一种基于涡激摆动的发电装置及发电系统

1.本发明涉及发电及能量收集技术领域，特别是涉及一种基于涡激摆动的发电装置及发电系统。


背景技术：

2.摩擦纳米发电机是基于摩擦起电和静电感应耦合的新型能源转换装置，可以将低频、无规则、分散式的机械能高效转换成电能，其基本工作原理是：当两种得失电子能力不同的材料相接触时，它们的表面会由于摩擦起电作用产生静电荷；而当两种材料在机械外力的驱动下分离时，摩擦起电产生的正负电荷也发生分离，从而在材料的上下两个电极间产生感应电势差；如果在两个电极间接入负载或将其短路，感应电势差便会驱动电子通过外电路在两个电极间流动，从而形成电流。因此，当系统被周期性地施加作用力时，两个电极间便会产生往复的电子流动，从而实现机械能与电能的转换。
3.电磁发电装置是基于法拉第电磁感应定律进行发电的装置，其原理是当磁体与线圈产生相对运动时，由于线圈截面磁通量发生变化而产生感应电压，从而完成机械能与电能之间的转化。电磁式能量俘获装置具有高电流、低阻抗、结构简单、成本低等特点，受到研究人员的青睐。
4.而目前如何通过涡激摆动运动来进行电能收集是我们亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于涡激摆动的发电装置及发电系统，其可通过涡激摆动运动来进行发电，以填补目前涡激摆动在发电及能量收集领域的技术空白。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种基于涡激摆动的发电装置，其特征在于，
8.能源转换组件，所述能源转换组件用于将机械能转换为电能，其包括能够带动所述能源转换组件运转的旋转轴；
9.涡激摆动组件，所述涡激摆动组件包括柱状体和弧形板，所述弧形板的一端与所述柱状体的轴向一端相连，所述弧形板的另一端与所述旋转轴相连；所述涡激摆动组件能够在水中涡流的作用下摆动并带动所述旋转轴扭转，以使所述能源转换组件运转，将机械能转换为电能。
10.可选的，所述柱状体为圆柱体；所述弧形板为“c”型弧形板或“s”型弧形板。
11.可选的，当所述弧形板为所述“c”型弧形板时，所述“c”型弧形板包括顺次布置的第一平面连接段、半圆弧面连接段和第二平面连接段，其中，所述第一平面连接段与所述半圆弧面连接段相切，且所述第一平面连接段与所述柱状体的轴向一端相连，所述第二平面连接段与所述第一平面连接段垂直，且所述第二平面连接段、所述半圆弧面连接段的中心轴线以及所述圆柱体的中轴线位于同一平面内。
12.可选的，所述能源转换组件为摩擦纳米发电机，其包括：
13.底座；
14.下摩擦盘，所述下摩擦盘位于所述底座上方，且所述下摩擦盘的下表面与所述底座的上部相连，所述下摩擦盘的上表面设置有第一摩擦材料；
15.所述旋转轴，所述旋转轴的下端贯穿所述下摩擦盘设置，并通过轴承与所述下摩擦盘转动连接；
16.上摩擦盘，所述上摩擦盘套设于所述旋转轴上，所述旋转轴的上端连接所述第二平面连接段，所述上摩擦盘位于所述第二平面连接段和所述下摩擦盘之间；所述上摩擦盘的下表面设置有摩擦电极性不同于所述第一摩擦材料的第二摩擦材料，所述上摩擦盘与所述下摩擦盘间隔布置，且所述上摩擦盘与所述下摩擦盘之间的距离能够保证产生摩擦起电和静电感应。
17.可选的，所述旋转轴为二级阶梯轴，其包括同轴布置的下部轴段和上部轴段，且所述下部轴段的直径大于所述上部轴段的直径；所述轴承套设于所述下部轴段上，且所述轴承的内圈与所述下部轴段过盈配合，所述下摩擦盘套设于所述轴承的外圈外部，且所述轴承的外圈与所述下摩擦盘过盈配合；所述上摩擦盘套设于所述上部轴段上，并与所述上部轴段过盈配合；所述上部轴段的上端过其中心轴线开设有卡槽，所述卡槽贯穿所述上部轴段的径向，并沿所述上部轴段的轴向延伸；所述第二平面连接段插接于所述卡槽内，所述第二平面连接段与所述卡槽过盈配合，并通过螺栓加固。
18.可选的，所述旋转轴的下端贯穿所述下摩擦盘后与一螺母连接，以限制所述轴承下移。
19.可选的，所述上摩擦盘和所述下摩擦盘为直径相同的圆形摩擦盘，其中：
20.所述上摩擦盘的下表面通过沟槽均分为八个上扇形区域，任意呈对角布置的两个所述上扇形区域内铺设同种摩擦电极性且同种材质的所述第二摩擦材料，任意相邻两所述上扇形区域内铺设同种摩擦电极性且不同种材质的所述第二摩擦材料；
21.所述下摩擦盘的上表面通过所述沟槽均分为四个下扇形区域，仅其中一对相对布置的所述下扇形区域内铺设所述第一摩擦材料。
22.可选的，所述能源转换组件为电磁发电装置，其包括：
23.外壳；
24.磁体，所述磁体设置于所述外壳内，用于产生固定磁场；
25.线圈，所述线圈设置于所述外壳内，并位于所述固定磁场中，所述线圈作为转子依次通过连接杆、联轴器与所述旋转轴的下端连接。
26.可选的，所述旋转轴的上端过其中心轴线开设有卡槽，所述卡槽贯穿所述旋转轴的径向，并沿所述旋转轴的轴向延伸；所述第二平面连接段插接于所述卡槽内，所述第二平面连接段与所述卡槽过盈配合，并通过螺栓加固。
27.同时，本发明提出一种发电系统，包括多个如上所述的基于涡激摆动的发电装置，且所有所述基于涡激摆动的发电装置呈阵列分布。
28.可选的，所有所述基于涡激摆动的发电装置呈3
×
3阵列或2
×3×
2阵列排布。
29.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
30.本发明提出的基于涡激摆动的发电装置，其通过设置涡激摆动组件与能够将机械能转换为电能的能源转换组件的旋转轴相连，当水中的涡流经过时，会引起涡激摆动组件
整体的摆动并带动旋转轴1扭摆，从而使能源转换组件运转，将机械能转换为电能。本发明结构简单，设计巧妙，水中各个方向的水流/涡流都能引起涡激摆动组件的涡激摆动运动，因此可以最大化地利用涡流，发电可靠效率高，填补了目前涡激摆动在发电及能量收集领域的技术空白。
31.在本发明提出的一些技术方案中，能源转换组件采用基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机，水中的涡流经过时，会引起涡激摆动组件整体的摆动并带动旋转轴的摆动，使摩擦纳米发电机的上、下两带有不同摩擦电极性的材料的摩擦盘相对转动，使不同摩擦电极性的材料不断接触、分离，从而产生电流，实现机械能到电能的转化。摩擦纳米发电机结构简单，能够通过涡激摆动进行机电能量转化，具有选材丰富、体积小、重量轻、易于制造和安装等优点。
32.在本发明提出的一些技术方案中，能源转换组件采用以电磁感应定律为原理的电磁发电装置，又称“电磁能量收集器”，水中的涡流经过时，会引起涡激摆动组件整体的摆动并带动旋转轴的摆动，从而使电磁发电装置发电。电磁发电装置结构简单，具有高频、高效的优点。
33.本发明为提高输出功率，还设置了发电系统，该系统中包括多个上述基于涡激摆动的发电装置，多个基于涡激摆动的发电装置联用，能够大幅增加发电系统的输出功率。
34.在本发明的一些技术方案中，将发电系统中的基于涡激摆动的发电装置阵列排放，阵列排列能极大提高输出功率，因此它收集机械能的效率更高。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明实施例一所公开的基于涡激摆动的发电装置的结构示意图；
37.图2为本发明实施例一所公开的涡激摆动组件的主视图；
38.图3为图2所示涡激摆动组件的左视图；
39.图4为本发明实施例一所公开的基于涡激摆动的发电装置的仰视图；
40.图5为本发明实施例一所公开的上摩擦盘下表面的结构示意图；
41.图6为本发明实施例一所公开的下摩擦盘上表面的结构示意图；
42.图7为本发明实施例一所公开的下摩擦盘下表面的结构示意图；
43.图8为本发明实施例一所公开的基于涡激摆动的发电装置的3
×
3阵列结构示意图；
44.图9为本发明实施例一所公开的基于涡激摆动的发电装置的2
×3×
2阵列结构示意图；
45.图10为本发明实施例二所公开的基于涡激摆动的发电装置的结构示意图；
46.图11为本发明实施例二所公开的基于涡激摆动的发电装置的3
×
3阵列结构示意图；
47.图12为本发明实施例二所公开的基于涡激摆动的发电装置的2
×3×
2阵列结构示
意图。
48.其中，附图标记为：
49.100、基于涡激摆动的发电装置；200、发电系统；
50.1、旋转轴；1-1、卡槽；2、柱状体；3、弧形板；3-1、第一平面连接段；3-2、半圆弧面连接段；3-3、第二平面连接段；4、底座；5、下摩擦盘；5-1、下扇形区域；6、上摩擦盘；6-1、上扇形区域；7、螺钉；8、螺母；9、轴承；10、外壳；11、联轴器；12、沟槽。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明的目的之一是提供一种基于涡激摆动的发电装置，其可通过涡激摆动运动来进行发电，以填补目前涡激摆动在发电及能量收集领域的技术空白。
53.本发明的另一目的还在于提供一种具有上述基于涡激摆动的发电装置的发电系统。
54.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
55.实施例一
56.如图1～图9所示，本实施例提供一种基于涡激摆动的发电装置100，其主要包括能源转换组件和涡激摆动组件，能源转换组件用于将机械能转换为电能，其包括能够带动能源转换组件运转的旋转轴1；涡激摆动组件包括柱状体2和弧形板3，弧形板3的一端与柱状体2的轴向一端相连，弧形板3的另一端与旋转轴1相连；涡激摆动组件能够在水中涡流的作用下摆动并带动旋转轴1扭转，以使能源转换组件运转，实现将机械能转换为电能。
57.本实施例中，上述柱状体2可采用圆柱体或棱柱体，一般情况下优选为圆柱体；弧形板3则优选为“c”型弧形板或“s”型弧形板。
58.进一步地，本实施例中，涡激摆动组件由圆柱体和“c”型弧形板上下连接而成。如图2和图3所示，“c”型弧形板为一体成型结构，其具体包括顺次布置的第一平面连接段3-1、半圆弧面连接段3-2和第二平面连接段3-3，其中，第一平面连接段3-1与半圆弧面连接段3-2相切，且第一平面连接段3-1作为“c”型弧形板的上部分，其上表面与圆柱体(即柱状体2)的下端面面接触，并通过螺钉7相连，第二平面连接段3-3作为“c”型弧形板的下部分，其与第一平面连接段3-1垂直，且第二平面连接段3-3、半圆弧面连接段3-2的中心轴线以及圆柱体的中轴线位于同一竖直面内。
59.本实施例中，能源转换组件优选为一种摩擦纳米发电机，其主要包括底座4、下摩擦盘5和上摩擦盘6，下摩擦盘5位于底座4上方，且下摩擦盘5的下表面与底座4的上部相连，下摩擦盘5的上表面设置有第一摩擦材料；旋转轴1的下端贯穿下摩擦盘5设置，并通过轴承9与下摩擦盘5转动连接；上摩擦盘6套设于旋转轴1上，旋转轴1的上端连接第二平面连接段3-3，上摩擦盘6位于第二平面连接段3-3和下摩擦盘5之间；上摩擦盘6的下表面设置有摩擦电极性不同于第一摩擦材料的第二摩擦材料，上摩擦盘6与下摩擦盘5间隔布置，上摩擦盘6
下表面与下摩擦盘5上表面之间的距离很小，但上摩擦盘6与下摩擦盘5之间的距离能够保证产生摩擦起电和静电感应。弧形板3的第二平面连接段3-3通过旋转轴1与摩擦纳米发电机连接在一起，水中的涡流经过时，会引起涡激摆动组件整体的摆动并带动旋转轴1扭摆，进而带动上摩擦盘6相对下摩擦盘5相对转动，使上摩擦盘6与下摩擦盘5之间不同摩擦电极性的材料不断地接触、分离，从而产生电流，实现机械能到电能的转化。摩擦纳米发电机结构简单，能够通过涡激摆动进行机电能量转化，具有选材丰富、体积小、重量轻、易于制造和安装等优点。
60.本实施例中，旋转轴1可设置为二级阶梯轴，其包括同轴布置的下部轴段和上部轴段，且下部轴段的直径大于上部轴段的直径；轴承9套设于下部轴段上，且轴承9的内圈与下部轴段过盈配合，下摩擦盘5套设于轴承9的外圈外部，且轴承9的外圈与下摩擦盘5过盈配合；上摩擦盘6套设于上部轴段上，并与上部轴段过盈配合。设置下摩擦盘5时应保证下摩擦盘5上表面与轴承9的上表面位于同一平面内，确保上摩擦盘6与下摩擦盘5之间距离能够产生摩擦起电和静电感应。
61.本实施例的涡激摆动组件的圆柱体和“c”型弧形板连接后可视作刚体，“c”型弧形板的上下两端分别与圆柱体(即柱状体2)和旋转轴1连接后，涡激摆动组件的圆柱体(即柱状体2)与旋转轴1是同轴的。为保障圆柱体(即柱状体2)与旋转轴1同轴，本实施例在上部轴段的上端过其中心轴线开设有卡槽1-1，卡槽1-1贯穿上部轴段的径向，并沿上部轴段的轴向延伸，卡槽1-1的两个槽面是以上部轴段的中心轴线为中心对称分布的，第二平面连接段3-3作为弧形板3的下部竖直部分，插接于卡槽1-1内，且第二平面连接段3-3的两侧面分别与卡槽1-1的两个槽面接触，为保证连接紧凑牢靠，将第二平面连接段3-3与卡槽1-1之间采用过盈配合，再通过螺栓或螺钉进行加固，满足旋转轴1的旋转中心与圆柱体(即柱状体2)的旋转中心重合的要求。本实施例优选第二平面连接段3-3与卡槽1-1之间通过2个螺钉7进行加固。
62.本实施例中，旋转轴1的下端贯穿下摩擦盘5后与一螺母8连接，以限制轴承9的轴向移动，尤其要防止轴承9下移，破坏上摩擦盘6和下摩擦盘5之间的距离。
63.本实施例中，上摩擦盘6和下摩擦盘5为直径相同的圆形摩擦盘，其中：上摩擦盘6的下表面通过很细的沟槽12均分为八个上扇形区域6-1，第二摩擦材料可包含多种摩擦电极性相同，但是具体材质不同的摩擦材料，任意呈对角布置的两个上扇形区域6-1内铺设同种摩擦电极性且同种材质的第二摩擦材料，任意相邻两上扇形区域6-1内铺设同种摩擦电极性且不同种材质的第二摩擦材料；下摩擦盘5的上表面通过很细的沟槽12均分为四个下扇形区域5-1，仅其中一对相对布置的下扇形区域5-1内铺设第一摩擦材料，另外一对相对布置的两下扇形区域5-1内则不布置第一摩擦材料。上述第一摩擦材料和第二摩擦材料均为摩擦电材料薄膜，其附着在对应的扇形区域内。
64.本实施例中，可将电极设置在下摩擦盘5，从而构成单电极的摩擦纳米发电机。
65.本实施例基于涡激摆动的发电装置100，实质为一种基于涡激摆动的扭振叠加发电机。使用时，先将下摩擦盘5通过螺钉固定在底座4，再将底座4固定在水底或水中其他支撑物件上，从而使整个涡激摆动的发电装置100浸没在水中。水中有大量的水流、涡流，任何方向的涡流都可带动涡激摆动组件整体产生涡激摆动运动，从而带动旋转轴1转动，使上、下两带有不同摩擦电极性的材料的上摩擦盘6相对下摩擦盘5往复转动(扭动)，使不同摩擦
电极性的材料不断地接触、分离，实现“扭振叠加”，从而不断产生电流，实现机械能到电能的转化。阵列排列能使每个独立的基于涡激摆动的发电装置100所产生的电能汇集，大大提高输出效率。
66.其中，涡激摆动组件的柱状体2和弧形板3的尺寸设计为达到扭振耦合叠加效果，二自由度系统里，频响函数矩阵如下：
[0067][0068]
其中：
[0069]
c1、c2为流体带来的阻尼，又称阻尼系数；
[0070]ce
为轴承阻尼；
[0071]
刚度系数k
θ
是相应结构的扭转刚度系数；
[0072]
角位移θ1、θ2是相对于平衡位置的角位移；
[0073]
ω为扭转振动频率；
[0074]
j2是圆柱扰流体的转动惯量；
[0075]
j1是弧形板和连接轴的转动惯量；
[0076][0077][0078][0079]
对应的模态向量当阻尼、弧形板3宽度尺寸与柱状体2采用圆柱体时的直径尺寸带来的相位迟滞和满足
[0080]
∠h
1弧形板
∠h
1柱状体
∠h
1阻尼
＝2kπ π
[0081]
时，结构反向耦合，无法产生增幅扭振，因此需避开附近尺寸比例。
[0082]
实施例二
[0083]
本实施例提出一种发电系统200，包括多个如实施例一所公开的基于涡激摆动的发电装置100，且所有基于涡激摆动的发电装置100均匀排布，多个基于涡激摆动的发电装置100联用能使每个独立的基于涡激摆动的发电装置100所产生的电能汇集，大大提高输出效率。
[0084]
进一步地，本实施例中，优选将发电系统200中所有基于涡激摆动的发电装置100呈阵列均匀分布，比如3
×
3阵列或2
×3×
2阵列排布。实际操作中，发电系统200中所有基于涡激摆动的发电装置100的阵列排布方式还有5
×
4、2
×3×
4等多种方式，阵列的行列数，以
及每行每列发电装置的设置数量均能够根据实际情况进行适应性调整。
[0085]
将基于涡激摆动的发电装置100阵列排列能极大提高输出功率，因此发电系统200的收集机械能的效率更高。
[0086]
实施例三
[0087]
本实施例提出另一种基于涡激摆动的发电装置100，其与实施例一之间的区别仅在于，本实施例的能源转换组件采用的是电磁发电装置，如图10所示，电磁发电装置包括外壳10、作为定子的磁体以及作为转子的线圈，磁体设置于外壳10内，用于产生固定磁场；线圈设置于外壳10内，并位于固定磁场中，线圈作为转子依次通过连接杆、联轴器11与旋转轴1的下端连接。其中，旋转轴1与第二平面连接段3-3之间的连接方式以及位置关系均与实施例一中的相同，在此不再赘述。柱状体2和“c”型弧形板连接后可视作刚体，“c”型弧形板与旋转轴1连接在一起，旋转轴1再与电磁发电装置的转子导体连接，水中的涡流经过时，会引起涡激摆动组件整体的摆动并带动旋转轴1扭摆，从而使以电磁感应定律为原理的电磁发电装置中的转子导体切割磁感线，从而产生感应电压，实现由机械能到电能的转换。电磁发电装置又称“电磁能量收集器”，结构简单，具有高频、高电流、低阻抗、高效、成本低等优点。上述电磁发电装置的发电原理为现有技术，在此不再赘述。
[0088]
本实施例中基于涡激摆动的发电装置100，实质为一种基于涡激摆动的扭振叠加发电机。使用时，先将电磁发电装置在水底或水中其他支撑物件上，从而使整个涡激摆动的发电装置100浸没在水中。水中有大量的水流、涡流，任何方向的涡流都可带动涡激摆动组件整体产生涡激摆动运动，从而带动旋转轴1往复转动，使转子导体往复切割磁感线，实现“扭振叠加”，从而不断产生电流，实现机械能到电能的转化。该基于涡激摆动的发电装置100结构简单，任何方向的水流都可形成涡激摆动运动，因此可以最大化地利用涡流。阵列排列能使每个独立的基于涡激摆动的发电装置100所产生的电能汇集，大大提高输出效率。
[0089]
实施例四
[0090]
本实施例提出一种发电系统200，包括多个如实施例三所公开的基于涡激摆动的发电装置100，且所有基于涡激摆动的发电装置100均匀排布，多个基于涡激摆动的发电装置100联用能使每个独立的基于涡激摆动的发电装置100所产生的电能汇集，大大提高输出效率。
[0091]
进一步地，本实施例中，优选将发电系统200中所有基于涡激摆动的发电装置100呈阵列均匀分布，比如3
×
3阵列或2
×3×
2阵列排布。实际操作中，发电系统200中所有基于涡激摆动的发电装置100的阵列排布方式还有5
×
4、2
×3×
4等多种方式，阵列的行列数，以及每行每列发电装置的设置数量均能够根据实际情况进行适应性调整。
[0092]
将基于涡激摆动的发电装置100阵列排列能极大提高输出功率，因此发电系统200的收集机械能的效率更高。
[0093]
除上述阵列排布的方式，本实施例发电系统200中的基于涡激摆动的发电装置100还可以采用圆周均匀排布的方式。
[0094]
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义
和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0095]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。