专利名称：具有带有电荷产生材料的发电机的流体发电系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及流体发电机，且更特定来说，在一个或一个以上实施例中，本发明涉及具有带有电荷产生材料的发电机的流体发电系统。
背景技术：
归因于近来出现的能源问题，相当关注(例如)使用风力发电系统(例如，有时称为风能转换系统)中的风流动及动能水力发电系统中的水流流动来将自然界中发生的流体流动的动能转换成电能。举例来说，风能转换系统涉及引导风通过使发电机旋转的涡轮机，从而引起发电机产生电力，而动能水力发电系统通常涉及将涡轮机浸没在水下且引导流动的水流通过涡轮机，从而致使涡轮机使发电机旋转以产生电力。此类涡轮机为将移动流体的动能转换成电力的具有若干子机器的复杂机器。SP，这些机器具有遭遇故障且需要大量维护的较大数目的移动部件，从而导致较高的维护成本。特定来说，发电量取决于涡轮机叶片的长度，例如，每一涡轮机叶片的长度越长，发电量越高。然而，长叶片是昂贵的、可遭遇缺陷及故障、占据大量空间且产生过多噪声及振动。较长螺旋桨不仅增加材料及安装成本，而且增加维护成本。因此，当前风能转换系统及动能水力发电系统通常受困于低效率、高资金成本、不可预测的故障、过高的噪声及振动及/或高维护。许多这些涡轮机以相对低的旋转速度(例如，对于风涡轮机来说通常为20rpm)操作且需要齿轮来将旋转速度增加到对于发电机有用的旋转速度(例如，对于1.5MW发电机来说通常为1500rpm)。这涉及可引起齿轮发生故障的高水平转动力矩及伴随而来的高齿轮啮合力，从而意味着需要大量维护来减少故障量。因为涡轮机的低速度，各种齿轮箱组件通常由滚动元件轴承支撑。这些轴承遭受可致使轴承过早地出故障的大量径向负载，从而意味着需要大量维护来减少故障量。由于上文陈述的原因且由于下文陈述的所属领域的技术人员在阅读及理解本说明书后将明白的其它原因，此项技术中需要对现有流体发电系统(例如，风能转换系统及动能水力发电系统)的替代物。
发明内容
本发明的实施例提供具有发电机的流体发电系统，所述发电机具有电荷产生材料及一对末端边界约束。所述对末端边界约束的末端边界约束中的一者邻近于电荷产生材料的一末端而物理地耦合到电荷产生材料且所述对末端边界约束中的另一者邻近于电荷产生材料的相对末端而物理地耦合到电荷产生材料。对于一些实施例，末端边界约束可为有源或无源的。对于其它实施例， 末端边界约束中的至少一者可电耦合到用于调整发电机的振动特性的控制器。
图1说明根一实施例的发电机。图2为根据另一实施例的沿着图1中的线2-2取得的横截面图。图3为根据另一实施例的发电机的第一弯曲模式的实例。图4说明根据另一实施例的作为流体发电系统的一部分的转换器及控制器。图5说明根据另一实施例的在其上具有多个质量块的发电机。图6说明根据另一实施例的另一形状的发电机。图7为根据另一实施例的在一侧上具有多个电极且在相对侧上具有单个电极的发电机的顶部等距视图。图8为根据另一实施例的图7中的发电机的底部等距视图。图9为根据另一实施例的展不衬底的相对侧上的发电机的横截面图。图10说明根据另一实施例的具有悬臂式发电机的流体发电系统。图11说明根据另一实施例的具有耦合到多个边界约束的发电机的流体发电系统。图12为根据另一实施例的沿着图11中的线12-12取得的放大图。图13说明根据另一实施例的具有多个发电机的流体发电系统。图14说明根据另一实施例的用于调整发电机中的张力的张力调整器的实施例。图15说明根据另一实施例的用于调整发电机中的张力的张力调整器的另一实施例。图16为根据另一实施例的操作流体发电系统的方法的流程图。
具体实施例方式在本实施例的以下详细描述中，参考形成本实施例的一部分的附图，且在附图中通过说明展示可实践的特定实施例。充分详细地描述这些实施例以使得所属领域的技术人员能够实践所揭示的标的物，且应理解，可使用其它实施例且可做出过程改变、电改变或机械改变而不脱离所主张的标的物的范围。因此，不以限制意义理解以下详细描述，且所主张的标的物的范围仅由所附权利要求书及其等效物界定。图1说明发电机100，例如，电压产生条。举例来说，发电机可称为电力发电机，因为其可在响应于流体流过其而振动时产生电力。图2为沿着图1中的线2-2取得的发电机100的横截面图(其中为清楚起见省略交叉影线)。对于一个实施例,发电机100可包括电荷产生(例如，电压产生)材料，例如压电材料112 (例如，压电薄膜)。压电材料112可响应于由流过发电机100的流体施加到其的振动弯曲及/或扭转应力而产生电荷(例如，输出电压)。表I给出合适压电材料的一些实例。表I合适压电材料的实例
权利要求
1.一种流体发电系统，其包含: 发电机，其包含电荷产生材料 '及 一对末端边界约束； 其中所述对末端边界约束的所述末端边界约束中的一者邻近于所述电荷产生材料的一末端而物理地耦合到所述电荷产生材料，且所述对末端边界约束中的另一者邻近于所述电荷产生材料的相对末端而物理地耦合到所述电荷产生材料。
2.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中发电机经配置以响应于流体流过其而振动，且所述电荷产生材料经配置以响应于所述发电机振动而产生交变电荷。
3.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中所述对末端边界约束中的至少一者为有源边界约束。
4.根据权利要求1所述的流体发电系统,其中电荷产生材料为压电材料。
5.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中所述对末端边界约束中的每一者为无源边界约束。
6.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中所述对末端边界约束中的每一者包含平移刚性元件及/或扭转刚性元件。
7.根据权利要求6所述的流体发电系统，其中所述平移刚性元件及/或所述扭转刚性元件包含压电材料或形状记忆材料。
8.根据权利要求1所述的流体发电系统，其进一步包含物理地耦合到所述电荷产生材料的所述末端中的一者的 张力调整器。
9.根据权利要求8所述的流体发电系统，其中所述张力调整器为有源张力调整器。
10.根据权利要求9所述的流体发电系统，其中所述有源张力调整器包含压电材料或形状记忆材料。
11.根据权利要求1所述的流体发电系统，其进一步包含定位在所述发电机上的一个或一个以上质量块。
12.根据权利要求11所述的流体发电系统，其中所述一个或一个以上质量块中的至少一者为有源质量块。
13.根据权利要求1所述的流体发电系统，其进一步包含物理地耦合到所述发电机的相对侧面中的每一者的侧面边界约束。
14.根据权利要求13所述的流体发电系统，其中所述侧面边界约束中的至少一者为有源侧面边界约束。
15.根据权利要求14所述的流体发电系统，其中所述侧面边界约束中的作为有源侧面边界约束的所述至少一者包含压电材料或形状记忆材料。
16.根据权利要求1所述的流体发电系统，其进一步包含转换器，所述转换器电耦合到所述发电机且经配置以将从所述发电机接收的AC电压转换成DC电压。
17.根据权利要求1所述的流体发电系统,其中所述发电机位于衬底上。
18.根据权利要求17所述的流体发电系统，其中所述发电机为第一发电机，且所述流体发电系统进一步包含第二发电机，其中所述第一及第二发电机位于所述衬底的相对表面上。
19.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中所述发电机为第一发电机，其中所述对末端边界约束为一对第一末端边界约束，且所述流体发电系统进一步包含: 定位在所述第一发电机上的第二发电机，所述第二发电机包含电荷产生材料；及一对第二末端边界约束； 其中所述对第二末端边界约束的所述第二末端边界约束中的一者邻近于所述第二发电机的所述电荷产生材料的一末端而物理地耦合到所述第二发电机的所述电荷产生材料，且所述对第二末端边界约束中的另一者邻近于所述第二发电机的所述电荷产生材料的相对末端而物理地耦合到所述第二发电机的所述电荷产生材料。
20.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中所述发电机进一步包含: 多个个别、分离电极，其电耦合到所述电荷产生材料的表面；及 单个电极，其电耦合到所述电荷产生材料的相对表面。
21.根据权利要求1所述的流体发电系统，其中所述发电机进一步包含形成在其侧面中的槽口。
22.根据权利要求1所述的流体发电系统，其进一步包含电耦合到所述末端边界约束中的至少一者的控制器。
23.根据权利要求22所述的流体发电系统，其中所述控制器电耦合到所述发电机以接收在所述发电机振动时由所述电荷产生材料产生的AC信号。
24.根据权利要求22所述的流体发电系统，其中所述控制器进一步电耦合到以下各者中的至少一者:物理地耦合到所述发电机的至少一个侧面的侧面边界约束、定位在所述发电机上的至少一个质 量块，及物理地耦合到所述电荷产生材料的所述末端中的一者的张力调整器。
25.根据权利要22所述的流体发电系统，其中所述控制器进一步电耦合到流量传感器以从所述流量传感器接收指示发电机定位在其中的流体的流率的电信号。
26.—种流体发电系统,其包含: 发电机，其包含电荷产生材料，所述电荷产生材料可在所述发电机响应于流体流过所述发电机而振动时产生电荷； 以下各者中的至少一者:物理地耦合到所述发电机的边界约束、定位在所述发电机上的质量块，及物理地耦合到所述发电机的一末端的张力调整器；及 控制器，其电耦合到所述发电机且电耦合到以下各者中的至少一者:物理地耦合到所述发电机的所述边界约束、定位在所述发电机上的所述质量块，及物理地耦合到所述发电机的所述末端的所述张力调整器。
27.根据权利要求26所述的发电系统，其中所述控制器经配置以致使基于所述流动流体的流率及/或所述发电机产生的功率来调整所述边界约束的刚性、所述质量块的分布及所述张力调整器对所述发电机施加的张力中的至少一者。
28.一种操作流体发电系统的方法，其包含: 响应于流体流过所述流体发电系统的发电机而使所述发电机振动，使得与所述发电机一起振动的所述发电机的电荷产生材料产生功率输出，其中边界约束物理地耦合到所述发电机，质量块定位在所述发电机上，且/或张力调整器物理地耦合到所述发电机； 在所述流体发电系统的控制器处接收电信号；及 响应于具有特定值的所述电信号通过将来自所述控制器的电信号发送到所述边界约束、质量块及/或张力调整器中的相应者以调整所述边界约束的刚性、所述质量块的分布及/或所述张力调整器对所述发电机施加的张力来调整由所述电荷产生材料产生的所述功率输出。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述电信号的所述特定值指示所述流体流过所述发电机的特定流率。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述电信号的所述特定值指示由所述电荷产生材料产生的所述功率输出。
31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包含: 比较所述特定值与指示所述电荷产生材料的所要功率输出的值；且 其中响应于具有特定值的所述电信号来调整由所述电荷产生材料产生的所述功率输出发生在所述特定值与指示所述电荷产生材料的所述所要功率输出的所述值相差至少某一量时.
全文摘要
本发明涉及一种流体发电系统的实施例，其具有包含电荷产生材料的发电机及一对末端边界约束。所述对末端边界约束的所述末端边界约束中的一者邻近于所述电荷产生材料的一末端而物理地耦合到所述电荷产生材料，且所述对末端边界约束中的另一者邻近于所述电荷产生材料的相对末端而物理地耦合到所述电荷产生材料。对于一些实施例，所述末端边界约束可为有源或无源的。对于其它实施例，所述末端边界约束中的至少一者可电耦合到用于调整所述发电机的振动特性的控制器。
文档编号F03D5/00GK103168167SQ201180049416
公开日2013年6月19日 申请日期2011年10月11日 优先权日2010年10月12日
发明者达优释·阿拉尔 申请人:希尔温德有限公司