專利名稱：利用流體引起的振蕩的發(fā)電機(jī)的制作方法
利用流體引起的振蕩的發(fā)電機(jī)
公開領(lǐng)域
本申請一般涉及從流動的流體獲得能量，且更具體地，涉及通過流動 的流體引起振蕩并利用該振蕩發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器和發(fā)電機(jī)的獨特設(shè)計。
背景與概述
例如風(fēng)或水的流動的流體中存在的動能已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)性的人 類目的，例如碾磨谷物或抽水。開發(fā)出了風(fēng)動發(fā)電機(jī)以利用這些流體流
(fluid flow)用于發(fā)電。現(xiàn)今，風(fēng)動發(fā)電機(jī)具有渦輪或旋轉(zhuǎn)翼的廣泛存在 的形式。盡管這些基于渦輪的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在某些風(fēng)速一直很高的開放空間 中一般是有用的，但缺點仍然存在，例如高昂的初始投資成本、除了窄的 風(fēng)速范圍外完全低效、在較低的功率輸出水平(〈lkW)是成本效率不足，等等。
為了避免基于渦輪的裝置的缺點，設(shè)計各種可選的發(fā)電機(jī)來利用其他 的自然流動現(xiàn)象。然而，由于設(shè)計的復(fù)雜性、增加的成本、對復(fù)雜安裝結(jié) 構(gòu)的需要、能量生產(chǎn)的低效、發(fā)電的不足、產(chǎn)生振動的效率低、限制于高 流動速度等，這些提議不是令人滿意的。
本公開描述了有效地促進(jìn)由流動的流體引起的振蕩，并利用該振蕩產(chǎn) 生電或其他類型的能量的獨特的發(fā)電機(jī)的各種實施方式。在一方面，示例 性的發(fā)電機(jī)以沿著固定在兩個或更多個點的張緊的膜或"帶"引起的擺動 或渦旋脫落(vortices shedding )的組合的方式，來利用流體流的能量。膜 可具有拉長的(elongated)形狀或促進(jìn)利用流動的流體振動的已知的其他 類型的形狀。示例性的發(fā)電機(jī)包括至少一個磁場發(fā)生器、至少一個電導(dǎo)體，和具有 至少兩個固定端的至少一個柔性膜。膜在遭受流體流時振動。電導(dǎo)體和磁 場發(fā)生器中的一個連接到膜并配置成與膜一起運動。由流體流引起的膜的 4展動造成電導(dǎo)體和所施加的》茲場之間的相對運動。該相對運動造成施加到 電導(dǎo)體的磁場的強度的變化，且施加到電導(dǎo)體的磁場的強度的變化引起在
導(dǎo)體中流動的電流。發(fā)電機(jī)的一個或所有部分可實現(xiàn)為MEMS (微機(jī)電系 統(tǒng))裝置。在一方面，當(dāng)膜不振動時，磁場的方向可基本上垂直于由電導(dǎo) 體圍繞的區(qū)域。
示例性的發(fā)電機(jī)可進(jìn)一步包括連接到膜的至少一個塊狀物(mass)， 以在膜遭受流體流時促進(jìn)膜的運動或振動。在一個實施方式中，可提供功 率調(diào)節(jié)電路以調(diào)節(jié)引起的電流。功率調(diào)節(jié)電路可包括配置成對電流進(jìn)行整 流的整流電路。在另一個實施方式中，磁場發(fā)生器包括至少一個永磁體。 在又一個實施方式中，示例性的發(fā)電機(jī)包括多組電導(dǎo)體，例如線圈。由多 組導(dǎo)體產(chǎn)生的電流可以串聯(lián)方式組合?？商峁┛稍俪潆姷碾姽β蚀鎯ρb 置，例如電池或電容器，以由電流或充電。
在一個實施方式中，示例性的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括支持結(jié)構(gòu)。膜的固定 端被固定到所述支持結(jié)構(gòu)。電導(dǎo)體連接到膜。磁場發(fā)生器布置在支持結(jié)構(gòu) 上。在另一個實施方式中，磁場發(fā)生器連接到膜，且電導(dǎo)體布置在支持結(jié) 構(gòu)上。在另一個實施方式中，磁場發(fā)生器被定向為使得垂直于膜的平面射 出磁場(即，極間軸線(pole to pole axis ))。在又一個實施方式中，磁 場發(fā)生器被定向為使得平行于膜的平面射出磁場。當(dāng)然，在每個相應(yīng)的實 施方式中重新排列電導(dǎo)體以作為磁場方向的變化原因。
根據(jù)另一個實施方式，示例性的發(fā)電機(jī)包括可調(diào)張力提供器，例如發(fā) 動機(jī)，配置成根據(jù)流體流的速度在膜的固定端之間施加可調(diào)張力。可提供 傳感器以產(chǎn)生指示流體流的作用的信號。在一方面，可基于電流調(diào)節(jié)張力。
根據(jù)另一個實施方式，示例性的發(fā)電機(jī)可包括多個柔性膜。在一方面， 膜可固定到相同的支持結(jié)構(gòu)。
根據(jù)下面詳細(xì)的描述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本公開的附加的方 面和優(yōu)點將變得很明顯，其中只是簡單通過用于為實現(xiàn)本公開而設(shè)想的最
7佳模式的闡述，來顯示和描述了本公開的示例性的實施方式。如將被認(rèn)識 到的，本公開能夠有其他的和不同的實施方式，且其一些細(xì)節(jié)能夠在不同 的顯而易見的方面進(jìn)行更改，完全不偏離本公開。因此，附圖和描述應(yīng)認(rèn) 為本質(zhì)上是例證性的，而不是限制性的。
附圖筒述


圖1是根據(jù)本公開的示例性的發(fā)電機(jī)的透視圖。
圖2是例證性的實施方式的示例性的振動模式的側(cè)視圖。
圖3是永磁體及其產(chǎn)生的場的示例性的方向的圖示。
圖4是用于處理由示例性的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的電路的原理圖。
圖5是示例性的發(fā)電機(jī)的另一個實施方式的透視圖。
圖6是利用由流動的流體引起的振蕩的示例性的發(fā)電機(jī)的又一實施方 式的透視圖。
圖7是另 一種振動模式的透視圖。
圖8是示例性的發(fā)電才幾的定向4展動(orientation variation)的截面透一見圖。
例證性實施方式的詳細(xì)描述
在下面的描述中，為了說明的目的，陳述了許多具體的細(xì)節(jié)以提供對 本公開的全面的理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是本公開可以 在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施。在其他例子中，為避免無謂地使本公 開難于理解，以方塊圖形式顯示了公知的結(jié)構(gòu)和裝置。
示例性的發(fā)電機(jī)包括磁場發(fā)生器和用于將流體流，例如氣流、水流、 潮汐等中存在的能量轉(zhuǎn)換成振動或振蕩的柔性膜。柔性膜包括連接到它的 至少一個電導(dǎo)體并具有至少兩個固定端。膜在遭受流體流時振動。如在此使用的，術(shù)語"柔性"指具有這種能力的膜，即響應(yīng)于所施加的力的作用， 變形為許多種確定和不確定的形狀而沒有損傷。
至少一個電導(dǎo)體可實現(xiàn)為連接到膜并配置成與膜一起運動的鋁或銅 線圈。例如， 一個或更多的線圈被集成到振蕩的膜中或集成到振蕩的膜上。 那些線圈懸于相應(yīng)的磁場發(fā)生器之上。在一個實施方式中，線圈借助于新
近研發(fā)的用于RFID標(biāo)簽和貼片天線的技術(shù)而被直接印到膜上。
由流體流引起的膜的振動造成電導(dǎo)體和所施加的磁場之間的相對運 動。該相對運動造成施加到電導(dǎo)體的磁場的強度的變化，而施加到電導(dǎo)體 的磁場的強度的變化引起在導(dǎo)體中流動的電流。
當(dāng)使用風(fēng)或氣流驅(qū)動示例性的發(fā)電機(jī)時，風(fēng)垂直于膜(例如具有拉長 形狀的膜)的長軸線流動。流動的流體引起張緊的膜自發(fā)的不穩(wěn)定(通常 所說的擺動)。在適當(dāng)設(shè)計的變化形式中，膜的擺動導(dǎo)致有規(guī)律的、減小 的扭矩的高能量振蕩模式。此模式經(jīng)常稱為振蕩的第一簡正模式(normal mode)。另外，渦旋脫落可沿著膜的邊緣和表面發(fā)生，在某些情況下增強 振蕩。
由此膜的振蕩造成線圈相對于磁體運動。變化的磁場穿過由線圈限定 的閉合區(qū)域，因而在所述線圈內(nèi)產(chǎn)生EMF。由此電流產(chǎn)生，而不要求振動 的膜物理耦合到活塞或凸輪系統(tǒng)來發(fā)電。此發(fā)電機(jī)工作在多種風(fēng)速下，包 括比大多數(shù)基于渦輪的風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的速度低的速度。而且，本公開的 示例性的發(fā)電機(jī)的成本基本低于大多數(shù)其他的基于渦輪的發(fā)電機(jī)，且沒有 物理上研磨的部分提供了長時間、無噪音、免維修操作的可能性。不需要 引導(dǎo)用的鈍體(leading bluff body)，盡管如杲需要的話可以使用這樣的鈍 體。
另外，示例性的發(fā)電機(jī)，特別是在小規(guī)格情況下，達(dá)到了比渦輪或基 于渦輪的發(fā)電機(jī)(例如那些使用傳統(tǒng)的壓電方法的發(fā)電機(jī))更好的效率。 沒有對基于翼的旋轉(zhuǎn)渦輪的貝茲極限(Betz limit)的限制，可為此改進(jìn)的 風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型確定較不嚴(yán)格的效率限制。在此公開的概念解決了許多領(lǐng)域中對于能量的需要，這些領(lǐng)域從用于
小規(guī)格RF傳感器陣列的能量獲得到分散的農(nóng)村電氣化，到并網(wǎng)式 (grid-connected )大規(guī)模的電力供應(yīng)。
在某些實施方式中，振蕩處于有兩個相對固定的節(jié)點的模式中，而在 其他實施方式種，可設(shè)立跨過膜的多個節(jié)點。此外，在某些實施方式中， 線圈置于膜上且相對于固定的一組〃磁體運動，而在其他實施方式中，線圈 靜止在支撐物(mount)上，而磁體被固定到運動的膜。另外，可通過永 磁體或電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場，將由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的一些電送入電磁體的配線中 以保持它們的場。線圈可呈現(xiàn)不同的形狀、結(jié)構(gòu)或形式。
圖1描示了根據(jù)本公開的示例性的發(fā)電機(jī)100。發(fā)電機(jī)100包括拉長 的膜2、兩個線圈4a、 4b和支持結(jié)構(gòu)6。支持結(jié)構(gòu)6包括底部8及其用于 容納永磁體12a、 12b的兩部分。提供了粘合劑14a、 14b以將膜2連結(jié)到 底部8。在底部/膜上或遠(yuǎn)離底部/膜提供功率調(diào)節(jié)電路以處理由線圈4a、 4b產(chǎn)生的電流。線圈4a、 4b粘附到膜2的表面或粘附到膜2中，并分別 懸在磁體12a、 12b的上方。兩導(dǎo)線16a、 16b分別耦合到線圈4a、 4b。施 加到膜2的張力是膜2的彈性和底部8的物理特性(即楊氏模量等)連同 底部8的端部之間的特定距離的函數(shù)。
圖1中所示的示例性的發(fā)電機(jī)100如下操作。流體的流動，可包括例 如水的液體流動，或空氣的流動，例如在人工通風(fēng)系統(tǒng)或自然風(fēng)中存在的 空氣的流動，這種流體的流動跨過拉長并張緊的膜2行進(jìn)。此流體流在近 似垂直于膜的長軸(majoraxis)的方向上行進(jìn)，這之后膜的自激振蕩將會 開始。此振蕩通常以膜2的輕微扭轉(zhuǎn)起始。然而，這種初始狀態(tài)將快速(約 < 1秒)穩(wěn)定到扭矩減小的最低簡正模式的振蕩，例如圖2中所描示的。 隨著膜2的振動，線圈4a、 4b將在固定的永磁體12a、 12b之上，同樣地 與膜2—起振蕩。圖2中示出了此振動的側(cè)視圖。
圖3示出了在線圈4a、 4b下方的磁體12a、 12b的示例性的方向。磁 場定向為使得線圈4a、 4b的閉合區(qū)域被垂直的場線越過，如最初由邁克 爾-法拉第所描述的。應(yīng)注意，磁體的幾種定向?qū)a(chǎn)生恰當(dāng)定向的磁 。隨 著線圈4a、 4b相對于固定的磁體12a、 12b移動，通過線圈4a、 4b的該場的強度變化。磁場的此變化產(chǎn)生電動勢(EMF)。依賴于載荷狀況、內(nèi)阻、
阻抗以及一 系列的因素，EMF產(chǎn)生電流，即電子的流動。
在振蕩的第一簡正模式中，線圏4a、 4b近似彼此同相地振蕩。流過各 導(dǎo)線16a、 16b的電流可以結(jié)合，而沒有明顯的相消干涉。依賴于饋入與發(fā) 電機(jī)IOO關(guān)聯(lián)的功率調(diào)節(jié)電路的期望的電壓和電流，導(dǎo)線16a、 16b可并聯(lián) 或串聯(lián)連接。
圖1中顯示的結(jié)構(gòu)有效地將整個膜的振蕩的能量集中在一個或更多的 離散區(qū)域。這以與杠桿將大的平移的運動"濃縮"成具有較大有勢力 (potential force)的較小的運動的方式類似的方式起作用。該靠近膜的端 部的較大的力允許并入較重和較厚的線圈，而不減弱掉振蕩。因此，需要 較小的磁場來填充線圈經(jīng)過的較小的空間體積，這說明磁體成本較小。另 外，通過很大程度上將線圈放置在流動的流體的通路之外，膜的中心區(qū)域 的大部分可響應(yīng)那些流動，而沒有配線的妨礙。
圖4顯示了對于低風(fēng)速使用串聯(lián)連接來達(dá)到較高的電壓的示例性的功 率調(diào)節(jié)電路40的方塊圖。電路40包括整流器41、平滑電容器42、步升 電源(step-up supply ) 43，和儲能裝置44，例如可再充電的電池或超級電 容器。整流器41和平滑電容器42將交流電形式的線圏4a、 4b的輸出轉(zhuǎn)換 成平滑的直流。如果期望有特定范圍的電壓用于終端應(yīng)用，則將DC電流 饋入步升電源43或升壓轉(zhuǎn)換器。提供儲能裝置44以在該應(yīng)用吸取的電流 和來自發(fā)電機(jī)100的線圈4a、 4b的供應(yīng)之間進(jìn)行緩沖。
如圖1所示，底部8呈現(xiàn)弓形的形狀。在短時間的偏移(deviation) 過程，弓形底部在膜2上提供近似恒定的張力。這樣，在膜2隨時間伸展 時，底部2的彈簧作用保證膜2保持在特定的張力下。應(yīng)理解，其他形狀 的底部可用于實現(xiàn)發(fā)電機(jī)100。也可使用平的不彎曲的底部，膜2本身的 自然彈性能夠滿足相同的效果。在另一個實施方式中，恒力彈簧(例如貝 勒維爾墊圈(Belleville washer))或柔順機(jī)構(gòu)(compliant mechanism )可 連接到膜的端部或并入底部本身的結(jié)構(gòu)中，這使得在較長的時間段內(nèi)，在 膜2上能夠保持更可靠的恒定的張力。對于膜被垂直定向的實施方式，可 通過對膜2或底部8附加重量，由地球引力生成恒定的恢復(fù)力。在另一個實施方式中，反饋系統(tǒng)安裝到發(fā)電機(jī)100中以在更高的風(fēng)速
中提供或應(yīng)用膜2更大程度的張緊。此反饋系統(tǒng)可以多種方式實現(xiàn)，例如 在安裝結(jié)構(gòu)的底部2內(nèi)安裝螺線管。隨后螺線管的推力可與線圈4a、 4b 的電輸出一致地變化。在另一個實施方式中，使用隨著輸入電壓的變化而 改變形狀的記憶合金或電介質(zhì)材料，以響應(yīng)于由傳感器檢測到的風(fēng)速來改 變膜2的張力。
圖5描示了使用本公開的概念的示例性的發(fā)電機(jī)500的另 一 個實施方 式，其中線圈52覆蓋了膜表面54的較大區(qū)域。為了保持相似的電功率輸 出，將需要更多的永磁體56來提供類似地放大的磁場。圖5中描示的設(shè) 計對很小的發(fā)電機(jī)特別有用，例如MEMS裝置或"片上發(fā)電機(jī)"，其中覆 蓋膜的較大部分的線圈是可接受的，因為充滿線圈的平移的體積所需的磁 場具有有限的量級。
圖6示出了圖1中顯示的實施方式的變化形式。在膜2上提供了至少 一個塊狀物62。塊狀物62可包括具有對稱或不對稱的形狀的一個或更多 的輪廓低的物體(low-profile object)。對于具有較大尺寸的(例如長度>0.5 米)膜，所附著的塊狀物62提供膜2的更劇烈的振蕩。在某些情況下， 塊狀物62起作用以在振蕩的開始提供不穩(wěn)定性的來源，由此引起膜2的 輕微的最初的扭轉(zhuǎn)。然而，塊狀物62的位置和幾何形狀以及膜2的張力、 寬度和長度可以制成使得此不穩(wěn)定性快速地轉(zhuǎn)變成扭矩減小的第一簡正 模式的振蕩。
圖7描示了本公開的另一個實施方式。在此實施方式中，線圈和膜的 布置類似于圖1中顯示的發(fā)電機(jī)。然而，使圖7中的膜以振動的其他簡正 模式振蕩，例如圖7中所示的第二模式。在功率調(diào)節(jié)電路中，可能需要一 些簡單的改變以適應(yīng)多個線圈的異相振蕩，而對于較大的發(fā)電機(jī)，這些替 換的模式可在效率上提供顯著的增益。
盡管圖1和圖5-7中所示的實例包括關(guān)于一組固定的永磁體移動的一 個或更多的線圈，但應(yīng)理解，可以實現(xiàn)在膜上放置磁體并因此使磁體相對 于固定的線圈移動的其他的實施方式。這樣布置的優(yōu)點在于來自線圈的引線不經(jīng)受任何彎曲應(yīng)力，所述彎曲應(yīng)力如在移動的線圏實施方式下可能出 現(xiàn)的。
另外，盡管線圈可如圖1所示基本上平行于拉長的膜2的表面放置，
但另一個選擇是將線圈布置成連接在膜2之上或以下，基本上更加垂直于
膜。當(dāng)然，永磁體的磁場的定向?qū)⑿枰桓淖円赃m應(yīng)這樣的變化。類似地，
線圈相對于膜的這種再定向選擇還應(yīng)用于磁場發(fā)生器連接到膜2而線圈固 定到底部8的實施方式。圖8示出了定向磁場發(fā)生器(例如磁體72)以便 平行于膜2的平面射出磁場(即，極間軸線)的實施例的截面圖，其中相 應(yīng)的線圈在所述磁場發(fā)生器的側(cè)面。如圖8所示，永磁體72連接到基本 上剛性的構(gòu)件74，構(gòu)件74本身以大致垂直的布置連接到柔性膜2。永磁 體72產(chǎn)生的場被引導(dǎo)通過線圈4a,線圈4a用支承件76支持靠近磁體72。 當(dāng)膜2振蕩時，永磁體72也將振蕩。此振蕩將使被引導(dǎo)通過線圈4a的磁 場的強度改變，由此產(chǎn)生EMF。此特定的實施方式有在寬范圍的振蕩速率 下避免磁體-線圈接觸的優(yōu)點，因為磁體72沿著線圈4a的面移動，而不是 朝向及遠(yuǎn)離所述線圈移動。附加的線圈可放置在》茲體72的相對的側(cè)上以 受益于另外的極。根據(jù)一種變化形式，線圈4a和磁體72可用含鐵材料支 持(back with),以便形成完整的磁路，如在此申請的其他部分中所描述 的。
根據(jù)另一個實施方式，不是將線圈附著到膜，而是直線發(fā)電機(jī)可被耦 合到振蕩膜2。盡管實現(xiàn)此耦合的最直接的方法是在直線發(fā)電機(jī)的磁體和 膜之間連接軸狀物或線狀物(thread)，但裝到膜上的較小的磁體可用于 不接觸而通過排斥或吸引在直線發(fā)電機(jī)的磁體中激勵振蕩。直線發(fā)電機(jī)的 磁體的振蕩的固有頻率優(yōu)選匹配膜的驅(qū)動振蕩的固有頻率。此實施方式允 許大的發(fā)電機(jī)安裝以提高效率。
可提供附加的變化形式以提高示例性的發(fā)電機(jī)的性能，以用于特定的 應(yīng)用。例如，可期望用鐵氧體粉末(ferrite powder)或?qū)訝詈F金屬填充 發(fā)電機(jī)的線圈以增加通過線圈的磁通量。另外，如本領(lǐng)域所公知的，永磁 體產(chǎn)生的磁場可通過在磁芯周圍適當(dāng)?shù)胤胖脤訝罨蚍勰畹蔫F磁體或鐵磁材料而制成"完整的回路"。此技術(shù)保證最大的磁場被引導(dǎo)到線圈的區(qū)域。
許多鐵磁材料可被用作發(fā)電機(jī)中磁場的源。NdFeB稀土磁體、陶瓷磁 體、鋁鎳鈷磁體和釤鈷磁體是一些比較普遍的選擇。
另外，在發(fā)電機(jī)應(yīng)用也稱為勵磁線圈(field coil)的電磁體可用來代 替永磁體作為磁場的源?？招净蜩F磁芯的一個或更多的線匝可以起勵磁線 圈的作用。這些勵磁線圈在芯中充滿著小的殘余磁場，以在移動的膜線圈 中引起最初的小EMF。此電流的一部分轉(zhuǎn)回到勵磁線圈中，仍導(dǎo)致較大的 場。此增大的場導(dǎo)致在振蕩膜線圈中產(chǎn)生的增加的EMF，且此正反饋循環(huán) 繼續(xù)直到達(dá)到一平衡，在該平衡點，勵磁線圈產(chǎn)生類似于由永磁體產(chǎn)生的 場的強場。這些有時被稱為自激發(fā)電機(jī)，通常被分類到"串勵"發(fā)電機(jī)、
"并勵，，發(fā)電機(jī)或"復(fù)勵"發(fā)電機(jī)的子集中，它們的原理在本領(lǐng)域中是公 知的。另一個可能性是使用被分別激勵的勵磁線圈，電流對于由外部源提 供的場來說是必要的。這兩種非永磁體的選擇對于大的永磁體的成本高的 驚人的較大的安裝特別有用。
一些其他的變化形式涉及到膜。膜的形狀不必限于矩形。確切地說，
錐形的膜和各種幾何形狀的膜可在某些標(biāo)準(zhǔn)下提供很大的優(yōu)勢。另外，膜 不必限于薄膜或織物的平坦的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但也能夠制成更接近于大致翼的
外形，以提高拉長的柔性膜的振蕩特性。此外，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不必是全部連續(xù) 的，而可以包括孔或凹陷處。在某些情況下，以安裝膜的線圈為中心的孔 可允許底部安裝的磁體部分地穿過所述線圈，由此防止在某些實施方式 中，在劇烈振蕩過程中膜-磁體的碰撞。
現(xiàn)在為止所描述的大多數(shù)實施方式也可以被定向在任何方向上，例如 垂直地安裝在極上，或水平地安裝在兩個塔(tower)之間，或任何組合或 組合的變化形式。本公開示例性的發(fā)電機(jī)可用任何數(shù)量的膜材料，例如 ripstock尼龍、超薄聚酯薄膜、涂覆聚酯薄膜的塔夫綢(mylar-coated taffeta )、 Kevlar帶，或聚乙烯薄膜，以列出很多可能中的很少的幾個。
也能在動力裝置中使用多個發(fā)電機(jī)以提供不同的水平的電力用于給 定的區(qū)域或應(yīng)用。經(jīng)濟(jì)有效的實施方式涉及使用具有嵌入的線圈的兩個膜，每個膜放置在永磁體的相對側(cè)上。此布置允許利用磁場的兩極。此雙 膜變化形式的每個膜的AC輸出可以不同相，因而能夠被分別地整流和調(diào)
節(jié)，并隨后重新組合為附加的DC輸出。明顯地，許多的這些發(fā)電機(jī)可堆
疊到塔上或布置在框架中以獲取大的截面積的風(fēng)的能量，而不是只獲取單 個發(fā)電機(jī)單獨所見的小區(qū)域。
示例性的發(fā)電機(jī)的另 一 個變化形式包括在兩個遠(yuǎn)距離的點之間伸展 的膜，例如，在兩個建筑物之間或在兩個塔之間伸展的膜。在此情況下， 延伸膜的全長的底部是不必要的。確切地說，在膜的端部的夾具能夠為膜 和場的源(不管該源是一組永磁體還是勵磁線圈)提供支持。彈簧或?qū)ｉT 設(shè)計的柔順機(jī)構(gòu)可并入夾具中，以使得對膜施加恒定的張力，甚至跨過大 的距離。
根據(jù)本公開的示例性的發(fā)電機(jī)的優(yōu)點涉及對非常高的風(fēng)速的反應(yīng)。一
般地，在傳統(tǒng)的水平軸渦輪或垂直軸發(fā)電機(jī)中，巻起機(jī)構(gòu)(furling mechanism )必須被加入發(fā)電機(jī)的設(shè)計中。此巻起機(jī)構(gòu)使發(fā)電機(jī)的葉片由 于風(fēng)流而彎曲，以在高風(fēng)速條件下避免災(zāi)難性損害。該附加物在傳統(tǒng)的基 于風(fēng)的發(fā)電機(jī)中是昂貴且復(fù)雜的部件。在某些情況下，盡管會防止巻起， 但是渦輪葉片的大量的動能仍是危險的。相比之下，根據(jù)本公開的示例性 的發(fā)電機(jī)在謹(jǐn)慎選定的張力條件下工作。因此，在可能危及發(fā)電機(jī)的高速 風(fēng)中，可簡單地減小膜的張力，或膜輕微地扭曲以大大減少發(fā)電機(jī)到風(fēng)流 的耦合。當(dāng)該情況發(fā)生時，膜將停止振蕩直到其重新開始是安全的為止。 此外，如果膜確實出現(xiàn)災(zāi)難性的故障并從安裝結(jié)構(gòu)脫離，那么與傳統(tǒng)的基 于渦輪的發(fā)電機(jī)相比，對于周圍區(qū)域的危險也是小的。
根據(jù)本公開實現(xiàn)的發(fā)電機(jī)在各種不同的功率標(biāo)準(zhǔn)(power scale)下有 許多的應(yīng)用。例如，可在建筑物的HVAC管道遍布數(shù)百個根據(jù)本公開的小 的發(fā)電機(jī)。這些發(fā)電機(jī)能夠引流空氣流遍及整個管道網(wǎng)以向附近的無線傳 感器提供連續(xù)的電力供應(yīng)。這些傳感器的陣列在"智能建筑物"的結(jié)構(gòu)中 是重要的。然而，結(jié)構(gòu)中需要的傳感器經(jīng)常使用壽命三到五年的電池，這 在傳感器十或二十年的壽命周期中，在很大程度上增加了它們的維修成 本。根據(jù)本公開實現(xiàn)的并遍布HVAC管道的發(fā)電機(jī)減少了對電池的依賴，
15并擴(kuò)大了此分布式的、長壽命傳感器陣列的領(lǐng)域的范圍。根據(jù)另一個實施
例性的發(fā)電機(jī)自身可起風(fēng)速傳感器(wind sensor)和傳輸該傳感器信息所 需的電源的作用。
根據(jù)本公開的發(fā)電機(jī)的另 一個重要應(yīng)用是農(nóng)村照明設(shè)備(rural lighting)，主要是新興經(jīng)濟(jì)體中的農(nóng)村照明設(shè)備。發(fā)展中國家中的多數(shù)家 庭花費他們百分之二十的年收入在煤油上以用于照明(一類冒煙的，基于 燃料的照明設(shè)備，有火災(zāi)危險和室內(nèi)空氣質(zhì)量健康危害)。通過使數(shù)十瓦 標(biāo)準(zhǔn)的根據(jù)本公開的發(fā)電機(jī)與高效白光LED耦合可實現(xiàn)新的照明系統(tǒng)。新 系統(tǒng)可持續(xù)地在十年或更長時間提供清潔、廉價的照明設(shè)備并可用幾個月 的煤油費用(USS10-S50)的價值支付。本公開示例性的發(fā)電機(jī)的相關(guān)應(yīng)用 是為無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)(例如WiFi或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò))中的節(jié)點提供動力。
根據(jù)使用圖1中示出的結(jié)構(gòu)的一個實施方式，膜有具有兩個固定端的 拉長的形狀。膜由涂覆聚酯薄膜的塔夫綢制成，尺寸是440mm長，25 mm 寬及O.l-0.15mm厚。兩個線圈在距每個固定端74mm處附著到膜。線圈 由38 awg的涂覆搪瓷的線制成，每個線圈有約150匝且電阻約25歐姆。 線圈內(nèi)徑約3/4",而外徑7/8"。這些線圈串聯(lián)配線以實現(xiàn)約50歐姆的總電 阻。底部由丙烯酸類(acrylic )制成。兩個圓柱形NdFeB》茲體布置在線圈 之下。磁體厚1/2"，直徑3/4",且產(chǎn)生5840高斯的表面場。膜的峰-峰垂 直振蕩約20mm。此實施方式在匹配的負(fù)載上，在9-10mph的風(fēng)速(4-4.5m/s) 下產(chǎn)生約15-20 mW，這足以為無線收發(fā)器提供動力來用于信息的連續(xù)RF 傳輸，例如溫度和電壓，并對無線收發(fā)器中的電容器充電。此實施方式的 較小的尺寸使其適合于工作在HVAC管道中以便收獲氣流的能量以為傳 感器陣列提供動力。
在另一個實施方式中，根據(jù)圖1中顯示結(jié)構(gòu)而構(gòu)造的示例性的發(fā)電機(jī) 使用較大的膜，該膜由涂覆聚酯薄膜的塔夫綢或ripstock尼龍制成，且為 1.75米長，50mm寬，在鋼和HDPE底部上。在一個實施方式中，尺寸約 1.5" x 1.5"的薄矩形鋼片附著到膜的中間以起如在圖6中示出的塊狀物的 作用。兩個28 awg的線的矩形線圏靠近帶的端部被附著并懸于相應(yīng)的矩形NdFeB磁體之上。通過此示例性的發(fā)電機(jī)在匹配的負(fù)載上，在10mph的風(fēng) 速下產(chǎn)生的這種功率約0.5- 1 W，適合于對手機(jī)充電或為農(nóng)村地區(qū)的照明 設(shè)備提供功率。
盡管利用獲取氣流的能量的實例描述了以上實施方式，但應(yīng)理解，也 可應(yīng)用相同的設(shè)計以獲取水流的能量。例如，具有更改的膜，具有較小的 粘性阻力特性的發(fā)電機(jī)，可放置在海底以獲取海流的能量。另外，以類似 于在所討論的HVAC系統(tǒng)中的能量收獲的方式，基于本公開的原理的發(fā)電 機(jī)可并入水管線路中?？墒褂煤Ａ骱惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)的組合以在開闊的水體上 形成遙感器陣列，盡管單獨的海流或風(fēng)力發(fā)電機(jī)也能夠用于此用途。
應(yīng)理解，在此描述的示例性的發(fā)電機(jī)的一個或更多的部分或模塊可被 單獨地銷售以便組裝到如本公開中描述的發(fā)電機(jī)中。例如，可提供能量轉(zhuǎn) 換器以用于具有磁場的發(fā)電機(jī)中。轉(zhuǎn)換器包括至少一個柔性膜。每個膜具 有至少兩個固定端，并暴露在磁場中(當(dāng)用于發(fā)電機(jī)中時)。另外，膜在 遭受流體流時振動或振蕩。每個膜具有至少一個連接的電導(dǎo)體。由流體流 引起的每個膜的振動造成導(dǎo)體相對磁場的運動。導(dǎo)體的相對運動造成施加 到電導(dǎo)體的磁場強度的變化。施加到電導(dǎo)體的磁場強度的變化引起在導(dǎo)體 中流動的電流。還應(yīng)理解，發(fā)電機(jī)可利用多組能量轉(zhuǎn)換器來以較大規(guī)模產(chǎn) 生能量。
根據(jù)另 一個實施方式，提供示例性的能量轉(zhuǎn)換器以用于包括至少 一個 磁場發(fā)生器和至少一個電導(dǎo)體中的一個的發(fā)電機(jī)中。轉(zhuǎn)換器包括至少一個 柔性膜和連接到膜的至少一個磁場發(fā)生器和至少一個電導(dǎo)體中的另一個。 每個膜具有至少兩個固定端。另外，每個膜在遭受流體流時振動。由流體 流引起的每個膜的振動造成了至少一個導(dǎo)體和由至少一個磁場發(fā)生器產(chǎn) 生的》茲場之間的相對運動。該相對運動造成施加到至少一個電導(dǎo)體的磁場 強度的變化。施加到至少一個電導(dǎo)體的磁場強度的變化引起在至少一個電 導(dǎo)體中流動的電流。
本公開已參考其具體的實施方式進(jìn)行了描述。然而，明顯的是可對發(fā) 明作出各種更改和改變而不偏離本公開廣泛的精神和范圍。本公開中描述的原理可應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)化的顯示系統(tǒng)的不同操作中而不背離該原理。因此， 說明書和附圖應(yīng)認(rèn)為是例證性的而非限制性的意思。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機(jī)，包括柔性膜，其具有至少兩個固定端，其中所述膜在遭受流體流時振動；電導(dǎo)體和配置成對所述電導(dǎo)體施加磁場的磁場發(fā)生器，其中所述電導(dǎo)體和所述磁場發(fā)生器中之一連接到所述膜并配置成與所述膜一起運動；其中由所述流體流引起的所述膜的振動造成所述電導(dǎo)體和所施加的所述磁場之間的相對運動；由此所述相對運動造成施加到所述電導(dǎo)體的所述磁場的強度的變化；以及施加到所述電導(dǎo)體的所述磁場的強度的變化引起在所述導(dǎo)體中流動的電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括支持結(jié)構(gòu)，其中 所述膜的所述固定端被固定到所述支持結(jié)構(gòu)； 所述電導(dǎo)體連接到所述膜；以及 所述^P茲場發(fā)生器布置在所述支持結(jié)構(gòu)上。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括支持結(jié)構(gòu)，其中 所述膜的所述固定端被固定到所述支持結(jié)構(gòu)； 所述磁場發(fā)生器連接到所述膜；以及 所述電導(dǎo)體布置在所述支持結(jié)構(gòu)上。
4. 一種MEMS裝置，其包含如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括連接到所述膜的塊狀物。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括耦合到所述導(dǎo)體并配置成 調(diào)節(jié)電流的功率調(diào)節(jié)電路。
7. 如權(quán)利要求6所述的發(fā)電機(jī)，其中所述功率調(diào)節(jié)電路包括配置成 對電流進(jìn)4于整流的整流電^各。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其中所述磁場發(fā)生器包括至少一個 永磁體。
9. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其中所述導(dǎo)體包括多組線圏。
10. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)電機(jī)，其中在所述多組線圈中產(chǎn)生的電流 被以串聯(lián)方式組合。
11. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括配置成由所述電流充電的 可再充電的電池或電容器。
12. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其中根據(jù)所述流體流的速度調(diào)節(jié)所 述膜的所述固定端之間的可調(diào)的張力。
13. 如權(quán)利要求12所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括配置成產(chǎn)生指示所述流 體流的作用的信號的傳感器。
14. 如權(quán)利要求12所述的發(fā)電機(jī)，其中基于所產(chǎn)生的所述電流調(diào)節(jié) 所述張力。
15. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其中當(dāng)所述膜不振動時，所述磁場 的方向基本上垂直于由所述電導(dǎo)體圍繞的區(qū)域。
16. 如權(quán)利要求2所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括至少一個附加的柔性膜， 每一個所述附加的膜都包括固定到所述支持結(jié)構(gòu)的至少兩個端部和暴露 到由所述磁場發(fā)生器產(chǎn)生的所述磁場中的連接的電導(dǎo)體，其中每一個所述附加的膜在遭受流體流時振動；以及由所述流體流引起的每一個所述附加的膜的振動造成連接到每一個 所述附加的膜的所述電導(dǎo)體和所述磁場之間的相對運動；由此所述相對運動造成施加到連接到每一個所述附加的膜的所述電 導(dǎo)體的所述磁場的強度的變化；并且施加到連接到每一個所述附加的膜的 所述電導(dǎo)體的所述 磁場的強度的變化引起在所述導(dǎo)體中流動的電流。
17. —種發(fā)電才幾，包括柔性的振動構(gòu)件，其具有至少兩個固定端，用于在遭受流體流時產(chǎn)生 振動；導(dǎo)體構(gòu)件，其用于導(dǎo)電；磁場產(chǎn)生構(gòu)件，其用于產(chǎn)生磁場施加到所述導(dǎo)體構(gòu)件；其中所述導(dǎo)體構(gòu)件和所述磁場產(chǎn)生構(gòu)件中的一個連接到所述振動構(gòu)件并 配置成與所述振動構(gòu)件一起運動；以及由所述流體流引起的所述振動構(gòu)件的振動造成所述導(dǎo)體構(gòu)件和所述 磁場產(chǎn)生構(gòu)件之間的相對運動；由此所述相對運動造成施加到所述導(dǎo)體構(gòu)件的所述磁場的強度的變 化，以及施加到所述導(dǎo)體構(gòu)件的所述磁場的強度的變化引起在所述導(dǎo)體構(gòu) 件中流動的電信號。
18. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括用于支持所述振動構(gòu)件 的支持構(gòu)件，其中所述振動構(gòu)件的所述固定端被固定到所述支持構(gòu)件；所述導(dǎo)體構(gòu)件連接到所述振動構(gòu)件；以及所述磁場產(chǎn)生構(gòu)件布置在所述支持構(gòu)件上。
19. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括用于支持所述振動構(gòu)件 的支持構(gòu)件，其中所述振動構(gòu)件的所述固定端被固定到所述支持構(gòu)件；所述導(dǎo)體構(gòu)件連接到所述支持構(gòu)件；以及所述磁場產(chǎn)生構(gòu)件布置在所述振動構(gòu)件上。
20. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括可調(diào)張力提供構(gòu)件，所 述可調(diào)張力提供構(gòu)件用于根據(jù)所述流體流的速度或所述電信號的強度在 所述振動構(gòu)件的所述固定端之間施加可調(diào)張力。
21. —種能量轉(zhuǎn)換器，所述能量轉(zhuǎn)換器用于在包括至少一個磁場發(fā)生 器和至少一個電導(dǎo)體中的一個的發(fā)電機(jī)中使用的，所述轉(zhuǎn)換器包括至少一個柔性膜，每個膜具有至少兩個固定端，其中每個膜在遭受流體流時振動；以及所述至少一個磁場發(fā)生器和所述至少一個電導(dǎo)體中的另一個連接到 所述膜；其中由所述流體流引起的每個膜的振動造成了所述至少一個導(dǎo)體和 由所述至少一個磁場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場之間的相對運動；以及由此所述相對運動造成施加到所述至少一個電導(dǎo)體的所述磁場的強 度的變化；以及施加到所述至少一個電導(dǎo)體的所述磁場的強度的變化引起 在所述至少 一個電導(dǎo)體中流動的電流。
22. 如權(quán)利要求21所述的轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括支持結(jié)構(gòu)，且每個膜的 固定端被固定到所述支持結(jié)構(gòu)。
23. 如權(quán)利要求21所述的轉(zhuǎn)換器，其中每個膜包括連接到所述膜的 表面的塊狀物。
24. 如權(quán)利要求21所述的轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括可調(diào)張力提供器，所 述可調(diào)張力提供器配置成根據(jù)所述流體流的速度在每個膜的所述固定端 之間施加可調(diào)張力。
全文摘要
一種發(fā)電機(jī)，包括磁場發(fā)生器和用于將流體流中存在的能量轉(zhuǎn)換成振動或振蕩的至少一個能量轉(zhuǎn)換器。所述轉(zhuǎn)換器包括具有至少兩個固定端的柔性膜。膜在遭受流體流時振動。電導(dǎo)體和磁場發(fā)生器中的一個連接到膜并配置成與膜一起運動。由流體流引起的膜的振動造成電導(dǎo)體和所施加的磁場之間的相對運動。該相對運動造成施加到電導(dǎo)體的磁場的強度的變化，而施加到電導(dǎo)體的磁場的強度的變化引起在導(dǎo)體中流動的電流。
文檔編號H02K35/04GK101601180SQ200680056900
公開日2009年12月9日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者肖恩·M·弗拉納 申請人:哈姆丁格風(fēng)能有限責(zé)任公司