CN101783615B - 基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置。现有压电发电装置发电效率低。本发明包括密封球、金属悬臂梁、质量块、整流电路和超级电容器。质量块设置在密封球内的球心处。密封球内沿空间三维轴向设置有六根条形片状的金属悬臂梁，每个轴向上有两根金属悬臂梁且位于质量块的两侧，每根金属悬臂梁的一端与密封球内侧壁固定设置、另一端伸入对应的开设在质量块上的矩形槽内，金属悬臂梁与矩形槽形成滑动配合。每根金属悬臂梁的上表面和下表面对应设置有能量转换装置，能量转换装置的输出与整流电路的输入连接，整流电路的输出与超级电容器连接。本发明利用波浪的无休止的运动，可以得到持续的电量供给。

Description

基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置
技术领域
本发明属于能源和电子技术领域，具体涉及一种基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置。 
背景技术
海洋对我国东部沿海地区的经济社会发展起到了巨大的作用，海洋是货物与商品输运的主要载体，也是地球物质资源最丰富的宝库，海洋资源具有很大的开发潜力。目前，我国已加大对海洋技术领域的投资与开发，但是在要求自带电源的海上装备以及仪器的供电系统中，目前研究应用的有太阳能电池、锂电子电池及燃料电池等。太阳能电池可对安放在室外的海上仪器装备实现长期供电，但是它同时也受到天气条件与应用场所的限制，锂电子电池和燃料电池的能量密度较低，电池寿命有限、需要更换并且存在污染。这就需要我们采用一种新的能量转换装置来对海上仪器仪表装置进行供电。 
海浪的波浪能是可用于海上仪器供电的最直接有用的能源，考虑利用海浪的波浪能进行发电具有巨大应用前景。目前，利用外界环境振动能量来进行发电的振动式发电机根据能量转换机理的不同，可以分成电磁式、静电式和压电式三类。其中振动式压电发电机具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，是目前振动式微型发电机研究的热点。通过施加外力使压电体表面产生电荷，进而构造压电发电装置。根据压电体极化方向和受应力方向的关系，压电发电装置分为两种不同的模式，即压电体的极化方向和所施加的外力方向相同(d33)与压电体的极化方向和受力方向相互垂直(d31)。虽然d31模式的机电耦合系数相对较小，但在施加较小的外力时即可使薄片型压电振子获得较大的应变，故适用于振动频率较低、外力和尺寸较小的场合。然而，压电材料受其本身的材料性能的限制，发电能量较低。而铁电聚合物在室温下拥有极高的介电常数，通过调整混合物的组成，可以实现对介电性能和能量密度的调节。 
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置。 
本发明利用海浪的波浪能所产生的随机振动，带动固定在密封球壁上的悬臂梁的上、下表面的铁电聚合物薄膜产生应变，在铁电聚合物薄膜内诱发电极化翻转，产生电场。 
基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置包括密封球、金属悬臂梁、质量块、整流电路和超级电容器。所述的密封球为密封的球形壳体，质量块设置在密封球内的球心处。密封球内沿空间三维轴向设置有六根条形片状的金属悬臂梁，每个轴向上有两根金属悬臂梁且位于质量块的两侧，每根金属悬臂梁的一端与密封球内侧壁固定连接、另一端伸入对应的开设在质量块上的矩形槽内，金属悬臂梁的厚度小于矩形槽的宽度，金属悬臂梁与矩形槽形成滑动配合。每根金属悬臂梁的上表面和下表面对应设置有能量转换装置。 
所述的能量转换装置包括铁电聚合物薄膜，上金属薄膜和下金属薄膜，铁电聚合物薄膜位于上金属薄膜和下金属薄膜之间，上金属薄膜连接有上电极引出线，下金属薄膜连接有下电极引出线，上电极引出线与整流电路输入的一端连接，下电极引出线与整流电路输入的另一端连接。上电极引出线和下电极引出线的位置可以交换，也就是上电极引出线和下电极引出线分别接入整流电路的两端即可。 
所述的整流电路设置在密封球内，整流电路包括滤波电容C1、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4。整流电路输入的一端为第一整流二极管D1负极和第二整流二极管D2正极连接端，整流电路输入的另一端为第三整流二极管D3正极和第四整流二极管D4负极连接端；第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极与滤波电容C1的一端连接，第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极与滤波电容C1的另一端连接。整流电路输出的正极端为第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极连接端，整流电路输出的负极端为第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极连接端； 
每个能量转换装置对应一个整流电路，十二个能量转换装置对应十二个整流电路，十二个整流电路的输出并联到超级电容器C13的两端； 
所述的十二个整流电路的输出并联到超级电容器C13的两端为超级电容器C13的正极与十二个整流电路输出的正极端连接，负极与十二个整流电路输出的负极端连接。 
所述的密封球由两个半球拼接而成。 
本发明将采用铁电聚合物薄膜作为机-电转换器，来实现较高的输出电压。由于本发明利用波浪的无休止的运动(波浪运动大的时候变形较大)，可以得到持续的电量供给；本发明内部采用三个不同方向的悬臂梁，无论封闭球体在那个方向运动，总会有两根梁上的变形最大，因而能够最大程度的产生较大的电流同时供电稳定。 
附图说明
图1为本发明纵截面结构示意图； 
图2为本发明横截面结构示意图； 
图3为本发明中整流电路示意图； 
图4为本发明中整流电路与超级电容连接示意图。 
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置包括密封球7、金属悬臂梁4、质量块5、整流电路8和超级电容器。所述的密封球7为密封的球形壳体，质量块5设置在密封球7内的球心处。密封球7内沿空间三维轴向设置有六根条形片状的金属悬臂梁4，每个轴向上有两根金属悬臂梁4且位于质量块5的两侧，每根金属悬臂梁4的一端与密封球7内侧壁固定连接、另一端伸入对应的开设在质量块7上的矩形槽6内，金属悬臂梁4的厚度小于矩形槽6的宽度，金属悬臂梁4与矩形槽6形成滑动配合。每根金属悬臂梁4的上表面和下表面对应设置有能量转换装置。 
能量转换装置包括铁电聚合物薄膜2，上金属薄膜1和下金属薄膜3，铁电聚合物薄膜2位于上金属薄膜1和下金属薄膜3之间，上金属薄膜1连接有上电极引出线A1，下金属薄膜3连接有下电极引出线B1，上电极引出线A1与整流电路8输入的一端连接，下电极引出线B1与整流电路8输入的另一端连接。上电极引出线A1和下电极引出线B1的位置可以交换，也就是上电极引出线A1和下电极引出线B1分别接入整流电路的两端即可。图中所示的A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12均作为能量转换装置对应上电极引出线，B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12均作为能量转换装置对应下电极引出线。 
整流电路8设置在密封球内，结构如图3所示：包括滤波电容C1、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4；整流电路输入的一端为第一整流二极管D1负极和第二整流二极管D2正 极连接端，整流电路输入的另一端为第三整流二极管D3正极和第四整流二极管D4负极连接端；第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极与滤波电容C1的一端连接，第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极与滤波电容C1的另一端连接；整流电路8输出的正极端为第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极连接端，整流电路8输出的负极端为第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极连接端。 
每个能量转换装置对应一个整流电路，十二个能量转换装置对应十二个整流电路，十二个整流电路的输出并联到超级电容器C13的两端。 
如图4所示，十二个整流电路的输出并联到超级电容器C13的两端，超级电容器C13的正极与十二个整流电路输出的正极端连接，负极与十二个整流电路输出的负极端连接。 
为了装配方便，密封球由两个半球拼接而成，拼接处可采用常规的密封措施。 
该装置的具体工作过程是：随着海水的上下运动，质量块将受到惯性力的作用，引起金属悬臂梁变形，进而引起铁电聚合物薄膜内应变和应力的变化，由于铁电聚合物薄膜的电极化效应，铁电聚合物薄膜对将产生变化的电势差，随着外部波浪的运动，铁电聚合物薄膜表面会有峰值不定的交流电输出，输出的交变电流经过整流电路后输出到超级电容存储，超级电容存储的输出为负载供电。当环境振动频率等于密封球固有频率时，将引起密封球的共振，压电层应力和应变的变化最大，从而使该装置输出电压的变化达到最大。 

Claims (1)

1.基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置，包括密封球、金属悬臂梁、质量块、整流电路和超级电容器，其特征在于：所述的密封球为密封的球形壳体，质量块设置在密封球内的球心处；密封球内沿空间三维轴向设置有六根条形片状的金属悬臂梁，每个轴向上有两根金属悬臂梁且位于质量块的两侧，每根金属悬臂梁的一端与密封球内侧壁固定设置、另一端伸入对应的开设在质量块上的矩形槽内，金属悬臂梁的厚度小于矩形槽的宽度，金属悬臂梁与矩形槽形成滑动配合；每根金属悬臂梁的上表面和下表面对应设置有能量转换装置；
所述的能量转换装置包括铁电聚合物薄膜、上金属薄膜和下金属薄膜，铁电聚合物薄膜位于上金属薄膜和下金属薄膜之间，上金属薄膜连接有上电极引出线，下金属薄膜连接有下电极引出线，上电极引出线与整流电路输入的一端连接，下电极引出线与整流电路输入的另一端连接；
所述的整流电路设置在密封球内，整流电路包括滤波电容C1、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4；整流电路输入的一端为第一整流二极管D1负极和第二整流二极管D2正极连接端，整流电路输入的另一端为第三整流二极管D3正极和第四整流二极管D4负极连接端；第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极与滤波电容C1的一端连接，第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极与滤波电容C1的另一端连接；整流电路输出的正极端为第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极连接端，整流电路输出的负极端为第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极连接端。 
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