專(zhuān)利名稱(chēng)：基于介電型eap的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置，屬于流體動(dòng)能發(fā) 電機(jī)裝置的4支術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)和生活水平提高推動(dòng)了全球日益增長(zhǎng)的能源需求。 由于化石燃料的不可再生及氣候變化、生態(tài)破壞等問(wèn)題，單純依靠傳統(tǒng)能源 供給方式難以為繼，且?guī)?lái)嚴(yán)重的能源安全問(wèn)題，迫切需要調(diào)整能源結(jié)構(gòu)， 研究可再生能源。
目前的風(fēng)電、水電是將風(fēng)的動(dòng)能、水的勢(shì)能由電磁式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電負(fù)fe, 有如下問(wèn)題①電磁式發(fā)電設(shè)備通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，需要經(jīng)常維修， 因此發(fā)電成本較高；②風(fēng)力發(fā)電需要增速機(jī)構(gòu)，效率低、增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度 與成本；③傳統(tǒng)水電需建設(shè)水壩、改變河床，不僅投資大，對(duì)生態(tài)環(huán)境也有 一定影響。目前適合水電的地點(diǎn)也越來(lái)越少；④農(nóng)村地區(qū)由于地處偏僻，用 電負(fù)荷小而且^:,直接通過(guò)延伸電網(wǎng)供電代價(jià)高，不能保證穩(wěn)定的電能供 應(yīng)，而依靠傳統(tǒng)生物質(zhì)能，會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
介電型EAP是一種智能材料，它可工作在發(fā)電枳4莫式下。先由外力拉伸 EAP，給其充電。當(dāng)EAP自由收縮時(shí)，EAP存儲(chǔ)的能量也就增加，增加的電 能就等于外力拉伸EAP所做的功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
介電型EAP具有高能量密度、大應(yīng)變、高效率、高響應(yīng)速度、低成本、 質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，使得其不僅用于驅(qū)動(dòng)器具有很強(qiáng)的吸引力，用于發(fā)電機(jī)時(shí)較 電磁式、壓電式等相比有明顯的優(yōu)勢(shì)①高能量能量密度。其能量密度比壓電和電磁式要大一個(gè)數(shù)量級(jí)多，EAP需要量少；②EAP材料成本低；③低速 性能好，無(wú)應(yīng)變速率或動(dòng)作頻率要求，因此無(wú)需額外裝置(如風(fēng)電中的增速 裝置)，效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
介電型EAP的以上優(yōu)點(diǎn)使得其應(yīng)用于流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)方面具有明顯的優(yōu) 勢(shì)與潛能。基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)，具有如下優(yōu)點(diǎn)①投資小、 成本低。介電型EAP發(fā)電系統(tǒng)投資小，轉(zhuǎn)換效率較高，建設(shè)成本估計(jì)和原子 能發(fā)電差不多。這還沒(méi)有算上對(duì)環(huán)境影響小和沒(méi)有C02排放所帶來(lái)的潛在效 益。②無(wú)頻率要求，適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。介電型EAP發(fā)電機(jī)對(duì)動(dòng)力源頻 率沒(méi)有特別要求，只要能產(chǎn)生EAP的拉伸與縮回就能產(chǎn)生電能，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，成本低。它既不需要壓電發(fā)電中要求的快速變形，也不需要風(fēng)力發(fā)電中 需要的增速裝置，能與低頻動(dòng)力源直接耦合，拉伸和收縮時(shí)間可以在十分之 一秒到幾秒的數(shù)量級(jí)，而不是毫秒級(jí)。③環(huán)境影響小。由于對(duì)頻率無(wú)特別要 求，介電型EAP發(fā)電機(jī)能有效工作在許多無(wú)壩的小溪、河流等變速的水流中， 可直接利用水流動(dòng)能發(fā)電，而不像傳統(tǒng)河、溪發(fā)電需要建壩，投資小，環(huán)境 影響很??；另一方面使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。④適用于農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島。 利用介電型EAP可研制出輕質(zhì)量、可移動(dòng)、適應(yīng)性強(qiáng)的發(fā)電機(jī)。農(nóng)村邊遠(yuǎn)地 區(qū)大多可再生資源豐富，因地制宜、合理開(kāi)發(fā)當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、水能等資源，介電 型EAP發(fā)電機(jī)是一種很好的選擇，既可滿足電力需求，又不破壞生態(tài)環(huán)境。 我國(guó)海島眾多，不可能都從大陸提供能源。利用介電型EAP發(fā)電機(jī)從海洋能、 近島風(fēng)能中獲得電能，保證海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展和守島部隊(duì)的需要，具有重要的戰(zhàn) 略意義。
SRI (Stanford Research Institute,斯坦福研究中心)研究了用介電 型EAP將步行能量轉(zhuǎn)換成電能的鞋式發(fā)電機(jī)。鞋底部是一個(gè)換能單元陣列， 每個(gè)單元采用膜片式結(jié)構(gòu)。當(dāng)鞋底觸地時(shí)，風(fēng)箱內(nèi)的空氣拉伸EAP膜，鞋底 離地后EAP膜縮回。當(dāng)步行頻率在1步/s左右，EAP產(chǎn)生50°/。-100%的面積變形，每步輸出能量為0. 8J,能量密度最高達(dá)0.4J/g,其中EAP的質(zhì)量為5g， 增加EAP的層數(shù)可獲得更多能量。由于它是一種軟材料，不會(huì)給穿鞋者帶來(lái) 不適。采用這種緊湊、輕質(zhì)量、低成本發(fā)電機(jī)非常具有吸引力，它是介電型 EAP發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的很好證明。而基于電磁或壓電的鞋式發(fā)電機(jī)平均功率只有 2mW。采用電磁或壓電時(shí)，由于是步行頻率較低，難以實(shí)現(xiàn)有效轉(zhuǎn)換，需要 額外裝置改變運(yùn)動(dòng)特性，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，實(shí)現(xiàn)難度大，使得效率和 性能下降。
SRI與日本Hyper Drive公司合作研究了海洋波浪能發(fā)電機(jī)。它直接將 波浪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為EAP的變形，將低頻源一波浪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。首先在 6 0英尺長(zhǎng)的容器中進(jìn)行了原理樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)中EAP的重量為4 Og,在0. 3Hz、 6英寸高的波浪下產(chǎn)生的最大能量超過(guò)5. 4J/波。
2007年，SRI在離佛州海岸1. 6km處進(jìn)行介電型EAP發(fā)電機(jī)在海水中的 第一次試驗(yàn)。該發(fā)電機(jī)裝在一個(gè)浮標(biāo)上，有兩個(gè)管形結(jié)構(gòu)的介電型EAP換能 單元，每單元直徑30cm,長(zhǎng)20cm, EAP質(zhì)量lSOg。將6Ag的重物掛在換能 單元上，其慣性力導(dǎo)致?lián)Q能單元拉伸、收縮。試驗(yàn)測(cè)得最大輸出電能為12/ 波，證明了采用波浪發(fā)電的有效性，并發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)更易產(chǎn)生搖擺而不是上下運(yùn) 動(dòng)，^f旦即^f吏如此，10cm的小海浪也能產(chǎn)生1. 2W的峰j直功率。SRI正在對(duì)其 進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)一種發(fā)電機(jī)陣列，發(fā)電機(jī)之間也采用換能單元連接，這樣 不僅是上下運(yùn)動(dòng)，還有擺動(dòng)動(dòng)能也能用于發(fā)電。
目前除了 SRI研究介電型EAP波浪能發(fā)電機(jī)外，尚未利用流體流動(dòng)動(dòng)能 的介電型EAP發(fā)電機(jī)的研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種基于介電型EAP的流體 動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置，其特征在于包括軸向式 和徑向式兩種結(jié)構(gòu)型式，每一種結(jié)構(gòu)型式的發(fā)電裝置都包括外殼、流體動(dòng)能 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換能單元變形機(jī)構(gòu)和換能單元陣列，其中流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換 能單元變形機(jī)構(gòu)、換能單元陣列依次串接并設(shè)置于外殼內(nèi)。
本發(fā)明具有投資小、成本低、無(wú)頻率要求、適用范圍廣、效率高、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置模型。 圖2為本發(fā)明的軸向式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。
圖中名稱(chēng)標(biāo)號(hào)l為連桿，2為換能單元，3為連桿，4為導(dǎo)向套，5為 滑輪結(jié)構(gòu)，6為角度調(diào)整器，7為斜盤(pán)，8為支7 義，9為流體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置， IO為外殼，ll為鉸鏈連接，12為旋轉(zhuǎn)軸。
圖3為本發(fā)明的徑向式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。
圖中名稱(chēng)標(biāo)號(hào)13為換能單元，14為凸4侖，15為導(dǎo)向套，16為連桿， 17為連桿，18為旋轉(zhuǎn)軸。
圖4為換能單元結(jié)構(gòu)形式。
具體實(shí)施例方式
下面以圓形外殼為例結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明 圖1為基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。包括四個(gè)部分 外殼、流體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換能單元變形機(jī)構(gòu)和換能單元陣列。流體動(dòng)能轉(zhuǎn) 換機(jī)構(gòu)將流體的運(yùn)動(dòng)一風(fēng)、水流轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)換能單元變形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。換能單元變形機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中使換能單元陣列中的介電型EAP依次產(chǎn) 生拉伸和縮回的變形。
基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)有兩種實(shí)現(xiàn)形式，分別是軸向式和徑 向式。
圖2所示為一種軸向式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)9將流體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸12 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸12帶動(dòng)斜盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)。換能單元2 —邊采用連桿1與外殼10 鉸接，另一邊采用連桿3與滑輪結(jié)構(gòu)5鉸接，滑輪5可在斜盤(pán)7上的滑軌上 滑動(dòng)。連桿3可在導(dǎo)向套4內(nèi)作直線移動(dòng)。當(dāng)斜盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)換能單 元2的拉伸與縮回。角度調(diào)整器可實(shí)現(xiàn)斜盤(pán)的傾斜角度的調(diào)整。
圖3所示為一種徑向式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將流體流動(dòng)轉(zhuǎn)換 為軸18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸18帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)。換能單元一邊采用連桿16與外 殼19鉸接，另一邊采用連桿17與滑輪20連接，滑輪20在凸輪14內(nèi)的軌 道內(nèi)滑動(dòng)。連桿17在導(dǎo)向套15內(nèi)可直線移動(dòng)。當(dāng)凸輪14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)換 能單元13的拉伸與縮回。
換能單元的結(jié)構(gòu)形式可以是菱形、蝶形、錐形、圓柱形和平面形等。
權(quán)利要求
1、一種基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置，其特征在于包括軸向式和徑向式兩種結(jié)構(gòu)型式，每一種結(jié)構(gòu)型式的發(fā)電裝置都包括外殼、流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換能單元變形機(jī)構(gòu)和換能單元陣列，其中流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換能單元變形機(jī)構(gòu)、換能單元陣列依次串接并設(shè)置于外殼內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置，其 特征在于所述換能單元陣列沿外殼方向均布。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置， 其特征在于所述換能單元陣列采用的換能單元的結(jié)構(gòu)形式有錐形、菱形、圓 柱形、蝶形和平面形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī) 裝置，其特征在于所述換能單元變形機(jī)構(gòu)包括角度調(diào)整器(6)、斜盤(pán)(7)和支 承(8),其中角度調(diào)整器(6)的一端4交接于斜盤(pán)(7)的中部，角度調(diào)整器(6)的 另一端穿過(guò)支承(8)后與流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接，所述換能單元變形機(jī)構(gòu)在 斜盤(pán)(7)的圓周方向還均布設(shè)置連桿(3)、導(dǎo)向套(4)和滑輪結(jié)構(gòu)(5),滑 輪結(jié)構(gòu)(5 )設(shè)置于斜盤(pán)(7)外表面，連桿(3 )的一端依次穿過(guò)導(dǎo)向套(4 )、 斜盤(pán)(7)與滑輪結(jié)構(gòu)(5)連接，連桿(3)的另一端與換能單元陣列中的換 能單元(2 )連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī) 裝置，其特征在于所述換能單元變形機(jī)構(gòu)包括凸輪(14)、導(dǎo)向套(15)、連 桿(17)、旋轉(zhuǎn)軸(18)和滑輪(20)，其中旋轉(zhuǎn)軸(18)的一端與流體動(dòng)能 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接，旋轉(zhuǎn)軸(18 )的另一端與凸輪(14 )連接，連桿(17 )的一端與滑輪(20)連接，連桿(17)的另一端穿過(guò)導(dǎo)向套(15)與換能單元陣 列中的換能單元連接。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于介電型EAP的流體動(dòng)能發(fā)電機(jī)裝置，包括外殼、流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換能單元變形機(jī)構(gòu)和換能單元陣列，其中流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、換能單元變形機(jī)構(gòu)、換能單元陣列依次串接并設(shè)置于外殼內(nèi)。本發(fā)明成本低、無(wú)頻率要求、適用范圍廣、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、環(huán)境影響小。
文檔編號(hào)F03G7/06GK101526073SQ20091003082
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者李成剛, 游有鵬, 莉 王, 王化明, 羅華安 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)