CN101814859A - 一种波力压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波力压电发电装置，它包括波能采集器和一个以上设置在波能采集器上的压电发电单元；波能采集器包括呈U形的支撑浮体和浮体，支撑浮体的开口处通过刚性连杆连接；支撑浮体上固定设置有支撑浮体框架，支撑浮体框架上固定设置有四个支杆，四个支杆顶部通过发电机架依次固定设置发电机底板、发电机围壁和发电机顶板；浮体上设置浮体框架，浮体框架刚性连接传动轴，传动轴依次穿过发电机底板和发电机顶板；浮体框架上固定设置依次穿过发电机底板、顶板的支柱，各支柱顶部之间通过连杆固定连接；每个压电发电单元包括若干个压电振子和划片，各压电振子包括一中间层和两压电片。本发明可以在各种来波条件下都能够实现共振，获得较高的波能转换效率和输出电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电装置，特别是关于一种用于将海洋波浪能高效率地转换为电能的波力压电发电装置。
背景技术
波力发电装置有多种设计形式，可以利用水粒子的各种运动状态和波浪产生的动压等。目前应用最广、技术较为成熟的是振荡水柱，利用波表面的起伏推动空腔中的气体往复运动，通过透平，带动发电机发电。波浪能量转换装置是一类较为特殊的装置，通过一个收缩的楔形窄道对波高进行放大，使一些水体漫顶而储存于装置顶部的储水池中，然后利用水轮机将这些水体的重力势能转化为电能。另外一类就是筏式结构，这类装置纵向长度与入射波波长相近，利用波传播过程中空间上存在的相位差，使机构产生一些旋转变形，这些变形经由齿轮等机构推动，使液压马达发电。前述这些装置采集波能的方式不尽相同，但最后都是利用旋转机将机械能转换为电能，中间需要如透平、水轮机和液压泵之类的转换机构。由于中间转换机构的存在，一方面使能量的转换多了一级损耗，影响了整个装置的转换效率，另一方面使装置多了一些腐蚀对象以及增加了成本和维修困难。还有一些新型的波力发电装置省去了中间的转换机构，通过采用直线发电机、金属磁流体发电机和压电发电机等，将波能采集装置收集到的波能直接转换为电能。这类装置中一部分已经进入到模型试验阶段，如采用直线发电机的阿基米德波浪摆(AWS)等，但是大部分这类装置还处于研究试验阶段。
波力压电发电装置采用压电材料实现电能的转换，利用材料的压电性，将材料的应变能转换为电能。美国专利号为US4685296专利设计中的压电材料波能转换装置，主要由一个漂浮在海面上的浮体和一组压电片构成。浮体在上下运动过程中压缩和拉伸压电片，使其发生应变，在材料的表面安装电极，利用材料特有的压电特性可输出电能。美国专利号为US5578889的专利设计是对前述的专利进行了一些改进，主要是在系泊方式和针对变化海况的装置控制上进行了改进。两项专利存在的缺点是压电材料的振动频率低(波频率量级)，不能适应来波条件，并且获取的能量不高。根据非专利文献“压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究[J]”(作者：李艳宁，李雯等.天津大学学报，2009，42，4：373-376.)的研究，压电振子输出能量的功率与振动的频率、幅值、几何尺寸和电路负载均有关。其中，振动的频率是至关重要的因素，当激励频率等于基频谐振频率时，获取的功率可以达到最大。考虑到实际海洋环境中，波浪运动频率低，变化范围大(约0.1～0.5Hz)，如何在各种波况下都能实现压电振子装置的共振，使其转换效率最大是困扰许多研究人员的一个关键技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本低、效率高的波力压电发电装置，使该装置在各种来波条件下都能够实现共振，从而达到最大的电能输出。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种波力压电发电装置，其特征在于：它包括一波能采集器和一个或一个以上设置在所述波能采集器上的压电发电单元；所述波能采集器包括一呈U形的支撑浮体和一浮体，所述支撑浮体将所述浮体包裹在其中，所述支撑浮体的开口处通过一刚性连杆连接；所述支撑浮体的底部通过锚索固定在海底，所述支撑浮体上固定设置有一与其尺寸相对应的支撑浮体框架，所述支撑浮体框架上固定设置有四个支杆，所述四个支杆的顶部固定连接一采用桁架结构的发电机架，所述发电机架上通过一发电机底板依次固定设置有一圆筒形的发电机围壁和一发电机顶板；所述浮体上设置有一与其尺寸相对应的浮体框架，所述浮体框架中部刚性连接有与所述压电发电单元对应设置的传动轴，每个所述传动轴依次穿过所述发电机底板和发电机顶板；所述浮体框架上固定设置有四个依次穿过所述发电机底板和发电机顶板的支柱，四个所述支柱顶部之间通过一连杆固定连接；每个所述压电发电单元包括布置在所述发电机底板与所述发电机顶板之间的若干个压电振子和若干个划片，各所述压电振子均匀设置在所述发电机围壁的内壁上，各所述划片均匀设置在所述传动轴上；各所述压电振子包括一中间层和两压电片，所述两压电片均设置在所述中间层的根部，且所述两压电片分别设置在所述中间层的上、下面，并与所述中间层采用悬臂梁结构固定设置在所述发电机围壁的内壁上。
纵向相邻的所述压电振子之间的间隔为5mm～50cm，所述压电振子在所述发电机围壁上布置的最多数目与其设定的间隔、所述发电机围壁的内径、高度以及波高相关，且沿纵向每排所述压电振子布置的数目为2～1200个。
位于所述发电机围壁最顶部和最底部的压电振子与所述发电机顶板和底板之间的距离都要大于所述压电振子在所述划片作用下产生的最大挠度的1.2～2.0倍；位于所述传动轴最顶部和最底部的划片分别与所述发电机顶板和底板之间的距离是所述波能采集器设计最大行程的一半。
所述划片采用镍、钢或合金钢制成，或采用一块磁铁制成；所述压电振子由两种材料连接制成，其上被所述压电片所覆盖的区域采用环氧树脂、聚砜或铝合金材料，其余靠近端部的区域采用铸造锌合金、铜合金、硅、钢或合金钢材料，所述压电振子的自然频率为10～120Hz；或者在所述压电振子端部的上表面两边分别固定另一块磁铁，与由磁铁制成的所述划片形成非接触式磁力的压电发电单元。
所述压电发电单元设置在所述连杆与所述发电机架之间，在所述发电机底板和浮体框架之间设置一缠绕在各所述支柱上的弹簧；或所述压电发电单元设置在所述发电机架与所述浮体框架之间。
各所述压电振子与各所述划片采用呈层布置方式，每一层上的所述压电振子与所述划片位于同一水平面，且个数相同；或者各所述压电振子与各所述划片采用排列方式，在所述发电机围壁上的每列所述压电振子相互之间呈螺旋上升的形式进行错动，所述传动轴上的划片保持呈层布置的方式。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用由压电振子与划片组成的压电发电单元，压电发电单元设置在一波能采集器上，波能采集器上可以设置有一个以上的压电发电单元，当波能采集器在波浪作用下上、下振荡过程中，设置在波能采集器的传动轴上的划片随波能采集器的运动过程中，触到压电振子末端，使波能采集器收集到的能量以瞬时荷载方式作用在压电振子上，使得压电振子在自然频率下发生震动，因此实现了在各种来波条件下都能够实现共振，并获得较高的波能转换率和输出电能。2、本发明的压电发电单元由于可以采用非接触式磁力的方式，利用同名磁极相斥和异名磁极相吸的特性，实现瞬时荷载的施加。采用磁铁作为划片，同时在压电振子末端安设磁铁，传动轴上磁铁经过振子末端时，传动轴上磁铁和压电振子上磁铁相靠很近，但不接触，通过磁场对压电振子施加力的作用。因此，大大减小了划片与压电振子末端接触时产生的冲击和摩擦损失，进一步提高了电能的输出量。3、本发明由于可以将压电发电单元设置在波能采集器上位于四个支柱之间的连杆与发电机架之间，并在发电机底板和浮体框架之间设置一缠绕在支柱上的弹簧，因此，不仅可以缓冲在波能采集器运动达到冲程时的冲击，还可以提供波能采集器的回复力。4、本发明由于压电发电单元中的压电振子采用悬臂梁支撑方式，根部固定在发电机围壁上，压电振子包括三层材料，一层中间层和两层压电片，压电片分置于中间层的上、下表面。中间层由两种不同机械特性的材料连接而成，靠近根部材料弹性大，产生变形大；靠近端部材料刚度大、密度大，发生变形小，振动后惯性作用强。压电片贴在根部材料的上下表面，随之发生大的应变，并通过贴在其上下表面的电极输出形成电能。采用局部布置压电片，并通过上述对中间层的设置，因此，提高了压电片的利用效率。5、本发明的传动轴上的划片采用呈层布置方式，划片绕轴布置，由下至上呈层结构，垂向上呈列排列。压电发电单元中压电振子有两种布置方式，一是绕发电单元围壁呈层布置，每一层位于同一水平面上，另一种方式是围壁上每一列压电振子进行一定的间错，压电振子不再呈层结构。间错后，沿着围壁，压电振子呈螺旋线上升排列。间错的排列方式减小了同一个作用时刻，传动轴受到的反作用力，缩短了每次作用的间歇时间，因此进一步提高了波能转换的效率。6、本发明由于通过选择弹簧的刚度、压电振子的几何尺寸、材料机械特性、浮体的几何尺寸、吃水深度等，使得波能采集器的输入和输出系统达到阻抗匹配，因此大大增加了波能采集器捕获大量的波能，提高了波能转换效率。本发明可以广泛应用于各种来波条件下的波力发电装置中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图
图2是图1的俯视图
图3是本发明的接触式压电发电单元局部结构示意图
图4是本发明的非接触式电发电单元局部结构示意图
图5是图4的俯视图
图6是本发明的压电单元中压电振子和划片采用排列方式结构示意图
具体实施方式
本发明是将波能采集器收集到的能量以瞬时荷载方式作用于压电振子上，使压电振子在自然频率下发生振动，进而获得较高的转换效率和输出电能。其输出电流的频率能保持设计值，不受外界振动频率的影响提高，其由于频率提高(如10～120Hz)，因此输出电能更易于被利用。下面结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明包括一波能采集器1和一个或一个以上设置在波能采集器1上的压电发电单元2。下面以一个压电发电单元2为例。
波能采集器1包括一呈U形的支撑浮体3和一浮体4，支撑浮体3的底部通过锚索5固定在海底。在支撑浮体3上固定设置有一与其尺寸相对应的支撑浮体框架6，支撑浮体框架6上固定设置有四个支杆7，其中两个支杆7设置在支撑浮体框架6上的一侧边，另外两个支杆7设置在支撑浮体框架6的另一侧边，且与前述两支杆7相对应设置，构成一个横跨U形支撑浮体3两侧的长方形。四个支杆7的顶部固定连接一采用桁架结构的发电机架8，发电机架8的重量由支撑浮体3支撑，由于发电机架8采用桁架结构，因此可以减轻其作用在支撑浮体3上的重量。在发电机架8上固定设置有一发电机底板9，发电机底板9上固定设置有一圆筒形的发电机围壁10，发电机围壁10顶部固定设置有一发电机顶板11，通过发电机顶板11和发电机底板9可以稳固发电机围壁10。在浮体4上设置有一与其尺寸相对应的浮体框架12，浮体框架12中部刚性连接有与各压电发电单元2对应设置的传动轴13，每个传动轴13依次穿过发电机底板9和发电机顶板11，且发电机底板9和发电机顶板11与各传动轴13的连接处均设置有一密封圈14。在浮体框架12的四个顶角处分别固定设置有一个依次穿过发电机底板9和发电机顶板11四个边角的支柱15(如图2所示)，进而可以保证压电发电单元2沿四个支柱15与波能采集器1发生相对运动。穿过发电机顶板11后，四个支柱15顶部之间通过一连杆16固定连接，以用于确保浮体4的稳定性。
上述实施例中，支撑浮体3将浮体4包裹在其中，且在呈n形的支撑浮体3的开口处通过一刚性连杆17(如图2所示)连接，进而通过反射来波，提高波能采集器1收集波能的效率。
如图1、图3所示，每个压电发电单元2包括布置在发电机底板9与发电机顶板11之间的若干个压电振子18和若干个划片19，各压电振子18均匀设置在发电机围壁10的内壁上，各划片19均匀设置在传动轴13上。其中，各压电振子18包括一中间层20和两压电片21，两压电片21均设置在中间层20上应变较大的根部，且两压电片21分别设置在中间层20的上、下面，并与中间层20采用悬臂梁结构固定设置在发电机围壁10的内壁上。当波能采集器1在波浪作用下上、下振荡过程中，设置在传动轴13上的划片19随波能采集器1的运动过程中，触到压电振子18末端，划片19在波浪力作用下随着波能采集器1继续向上或向下运动，与划片19接触的压电振子18末端随之向上或向下运动，发生变形，产生转角。当压电振子18与划片19接触部位转角达到90°后，划片19与压电振子18末端脱离，继续向上或向下运动，压电振子18则以自然频率发生振动，进而贴在压电片21上下表面的电极随之输出电能。
上述实施例中，每个压电振子18与其纵向相邻的压电振子18之间的间隔为5mm～50cm，压电振子18在发电机围壁10上可布置的最多数目与设定的间隔、发电机围壁10的内径、高度以及波高相关，且沿纵向每排压电振子18可以布置的数目为2～1200个。
上述实施例中，位于发电机围壁10最顶部和最底部的压电振子18与发电机顶板11和底板9之间的距离都要大于压电振子18在划片19作用下产生的最大挠度，并按最大挠度的1.2～2.0倍左右来设置；位于传动轴13最顶部和最底部的划片19分别与发电机顶板11和底板9之间的距离是根据波能采集器1设计最大行程的一半设置。
上述实施例中，为使波能采集器1采集的波能主要传递到压电振子18上，划片19采用长度短、刚度大的材料制成，例如镍、钢和合金钢等材料。压电振子18上的中间层20由两种不同材料连接制成，其中，被压电片21所覆盖的区域采用弹模大、变形大、并使其上压电片能具有足够应变的材料，例如环氧树脂、聚砜、铝合金等材料；其余靠近端部的区域采用刚度大、重量重、且发生变形相对小、并能提高压电振子18振动频率的材料，例如铸造锌合金、铜合金、硅、钢和合金钢等材料，因此，可以使得压电振子18的自然频率为10～120Hz。
上述实施例中，压电发电单元2可以设置在连杆16与发电机架8之间，也可以设置在发电机架8与浮体框架12之间。当压电发电单元2设置在连杆16与发电机架8之间时，在发电机底板9和浮体框架12之间可以设置有弹簧22，弹簧22缠绕在各支柱15上。弹簧22可以缓冲运动到达冲程时的冲击作用，同时提供回复力。
如图4、图5所示，上述实施例中，当划片19与压电振子18的末端相接触的过程中，由于冲击和摩擦作用会产生能量损失，为减小损失，还可以将压电振子18和划片19设置成非接触式磁力压电发电单元。将划片19采用一块磁铁23制成，并在压电振子18端部上表面的两边分别固定另一块磁铁24。随着波能采集器1的运动，传动轴13上由磁铁23制成的划片19与压电振子18上的磁铁24逐渐靠近，利用同名磁极相斥作用会使压电振子18的末端向上发生变形，由于波浪力总是大于磁力，传动结构能够不断继续运动，划片19经过压电振子18上的两磁铁24所形成的凹槽后，在磁力作用下加速向原运动方向运动，压电振子18则由于给定了一个位移和瞬时作用力，发生自由振动，带动压电片21发生应变，产生电能。
上述实施例中，各压电振子18与各划片19可以采用呈层布置方式，即每一层上的压电振子18与划片19位于同一水平面，且个数相同；各压电振子18与各划片19还可以采用排列方式(如图6所示)，即在发电机围壁10上的每列压电振子18相互之间呈螺旋上升的形式进行错动，传动轴13上的划片19保持呈层布置的方式。
综上所述，本发明的波力压电发电装置可以作为发电装置广泛应用于各种海洋平台、海事设备、水下航行器、海上军事、海水淡化、渔业照明及海岛开发等，也可进行大规模的发电，满足电力供应困难沿海地区的生产生活用电需求。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、材料、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种波力压电发电装置，其特征在于：它包括一波能采集器和一个或一个以上设置在所述波能采集器上的压电发电单元；
所述波能采集器包括一呈∪形的支撑浮体和一浮体，所述支撑浮体将所述浮体包裹在其中，所述支撑浮体的开口处通过一刚性连杆连接；所述支撑浮体的底部通过锚索固定在海底，所述支撑浮体上固定设置有一与其尺寸相对应的支撑浮体框架，所述支撑浮体框架上固定设置有四个支杆，所述四个支杆的顶部固定连接一采用桁架结构的发电机架，所述发电机架上通过一发电机底板依次固定设置有一圆筒形的发电机围壁和一发电机顶板；所述浮体上设置有一与其尺寸相对应的浮体框架，所述浮体框架中部刚性连接有与所述压电发电单元对应设置的传动轴，每个所述传动轴依次穿过所述发电机底板和发电机顶板；所述浮体框架上固定设置有四个依次穿过所述发电机底板和发电机顶板的支柱，四个所述支柱顶部之间通过一连杆固定连接；
每个所述压电发电单元包括布置在所述发电机底板与所述发电机顶板之间的若干个压电振子和若干个划片，各所述压电振子均匀设置在所述发电机围壁的内壁上，各所述划片均匀设置在所述传动轴上；各所述压电振子包括一中间层和两压电片，所述两压电片均设置在所述中间层的根部，且所述两压电片分别设置在所述中间层的上、下面，并与所述中间层采用悬臂梁结构固定设置在所述发电机围壁的内壁上。
2.如权利要求1所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：纵向相邻的所述压电振子之间的间隔为5mm～50cm，所述压电振子在所述发电机围壁上布置的最多数目与其设定的间隔、所述发电机围壁的内径、高度以及波高相关，且沿纵向每排所述压电振子布置的数目为2～1200个。
3.如权利要求1所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：位于所述发电机围壁最顶部和最底部的压电振子与所述发电机顶板和底板之间的距离都要大于所述压电振子在所述划片作用下产生的最大挠度的1.2～2.0倍；位于所述传动轴最顶部和最底部的划片分别与所述发电机顶板和底板之间的距离是所述波能采集器设计最大行程的一半。
4.如权利要求2所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：位于所述发电机围壁最顶部和最底部的压电振子与所述发电机顶板和底板之间的距离都要大于所述压电振子在所述划片作用下产生的最大挠度的1.2～2.0倍；位于所述传动轴最顶部和最底部的划片分别与所述发电机顶板和底板之间的距离是所述波能采集器设计最大行程的一半。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：所述划片采用镍、钢或合金钢制成，或采用一块磁铁制成；所述压电振子由两种材料连接制成，其上被所述压电片所覆盖的区域采用环氧树脂、聚砜或铝合金材料，其余靠近端部的区域采用铸造锌合金、铜合金、硅、钢或合金钢材料，所述压电振子的自然频率为10～120Hz；或者在所述压电振子端部的上表面两边分别固定另一块磁铁，与由磁铁制成的所述划片形成非接触式磁力的压电发电单元。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：所述压电发电单元设置在所述连杆与所述发电机架之间，在所述发电机底板和浮体框架之间设置一缠绕在各所述支柱上的弹簧；或所述压电发电单元设置在所述发电机架与所述浮体框架之间。
7.如权利要求5所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：所述压电发电单元设置在所述连杆与所述发电机架之间，在所述发电机底板和浮体框架之间设置一缠绕在所述支柱上的弹簧；或所述压电发电单元设置在所述发电机架与所述浮体框架之间。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：各所述压电振子与各所述划片采用呈层布置方式，每一层上的所述压电振子与所述划片位于同一水平面，且个数相同；或者各所述压电振子与各所述划片采用排列方式，在所述发电机围壁上的每列所述压电振子相互之间呈螺旋上升的形式进行错动，所述传动轴上的划片保持呈层布置的方式。
9.如权利要求5所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：各所述压电振子与各所述划片采用呈层布置方式，每一层上的所述压电振子与所述划片位于同一水平面，且个数相同；或者各所述压电振子与各所述划片采用排列方式，在所述发电机围壁上的每列所述压电振子相互之间呈螺旋上升的形式进行错动，所述传动轴上的划片保持呈层布置的方式。
10.如权利要求6所述的一种波力压电发电装置，其特征在于：各所述压电振子与各所述划片采用呈层布置方式，每一层上的所述压电振子与所述划片位于同一水平面，且个数相同；或者各所述压电振子与各所述划片采用排列方式，在所述发电机围壁上的每列所述压电振子相互之间呈螺旋上升的形式进行错动，所述传动轴上的划片保持呈层布置的方式。
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