仿生水翼摇摆式流体动能转换装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能量转换装置，具体涉及一种仿生水翼摇摆式流体动能转换装置，属于波浪能发电新能源领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步和人民生活水平的提高，智能手机等新兴便携电子设备得到飞速发展，但是由于常规锂电池容量有限，人们外出时常出现手机没电的困境。集成化电子元器件耗电量低，工作电压低，所需能量可以从人体运动机械能中得到满足。所以从人体运动机械能中获取能量也正成为一个新兴科研领域。压电发电是一种新型的发电形式。在外部震动等干扰下产生机械变形，材料内部产生极化，在压电晶片两晶面上分别产生正负电荷。压电俘能器相比于电磁俘能器具有发电电压高、体积小、发电密度高、无电磁污染、结构简单便于微型化集成化等。
[0003]海洋也是一个巨大的能量来源。据测算，海洋上波浪所蕴含的能量达到5000GW，如果能够对之充分利用，那将对我们的航行、勘探、领土安全带来极大的便利。目前已经有很多国家在进行波浪能的利用研究，其中英国、挪威、日本走在了世界的前列。上世纪80年代初，英国已成为世界波浪能研究的中心；1985年，挪威建造了 20世纪容量最大的500kW波电站；日本一直重视波浪能技术向应用产品的转换，其研制的兆瓦级波浪能发电船“海明号”处于世界领先水平。
[0004]根据发电装置的能量传递和转换过程，可以将波浪能发电过程分为三个阶段:一次转换、中间转换和二次转换。一次转换是将波浪的动能和势能吸收并转换为相应的机械能、气体内能等其他形式的能量，二次转换是将其他形式的能量转换成电能，中间转换是一次转换和二次转换的中间过度过程。一次转换装置的主要形式有振荡水柱式、振荡摇摆式、水面浮动式等，振荡水柱式是目前研究最多的吸波装置，它利用海水波动将波浪动能和势能转换为压缩空气的内能，可靠性高但发电效率偏低；振荡摇摆式利用竖直埋在水中的摆杆随海水摆动吸收海水能量，容易遭到海洋活动的破坏；水面浮动式随海水波动上下振动，吸收海水能量并将其转换为涡轮机动能，一般结构复杂，抗风浪袭击能力差。二次转换过程有涡轮机发电、磁流体发电和压电发电，涡轮机发电需要克服转子惯性做功，能量损失较大；磁流体发电技术的原理是霍尔效应，但是技术并不成熟，缺乏相应的运动部件；
[0005]美国科研机构和大学在这方面做了很多研究，产品有发电背包和发电鞋等。但是也都存在结构复杂，发电量弱等问题，很难对所发电能进行充分利用并且做到在发电装置工作时不影响人体正常动作。
[0006]公开日为2014年2月26日、公开号为CN103607058A、发明名称为“一种基于人体运动的发电装置”，它提出了一种能够固定在人体各个部位，感知人体运动，并将人体运动能量转化为电能的一种装备；它利用电磁发电原理，将人体的运动转化为永磁体的运动，固定线圈切割磁力线，在导线两端产生电动势；这种装置结构简单，携带方便，但是输出电压不尚，不利于电能的储存和利用。
【发明内容】
[0007]本发明为解决现有波浪能发电装置结构复杂、能量利用率低和抗风浪袭击能力差的问题，进而提供一种仿生水翼摇摆式流体动能转换装置。
[0008]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:
[0009]本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置包括浮动底座、仿生水翼、两个机架主体、两个机架盖、两个激振永磁体、两组悬臂梁压电俘能器和多个受振永磁体；每组悬臂梁压电浮能器包括多个悬臂梁压电浮能器；激振永磁体和受振永磁体的磁极性相同；
[0010]浮动底座上安装有正对设置的两个机架主体，两个机架主体均为非铁磁材料，每个机架主体上加工有凹槽，机架盖封装在凹槽上；两个机架主体之间布置有仿生水翼；仿生水翼的尾缘两端与两个机架主体转动连接，仿生水翼的前缘两端各镶嵌有一个激振永磁体；
[0011]每个凹槽内布置有一组悬臂梁压电浮能器和多个受振永磁体，每个凹槽内布置的多个悬臂梁压电浮能器的悬臂梁端固装在机架主体上，多个悬臂梁压电浮能器的压电片位于同一个竖直平面上且呈扇形排布，每个悬臂梁压电浮能器的压电片为长条片状结构，每个压电片的自由端的一侧面固装有至少一个受振永磁体，激振永磁体和受振永磁体相邻设置。
[0012]本发明的有益效果是:本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置最终通过悬臂梁压电浮能器将能量转换为电能。悬臂梁压电浮能器在磁场力作用下产生机械变形，材料内部发生极化，在压电晶体两晶面上产生正负电荷，从而产生电动势。可以将压电片进行串联、并联以得到需要的电压、电流。
[0013]本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置是将海水的波浪能通过逐级转化，最终转换为电能的一种装置。仿生水翼有一个自由度，可以绕旋转轴自由摆动，仿生水翼的重心在支承轴以下，处于稳定平衡状态。工作时装置整体靠浮动底座的浮力漂浮在海面上，装置整体随海浪的波动而上下浮动，仿生水翼在在其平衡位置两侧摆动，将波浪能转换为仿生水翼的机械能。仿生水翼和压电复合悬臂梁组件上的两组永磁体到水翼旋转中心线的距离相等。仿生水翼振动时嵌在端面的永磁体产生交变的磁场，施加给悬臂梁压电浮能器上永磁体交变的磁场力，迫使悬臂梁压电浮能器振动，将仿生水翼的机械能转换为压电片的弹性势能。悬臂梁压电浮能器的振动频率是仿生水翼振动频率的2倍。根据压电发电原理，压电片的振动频率和幅度决定了输出电压的大小。本发明采用惯量较大的仿生水翼进行能量的初级吸收和转换，运动稳定；还可以通过改变仿生水翼重心的位置来改变仿生水翼的固有频率，将传递给悬臂梁压电浮能器的磁场力的变化频率加倍，提高了压电片的输出电压。同时，利用磁场进行能量的中间传递，减少了机械摩擦造成的磨损和能量损失，提高能量的转化效率，能量利用效率大幅度提高。
[0014]本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置应用十分广泛，可以用于海上波浪能发电，规模性应用时把相邻装置的浮动底座连接成一个整体，提高装置的稳定性；也可以用于风力发电，将装置正面朝向迎风面，风吹动仿生水翼摆动，带动压电片振动变形产生电能；亦可以应用于一般振动幅度较大的地方，比如说火车、船舶等，为车载/舰载电子元器件提供能量。
[0015]本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置具有结构简单，发电电压高，易于集成化的优点；采用漂浮式结构，无水下部分，抗风浪侵袭能力强，安全可靠；同时采用压电发电形式，有振动即可发电，应用灵活。本发明可用于波浪能压电发电实验平台的研究，也可用于日常便携式发电装置的研究。
【附图说明】
[0016]图1是本发明仿生水翼摇摆式流体动能转换装置的立体结构示意图，图2是本发明的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置的主剖面图，图3是本发明所用仿生水翼形态示意图，图4是本发明所用机架主体三维结构示意图，图5是悬臂梁压电浮能器振动原理示意图，图6是仿生水翼摆动示意图，图7是悬臂梁压电浮能器振动变形示意图。
【具体实施方式】
[0017]【具体实施方式】一:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的仿生水翼摇摆式流体动能转换装置包括浮动底座1、仿生水翼5、两个机架主体2、两个机架盖9、两个激振永磁体10、两组悬臂梁压电俘能器4和多个受振永磁体11 ;每组悬臂梁压电浮能器4包括多个悬臂梁压电浮能器4 ;激振永磁体10和受振永磁体11的磁极性相同；
[0018]浮动底座I上安装有正对设置的两个机架主体2，两个机架主体2均为非铁磁材料，每个机架主体2上加工有凹槽2-1，机架盖9封装在凹槽2-1上；两个机架主体2之间布置有仿生水翼5 ;仿生水翼5的尾缘两端与两个机架主体2转动连接，仿生水翼5的前缘两端各镶嵌有一个激振永磁体10 ;
[0019]每个凹槽2-1内布置有一组悬臂梁压电浮能器4和多个受振永磁体11，每个凹槽2-1内布置的多个悬臂梁压电浮能器4的悬臂梁端固装在机架主体2上，多个悬臂梁压电浮能器4的压电片4-1位于同一个竖直平面上且呈扇形排布，每个悬臂梁压电浮能器4的压电片4-1为长条片状结构，每个压电片4-