CN104079207B - 一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置及方法。所述压电发电装置包括支座、装夹结构、粘有压电材料的复合压电双稳态板、支臂、配重质量块和浮子，所述支座上固定有支架和底座，装夹结构的一端固定在支架上，另一端为自由端，复合材料双稳态板装夹在装夹结构的固定端和自由端上，支臂的中部与底座绞接，支臂的一端系有浮子，一端与装夹结构的自由端相抵，配重质量块安装在装夹结构的自由端。本发明实现了将垂直方向波浪能转化为电能的功能，具有实施结构简单的特点，使用方便，实用性强，可为小型低功耗负载提供电能。

Description

一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置及方法

技术领域

本发明属于可再生能源发电技术领域，涉及一种能量收集装置及方法，特别涉及一种采用压电的方式对垂直方向波浪能进行收集的装置及方法。

背景技术

波浪能是地球上普遍存在的一种可再生能源，科学地开发和利用对缓解能源危机和环境污染问题具有重要意义。目前世界上已经研究开发了多种波浪能技术，绝大多数通过能量转换系统来实现对波浪能的收集。CN102705147A公开了一种包括导流装置、叶轮装置、推力轴承、能量转换输出单元、浮箱装置和锚固装置的波浪能转换装置。CN102562424A公开了一种波浪能捕获装置。上述的收集方式效率虽高，但结构复杂，可捕获高频高幅的波浪能，但对于低频低幅的波浪能效果并不理想。压电材料是一种在外力作用下可以产生电荷的功能材料，能实现机械能到电能的转换，在能量收集领域有着广泛的应用。CN103354434A公开了一种双稳压电悬臂梁振动能量。CN103647475A提供了一种宽频压电振动能量收集装置。CN101951188A公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置。CN103003568A中发明了一种用于从车辆经过回收能量的压电机械装置。对于悬臂梁式的压电发电装置中存在普遍的是应变分布不均，使得不能充分发挥压电材料的潜能，发电效率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置及方法，可以通过压电元件将波浪能转换为电能，向低功耗系统供电。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，包括支座、装夹结构、粘有压电材料的复合压电双稳态板、支臂、配重质量块和浮子，所述支座上固定有支架和底座，装夹结构的一端固定在支架上，另一端为自由端，可以上下摆动，复合压电双稳态板装夹在装夹结构的固定端和自由端上，支臂的中部与底座绞接，支臂的一端系有浮子，一端与装夹结构的自由端相抵，通过支臂将装有复合压电双稳态板的装夹结构与水中的浮子相连，配重质量块安装在装夹结构的自由端。

一种捕获垂直方向波浪能的压电发电方法，其步骤如下：在装夹结构的自由端处设置配重质量块，使得复合压电双稳态板的初始状态为向下弯曲，调整浮子使其随着波浪在垂直方向上下运动，带动支臂摆动，从而带动复合压电双稳态板往复变形，进而使得压电材料产生形变后产生电能。

本发明中，所采用的装夹结构，可简单可靠地固定复合压电双稳态板，一端固定在支架上，另一端可自由摆动，可使复合压电双稳态板同时往复变形，并始终保持相同的形状。

本发明中，所采用的支臂为矩形截面或圆形截面杆，其主要作用原理为杠杆原理，因此可通过调整支点两端力臂的长度来控制其摆动。

本发明中，所采用的浮子为可调整浮子，可根据波浪的大小进行重量的调整。

本发明中，所述的复合压电双稳态板为对称双稳态圆弧板，两种稳态的形状是具有相同曲率的圆弧形，可通过较低的外载荷在两种稳态间来回跳变。由于双稳态板成圆弧形，因此每块压电材料的应变是相同的，因此可以通过外载荷驱动，使压电材料随着双稳态板的跳变而产生形变，从而最大限度地利用压电材料的发电潜能，提高发电效率。为获得压电材料的极应变极限从而获得最大的能量转化，可以通过铺层和尺寸调节控制双稳态板的曲率和尺寸。

本发明中，所述的压电材料可在制备双稳态板时通过一起固化的方式进行粘结，也可待双稳态固化后粘结。为了增大发电效率，上下表面都可以粘贴压电材料，其在上下表面的数量相同、位置相对，所有压电材料利用导线串联，且发电效率可以通过调节压电材料的面积控制。

本发明中，所述的压电材料可以为压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜。只要是具有压电常数及高机电耦合系数和介电常数的压电材料均可用于制备本发明的复合压电双稳态板。

本发明中，所述的复合压电双稳态板中的增强体若为碳纤维，由于碳纤维导电，因此整个双稳态板可以作为电极，若为玻璃纤维，则需增设电极。

本发明中，所述的复合压电双稳态板的个数至少为一个，可以通过需求变化，当复合压电双稳态板为多个时，将其等间距装夹在装夹结构上。

本发明实现了将垂直方向波浪能转化为电能的功能，具有实施结构简单的特点，使用方便，实用性强，可为小型低功耗负载提供电能。

附图说明

图1为本发明压电发电装置的三维结构示意图；

图2为本发明压电发电装置的工作的示意简图；

图3为本发明中复合压电双稳态板两种形状示意图；

图4为本发明中复合压电双稳态板压电陶排布示意图；

图5为双稳态壳体铺层方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1-2所示，本发明提供了一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，包括支架1、装夹结构2、粘有压电材料7的复合压电双稳态板3、支臂4、浮子6、支座8、底座9。支座8上固定有支架1和底座9，将装夹结构2的一端固定在支架1上，将复合压电双稳态板3等间距平行装夹在装夹结构2的固定端和自由端上，在装夹结构2自由端安装一个配重质量块5，使复合压电双稳态板3初始状态为向下弯曲。支臂4作为杠杆，中部与底座9连接，一端系有浮子6，一端与装夹结构2的自由端相抵，通过支臂4将装有复合压电双稳态板3的装夹结构2与水中的浮子6相连。调整浮子6使其随着波浪在垂直方向上下运动。当浮子6处于波谷时，使得支臂4在浮子6端向下运动，复合压电双稳态板3端向上运动，从而带动复合压电双稳态板3向上运动，而当浮子6处于波峰时，支臂4在复合压电双稳态板3端向下运动，由于配重质量块5的作用使得复合压电双稳态板3回到向下弯曲的初始状态，如此往复运动。通过复合压电双稳态板3在两种稳态间的上下摆动带动压电材料7的变形，将机械能转换为电能，最终实现将波浪能转换为电能。

本实施方式中采用压电陶瓷片作为压电材料7，将7片压电陶瓷片对称粘贴在复合压电双稳态板3的中间，如图3所示，同样在复合压电双稳态板3的反面的相同位置粘贴相同数目的压电陶瓷片，利用导线将所有压电陶瓷片串联起来，直接利用复合压电双稳态板3作为一个电极。本例中所述的复合压电双稳态板3的数量为5。

具体实施方式二：本实施方式中提供了一种复合压电双稳态板，固化前为平板矩形，固化后为圆弧形，固化后具有两种形状的稳态，如图3所示，上方为第一种稳态，下方为第二种稳态。本实施方式中所述的复合压电双稳态板采用复合材料与金属混杂铺层，在复合材料固化温度下固化，冷却后由于残余热应力可形成圆弧形双稳态效果。

所述的铺层由复合材料对称铺层和金属复合材料混杂铺层组成，复合材料对称铺层的两侧为尺寸对称的金属复合材料混杂铺层。

所述的复合材料对称铺层为90°和0°复合材料对称铺层，其中90°复合材料层在外侧，0°复合材料层在90°复合材料层中间，具体铺层厚度可由所需的曲率进行改变。

所述的金属复合材料混杂铺层依次由90°复合材料层、金属层、90°复合材料层组成。

所述的0°复合材料层的总厚度与金属层的厚度相同，同时两种铺层中90°层厚度相同。

所述的金属复合材料混杂铺层和复合材料对称铺层的尺寸可调来获得理想的曲率。

所述的复合材料为碳纤维树脂复合材料或玻璃纤维树脂复合材料。

所述的金属为铝或铝合金等轻金属。

具体实施方式三：本实施方式中复合压电双稳态板的具体铺层方式如图5所示，图的上方为铺层俯视图，下方为不同区域铺层的剖面图。铺层分为两个区域，I区域为纤维复合材料对称铺层，其中90°纤维复合材料层10在外侧，而0°纤维复合材料层11在中间，如[90₂/0₂/90₂]；II区域为金属纤维混杂区域，同样90°纤维复合材料层10在外侧，金属Al层12在中间，如[90₂/Al/90₂]。需要注意的是，为保持厚度一致，I区域中0°纤维复合材料铺层的厚度应与II区域金属Al的厚度相同，而90°纤维复合材料层在两个区域外层对称铺层。而为了保证对称性从而保证可获得相同的两种稳态形状，纤维对称铺层I区域两侧的金属纤维混杂区域II的尺寸是相同对称的。

Claims (8)

1.一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述压电发电装置包括支座、装夹结构、粘有压电材料的复合压电双稳态板、支臂、配重质量块和浮子，所述支座上固定有支架和底座，装夹结构的一端固定在支架上，另一端为自由端，复合压电双稳态板装夹在装夹结构的固定端和自由端上，支臂的中部与底座绞接，支臂的一端系有浮子，一端与装夹结构的自由端相抵，配重质量块安装在装夹结构的自由端，所述复合压电双稳态板为对称双稳态圆弧板，采用复合材料与金属混杂铺层，所述铺层由复合材料对称铺层和金属复合材料混杂铺层组成，复合材料对称铺层的两侧为尺寸对称的金属复合材料混杂铺层。

2.根据权利要求1所述的捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述复合材料对称铺层为90°复合材料和0°复合材料对称铺层，其中90°复合材料层在外侧，0°复合材料层在90°复合材料层中间；所述金属复合材料混杂铺层依次由90°复合材料层、金属层、90°复合材料层组成。

3.根据权利要求1所述的捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述复合材料为碳纤维树脂复合材料或玻璃纤维树脂复合材料。

4.根据权利要求1所述的捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述复合压电双稳态板的上下表面在相同位置对称粘贴数量相同的压电材料。

5.根据权利要求1所述的捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述压电材料在制备复合压电双稳态板时通过一起固化的方式进行粘结，或待复合压电双稳态板固化后粘结。

6.根据权利要求1、3或4所述的捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述压电材料为压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜。

7.根据权利要求1所述的捕获垂直方向波浪能的压电发电装置，其特征在于所述支臂为矩形截面或圆形截面杆。

8.一种利用权利要求1所述装置捕获垂直方向波浪能的压电发电方法，其特征在于所述方法步骤如下：

调整浮子使其随着波浪在垂直方向上下运动，带动支臂摆动，从而带动复合压电双稳态板往复变形，进而使得压电材料产生形变后产生电能。