一种发电用驱动机构及发电装置的制作方法

1.本发明涉及发电装置设计领域，具体涉及一种发电用驱动机构及发电装置。


背景技术：

2.目前，风电、水电等清洁环保的新能源，既不消耗有限的煤炭资源，也不会消耗宝贵的不可再生资源，更有利于国民经济的可持续发展，在全国各地区大力发展适合具体地区特点的高效可靠的新能源发电设备是大有前途的。要实现新能源的产业化、实用化，要求有高效能的产品，提高发电机对自然能量的最大捕获，产生高效率能量转化。
3.现有的风能或者水能发电都是通过在发电电机的电机轴上固定有叶轮，通过水流或空气的流动动能驱动叶轮转动，以带动发电电机旋转发电，而在上述的发电形式中，以水流动能作为发电动力源的波浪能发电进行举例，现有的波浪发电机所用的大多是固定翼空气叶轮，结构简单，维修方便，但是对于波浪的实际运动来说，由于水流的流动方向相对于发电电机来说是往复运动，即水流在发电机轴向方向是有两个方向的，而发电的实际过程却只能接受到一个方向的流动能量，为方便描述，对其进行举例说明，对于固定翼的叶轮，当水流朝着叶轮正面进行流动，发电机进行顺时针转动发电，而水流朝着叶轮背面进行流动，发电机进行逆时针转动，此时发电机反向转动就不进行发电工作，因此，固定翼空气叶轮的发电机只能利用单一方向水流的流动能量，能量利用效率低。
4.综上情况，为提高发电效率，目前行业内首要面对的问题是如何实现在多方向流体流动能量输入的情况下，使发电电机能够进行单向转动进行发电。
5.为解决上述问题，在现有技术中有通过单向阀门控制流体流动的方向，从而使叶轮单向转动，此方案在实际使用中由于其中间环节多，结构复杂，尤其在波浪能发电的海洋的高盐高腐蚀环境下，其设备容易损坏，而更换重新布设设备所付出的成本要远远高出其发电所获得的收益，这与装置的设计初衷背道而驰。
6.现有的技术还有将二面角做成的叶片制成固定翼叶轮，但由于叶片的形状复杂，因此就需要叶片设计更大的体积以满足形状的切削设计，因此也就造成了叶片质量较大，对接收的动能能量要求比较大，在微风天气或者缓水流海域，发电机基本上不进行工作发电。


技术实现要素：

7.本技术的一些实施例中，提供了一种发电用驱动机构及发电装置，解决了实现在多方向流体流动能量输入的情况下，如何通过简单的叶轮或叶片设计，实现发电电机能够进行单向转动进行发电的问题。
8.本技术的一些实施例中，对叶片进行了改进，本叶片的特点是用柔性材料制作而成，在正常状态下呈平面状态，在流体流动的环境中，会顺着流体的流动方向发生自适应式扭曲变形，吸收流体流动的动能，利用柔性叶片的发生自适应式扭曲变形模式，由于柔性叶轮的形变形状是随流体方向能够进行变化的，所以无论流体相对于柔性叶轮的流动方向如
何，柔性叶轮受到的流体压力都是同一方向的，即，流体流动压力对形变的柔性叶轮形变方向产生的分力压力方向，所以柔性叶轮的转动方向始终不变，这是本发明最基本的原理。
9.在本发明的一些实施例中，公开了一种发电用驱动机构，其包括安装部、周向均匀固定在安装部上的多个固定轴、以及固定连接在是固定轴上的柔性叶片。
10.每一扇柔性叶片均包括叶片骨架和包覆于叶片骨架的外表面的包覆层，叶片骨架和包覆层一端均与固定轴固定连接。
11.包覆层由柔性材料制成，用于接收外部流体动能且根据流体流动方向发生适应性形变，叶片骨架用于对包覆层形变的偏转位置进行限位。
12.其中，当外界流体的流动方向发生变化时，包覆层在叶片骨架的限位作用下形变至预设位置，驱动机构带动电机轴始终朝一个方向进行转动发电，包覆层用于接收外部流体动能且根据流体流动方向发生形变，叶片骨架用于保持包覆层的形状并对包覆层的形变程度进行限位，使柔性叶片根据流体的流动方向的变化发生可控形变，保证驱动机构在接收不同方向的流体能量状态下，驱动机构能够带动电机轴始终朝一个方向进行转动发电，提升了驱动机构的对能量的利用率，提升发电效率。
13.本技术的一些实施例中，叶片骨架设置有多个，多个叶片骨架相互平行且在同一平面内。
14.本技术的一些实施例中，每个叶片骨架均包括多个连接单元，多个连接单元依次可转动地相互连接。
15.本技术的一些实施例中，每个连接单元均包括连接部和限位部，相邻两个连接单元通过连接部相互铰接，且相邻两个连接单元可绕铰接的轴线相对转动，相邻的两个连接单元相对于一侧均设置有限位部。
16.其中，限位部包括第一方向限位部和第二方向限位部，第一方向限位部和第二方向限位部对称设置于连接单元的两侧，用于对相邻的两个连接单元在转动方向上进行最大转角限位。
17.本技术的一些实施例中，连接部为链节，链节的一侧固定连接有连杆，且限位部分别设于连杆的两端，多个链节首尾相连形成叶片骨架的整体结构，且连接于链节一侧的连杆也顺次排布。
18.相邻的两个连杆的第一方向限位部位置相对应，第二方向限位部位置也相互对应，本实施例为叶片骨架的一种实现形式，通过链节的连接实现叶片骨架的整体结构的形成，叶片骨架也可以通过链节间的铰接实现自由转动，同时，连杆对链节间的弯折角度进行限位，对叶片骨架的弯折形状进行限制。
19.本技术的一些实施例中，基于上述结构，本发明的发电用驱动机构在实际发电过程中，在受到正、反两个方向的流体驱动方向时，其适应性表现的实际形状、各功能部件的实际连接结构以及各部件在柔性叶片发生形变的过程中所体现的作用包括：设定流体流动方向朝向发电电机的方向为第一方向，流体流动方向背向发电电机的方向为第二方向。
20.当流体流动方向为第一方向时，包覆层带动叶片骨架朝第一方向偏转，相邻的两个连接单元均绕其铰接轴线沿第一方向进行相对转动；相邻的两个连接单元上的第一方向限位部相互接触，达到最大转角限位，叶片骨
架整体形状为一端向第一方向弯曲的弧形，包覆层的形变受叶片骨架限位于第一偏转位置。
21.当流体流动方向为第二方向时，包覆层带动叶片骨架朝第二方向偏转，相邻的两个连接单元均绕其铰接轴线沿第二方向进行相对转动；相邻的两个连接单元上的第二方向限位部相互接触，达到最大转角限位，叶片骨架整体形状为一端向第二方向弯曲的弧形，包覆层的形变受叶片骨架限位于第二偏转位置。
22.基于上述基本设计结构和基本构思，在本技术的一些实施例中，驱动机构设置有多个，且多个驱动机构沿其旋转轴的轴向方向依次串联连接，相邻的两个驱动机构之间通过旋转固定杆固定，旋转固定杆两端分别连接两个驱动机构的安装部，且旋转固定杆与驱动机构的旋转轴线重合。
23.多个驱动机构串联能够使发电效率大幅度提高，由于驱动机构主要是靠柔性叶片和流体的相互作用力进行驱动发电，其面积越大受力也越大，但是一味的增加单个叶片的面积其叶片质量也会随之增大，反而会对叶片的运动造成影响，而采用多个驱动机构串联的形式就能够很好的解决这一问题，即增加了驱动机构整体的驱动受力面积，又不会增加单个叶片的质量，串联的驱动机构越多，发电效率就越高。
24.在本技术的一些实施例中，驱动机构外部设置有机壳，机壳为两端开口的圆形筒状结构，驱动机构的旋转轴线与机壳的轴线重合，驱动机构可在机壳内转动。
25.其中，机壳的两端开口的面积大于机壳内部截面的内径面积。
26.机壳的作用在于对其内部的驱动机构进行保护，避免柔软的柔性叶片收到外界的碰撞造成损坏，而机壳的“两端大中间小”的形状设计能够更好的引流，使流体流动更加集中，流动驱动力更大，发电效果更好。
27.在本技术的一些实施例中，机壳的外表面，沿其周向环形阵列安装有稳流翼，稳流翼的作用在于使机壳在流动的流体环境下，能够使其整体保持稳定，一方面能够提升发电效果的稳定性，另一方面，稳流翼可以使壳体的开口位置正对流体的流动方向，最大程度的利用流体的作用力。
28.在本技术的一些实施例中，机壳两端的开口位置均覆盖有滤网，滤网的作用在于，无论采用风力发电还是水动力发电，空中的飞鸟或是水中的鱼虾，都容易进入到机壳内，而机壳内高速转动的柔性叶片容易对生物造成伤害，此外，水中的水草也容易进入到机壳内对柔性叶片进行缠绕造成机构停止运行，所以，在机壳的进出口都设置有滤网即可有效地解决上述问题。
29.在本技术的一些实施例中，还包括一种发电装置，其包括发电电机和驱动机构。
30.驱动机构固定安装于发电电机的电机轴，驱动机构用于接收外界流体流动动能带动发电电机转动发电。
31.本发明的有益效果在于：本发明提供了一种发电用驱动机构及发电装置，驱动机构固定安装于发电电机的电机轴，用于接收外界流体流动动能带动发电电机转动发电，驱动机构包括安装部和固定在安装部上的多个柔性叶片，每一扇柔性叶片均包括由多个连接节构成的叶片骨架，叶片骨架的外表面包覆有柔性材料制成的包覆层，包覆层用于接收外部流体动能且根据流体流
动方向发生形变，叶片骨架用于保持包覆层的形状并对包覆层的形变程度进行限位，使柔性叶片根据流体的流动方向的变化发生可控形变，保证驱动机构在接收不同方向的流体能量状态下，驱动机构能够带动电机轴始终朝一个方向进行转动发电，提升了驱动机构的对能量的利用率，提升发电效率。
附图说明
32.图1是本发明的一些实施例中驱动机构结构图之一；图2是本发明的一些实施例中驱动机构结构图之一；图3是本发明的一些实施例中驱动机构局部剖视图；图4是本发明的一些实施例中叶片骨架结构图；图5是本发明的一些实施例中限位部结构图；图6是本发明的一些实施例中，当流体流动方向为第一方向时，驱动机构的适应性形变、受力方向以及转动方向；图7是本发明的一些实施例中，当流体流动方向为第二方向时，驱动机构的适应性形变、受力方向以及转动方向；图8是本发明的实施例二中叶片骨架的设计形式；图9是本发明的实施例一中叶片骨架的设计形式；图10是本发明的叶片骨架和固定轴以及安装部的连接关系（以实施例二为例）；图11是本发明的一些实施例中多个驱动机构串联结构图；图12是本发明的一些实施例中多个驱动机构串联结构图（外部设有壳体的透视图）；图13是本发明的一些实施例中多个驱动机构串联结构图（壳体的半剖图）。
33.附图标记：包括：100、驱动机构；110、安装部；120、固定轴；200、柔性叶片；210、叶片骨架；220、包覆层；300、连接单元；310、连接部；320、限位部；321、第一方向限位部；322、第二方向限位部；311、链节；312、连杆；400、机壳；410、稳流翼；420、滤网；500、旋转固定杆；600、发电电机；610、电机轴。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
35.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
36.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
38.本发明提供了一种发电用驱动机构及发电装置，解决了实现在多方向流体流动能量输入的情况下，如何通过最简单的叶轮或叶片设计，实现发电电机600能够进行单向转动进行发电的问题。
39.在本技术的一些实施例中，如图1-5所示的发电用驱动机构100包括安装部110、周向均匀固定在安装部110上的多个固定轴120、以及固定连接在是固定轴120上的柔性叶片200。
40.每一扇柔性叶片200均包括叶片骨架210和包覆于叶片骨架210的外表面的包覆层220，叶片骨架210和包覆层220一端均与固定轴120固定连接。
41.包覆层220由柔性材料制成，用于接收外部流体动能且根据流体流动方向发生适应性形变，叶片骨架210用于对包覆层220形变的偏转位置进行限位。
42.其中，当外界流体的流动方向发生变化时，包覆层220在叶片骨架210的限位作用下形变至预设位置，驱动机构100带动电机轴610始终朝一个方向进行转动发电。
43.需要说明的是，本发明的特点是用柔性材料制作柔性叶片200，柔性叶片200能够随着流体的驱动方向的变化改变其自身的形状。
44.柔性叶片200在正常状态下呈平面状态，而在流体流动的环境中，会顺着流体的流动方向发生自适应式扭曲变形，吸收流体流动的动能，利用柔性叶片200的发生自适应式扭曲变形模式，由于柔性叶轮的形变形状是随流体方向能够进行变化的，所以无论流体相对于柔性叶轮的流动方向如何，柔性叶轮受到的流体压力都是同一方向的，即，流体流动压力对形变的柔性叶轮形变方向产生的分力压力方向，所以柔性叶轮的转动方向始终不变，这是本发明最基本的原理。
45.基于上述基本原理，包覆层220用于接收外部流体动能且根据流体流动方向发生形变，叶片骨架210用于保持包覆层220的形状并对包覆层220的形变程度进行限位，使柔性叶片200根据流体的流动方向的变化发生可控形变，保证驱动机构100在接收不同方向的流体能量状态下，驱动机构100能够带动电机轴610始终朝一个方向进行转动发电，提升了驱动机构100的对能量的利用率，提升发电效率。
46.还需要说明的是，上述涉及的各个功能部件的结构只针对柔性叶片200在流体作用下发生明显形变，且仅指对发明的基本原理的相关形变，而柔性叶片200在实际使用中发生的其余微小形变与本设计无关，不影响本设计。
47.本技术的一些实施例中，如图4、图5和图10所示，叶片骨架210设置有多个，多个叶片骨架210相互平行且在同一平面内。
48.需要说明的是，多个叶片骨架210更有利于柔性叶片200形状的维持，叶片骨架210在整体形变过程中起到的作用包括两方面：第一可伴随包覆层220发生形变，第二则是使包覆层220发生的形变可控，换句换说，柔性叶片200在接收到不同方向的流体作用力后，其对应发生的形变的具体形状是有叶片骨架210控制维持的。
49.包覆层220内的叶片骨架210越多，越有利于柔性叶片200形变后的形状保持，但是过多的叶片骨架210会影响包覆层220的形变效果，因此，针对不同的发电效果和发电环境，其叶片骨架210的设置数量可由实际情况和实验结果确定最优的数量值。
50.对于叶片骨架210的可变形设计以及其能够实现预设形状的维持，叶片骨架210的基本设计结构为：每个叶片骨架210均包括多个连接单元300，多个连接单元300依次可转动地相互连接。
51.每个连接单元300均包括连接部310和限位部320，相邻两个连接单元300通过连接部310相互铰接，且相邻两个连接单元300可绕铰接的轴线相对转动，相邻的两个连接单元300相对于一侧均设置有限位部320。
52.流体的流动方向相对于驱动机构100来说，可被发电捕获利用的方向为沿驱动机构100的旋转轴向的正、反两个方向，因此，柔性叶片200只要保证在沿驱动机构100的旋转轴向的正、反两个方向作用下，能够通过形变保证驱动机构100单向转动即可，基于此，对限位部320进行了进一步的设计：其中，限位部320包括第一方向限位部321和第二方向限位部322，第一方向限位部321和第二方向限位部322对称设置于连接单元300的两侧，用于对相邻的两个连接单元300在转动方向上进行最大转角限位。
53.基于上述叶片骨架210的基本设计结构，具体的，在本技术的一种实施例中：实施例一（如图9所示）连接部310和限位部320均设置在每个连接单元300的两端，连接部310为连接单元300的部分表面延伸形成的连接平台。
54.连接平台对称设置在每个连接单元300的两侧。
55.连接平台上开设有开孔，开孔上固定有铆钉。
56.相邻的两个连接单元300的第一方向限位部321位置相对应，第二方向限位部322位置也相互对应。
57.实施例二（如图8和图10所示）连接部310为链节311，链节311的一侧固定连接有连杆312，且限位部320分别设于连杆312的两端，多个链节311首尾相连形成叶片骨架210的整体结构，且连接于链节311一侧的连杆312也顺次排布。
58.相邻的两个连杆312的第一方向限位部321位置相对应，第二方向限位部322位置也相互对应。
59.上述两个实施例为叶片骨架210的实现形式，实施例二相较于实施例一而言的不同点在于：通过链节311的连接实现叶片骨架210的整体结构的形成，叶片骨架210也可以通过链节311间的铰接实现自由转动，同时，连杆312对链节311间的弯折角度进行限位，对叶片骨架210的弯折形状进行限制。
60.实施例二中链节311和连杆312的两部分设计相较于实施例一的一部分设计，其整体强度高，能都适应高流速流体的冲击，叶片骨架210不易折断，连接部310分的连接强度高。
61.但是实施例二的结构质量会略高于实施例一的结构质量，实际应用中，可以根据需要选择其实际的结构设计。
62.本技术的一些实施例中，基于上述结构，本发明的发电用驱动机构100在实际发电过程中，在受到正、反两个方向的流体驱动方向时，柔性叶片200适应性表现的实际形状、各功能部件的实际连接结构以及各部件在柔性叶片200发生形变的过程中所体现的作用包括：如图6-7所示，设定流体流动方向朝向发电电机600的方向为第一方向，流体流动方向背向发电电机600的方向为第二方向。
63.图6，当流体流动方向为第一方向时，包覆层220带动叶片骨架210朝第一方向偏转，相邻的两个连接单元300均绕其铰接轴线沿第一方向进行相对转动；相邻的两个连接单元300上的第一方向限位部321相互接触，达到最大转角限位，叶片骨架210整体形状为一端向第一方向弯曲的弧形，包覆层220的形变受叶片骨架210限位于第一偏转位置。
64.图7，当流体流动方向为第二方向时，包覆层220带动叶片骨架210朝第二方向偏转，相邻的两个连接单元300均绕其铰接轴线沿第二方向进行相对转动；相邻的两个连接单元300上的第二方向限位部322相互接触，达到最大转角限位，叶片骨架210整体形状为一端向第二方向弯曲的弧形，包覆层220的形变受叶片骨架210限位于第二偏转位置。
65.需要说明的是，图6和图7中实心箭头表示流体流动方向，空心箭头表示流体流动对柔性叶片200表面产生的下压力，线条箭头表示驱动机构100转动方向，下压力实际是流体流动方向产生的力的分力，同时下压力也是驱动机构100转动的驱动力，图6和图7的流体流动方向不同，但是最终作用在柔性叶片200上的压力方向相同，从而实现驱动机构100的单向转动（图中均为顺时针转动）。
66.基于上述基本设计结构和基本构思，在本技术的一些实施例中，如图11所示，驱动机构100设置有多个，且多个驱动机构100沿其旋转轴的轴向方向依次串联连接，相邻的两个驱动机构100之间通过旋转固定杆500固定，旋转固定杆500两端分别连接两个驱动机构100的安装部110，且旋转固定杆500与驱动机构100的旋转轴线重合。
67.需要说明的是，多个驱动机构100串联能够使发电效率大幅度提高，由于驱动机构100主要是靠柔性叶片200和流体的相互作用力进行驱动发电，其面积越大受力也越大，但是一味的增加单个叶片的面积其叶片质量也会随之增大，反而会对叶片的运动造成影响，而采用多个驱动机构100串联的形式就能够很好的解决这一问题，即增加了驱动机构100整体的驱动受力面积，又不会增加单个叶片的质量，串联的驱动机构100越多，发电效率就越高。
68.在本技术的一些实施例中，如图12-13所示，驱动机构100外部设置有机壳400，机壳400为两端开口的圆形筒状结构，驱动机构100的旋转轴线与机壳400的轴线重合，驱动机构100可在机壳400内转动。
69.其中，机壳400的两端开口的面积大于机壳400内部截面的内径面积。
70.需要说明的是，机壳400的作用在于对其内部的驱动机构100进行保护，避免柔软的柔性叶片200收到外界的碰撞造成损坏，而机壳400的“两端大中间小”的形状设计能够更
好的引流，使流体流动更加集中，流动驱动力更大，发电效果更好。
71.在本技术的一些实施例中，如图12-13所示，机壳400的外表面，沿其周向环形阵列安装有稳流翼410。
72.需要说明的是，稳流翼410的作用在于：使机壳400在流动的流体环境下，能够使其整体保持稳定，一方面能够提升发电效果的稳定性，另一方面，稳流翼410可以使壳体的开口位置正对流体的流动方向，最大程度的利用流体的作用力。
73.在本技术的一些实施例中，如图13所示，机壳400两端的开口位置均覆盖有滤网420。
74.需要说明的是，滤网420的作用在于：无论采用风力发电还是水动力发电，空中的飞鸟或是水中的鱼虾，都容易进入到机壳400内，而机壳400内高速转动的柔性叶片200容易对生物造成伤害，此外，水中的水草也容易进入到机壳400内对柔性叶片200进行缠绕造成机构停止运行，所以，在机壳400的进出口都设置有滤网420即可有效地解决上述问题。
75.在本技术的一些实施例中，还包括一种发电装置，如图1-图13所示，其包括发电电机600和驱动机构100。
76.驱动机构100固定安装于发电电机600的电机轴610，驱动机构100用于接收外界流体流动动能带动发电电机600转动发电。
77.本发明提供了一种发电用驱动机构及发电装置，驱动机构固定安装于发电电机的电机轴，用于接收外界流体流动动能带动发电电机转动发电，驱动机构包括安装部和固定在安装部上的多个柔性叶片，安装部用于与电机轴固定，且柔性叶片沿安装部周向均匀布置，每一扇柔性叶片均包括由多个连接节构成的叶片骨架，叶片骨架的外表面包覆有柔性材料制成的包覆层，包覆层形成柔性叶片的外部形状，用于接收外部流体动能且根据流体流动方向发生形变，叶片骨架用于保持包覆层的形状并对包覆层的形变程度进行限位，使柔性叶片根据流体的流动方向的变化发生可控形变，保证驱动机构在接收不同方向的流体能量状态下，驱动机构能够带动电机轴始终朝一个方向进行转动发电，提升了驱动机构的对能量的利用率，提升发电效率。
78.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。