本發(fā)明涉及一種能量轉(zhuǎn)換裝置，具體涉及一種仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置，屬于波浪能發(fā)電新能源領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著科技的進步和人民生活水平的提高，智能手機等新興便攜電子設(shè)備得到飛速發(fā)展，但是由于常規(guī)鋰電池容量有限，人們外出時常出現(xiàn)手機沒電的困境。集成化電子元器件耗電量低，工作電壓低，所需能量可以從人體運動機械能中得到滿足。所以從人體運動機械能中獲取能量也正成為一個新興科研領(lǐng)域。壓電發(fā)電是一種新型的發(fā)電形式。在外部震動等干擾下產(chǎn)生機械變形，材料內(nèi)部產(chǎn)生極化，在壓電晶片兩晶面上分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。壓電俘能器相比于電磁俘能器具有發(fā)電電壓高、體積小、發(fā)電密度高、無電磁污染、結(jié)構(gòu)簡單便于微型化集成化等。海洋也是一個巨大的能量來源。據(jù)測算，海洋上波浪所蘊含的能量達到5000GW，如果能夠?qū)χ浞掷?，那將對我們的航行、勘探、領(lǐng)土安全帶來極大的便利。目前已經(jīng)有很多國家在進行波浪能的利用研究，其中英國、挪威、日本走在了世界的前列。上世紀(jì)80年代初，英國已成為世界波浪能研究的中心；1985年，挪威建造了20世紀(jì)容量最大的500kW波電站；日本一直重視波浪能技術(shù)向應(yīng)用產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換，其研制的兆瓦級波浪能發(fā)電船“海明號”處于世界領(lǐng)先水平。根據(jù)發(fā)電裝置的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程，可以將波浪能發(fā)電過程分為三個階段：一次轉(zhuǎn)換、中間轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換。一次轉(zhuǎn)換是將波浪的動能和勢能吸收并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機械能、氣體內(nèi)能等其他形式的能量，二次轉(zhuǎn)換是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能，中間轉(zhuǎn)換是一次轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換的中間的過渡過程。一次轉(zhuǎn)換裝置的主要形式有振蕩水柱式、振蕩搖擺式、水面浮動式等，振蕩水柱式是目前研究最多的吸波裝置，它利用海水波動將波浪動能和勢能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的內(nèi)能，可靠性高但發(fā)電效率偏低；振蕩搖擺式利用豎直埋在水中的擺桿隨海水?dāng)[動吸收海水能量，容易遭到海洋活動的破壞；水面浮動式隨海水波動上下振動，吸收海水能量并將其轉(zhuǎn)換為渦輪機動能，一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗風(fēng)浪襲擊能力差。二次轉(zhuǎn)換過程有渦輪機發(fā)電、磁流體發(fā)電和壓電發(fā)電，渦輪機發(fā)電需要克服轉(zhuǎn)子慣性做功，能量損失較大；磁流體發(fā)電技術(shù)的原理是霍爾效應(yīng)，但是技術(shù)并不成熟，缺乏相應(yīng)的運動部件；美國科研機構(gòu)和大學(xué)在這方面做了很多研究，產(chǎn)品有發(fā)電背包和發(fā)電鞋等。但是也都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)電量弱等問題，很難對所發(fā)電能進行充分利用并且做到在發(fā)電裝置工作時不影響人體正常動作。公開日為2014年2月26日、公開號為CN103607058A、發(fā)明名稱為“一種基于人體運動的發(fā)電裝置”，它提出了一種能夠固定在人體各個部位，感知人體運動，并將人體運動能量轉(zhuǎn)化為電能的一種裝備；它利用電磁發(fā)電原理，將人體的運動轉(zhuǎn)化為永磁體的運動，固定線圈切割磁力線，在導(dǎo)線兩端產(chǎn)生電動勢；這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，但是輸出電壓不高，不利于電能的儲存和利用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決現(xiàn)有波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低和抗風(fēng)浪襲擊能力差的問題，進而提供一種仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置包括浮動底座、仿生水翼、兩個機架主體、兩個機架蓋、兩個激振永磁體、兩組懸臂梁壓電俘能器和多個受振永磁體；每組懸臂梁壓電浮能器包括多個懸臂梁壓電浮能器；激振永磁體和受振永磁體的磁極性相同；浮動底座上安裝有正對設(shè)置的兩個機架主體，兩個機架主體均為非鐵磁材料，每個機架主體上加工有凹槽，機架蓋封裝在凹槽上；兩個機架主體之間布置有仿生水翼；仿生水翼的尾緣兩端與兩個機架主體轉(zhuǎn)動連接，仿生水翼的前緣兩端各鑲嵌有一個激振永磁體；每個凹槽內(nèi)布置有一組懸臂梁壓電浮能器和多個受振永磁體，每個凹槽內(nèi)布置的多個懸臂梁壓電浮能器的懸臂梁端固裝在機架主體上，多個懸臂梁壓電浮能器的壓電片位于同一個豎直平面上且呈扇形排布，每個懸臂梁壓電浮能器的壓電片為長條片狀結(jié)構(gòu)，每個壓電片的自由端的一側(cè)面固裝有至少一個受振永磁體，激振永磁體和受振永磁體相鄰設(shè)置。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置最終通過懸臂梁壓電浮能器將能量轉(zhuǎn)換為電能。懸臂梁壓電浮能器在磁場力作用下產(chǎn)生機械變形，材料內(nèi)部發(fā)生極化，在壓電晶體兩晶面上產(chǎn)生正負(fù)電荷，從而產(chǎn)生電動勢。可以將壓電片進行串聯(lián)、并聯(lián)以得到需要的電壓、電流。本發(fā)明的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置是將海水的波浪能通過逐級轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。仿生水翼有一個自由度，可以繞旋轉(zhuǎn)軸自由擺動，仿生水翼的重心在支承軸以下，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。工作時裝置整體靠浮動底座的浮力漂浮在海面上，裝置整體隨海浪的波動而上下浮動，仿生水翼在在其平衡位置兩側(cè)擺動，將波浪能轉(zhuǎn)換為仿生水翼的機械能。仿生水翼上的激振永磁體和壓電復(fù)合懸臂梁組件上的受振永磁體到水翼旋轉(zhuǎn)中心線的距離相等。仿生水翼振動時嵌在前緣端面上的激振永磁體產(chǎn)生交變的磁場，施加給懸臂梁壓電浮能器上受振永磁體交變的磁場力，迫使懸臂梁壓電浮能器振動，將仿生水翼的機械能轉(zhuǎn)換為壓電片的彈性勢能。懸臂梁壓電浮能器的振動頻率是仿生水翼振動頻率的2倍。根據(jù)壓電發(fā)電原理，壓電片的振動頻率和幅度決定了輸出電壓的大小。本發(fā)明采用慣量較大的仿生水翼進行能量的初級吸收和轉(zhuǎn)換，運動穩(wěn)定；還可以通過改變仿生水翼重心的位置來改變仿生水翼的固有頻率，將傳遞給懸臂梁壓電浮能器的磁場力的變化頻率加倍，提高了壓電片的輸出電壓。同時，利用磁場進行能量的中間傳遞，減少了機械摩擦造成的磨損和能量損失，提高能量的轉(zhuǎn)化效率，能量利用效率大幅度提高。本發(fā)明的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用十分廣泛，可以用于海上波浪能發(fā)電，規(guī)模性應(yīng)用時把相鄰裝置的浮動底座連接成一個整體，提高裝置的穩(wěn)定性；也可以用于風(fēng)力發(fā)電，將裝置正面朝向迎風(fēng)面，風(fēng)吹動仿生水翼擺動，帶動壓電片振動變形產(chǎn)生電能；亦可以應(yīng)用于一般振動幅度較大的地方，比如說火車、船舶等，為車載/艦載電子元器件提供能量。本發(fā)明的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)電電壓高，易于集成化的優(yōu)點；采用漂浮式結(jié)構(gòu)，無水下部分，抗風(fēng)浪侵襲能力強，安全可靠；同時采用壓電發(fā)電形式，有振動即可發(fā)電，應(yīng)用靈活。本發(fā)明可用于波浪能壓電發(fā)電實驗平臺的研究，也可用于日常便攜式發(fā)電裝置的研究。附圖說明圖1是本發(fā)明仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置的主剖面圖，圖3是本發(fā)明所用仿生水翼形態(tài)示意圖，圖4是本發(fā)明所用機架主體三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是懸臂梁壓電浮能器振動原理示意圖，圖6是仿生水翼擺動示意圖，圖7是懸臂梁壓電浮能器振動變形示意圖。具體實施方式具體實施方式一：結(jié)合圖1至圖7說明本實施方式，本實施方式的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置包括浮動底座1、仿生水翼5、兩個機架主體2、兩個機架蓋9、兩個激振永磁體10、兩組懸臂梁壓電俘能器4和多個受振永磁體11；每組懸臂梁壓電浮能器4包括多個懸臂梁壓電浮能器4；激振永磁體10和受振永磁體11的磁極性相同；浮動底座1上安裝有正對設(shè)置的兩個機架主體2，兩個機架主體2均為非鐵磁材料，每個機架主體2上加工有凹槽2-1，機架蓋9封裝在凹槽2-1上；兩個機架主體2之間布置有仿生水翼5；仿生水翼5的尾緣兩端與兩個機架主體2轉(zhuǎn)動連接，仿生水翼5的前緣兩端各鑲嵌有一個激振永磁體10；每個凹槽2-1內(nèi)布置有一組懸臂梁壓電浮能器4和多個受振永磁體11，每個凹槽2-1內(nèi)布置的多個懸臂梁壓電浮能器4的懸臂梁端固裝在機架主體2上，多個懸臂梁壓電浮能器4的壓電片4-1位于同一個豎直平面上且呈扇形排布，每個懸臂梁壓電浮能器4的壓電片4-1為長條片狀結(jié)構(gòu)，每個壓電片4-1的自由端的一側(cè)面固裝有至少一個受振永磁體11，激振永磁體10和受振永磁體11相鄰設(shè)置。如圖6-圖7所示，本實施方式的仿生水翼優(yōu)先選用H型葉片式機翼。本實施方式的仿生水翼搖擺式流體動能轉(zhuǎn)換裝置在制造的時候，仿生水翼采用兩端支撐，擁有較好的擺動穩(wěn)定性；壓電復(fù)合懸臂梁組件分成兩組分別安裝在兩端機架主體側(cè)面的扇形空腔內(nèi)，并用壓電片緊固件壓緊，保證壓電片振動的有效性；浮動底座能浮在水面上，保證其抵抗風(fēng)浪侵襲的能力；壓電片為長條片狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)使用地的海浪頻率來進行設(shè)計，使其在工作時盡量處于共振狀態(tài)，產(chǎn)生最大的電壓輸出；懸臂梁壓電浮能器的壓電片的覆蓋角度和仿生水翼的最大有效擺動角度一致，保證能量的有效利用。本實施方式的仿生水翼磁致振動波浪能轉(zhuǎn)換裝置在制造的時候，機架主體不能采用鐵磁性材料，防止鐵磁性材料對永磁體磁力線進行干擾，可采用有機金屬材料或奧氏體不銹鋼材料；浮動底座應(yīng)具有低密度、高強度的特性，保證裝置整體能夠浮在水面上，保證其抵抗風(fēng)浪侵襲的能力；仿生水翼的橫截面為流線型結(jié)構(gòu)，重心位于水翼擺動軸線以下，流致擺動時始終處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，固有振動頻率和使用地的波浪頻率一致，擁有較高的波浪能的轉(zhuǎn)換率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)電電壓高，效率高，易于集成化和微型化，是比較理想的二級能量轉(zhuǎn)換裝置。浮動底座改為固定底座，整個裝置可以通過固定底座安裝在汽車、船舶等相應(yīng)振動平臺上，利用平臺運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動進行發(fā)電。這種實施方式應(yīng)用靈活，適用于多種場合，提高了裝置的實用性。本實施方式的懸臂梁壓電浮能器4通過固定件8固定在機架主體2上。機架主體2通過螺栓12固接在浮動底座1上。具體實施方式二：結(jié)合圖2和圖6說明，本實施方式的每個懸臂梁壓電浮能器4中的每個壓電片4-1均為壓電陶瓷片或者聚偏氟乙烯片。如此設(shè)置，壓電陶瓷壓電性強，介電常數(shù)高，可以加工成任意形狀；聚偏氟乙烯片具有柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)的優(yōu)點，滿足實際需要。其它與具體實施方式一相同。具體實施方式三：結(jié)合圖2和圖6說明，本實施方式的機架主體2為三角形機架主體，凹槽2-1為三角形凹槽。如此設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，滿足懸臂梁壓電浮能器實際布置需要。其它與具體實施方式一或二相同。具體實施方式四：結(jié)合圖6說明，本實施方式的每個壓電片4-1為長條矩形片狀結(jié)構(gòu)或長條扇形片狀結(jié)構(gòu)。如此設(shè)置，加工制造方便，便于實際應(yīng)用。其它與具體實施方式三相同。具體實施方式五：結(jié)合圖2說明，本實施方式的浮動底座1為鋁合金材料。如此設(shè)置，浮動底座1采用低密度復(fù)合材料，保證裝置整體能夠浮在水面上，保證其抵抗風(fēng)浪侵襲的能力更好。其它與具體實施方式一、二或四相同。具體實施方式六：結(jié)合圖2說明，本實施方式的每個壓電片4-1的自由端的一側(cè)面固裝有三個受振永磁體11，三個受振永磁體11沿壓電片4-1的長度方向順次布置。如此設(shè)置，能充分保證仿生水翼擺動，嵌在端面的永磁體產(chǎn)生交變的磁場，施加給懸臂梁壓電浮能器上永磁體交變的磁場力，迫使懸臂梁壓電浮能器振動，將仿生水翼的機械能轉(zhuǎn)換為壓電片的彈性勢能。其它與具體實施方式五相同。具體實施方式七：結(jié)合圖2說明，本實施方式的兩個激振永磁體10的中心至仿生水翼5轉(zhuǎn)軸的距離相等。如此設(shè)置，使得水翼擺動時始終與壓電片保持最大作用力狀態(tài)，充分利用水翼擺動的機械能。其它與具體實施方式一、二、四或六相同。具體實施方式八：結(jié)合圖2說明，本實施方式所述裝置還包括兩個支撐軸3和兩個密封蓋6；支撐軸3布置在仿生水翼5和機架主體2之間，支撐軸3的一端通過軸承與仿生水翼5轉(zhuǎn)動連接，支撐軸3的另一端安裝在機架主體2上，密封蓋6封裝在仿生水翼5上，密封蓋6穿設(shè)在支撐軸3的另一端并封裝在仿生水翼5上。本實施方式所述支承軸3通過仿生水翼兩端盲孔內(nèi)的軸承對仿生水翼5進行支撐；所述密封蓋6安裝在仿生水翼兩端盲孔開口端，安裝有環(huán)型密封圈7；兩個機架主體2、兩個機架蓋9、兩個懸臂梁壓電浮能器4、兩個支承軸3以及兩個密封蓋6在仿生水翼中心面兩側(cè)對稱分布，構(gòu)成整體擺動水翼結(jié)構(gòu)。其它與具體實施方式七相同。