CN102185521B - 一种利用海浪发电的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用海浪发电的装置，属于海洋能源结合利用技术领域。该海洋发电装置中，下进给部件的中心轴下端有外螺纹，在外螺纹上依次安装有阻尼板上螺母、阻尼板以及阻尼板下螺母。发电装置中有左右对称、结构完全相同的两组压板部件，进给传感部件为对称结构。装置中还有结构完全相同、对称分布的四组螺纹轴组件、两组压电发电机组件；本发明结构简单，成本低廉，能量转换效率高，采用压电换能结构，通过永磁力间接驱动压电发电机发电，不需增速机构，适用于复杂无规则的波浪环境，能够应用于浅海与远海区域发电。

Description

一种利用海浪发电的装置
技术领域
本发明一种利用海浪发电的装置属于海洋能源装置领域。特别涉及利用压电发电基本原理，通过波浪能-机械能-电能的转化的机电技术领域。
背景技术
海洋能是一种清洁、无污染可再生能源，波浪能作为品质最好、能流密度最高、分布最广的海洋能日益受到关注。合理利用波浪能对微型海洋设备供电如航标灯具有重要意义。当前，航标灯供能方式主要有：太阳能、铝空气原电池、蓄电池、波浪能。太阳能易受天气影响；铝空气原电池(StephanieV.Chasteen，N.Dennis Chasteen，Paul Doherty.The salty science of the aluminum airbattery.the physics teacher.2008，vol.46，pp544-547.)需要更换铝板；蓄电池成本高、需充电；波浪能清洁无污染，是较好的航标灯能量来源。当前，利用波浪能给航标灯供电方式主要有：后弯管式(Kazutaka Toyota，Shuichi Nagata，Yukitaka Imaiet al.Effects of hull shape on primary conversion characteristics of a floating OWC“Backward Bent Duct Buoy”.Journal of Fluid Science andTechnology.2008，vol，3，pp458-465.)、振荡水柱式(Dahai Zhang，Wei Li，YonggangLin.Wave energy in china：current status and perspectives.RenewableEnergy.2009，pp2089-2092.)。二者都利用气体振荡推动汽轮机发电，这样导致整体装置结构复杂，体积巨大，难以小型化。日本利用压电技术研制压电地板为验票机提供能量，日产生能量0.14千瓦时、离日均3.5千瓦时验票机能量还有一段距离。斯坦福研究机构利用压电聚合物收集海洋波浪能，功率可达1.2瓦(Seikichiba，Mikio Waki，Roy Kornbluh.Innovative power generators for energy harvestingusing electroactive polymer artificial muscles.Electroactive polymer actuators anddeveices.2008，vol，6927，692715.)。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺点，发明一种利用海浪发电的装置，将海浪能收集并转换为电能，通过导线接入电缆中，利用外接整流处理电路将压电体产生的电能进行储存，最终为瓦量级海洋设备如航标灯提供长期可靠的电源供给。本发明装置具有转换效率高、结构简单、成本低廉、运行可靠等优点，并且采用压电换能结构，适用于复杂多变的波浪环境，能够应用于浅海与远海区域发电。
本发明采用的技术方案是一种利用海浪发电的装置，其结构如下：
发电装置中有结构相同、对称分布的四组螺纹轴组件，即第一螺纹轴组件I、第二螺纹轴组件II、第三螺纹轴组件III和第四螺纹轴组件IV，每个螺纹轴组件都包括螺纹轴、六个螺母、浮漂体、下端板、支撑板和上端板；在第一螺纹轴组件I中，第一螺纹轴5上依次安装有第一螺纹轴第一螺母6、浮漂体8、下端板11、第一螺纹轴第二螺母12、第一螺纹轴第三螺母13、左支撑板18、第一螺纹轴第四螺母14、第一螺纹轴第五螺母15、上端板16以及第一螺纹轴第六螺母17；第二螺纹轴组件II、第三螺纹轴组件III和第四螺纹轴组件与第一螺纹轴组件I的安装方式相同。
发电装置中有左右对称、结构相同的两组压板部件，即左压板部件、右压板部件；左压板部件中的左支撑板18垂直粘接在左支撑侧板19的左侧面中心，左支撑端板21垂直粘接在左支撑侧板19的右侧面中心处，左金属悬臂梁23和左压板22用两个相同的螺钉20依次安装在左支撑端板21上；右压板部件与左压板部件结构以及装配方式相同。
发电装置内有两组对称安装的压电发电机组件，即左压电发电机组件、右压电发电机组件；左压电发电机组件中，左压电片24利用导电胶粘接在左金属悬臂梁23的上表面，左磁铁25粘接在左金属悬臂梁23的自由端部；连接左压电片24上表面的上导线27与连接左金属悬臂梁23的下导线26一起接入左电缆28中；右压电发电机组件与左压电发电机组件的组成、制作方式以及导线连接方式相同；密封壳10具有一密封壳中心孔h和均匀分布在四角的4个安装孔，通过4组相同的固定螺栓9和固定螺母7安装在浮漂体8上。
下进给部件的中心轴4下端部分有中心轴外螺纹a，在中心轴外螺纹a上依次安装有阻尼板上螺母3、阻尼板2以及阻尼板下螺母1；中心轴4垂直通过浮漂体8的中心孔b、下直线轴承39’的中心孔、主体块30的中心孔以及上直线轴承39的中心孔；中心轴4中部有上凹槽e’和下凹槽e，装在主体块30上下的上挡圈29’和下挡圈29分别装在中心轴4的上凹槽e’、下凹槽e中；浮漂体8具有一中心孔、与中心孔对称分布的浮漂体前凹槽c、浮漂体后凹槽c’、圆周阵列分布在中心孔四周的4个螺纹轴安装孔、以及均匀分布在四角的4个密封壳安装孔；下端板11具有一中心孔、与中心孔对称分布的下端板前孔d、下端板后孔d’和圆周阵列分布在中心孔四周的4个直线轴承安装孔、以及均匀分布在四角的4个螺纹轴安装孔；下直线轴承39’通过四组相同的下螺栓38’、下螺母40’安装在下端板11上；上端板16具有一中心孔、与中心孔对称分布的上端板前孔g、上端板后孔g’和圆周阵列分布在中心孔四周的直线轴承安装孔、以及均匀分布在四角的4个螺纹轴安装孔；上直线轴承39通过四组相同的上螺栓38、上螺母40安装在上端板16上；
进给传感部件为对称结构，在进给传感部件中，进给前侧板34、进给后侧板34’垂直粘接在带有中心孔的主体块30前侧面、后侧面的中心位置，左上磁铁31、左中磁铁32、左下磁铁33垂直阵列粘接在主体块30的左侧面，主体块30右侧面与左侧面的磁铁分布相同；前光轴35垂直通过上端板前孔g、前上压缩弹簧36、进给前侧板孔f、前下压缩弹簧37、下端板前孔d，插入浮漂体前凹槽c；后光轴35’垂直通过上端板后孔g’、后上压缩弹簧36’、进给后侧板孔f’、后下压缩弹簧37’、下端板后孔d’，插入浮漂体后凹槽c’中。
本发明的有益效果是该装置中下进给部件的阻尼板与浮漂体在随海浪起伏过程中有明显的相对运动；进给传感部件主体块上的磁铁非接触式往复冲击左压板部件、右压板部件上粘接有磁铁的金属悬臂梁，金属悬臂梁被迫振动；压电片在伴随金属悬臂梁振动过程中因产生较大机械应变有电荷输出，利用外接整流处理电路将压电体产生的电能储存，最终为瓦量级海洋设备如航标灯提供长期可靠的电源供给；下进给部件与四组压缩弹簧联结，在间断性无海浪的情况下因弹性形变仍能够维持海浪发电装置持续发电一段时间；本发明采用压电换能结构，装置运行可靠，不需增速机构，利用永磁力非接触间接驱动压电发电机组件，提高发电效率，适用于复杂多变的波浪环境，能够应用于浅海与远海区域发电。
附图说明
附图1是波浪发电装置结构的俯视图。
附图2是波浪发电装置结构的A-A剖图。
附图3是波浪发电装置结构的B-B剖图。
附图4是波浪发电装置结构的三维视图。
图中：I第一螺纹轴组件，II第二螺纹轴组件，III第三螺纹轴组件，IV第四螺纹轴组件；
1阻尼板下螺母，2阻尼板，3阻尼板上螺母，4中心轴，5第一螺纹轴，5’第二螺纹轴，5”第三螺纹轴，5”’第四螺纹轴，6第一螺纹轴第一螺母，7固定螺母，8浮漂体，9固定螺栓，10密封壳，11下端板，12第一螺纹轴第二螺母，13第一螺纹轴第三螺母，14第一螺纹轴第四螺母，15第一螺纹轴第五螺母，16上端板，17第一螺纹轴第六螺母，18左支撑板，18’右支撑板，19左支撑侧板，20螺钉，21左支撑端板，22左压板，23左金属悬臂梁，24左压电片，25左磁铁，25’右磁铁，26下导线，27上导线，28左电缆，28’右电缆，29下挡圈，29’上挡圈，30主体块，31左下磁铁，32左中磁铁，33左上磁铁，34进给前侧板，34’进给后侧板，35前光轴，35’后光轴，36前上压缩弹簧，36’后上压缩弹簧，37前下压缩弹簧，37’后下压缩弹簧，38上螺栓，38’下螺栓，39上直线轴承，39’下直线轴承，40上螺母，40’下螺母；
a中心轴外螺纹，b浮漂体中心孔，c浮漂体前凹槽，c’浮漂体后凹槽，d下端板前孔，d’下端板后孔，e中心轴下凹槽，e’中心轴上凹槽，f进给前侧板孔，f’进给后侧板孔，g上端板前孔，g’上端板后孔，h密封壳中心孔。
具体实施方式
发电装置的工作原理为：发电装置将海浪的复杂多变的运动吸收转换为下进给部件与浮漂体的相对直线往复运动，进给传感部件上的磁铁伴随下进给部件往复直线运动，运动过程中非接触式往复冲击左压板部件、右压板部件上粘接有磁铁的金属悬臂梁，金属悬臂梁被迫振动；压电片在伴随金属悬臂梁振动过程中因产生较大机械应变有电荷输出，通过导线接入电缆中，利用外接整流处理电路将压电体产生的电能储存，最终为瓦量级海洋设备如航标灯供电；进给传感部件与四组压缩弹簧联结，在间断性无海浪的情况下因弹性形变储存海浪势能仍能够维持海浪发电装置持续发电一段时间。
进给传感部件以及左压板部件、右压板部件都是采用粘接工艺将其各零件进行粘接组装而成；利用两挡圈将进给传感部件的主体块固定在中心轴的上凹槽与下凹槽之间；四组压缩弹簧对进给传感部件进行定位支撑，实现下进给部件与浮漂体间的联结。
在进给传感部件的主体块30左侧面、右侧面沿垂直中心线方向阵列粘接了三块相同的永磁铁，永磁铁极性排列相同，通过磁体间作用力非接触式给压电发电机组件提供驱动力，使金属悬臂梁自由振动；
压电发电机组件中，利用导电胶在金属悬臂梁的上表面粘接一压电片，压电片材料机电耦合效应表现为d31方向，并装夹在左、右部件上；在发电装置中，利用导线对压电发电机组件进行联结后接入电缆中，见附图2；在上端板、下端板上分别安装直线轴承做为中心轴4的导套，相比中心轴与轴套联结具有摩擦力小的特点。
将海浪发电装置调整好并放入海中，当海浪向上起伏时，漂浮在海面上的浮漂体8伴随着海浪起伏向上运动；伸入水下位置的阻尼板2由于受海浪阻力较大，阻碍下进给部件向上运动，其运动速度比浮漂体要小；此时安装在下进给部件中心轴4上的进给传感部件相对左压板部件、右压板部件向下运动，并压缩前下压缩弹簧37和后下压缩弹簧37’；进给传感部件中主体块30左侧面、右侧面阵列的磁铁相对向下运动，通过永磁力非接触作用于左压电发电机组件、右压电发电机组件中的金属悬臂梁自由端部的左磁铁、右磁铁，两组压电发电机组件被迫振动，压电片在伴随金属悬臂梁振动过程中因产生较大机械应变，压电片上下表面将积聚大量的剩余自由电荷形成电势场，利用导线将压电片产生的电能输出到左电缆28、右电缆28’中，利用外接整流处理电路将压电体产生的电能储存，最终为瓦量级海洋设备如航标灯供电。
当海浪跌落时，浮漂体8伴随海浪向下运动，伸入海面下的阻尼板2由于受海浪阻力较大，阻碍下进给部件向下运动，其运动速度比浮漂体要小；此时安装在下进给部件中心轴4上的进给传感部件相对左压板部件、右压板部件向上运动，并压缩前上压缩弹簧36、后上压缩弹簧36’，前下压缩弹簧37和后下压缩弹簧37’恢复弹性形变，进给传感部件中主体块30左侧面、右侧面阵列的磁铁相对向上运动、通过永磁力非接触作用于左压电发电机组件、右压电发电机组件中金属悬臂梁自由端部的左磁铁、右磁铁，两组压电发电机组件自由振动，压电片在伴随金属悬臂梁振动过程中因产生较大机械应变，压电片上下表面将积聚大量的剩余自由电荷形成电势场，利用导线将压电片产生的电能输出到左电缆28和右电缆28’中，利用外接整流处理电路将压电体产生的电能储存，最终为瓦量级海洋设备如航标灯供电。
因此，只要海浪持续产生，海浪发电装置就能持续工作发电，利用外接导线将压电发电机组件产生的电能输出，实现对微型海洋设备供电；在间断性无海浪的情况下因四组压缩弹簧弹性形变储存海浪势能仍能够维持海浪发电装置持续发电一段时间。为了提高发电装置的电源功率，可以在左、右支撑侧板上阵列粘接4-6块相同的支撑端板，这样可以放置更多的压电发电机组件；与电池的串联和并联想同，多个压电发电机组件的电极也可以根据外部功耗器件的需求进行串并联。

Claims (1)

1.一种利用海浪发电的装置，其特征在于如下结构：
发电装置中有结构相同、对称分布的四组螺纹轴组件，即第一螺纹轴组件(Ⅰ)、第二螺纹轴组件(Ⅱ)、第三螺纹轴组件(Ⅲ)和第四螺纹轴组件(Ⅳ)，每个螺纹轴组件都包括螺纹轴、六个螺母、浮漂体、下端板、支撑板和上端板；在第一螺纹轴组件(Ⅰ)中，第一螺纹轴(5)上依次安装有第一螺纹轴第一螺母(6)、浮漂体(8)、下端板(11)、第一螺纹轴第二螺母(12)、第一螺纹轴第三螺母(13)、左支撑板(18)、第一螺纹轴第四螺母(14)、第一螺纹轴第五螺母(15)、上端板(16)以及第一螺纹轴第六螺母(17)；第二螺纹轴组件(Ⅱ)、第三螺纹轴组件(Ⅲ)和第四螺纹轴组件与第一螺纹轴组件(Ⅰ)的安装方式相同；
发电装置中有左右对称、结构相同的两组压板部件，即左压板部件和右压板部件；左压板部件中的左支撑板(18)垂直粘接在左支撑侧板(19)的左侧面中心、左支撑端板(21)垂直粘接在左支撑侧板(19)的右侧面中心处、左金属悬臂梁(23)和左压板(22)用两个相同的螺钉(20)依次安装在左支撑端板(21)上；右压板部件与左压板部件结构、装配方式相同；
发电装置内有两组对称安装的压电发电机组件，即左压电发电机组件、右压电发电机组件；左压电发电机组件中，左压电片(24)利用导电胶粘接在左金属悬臂梁(23)的上表面，左磁铁(25)粘接在左金属悬臂梁(23)的自由端部；连接左压电片(24)上表面的上导线(27)与连接左金属悬臂梁(23)的下导线(26)一起接入左电缆(28)中；右压电发电机组件与左压电发电机组件的组成、制作方式以及导线连接方式相同；密封壳(10)具有一密封壳中心孔h和均匀分布在四角的4个安装孔，通过4组相同的固定螺栓(9)和固定螺母(7)安装在浮漂体(8)上；
下进给部件的中心轴(4)下端部分有中心轴外螺纹(a)，在中心轴外螺纹(a)上依次安装有阻尼板上螺母(3)、阻尼板(2)以及阻尼板下螺母(1)；中心轴(4)垂直通过浮漂体(8)的中心孔(b)、下直线轴承(39’)的中心孔、主体块(30)的中心孔以及上直线轴承(39)的中心孔，中心轴(4)中部有上凹槽(e’)、下凹槽 (e)，装在主体块(30)上下的上挡圈(29’)和下挡圈(29)分别装在中心轴(4)的上凹槽(e’)、下凹槽(e)中；浮漂体(8)具有一中心孔、与浮漂体(8)的中心孔对称分布的浮漂体前凹槽(c)、浮漂体后凹槽(c’)、圆周阵列分布在中心孔四周的4个螺纹轴安装孔、以及均匀分布在四角的4个密封壳安装孔；下端板(11)具有一中心孔、与下端板(11)的中心孔对称分布的下端板前孔(d)、下端板后孔(d’)、圆周阵列分布在中心孔四周的4个直线轴承安装孔、以及均匀分布在四角的4个螺纹轴安装孔；下直线轴承(39’)通过四组相同的下螺栓(38’)、下螺母(40’)安装在下端板(11)上；上端板(16)具有一中心孔、与上端板(16)的中心孔对称分布的上端板前孔(g)、上端板后孔(g’)、圆周阵列分布在中心孔四周的直线轴承安装孔、以及均匀分布在四角的4个螺纹轴安装孔；上直线轴承(39)通过四组相同的上螺栓(38)、上螺母(40)安装在上端板(16)上；
进给传感部件为对称结构，在进给传感部件中，进给前侧板(34)、进给后侧板(34’)垂直粘接在带有中心孔的主体块(30)前侧面、后侧面的中心位置，左上磁铁(31)、左中磁铁(32)、左下磁铁(33)垂直阵列粘接在主体块(30)的左侧面，主体块(30)右侧面与左侧面的磁铁分布相同；前光轴(35)垂直通过上端板前孔(g)、前上压缩弹簧(36)、进给前侧板孔(f)、前下压缩弹簧(37)、下端板前孔(d)，插入浮漂体前凹槽；后光轴(35’)垂直通过上端板后孔(g’)、后上压缩弹簧(36’)、进给后侧板孔(f’)、后下压缩弹簧(37’)、下端板后孔(d’)， 插入浮漂体后凹槽(c’)中。
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