CN105089918B - 一种基于压电元件的波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电元件的波浪能发电装置。本发明通过将内外套筒安装于波浪采集浮体的下方，使部分将位于海面以下，进而避免了由于海风等外在因素而导致稳定性差的问题。本发明还通过采用限位装置代替现有技术中横杆和桁架杆件刚性连接的方式，以实现固定内外套筒，避免内外套筒由于海水冲击而导致其晃动。此外，通过对波浪能采集浮体质量、弹簧弹性系数的设计，使得波浪能采集装置均发生谐振，提高波浪能转换效率。

Description

一种基于压电元件的波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及海洋能源综合利用领域，具体涉及一种基于压电元件的波浪能发电装置。
背景技术
压电式波浪能发电装置能够直接将波浪能通过压电材料的形变转换为电能，比机械式、液压式等更为可靠和高效。
采用压电元件进行波浪能发电在国内外曾有报道，例如2011年《中国可再生能源学会海洋能专业委员会第三届学术讨论会论文集》中“海洋波浪压电发电技术的进展”一文中介绍了通过压电材料的张拉应变转换为电能的转换装置。如图1所示，中间的浮体上固定有一根传动轴和四根导向柱，该浮体在波浪作用下上下振荡，其上传动轴随之往复运动，传动轴上布置有磁铁，当桅杆随波浪上下运动时，磁铁产生力，使压电振子产生振动变形，从而将作用在其上的冲击荷载转化为电能。然而，该文只是提出了一种概念，并未对机械能俘获装置和压电振子的布局进行设计，从而提高波浪能到电能的转换效率。此外，该文提出在顶部套筒内外壁由横杆和桁架杆件刚性连接，虽然使得结构不易变形，但是对机械运动产生阻力，影响了电能转换效率。另外，该文提出的发电装置位于海面之上，稳定性和安全性不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于压电元件的波浪能发电装置，在保证该装置的稳定性和安全性的基础上，实现波浪能发电。
一种基于压电元件的波浪能发电装置，包括：4个支撑浮体、波浪采集浮体2、外套筒3、内套筒4、弹簧5、第一磁铁6、限位装置7、压电元件8、锚9、锚绳10、垫圈11和第二磁铁12；
所述内套筒4和外套筒3通过外套筒3限位装置7沿内、外套筒轴向滑动配合；且弹簧5两端分别抵触在内、外套筒底部之间；
内套筒4外壁分别沿周向和轴向等间距固定多个第一磁铁6；所述内套筒4外壁上的第一磁铁6对应在外套筒3内壁的相对位置处，通过连接部件固定多个压电元件8，与第一磁铁6相对且位于压电元件8上的端面固定第二磁铁12；且第一磁铁6和第一磁铁12的磁性相反；
所述内套筒4非抵触弹簧端连有一波浪采集浮体2；所述外套筒3的非抵触弹簧端端面装有垫圈11，且其外圆周面沿周向均布4个支撑浮体；每个支撑浮体的另一端通过锚绳10连有一个用于固定的锚9。
特别地，所述限位装置7位于内、外套筒两端，钢珠位于环形凹槽内，且不能从环形凹槽内脱出；所述钢珠的外圆周面与内套筒的外壁接触。
有益效果：
1、本发明通过将内外套筒安装于波浪采集浮体的下方，这样一来，该部分将位于海面以下，进而避免了由于海风等外在因素而导致稳定性差的问题。本发明还通过采用限位装置代替现有技术中横杆和桁架杆件刚性连接的方式，以实现固定内外套筒，避免内外套筒由于海水冲击而导致其晃动。
与传统波浪能发电装置相比，该装置具有转换效率高，搭载方便、稳定性好、维护方便等优点，可以为海岛、沿海地区等提供绿色电力，特别是可以作为自发电浮标为水下传感器提供电源。
2、通过对波浪能采集浮体质量、弹簧弹性系数的设计，使得波浪能采集装置发生谐振，提高波浪能转换效率。
附图说明
图1为现有技术发电装置结构示意图。
图2为本发明装置结构示意图。
图3为本发明装置结构剖视图。
图4为本发明压电元件布放的局部放大图。
图5为本发明限位装置示意图
其中，1-支撑浮体，2-波浪采集浮体，3-外套筒，4-内套筒，5-弹簧，6-第一磁铁，7-限位装置，8-压电元件，9-锚，10-锚绳，11-垫圈，12-第二磁铁。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于压电元件的波浪能发电装置，本装置的设计思路在于：在波浪能的驱动下，该发电装置的四个支撑浮体和波浪采集浮体将会受到海浪的冲击，产生上下波动运动，进而转换为内外套筒的相对运动，使得在内外套筒内的磁铁产生磁力，进而作用在压电材料将发生形变从而进行发电。
1、为了保证本发电装置在使用过程中能够具有良好的稳定性和安全性，本发明将发电装置的部分即外筒套和内筒套均安装在波浪采集浮体的下方，这样一来，该部分将位于海面以下，进而避免了由于海风等外在因素而导致稳定性差的问题。
2、与背景技术中提到的装置相比，本发明通过采用限位装置代替现有技术中横杆和桁架杆件刚性连接的方式，以实现固定内外套筒的相对间隔，避免内外套筒由于海水冲击而导致其晃动。该限位装置由多个钢珠构成，分别安装在外套筒两端端部的凹槽内，以实现固定作用。
如图2所示，本装置包括：四个支撑浮体、波浪采集浮体、外套筒、内套筒、弹簧、第一磁铁、限位装置、压电元件、锚、锚绳、垫圈和第二磁铁；
所述内套筒4和外套筒3通过外套筒3限位装置7，沿内、外套筒轴向滑动配合；且弹簧5两端分别抵触在内、外套筒底部之间；本实施例中，其内、外套筒底部为圆盘结构，弹簧分别抵触于内套筒底部的圆盘和外套筒底部的圆盘之间。
如图4所示，内套筒4外壁分别沿周向和轴向等间距固定多个第一磁铁6；所述内套筒4外壁上的第一磁铁6对应在外套筒3内壁的相对位置处，通过连接部件固定多个压电元件8，且与第一磁铁6相对的、位于压电元件8上的端面固定第二磁铁12；且第一磁铁6和第一磁铁12的磁性相反；
如图3所示，所述内套筒4非抵触弹簧端连有一波浪采集浮体2；所述外套筒3的非抵触弹簧端端面装有垫圈11，且其外圆周面沿周向均布4个支撑浮体；每个支撑浮体的另一端通过锚绳10连有一个用于固定的锚9。
如图5所示，所述限位装置7位于内、外套筒两端，钢珠位于环形凹槽内，且不能从环形凹槽内脱出；所述钢珠的外圆周面与内套筒的外壁接触。该限位装置起到防止内套筒发生横向运动，起到导向作用，实现减小摩擦的作用。
其工作原理为：由于四个支撑浮体和波浪采集浮体漂浮在海面上，受海水的冲击，四个支撑浮体和波浪采集浮体将会产生运动，进而与四个支撑浮体相连的外套筒和与波浪采集浮体相连的内套筒将会产生相对运动。则此时，镶嵌在外套筒内壁、内套筒外壁上的第一磁铁和第二磁铁由于磁性的不同，将会因内、外套筒的相对运动而产生吸引力，进而将会对压电元件产生力的作用，使压电元件产生形变，实现发电。
为了能够实现系统发生谐振，还需要在实现本装置时考虑系统的机械参数与波浪参数之间的匹配，即由于波浪能具有一定的周期性，在某一海域，波浪的参数虽然是随机的，但也是在一定范围内变化，存在一个主成分，因此波浪的垂直运动可以等效为很窄频带范围内的简谐振动。在波浪能的主成分简谐作用力下，发电装置在数学模型上可以简化为”质量-弹性-阻尼”系统的强迫振动。考虑到系统阻力时，运动方程可以写成
其中，m表示系统的质量，D表示弹性系数，Rm表示阻力系数，Fm表示波浪冲击力的振幅，ω表示波浪角频率，x是系统位移。
对于公式(1)来说，通过求解微分方程，可将该方程的解分解为自由谐振分量x1(t)和强迫振动分量x2(t)；即
x＝x1(t)+x2(t) (2)；
其中，自由谐振分量x1(t)是方程的解；令 其中，ω0为系统的固有角频率，δ代表阻尼系数；则常系数线性微分方程可转换为：
此时，方程的一般解为：
在小阻尼条件下，即δ＜＜ω0，将x1(t)化为三角函数：
x1(t)＝A0e-δtcos(ω0t-φ1) (5)；
其中，a1、a2为自由振动下的三角函数振幅，由振子振动的初始条件决定；φ1为自由振动下的三角函数相位；
x2(t)是强迫振动方程
的特解，令：
x2(t)＝Xmejwt (7)；
则有：
(-mω2+jRmω+D)Xm＝Fm (8)；
解得：
令其中，|Zm|为机械阻抗；
则
综上可知，公式(1)的解可写作：
根据谐振发生条件可知，当时，系统发生谐振。因此，在设计系统的总体结构时应充分考虑系统的机械参数与波浪参数之间的匹配关系，使得一级转换装置具有较高的转换效率，同时降低阻力系数，减小系统能量损耗。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于压电元件的波浪能发电装置，其特征在于，包括：4个支撑浮体、波浪采集浮体(2)、外套筒(3)、内套筒(4)、弹簧(5)、第一磁铁(6)、限位装置(7)、压电元件(8)、锚(9)、锚绳(10)、垫圈(11)和第二磁铁(12)；
所述内套筒(4)和外套筒(3)通过外套筒(3)限位装置(7)沿内、外套筒轴向滑动配合；且弹簧(5)两端分别抵触在内、外套筒底部之间；
内套筒(4)外壁分别沿周向和轴向等间距固定多个第一磁铁(6)；所述内套筒(4)外壁上的第一磁铁(6)对应在外套筒(3)内壁的相对位置处，通过连接部件固定多个压电元件(8)，与第一磁铁(6)相对且位于压电元件(8)上的端面固定第二磁铁(12)；且第一磁铁(6)和第二磁铁(12)的磁性相反；
所述内套筒(4)非抵触弹簧端连有一波浪采集浮体(2)；所述外套筒(3)的非抵触弹簧端端面装有垫圈(11)，且其外圆周面沿周向均布4个支撑浮体；每个支撑浮体的另一端通过锚绳(10)连有一个用于固定的锚(9)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述限位装置(7)位于内、外套筒两端，限位装置由多个钢珠构成，分别安装在外套筒两端端部的环形凹槽内，所述钢珠位于环形凹槽内，且不能从环形凹槽内脱出；所述钢珠的外圆周面与内套筒的外壁接触。
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