發(fā)電結(jié)構(gòu)就成為一個(gè)獨(dú)立的整體，可以方便進(jìn)行批量化生產(chǎn)，也有利于安裝部署。
每個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體還包括兩個(gè)整流電路，壓電材料的電能輸出端和線圈的電能輸出端分別連接在整流電路的輸入端。各個(gè)整流電路的輸出的電能以并聯(lián)方式、或者串聯(lián)方式、或者混聯(lián)方式進(jìn)行匯聚，具體采用哪一種連接方式可根據(jù)對(duì)輸出電能的電壓和電流大小等要求來決定。通過使用整流電路將各個(gè)線圈輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，給電能的匯聚提供了方便，故而不同線圈間電能的匯聚將更為簡(jiǎn)單，匯聚電路的結(jié)構(gòu)將更為簡(jiǎn)單，連接線路更容易實(shí)現(xiàn)，裝置整體上更加簡(jiǎn)潔。各個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體各自獨(dú)立，分別通過電磁感應(yīng)原理和正壓電效應(yīng)對(duì)外輸出電能。各自獨(dú)立工作，既可以充分吸收能量，提高轉(zhuǎn)化效率，也同時(shí)增強(qiáng)中裝置的整體的可靠性，即便其中部分損壞，整個(gè)裝置仍能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化。各個(gè)線圈輸出的電能后經(jīng)過整流后的還可以進(jìn)行濾波，以進(jìn)一步改善其直流特征?？梢允褂脴蚴秸麟娐吠瓿烧?，使用RC濾波電路完成濾波，這些都是公知的技術(shù)，其中橋式整流電路還可以使用集成芯片，以減少體積和提高性能。各個(gè)線圈輸出的電能，經(jīng)過整流和濾波后，可以進(jìn)行匯聚，所有這些多個(gè)發(fā)電單元電能匯聚方式可以是串聯(lián)方式，也可以是并聯(lián)方式，還可以是混聯(lián)方式，不論采取何種聯(lián)接方式實(shí)現(xiàn)匯聚，都應(yīng)該對(duì)各個(gè)發(fā)電單元采取一定的保護(hù)措施，以防止反充電或者反向回流而對(duì)各個(gè)發(fā)電單元造成損害，如圖10所示，可以是用使用防反充肖特基二極管來實(shí)現(xiàn)上述目的。經(jīng)過匯聚后的電能可以經(jīng)過變換后直接輸出，也可以存儲(chǔ)到儲(chǔ)能設(shè)備之中。本發(fā)明還可作為水力發(fā)電裝置使用。此時(shí)可以直接部署內(nèi)陸的河流中，可以將本裝置的通過繩子牽引潛浮在水中，在水力和重力的共同作用下，裝置將成斜向潛浮在水中，從而增大水阻。水流直接沖擊在不倒翁結(jié)構(gòu)體外殼上，因?yàn)槭芰Σ黄胶?，裝置將在牽引繩的尾端做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)各個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體中的彈性部件發(fā)生運(yùn)動(dòng)，通過壓電材料的形變和線圈對(duì)磁力線的切割對(duì)外輸出電能。
相對(duì)于傳統(tǒng)的水輪式水力發(fā)電裝置，本裝置作為水力發(fā)電裝置使用時(shí)不需要攔河造壩抬高水位，建設(shè)成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，對(duì)生態(tài)環(huán)境沒有影響，不受地勢(shì)、水量等因素的限制。
本發(fā)明還可作為風(fēng)力發(fā)電裝置使用，不倒翁結(jié)構(gòu)體的外殼上固定一個(gè)到多個(gè)風(fēng)葉，用以提高風(fēng)阻，風(fēng)力作用在風(fēng)葉，由于受力不平衡，不倒翁將產(chǎn)生擺動(dòng)，帶動(dòng)裝置底部的壓電材料受力發(fā)生形變，通過正壓電效應(yīng)對(duì)外輸出電能；位于不倒翁結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，通過電磁感應(yīng)原理和正壓電效應(yīng)對(duì)外輸出電能。
相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)輪式風(fēng)力發(fā)電裝置，本裝置作為風(fēng)力發(fā)電裝置使用時(shí)建設(shè)成本低，噪聲低，維護(hù)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，對(duì)生態(tài)環(huán)境沒有影響，不受風(fēng)速大小等因素的限制。
本發(fā)明可用作振動(dòng)能發(fā)電，如直接放置在車船上，獲取振動(dòng)能發(fā)電。
本發(fā)明可用作海浪發(fā)電裝置，增加浮子等設(shè)置，讓本裝置漂浮在海面上。本發(fā)明裝置隨海浪做搖擺，內(nèi)部的的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，通過電磁感應(yīng)原理和正壓電效應(yīng)對(duì)外輸出電能。本發(fā)明不受海浪強(qiáng)度限制，轉(zhuǎn)換效率高，可充分地利用小、中、大海浪的波能發(fā)電。本發(fā)明的不倒翁結(jié)構(gòu)體外殼可以充當(dāng)保護(hù)外殼，起到抗風(fēng)浪沖擊的作用。
本發(fā)明可靠性高。裝置內(nèi)部包含多個(gè)獨(dú)立的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，既可以充分吸收能量，提高轉(zhuǎn)化效率，也同時(shí)增強(qiáng)中裝置的整體的可靠性，即便其中部分損壞，整個(gè)裝置仍能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明中使用多個(gè)部件進(jìn)行能力捕獲，既通過永磁鐵和線圈構(gòu)造電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化電路，又在底部外側(cè)的壓電材料，通過正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化?？砂l(fā)揮兩種能量轉(zhuǎn)化方式的優(yōu)勢(shì)，克服各自的不足，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，能量轉(zhuǎn)化效率高。
根據(jù)發(fā)電功率的要求，本發(fā)明可以設(shè)計(jì)成大小不等的體積，內(nèi)部可以包含數(shù)量不等的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體，可在單獨(dú)設(shè)置，也可以多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)置，建立一個(gè)大型發(fā)電廠，將可以發(fā)出巨大的電力，大大緩解能源緊缺狀況。
本裝置可作為航標(biāo)燈等海洋儀器設(shè)備供電、也可以通過電纜輸送到海島或沿岸并網(wǎng)供電，其應(yīng)用領(lǐng)域很廣。本裝置還可應(yīng)用到其他場(chǎng)合，如直接放置在車船上，獲取振動(dòng)能發(fā)電，也可以部署內(nèi)陸的河流中。
以上所述的僅是本發(fā)明的實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于:包括不倒翁結(jié)構(gòu)體、壓電材料、至少三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)體；所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體固定在腔體的內(nèi)壁上，其中的三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)所在軸向線成三維正交狀態(tài)；所述不倒翁結(jié)構(gòu)體的底部外側(cè)與地面的結(jié)合部位附近固定有壓電材料；所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體由彈性部件、壓電材料、永磁鐵和線圈組成，所述的壓電材料固定在彈性部件外表面，所述的彈性部件同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)電單元對(duì)外輸出電能，一個(gè)利用壓電材料的正壓電效應(yīng)輸出電能，另一個(gè)利用電磁感應(yīng)原理輸出電能。
2.如權(quán)利要求1所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的彈性部件是懸臂梁，所述懸臂梁的一端為固定端，另一端為自由端，所述自由端產(chǎn)生與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的彈性部件是彈簧，所述彈簧的一端為固定端，另一端為自由端，所述自由端產(chǎn)生與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1、2所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的永磁鐵與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。
5.如權(quán)利要求1、2所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的線圈與懸臂梁的自由端相連，隨自由端一起做與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨懸臂梁自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。
6.如權(quán)利要求1、3所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的永磁鐵與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述線圈位置固定，位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；永磁鐵隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。
7.如權(quán)利要求1、3所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的線圈與彈簧的自由端相連，隨自由端一起做與彈簧伸縮方向一致的運(yùn)動(dòng)；所述永磁鐵位置固定；所述的線圈位于永磁鐵的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)；線圈隨彈簧自由端一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而輸出電能。
8.如權(quán)利要求1所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的永磁鐵是條形磁鐵，從線圈中央穿過。
9.如權(quán)利要求1所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的永磁鐵是U型磁鐵，線圈的一部分位于磁鐵的U型空隙中。
10.如權(quán)利要求1所述的不倒翁多模發(fā)電裝置，其特征在于，所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體還包括兩個(gè)整流電路，壓電材料的電能輸出端和線圈的電能輸出端分別連接在整流電路的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種不倒翁多模發(fā)電裝置，包括不倒翁結(jié)構(gòu)體、微發(fā)電結(jié)構(gòu)體和壓電材料；所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體固定在腔體的內(nèi)壁上，其中的三個(gè)微發(fā)電結(jié)構(gòu)所在軸向線成三維正交狀態(tài)；所述的微發(fā)電結(jié)構(gòu)體同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)電單元對(duì)外輸出電能，一個(gè)利用壓電材料的正壓電效應(yīng)輸出電能，另一個(gè)利用電磁感應(yīng)原理輸出電能，所述不倒翁結(jié)構(gòu)體的底部外側(cè)與地面的結(jié)合部位附近還固定有壓電材料。本發(fā)明可以用作風(fēng)力、水力、海浪和振動(dòng)能發(fā)電裝置，部署簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用范圍極廣。
文檔編號(hào)F03B13/00GK103174616SQ20131007861
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者張平, 張秋平, 沈新秀 申請(qǐng)人:張平