CN105041558A - 一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，包括自动调向波浪能采集机构、气压储能机构、气驱压电发电机构以及用于传递气驱压电发电机构的电能的多自由度电刷机构；自动调向波浪能采集机构包括振荡水柱式波浪能采集器、调向尾翼以及对振荡水柱式波浪能采集器进行安装定位的定位部；所述气压储能机构包括压力蓄能器，振荡水柱气室通过进气管道与压力蓄能器连通；所述气驱压电发电机构包括压电片以及用于对压电片进行挤压的挤压驱动部。本发明能够提供持续、长久的电能，解决了海洋中小型电器设备的无线供能问题。

Description

一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及可持续发电领域，尤其涉及一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置。

背景技术

随着信息时代的发展，海洋中的灯塔、无线传感设备以及其它小功率电器设备成为信息传递和转换中不可缺少的一部分，而这些设备的运转离不开持续、长久的电能供应，传统的电池例如化学电池等因使用寿命有限而难以满足无线传感网络多点布置，特别是广阔海平面环境及国防安全监控需求。开发长期稳定供能方式成为该领域亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种可以采集不同方向的波浪能以解决海洋中小型电器设备无线供能问题的基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，包括自动调向波浪能采集机构、气压储能机构、气驱压电发电机构以及用于传递气驱压电发电机构的电能的多自由度电刷机构；所述自动调向波浪能采集机构包括振荡水柱式波浪能采集器、调向尾翼以及对振荡水柱式波浪能采集器进行安装定位的定位部，所述振荡水柱式波浪能采集器包括波浪能采集部及与所述定位部相连的连接部，连接部设置在波浪能采集部的背面，且连接部的背面与调向尾翼相连，所述波浪能采集部包括振荡水柱气室；所述气压储能机构包括压力蓄能器，振荡水柱气室通过进气管道与压力蓄能器连通；所述气驱压电发电机构包括压电片以及用于对压电片进行挤压的挤压驱动部。

所述波浪能采集部还包括波浪能进出口，波浪能进出口与振荡水柱气室相连通，振荡水柱气室的顶端开设有吸气口和排气口，吸气口上安装有进气单向阀，排气口上安装有双作用阀，所述双作用阀包括安全阀和排气单向阀，排气单向阀与上述进气管道相连通。

所述连接部包括固连在振荡水柱气室背面的转柱，所述定位部包括立柱，立柱的上部穿入转柱的内部，立柱的下部与水泥块固连，立柱的上部与转柱之间设置有套筒，所述转柱的底端设置有挡板，套筒与挡板固连。

所述气驱压电发电机构设置在压力蓄能器的顶端，所述挤压驱动部包括两个背对设置的气缸，各气缸的外围均设置有外部供气管路，外部供气管路与上述出气管道连通，各外部供气管路上均设置有换向阀，各气缸的内部均设置有内部管路、阀控制管路和活塞，两个气缸的两个活塞通过一根驱动轴相连，上述压电片有两组，其中一组安装在驱动轴的一端、另外一组安装在驱动轴的另一端。

所述多自由度电刷机构设置在转柱的顶端，多自由度电刷机构包括两根相互平行的定位杆，两根定位杆的相向内侧均开设有滑槽，两根定位杆之间设置有可沿滑槽上下移动的T型连杆，T型连杆的下部套置有电刷芯和电刷外壳，电刷芯安装在上述立柱的顶端，电刷芯外侧设置有两个滑环，滑环和电刷芯均套置在上述电刷外壳内，电刷外壳的一侧设置有两个碳刷，碳刷外侧设置有碳刷盖。

各压电片的截面均呈圆形，两组压电片分别固定在由四个等弧度的绝缘固定壳和两个等弧度的电极组成的圆柱筒内，两个电极分别位于圆柱筒的顶端和底端，四个绝缘固定壳分别以圆柱筒的中心线为对称轴两两对称，两个电极分别与电缆相连并将产生的电能传递至电缆。

各所述绝缘固定壳上均开设有用于安装压电片的圆弧形槽，绝缘固定壳和电极组成的圆柱筒的外侧还套有一个钢管套筒。

所述吸气口有两个。

所述压力蓄能器的外轮廓呈椭球状，压力蓄能器兼做基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置的浮体。

所述调向尾翼包括摆杆，摆杆的一端与转柱相连、另一端设置有摆片。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明中的调向尾翼以及波浪能采集部与定位部之间的连接关系，使振荡水柱气室的开口方向迎着波浪方向，以保证波浪流入气室，因此可以采集不同方向的波浪能。

2、本发明中的蓄能器既能储存压缩空气能量，为气压发电装置提供持续稳定的动力源，还能为整个发电装置提供浮力，使发电装置浮于海洋表面。

3、本发明可以收集波浪能，并将波浪能转化为空气气柱的气压能，利用气压能驱动压电片变形产生电能，将本发明应用到海洋中，可以提供持续、长久的电能，从而解决海洋中小型电器设备的无线供能问题。

附图说明

图1为本发明的斜轴测图。

图2为本发明中波浪能采集部的轴测图。

图3为本发明中波浪能采集部与定位部的装配剖面图。

图4为本发明中气驱压电发电机构活塞往复运动控制原理示意图。

图5为本发明中气驱压电发电机构的结构示意图。

图6为图5的A-A向剖示图。

图7为本发明中压电片、绝缘固定壳、电极以及钢管套筒的装配后的左视图。

图8为图7的B-B向剖视图。

图9为本发明中多自由度电刷装置的轴测图。

其中，

1、振荡水柱式波浪能采集器101、波浪能进出口102、前墙103、右侧板104、斜板105、顶板106、吸气口107、排气口108、转柱2、进气单向阀3、双作用阀4、多自由度电刷机构4001、滑槽4002、T型连杆4003、电刷外壳4004、碳刷4005、碳刷盖4006、滑环4007、电刷芯4008、定位杆5、气驱压电发电机构5001、钢管套筒5002、电极5003、阀控制管路5004、外部供气管路5005、换向阀5006、活塞5007、第二出气口5008、驱动轴5009、压电片5010、绝缘层5011、外部供气管路入口5012、第一出气口2013、内部管路5014、上部先导阀撞针5015、下部先导阀撞针5016、绝缘固定壳6、压力蓄能器7、调向尾翼701、摆杆702、摆片8、定位部8001、水泥块8002、立柱8003、挡板8004、套筒9、进气管道10、出气管道

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图3所示，一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，包括自动调向波浪能采集机构、气压储能机构、气驱压电发电机构5以及用于传递气驱压电发电机构5的电能的多自由度电刷机构4；所述自动调向波浪能采集机构包括振荡水柱式波浪能采集器1、调向尾翼7以及对振荡水柱式波浪能采集器1进行安装定位的定位部，所述振荡水柱式波浪能采集器1包括波浪能采集部及与所述定位部8相连的连接部，连接部设置在波浪能采集部的背面，且连接部的背面与调向尾翼7相连，所述波浪能采集部包括振荡水柱气室和波浪能进出口101，波浪能进出口与振荡水柱气室相连通，所述振荡水柱气室包括前墙102、后墙、左侧板、右侧板103、底板以及顶板105，前墙102通过斜板104与顶板105相连，所述前墙102与底板之间配合形成上述波浪能进出口101，所述顶板105上开设有吸气口106和排气口107，吸气口106有两个，各吸气口106上均安装有进气单向阀2，排气口107上安装有双作用阀3，所述双作用阀3包括安全阀和排气单向阀，排气口107与上述进气管道9相连通；所述连接部包括固连在振荡水柱气室背面的转柱108，所述定位部8包括立柱8002，立柱8002的上部穿入转柱108的内部，立柱8002的下部与水泥块8001固连，立柱8002的上部与转柱108之间设置有具有减小摩擦的套筒8004，所述转柱108的底端设置有挡板8003，套筒8004与挡板8003相连，套筒8004与振荡水柱气室一起上下浮动及转动。所述调向尾翼7包括摆杆701，摆杆701的一端与转柱108相连、另一端设置有摆片702，摆杆701的长度和摆片702的面积大小必须能够保证带动气室的旋转；所述气压储能机构包括压力蓄能器6，所述压力蓄能器6的外轮廓呈椭球状，压力蓄能器6兼做基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置的浮体，振荡水柱气室通过进气管道9与压力蓄能器6连通。实际使用过程中，波浪由波浪能进出口101进入振荡水柱气室，流过前墙102的波浪在气室内部形成上下振荡的水柱，使气室内的气压发生变化，在排气时，气体经排气口107进入压力蓄能器6，在吸气时，外界气体经安装在吸气口106处的进气单向阀2进入气室；调向尾翼7在波浪的推动下，带动振荡水柱气室绕立柱8002旋转，使振荡水柱气室的入口调整为正对波浪的方向，以便于海水涌入振荡水柱气室，海水涌入振荡水柱气室并在其内往复振动进而驱动气室内部空气流动，在气压低时，进气单向阀2打开，振荡水柱气室吸气，在气压高时双作用阀中的排气单向阀3打开，高压气体经进气管道9进入压力蓄能器6，当压力蓄能器6内的气压达到设定值时，双作用阀3中的安全阀打开，实现保护功能。

如图1、图4至图8所示，所述气驱压电发电机构5设置在压力蓄能器6的顶端，气驱压电发电机构5包括压电片5009以及用于对压电片5009进行挤压的挤压驱动部，各压电片5009的截面均呈圆形，两组压电片5009分别固定在由四个等弧度的绝缘固定壳5016和两个等弧度的电极5002组成的圆柱筒内，两个电极5002分别位于圆柱筒的顶端和底端，也就是说，两个电极5002中的一个仅接触压电片5009的同一侧面、另一个电极接触压电片5009的另一侧面，四个绝缘固定壳5016分别以圆柱筒的中心线为对称轴两两对称，两个电极5002分别与电缆相连并将产生的电能传递至电缆；各所述绝缘固定壳5016上均开设有用于安装压电片5009的圆弧形槽，绝缘固定壳5016和电极5002组成的圆柱筒的外侧还套有一个钢管套筒5001，钢管套筒5001的作用是限制绝缘固定壳5016和电极5002，以保证将压电片5009固定；所述挤压驱动部包括两个背对设置的气缸，各气缸的外围均设置有外部供气管路5004，外部供气管路5004与上述出气管道10连通，各外部供气管路5004上均设置有换向阀5005，各气缸的内部均设置有内部管路、阀控制管路5003和活塞5006，两个气缸的两个活塞5006通过一根驱动轴5008相连，上述压电片5009有两组，其中一组安装在驱动轴5008的一端、另外一组安装在驱动轴5008的另一端，压电片5009与驱动轴5008之间设置有绝缘层5010。所述气驱压电发电机构5的工作原理为：如图4所示，驱动气体由外部供气管路入口5011进入，开始时，换向阀5005在驱动气体的推动下首先位于左位，驱动气体经内部管路5013进入驱动有杆腔，推动活塞5006向上运动，同时，无杆腔内的气体经换向阀5005由第一出气口5012排入大气；当活塞5006运动到气缸上端时，触碰到上部先导阀撞针5013，使得换向阀5005的截面积大的一端升压，换向阀5005换向至右位，此时，气源经换向阀5005进入无杆腔，推动活塞5006向下运动；同时，有杆腔内的气体经内部管路5013及换向阀5005由第一出气口5012排入大气；当活塞5006运行到气缸下端时，碰触到下部先导阀撞针5015，使换向阀5005内的气体由第二出气口5007排入大气，换向阀5005截面积大的一端失压，换向阀5005再次切换至左位，实现活塞5006的往复移动；在上述工作原理的描述中，为描述方便，把活塞所在的腔室分成了有杆腔和无杆腔，而实际上，气驱压电发电机构5的两个气缸的两个活塞5006由同一根驱动轴相连，描述上就不能称之为有杆腔和无杆腔，但原理是相同的，即气压由换向阀5005的入口进图，经外部供气管路5004、阀控制管路5003以及内部管路进入气缸，气压推动活塞5006将能量通过连接在活塞5006上的驱动轴5008驱动压电片5009变形，产生电能，并由电极5002传送到电缆。

如图1及图9所示，所述多自由度电刷机构4设置在转柱108的顶端，二自由度电刷机构4包括两根相互平行的定位杆4008，两根定位杆4008的相向内侧均开设有滑槽4001，两根定位杆4008之间设置有可沿滑槽4001上下移动的T型连杆4002，T型连杆4002的下部套置有电刷芯4007和电刷外壳4003，电刷芯4007安装在上述立柱8002的顶端，电刷芯4007外侧设有两个滑环4006，滑环4006和电刷芯4007均套置在上述电刷外壳4003内，电刷外壳4003的一侧设置有两个碳刷4004，碳刷4004外侧设置有碳刷盖4005。所述多自由度电刷机构4用于将电能传递至立柱8002，滑槽4001和T型连杆4002可以保证在振荡水柱气室旋转和上下移动时仍能带动电刷芯4007相对于电刷外壳4003旋转。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：包括自动调向波浪能采集机构、气压储能机构、气驱压电发电机构以及用于传递气驱压电发电机构的电能的多自由度电刷机构；所述自动调向波浪能采集机构包括振荡水柱式波浪能采集器、调向尾翼以及对振荡水柱式波浪能采集器进行安装定位的定位部，所述振荡水柱式波浪能采集器包括波浪能采集部及与所述定位部相连的连接部，连接部设置在波浪能采集部的背面，且连接部的背面与调向尾翼相连，所述波浪能采集部包括振荡水柱气室；所述气压储能机构包括压力蓄能器，振荡水柱气室通过进气管道与压力蓄能器连通；所述气驱压电发电机构包括压电片以及用于对压电片进行挤压的挤压驱动部。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述波浪能采集部还包括波浪能进出口，波浪能进出口与振荡水柱气室相连通，振荡水柱气室的顶端开设有吸气口和排气口，吸气口上安装有进气单向阀，排气口上安装有双作用阀，所述双作用阀包括安全阀和排气单向阀，排气单向阀与上述进气管道相连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述连接部包括固连在振荡水柱气室背面的转柱，所述定位部包括立柱，立柱的上部穿入转柱的内部，立柱的下部与水泥块固连，立柱的上部与转柱之间设置有套筒，所述转柱的底端设置有挡板，套筒与挡板固连。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述气驱压电发电机构设置在压力蓄能器的顶端，所述挤压驱动部包括两个背对设置的气缸，各气缸的外围均设置有外部供气管路，外部供气管路与上述出气管道连通，各外部供气管路上均设置有换向阀，各气缸的内部均设置有内部管路、阀控制管路和活塞，两个气缸的两个活塞通过一根驱动轴相连，上述压电片有两组，其中一组安装在驱动轴的一端、另外一组安装在驱动轴的另一端。

5.根据权利要求3所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述多自由度电刷机构设置在转柱的顶端，多自由度电刷机构包括两根相互平行的定位杆，两根定位杆的相向内侧均开设有滑槽，两根定位杆之间设置有可沿滑槽上下移动的T型连杆，T型连杆的下部套置有电刷芯和电刷外壳，电刷芯安装在上述立柱的顶端，电刷芯外侧设置有两个滑环，滑环和电刷芯均套置在上述电刷外壳内，电刷外壳的一侧设置有两个碳刷，碳刷外侧设置有碳刷盖。

6.根据权利要求4所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：各压电片的截面均呈圆形，两组压电片分别固定在由四个等弧度的绝缘固定壳和两个等弧度的电极组成的圆柱筒内，两个电极分别位于圆柱筒的顶端和底端，四个绝缘固定壳分别以圆柱筒的中心线为对称轴两两对称，两个电极分别与电缆相连并将产生的电能传递至电缆。

7.根据权利要求6所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：各所述绝缘固定壳上均开设有用于安装压电片的圆弧形槽，绝缘固定壳和电极组成的圆柱筒的外侧还套有一个钢管套筒。

8.根据权利要求2所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述吸气口有两个。

9.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述压力蓄能器的外轮廓呈椭球状，压力蓄能器兼做基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置的浮体。

10.根据权利要求3所述的一种基于压电效应的振荡水柱式波浪能发电装置，其特征在于：所述调向尾翼包括摆杆，摆杆的一端与转柱相连、另一端设置有摆片。