CN105156260A - 摆动式水翼端部激振波浪能转换装置 - Google Patents

Abstract

摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，它涉及一种能量转换装置，以解决现有海浪能发电装置结构复杂，设备装置造价昂贵，发电成本高，能量转换效率低及发电电压低的问题，它包括固定基座、隔水板、摆动翼板、两个支撑座、两组悬臂梁压电浮能器、多个激振永磁体和多个受振永磁体；每组悬臂梁压电浮能器包括多个悬臂梁压电浮能器；固定基座为具有凹槽的固定基座，两个支撑座并列固装在固定基座上，隔水板布置在摆动翼板的下方并盖合在凹槽上，隔水板与固定基座密封连接；两组悬臂梁压电浮能器和多个受振永磁体布置在凹槽内，多个悬臂梁压电浮能器的悬臂梁端与固定基座固接。本发明用于能量转换和发电。

Description

摆动式水翼端部激振波浪能转换装置

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，具体涉及一种摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，属于海洋波浪能发电新能源领域。

背景技术

近年来随着能源危机的日益严重，新能源技术得到了广泛关注。在一些远离海岸线的偏远海岛或者海上作业平台，能源匮乏，物资运输成本高，导致一些设备不能正常工作，给岛上居民和平台工作人员生活带来极大不便。而海洋是一个非常巨大的能源宝库。据测算，海上波浪所蕴藏的能量高达5000GW，如果能够有效利用，不仅能够解决海上人员的能源问题，对缓解世界性的能源危机也有很大帮助。海洋能量储量丰富，如何将分散、低密度、不稳定的海洋波浪能量收集起来，集中、经济、高效的转化为电能，这是近些年来世界上众多科学家迫切想要解决的问题。英国最早投入对波浪能发电的研究，“点头鸭”式结构由于其构思巧妙，波浪能转换效率高，一度被认为是波浪能发电的典范，但是最终由于其结构复杂，海上工作安全性差，无法投入实际应用而退出历史舞台。上世纪80年代，日本的兆瓦级“海明号”波浪能发电船研制成功，船上有22个空气室，气室内特制的活塞随海浪的波动而上下运动，将波浪能转化为压缩空气的内能，压缩空气从气室喷嘴喷出，推动涡轮机运转，从而带动发电机发电。海明号属于振荡水柱式结构，可靠性好，抗风浪袭击能力强，但是建造成本高，转换效率低，发电成本昂贵，不适用于工程性发展。

公开日为2013年3月13日、公开号为CN102969937A、发明名称为“海洋压力发电装置”的专利申请，它提出了一种利用压电技术开发海洋能量的装置。它的主体是一个形如风向标的框架结构，框架内安装有压电板，利用压电材料的压电特性将海洋能量转化为电能。它充分利用了压电材料特性，结构简单，能量转换中间环节少，具有很好得优势，但是其只是单纯利用海水压力让压电悬臂梁组件产生变形，压电悬臂梁组件形变量小，发电量少，能量利用率低。

根据现有发电装置的能量传递和转换过程，海浪能的利用过程可分为三个阶段：一级转换、中间转换和二级转换。一次转换是将波浪的动能和势能吸收并转换为相应的机械能、气体内能等其他形式的能量，二次转换是将其他形式的能量转换成电能，中间转换是一次转换和二次转换的中间过度过程。现有发电装置普遍存在的问题是，结构复杂，抗风浪侵袭能力差，不利于集成化；中间转换环节多，不能对波浪能量有效利用，能量转换效率低；设备装置造价昂贵，发电成本高，不宜于大规模应用；能量输出不稳定，发电电压低等。

发明内容

本发明为解决现有海浪能发电装置结构复杂，设备装置造价昂贵，发电成本高，能量转换效率低及发电电压低的问题，进而提供一种摆动式水翼端部激振波浪能转换装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：摆动式水翼端部激振波浪能转换装置包括固定基座、隔水板、摆动翼板、两个支撑座、两组悬臂梁压电浮能器、多个激振永磁体和多个受振永磁体；每组悬臂梁压电浮能器包括多个悬臂梁压电浮能器；激振永磁体和受振永磁体的磁极性相同；

固定基座为具有凹槽的固定基座，两个支撑座并列固装在固定基座上，摆动翼板布置在两个支撑座之间且摆动翼板的后缘两端转动连接在两个支撑座上，隔水板和摆动翼板均为非铁磁材料，隔水板布置在摆动翼板的下方并盖合在凹槽上，隔水板与固定基座密封连接；两组悬臂梁压电浮能器和多个受振永磁体布置在凹槽内，两组悬臂梁压电浮能器以摆动翼板的横截面镜像设置，摆动翼板的后缘的下端面镶嵌有多个激振永磁体，多个悬臂梁压电浮能器的悬臂梁端与固定基座固接，多个悬臂梁压电浮能器的压电片水平布置，压电片为长条片状结构，位于摆动翼板下方的每个压电片自由端的上表面固装有受振永磁体。

本发明的有益效果是：本发明的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置主要通过摆动翼板的摆动而带动永磁体磁场周期性变化从而使压电悬臂梁组件在磁场力作用下产生形变的过程将波浪的动能转化为电能。摆动翼板采用两端支承形式，摆动结构稳定可靠，尾部的空腔使其能够始终竖直漂浮在海水中。固定基座可以通过某种方式固定在浅海海底，保证摆动翼板始终淹没在海水下。装置安装时，摆动翼板正面迎向海浪来袭方向，由于其宽大的结构形式，极易随海水产生运动，充分吸收海水波动能量，而由于支承轴的限制，翼板并不能产生除摆动之外的多余运动。摆动翼板摆动频率与波浪周期一致。压电悬臂梁组件分为两组安装在固定基座的空腔内，在摆动翼板两侧对称线性布置，头部刚性固定在压电悬臂梁组件固定件上，保证振动的有效性；永磁体根据其运动原理分为主动激振永磁体和被动受振永磁体，主动激振永磁体嵌入摆动翼板头部并随其一起摆动，产生磁场波动并对被动受振永磁体产生交变的磁场力，被动受振永磁体产生受迫振动，并带动悬臂梁压电浮能器振动。根据压电原理，悬臂梁压电浮能器在外力作用下产生形变，材料内部发生极化现象，从而在压电晶体两晶面上产生电荷，将机械能转化为电能。因此，可以将悬臂梁压电浮能器进行串联、并联以获得所需的电压、电流。本发明的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置中悬臂梁压电浮能器与被动受振永磁体部件的固有频率为当地波浪频率的2倍。因为随海浪波动，其摆动周期与当地波浪周期一致，悬臂梁压电浮能器的振动周期是摆动翼板摆动周期的一半，所以悬臂梁压电浮能器处于共振状态，根据机械振动原理，共振将翼板机械能最大程度上转化为悬臂梁压电浮能器的机械能，提高输出电压幅值。本发明的摆动式振子端部激振波浪能发电装置具有结构简单，应用灵活，成本低，冲击小，抗风浪侵袭能力强，可靠性高和发电电压高的优点。同时采用压电发电形式，发电电压高，便于利用与集成化，可应用于海水波浪能发电的研究，也可改造后用于风能等其他流体动能发电装置的研究。

附图说明

图1是压电悬臂梁组件和永磁体布置立体示意图，图2是本发明的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置的主剖面图，图3是固定基座的立体结构图，图4是摆动翼板的立体结构图，图5是支承座的立体结构图，图6是摆动翼板随波浪摆动示意图，图7是悬臂梁压电浮能器在磁场作用下的振动原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明，本实施方式的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置包括固定基座1、隔水板3、摆动翼板7、两个支撑座9、两组悬臂梁压电浮能器5、多个激振永磁体6和多个受振永磁体10；每组悬臂梁压电浮能器5包括多个悬臂梁压电浮能器5；激振永磁体6和受振永磁体10的磁极性相同；固定基座1为具有凹槽1-1的固定基座，两个支撑座9并列固装在固定基座1上，摆动翼板7布置在两个支撑座9之间且摆动翼板7的后缘两端转动连接在两个支撑座9上，隔水板3和摆动翼板7均为非铁磁材料，隔水板3布置在摆动翼板7的下方并盖合在凹槽1-1上，隔水板3与固定基座1密封连接；两组悬臂梁压电浮能器5和多个受振永磁体10布置在凹槽1-1内，两组悬臂梁压电浮能器5以摆动翼板7的横截面A镜像设置，摆动翼板7的后缘的下端面镶嵌有多个激振永磁体6，多个悬臂梁压电浮能器5的悬臂梁端与固定基座1固接，多个悬臂梁压电浮能器5的压电片5-1水平布置，压电片5-1为长条片状结构，位于摆动翼板7下方的每个压电片5-1自由端的上表面固装有受振永磁体10。

本实施方式的悬臂梁压电浮能器5固装在布置在凹槽内的悬臂梁压电基座4上，摆动翼板7有一个旋转自由度，可以绕支承轴8做有角度限制的摆动，使得摆动翼板7构成水草样的结构形态。隔水板3和摆动翼板7使用非铁磁性材料，防止造成磁场屏蔽。本实施方式的仿生水翼优先选用H型叶片式机翼。本实施方式的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置在制造的时候，共有三处密封环节。两处静密封分别位于隔水板3与支撑座9的结合面与固定基座1与隔水板3的结合面上，动密封位于密封盖与支承轴8的结合面上，均用环型密封圈进行密封，其中静密封处可用乳胶进行二次密封。

具体实施方式二：结合图1-图2说明，本实施方式的每个悬臂梁压电浮能器5的压电片5-1为压电陶瓷片或者聚偏氟乙烯片。本实施方式的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置在制造的时候，压电片5-1材料采用压电陶瓷或者压电聚合物(聚偏氟乙烯片)；如此设置，压电陶瓷压电性强，介电常数高，可以加工成任意形状；聚偏氟乙烯片具有柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数的优点，满足实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图2说明，本实施方式的每个悬臂梁压电浮能器5的压电片5-1为长条矩形片状结构。如此设置，加工制造方便，便于实际应用。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的摆动翼板7为流线型结构。如此设置，摆动翼板7由纵向切面为流线型变为横向切面为流线型，装置翼板沿来流方向安装。有圆柱绕流理论，波浪在流过翼板时，会带动翼板产生涡激振动，从而带动压电悬臂梁组件5振动发电。此实施方案中，需要根据当地的波浪平均速度设计摆动翼板7和压电悬臂梁组件5部件，压电悬臂梁组件5部件固有频率为翼板的两倍，使得波浪冲击时翼板和压电悬臂梁组件5都处于共振状态。这种实施方式提高了压电悬臂梁组件5的振动频率，发电电压高，便于电能的收集和利用。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图5说明，本实施方式所述支撑座9为三角形支撑座。如此设置，加工制造方便，满足实际需要。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式所述装置还包括两个支撑轴8和两个密封盖11；支撑轴8布置在摆动翼板7和支撑座9之间，支撑轴8的一端通过轴承与摆动翼板7转动连接，支撑轴8的另一端安装在支撑座9上，密封盖6穿设在支撑轴8的另一端并封装在摆动翼板7上。如此设置，有助于摆动翼板的可靠运行。其它与具体实施方式六相同。

工作过程

结合图1-图7说明，永磁体根据其运动原理分为主动激振永磁体和被动受振永磁体，主动激振永磁体6嵌入摆动翼板7的尾缘并随其一起摆动，产生磁场波动并对被动受振永磁体10产生交变的磁场力，被动受振永磁体产生受迫振动，并带动悬臂梁压电浮能器振动。根据压电原理，悬臂梁压电浮能器在外力作用下产生形变，材料内部发生极化现象，从而在压电晶体两晶面上产生电荷，将机械能转化为电能。因此，可以将悬臂梁压电浮能器进行串联、并联以获得所需的电压、电流。摆动翼板7随海浪波动，其摆动周期与当地波浪周期一致，悬臂梁压电浮能器的振动周期是摆动翼板摆动周期的一半，所以悬臂梁压电浮能器处于共振状态，根据机械振动原理，共振将翼板机械能最大程度上转化为悬臂梁压电浮能器的机械能，提高输出电压幅值。

Claims (6)

1.摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，其特征在于：它包括固定基座(1)、隔水板(3)、摆动翼板(7)、两个支撑座(9)、两组悬臂梁压电浮能器(5)、多个激振永磁体(6)和多个受振永磁体(10)；每组悬臂梁压电浮能器(5)包括多个悬臂梁压电浮能器(5)；激振永磁体(6)和受振永磁体(10)的磁极性相同；

固定基座(1)为具有凹槽(1-1)的固定基座，两个支撑座(9)并列固装在固定基座(1)上，摆动翼板(7)布置在两个支撑座(9)之间且摆动翼板(7)的后缘两端转动连接在两个支撑座(9)上，隔水板(3)和摆动翼板(7)均为非铁磁材料，隔水板(3)布置在摆动翼板(7)的下方并盖合在凹槽(1-1)上，隔水板(3)与固定基座(1)密封连接；

两组悬臂梁压电浮能器(5)和多个受振永磁体(10)布置在凹槽(1-1)内，两组悬臂梁压电浮能器(5)以摆动翼板(7)的横截面(A)镜像设置，摆动翼板(7)的后缘的下端面镶嵌有多个激振永磁体(6)，多个悬臂梁压电浮能器(5)的悬臂梁端与固定基座(1)固接，多个悬臂梁压电浮能器(5)的压电片(5-1)水平布置，压电片(5-1)为长条片状结构，位于摆动翼板(7)下方的每个压电片(5-1)自由端的上表面固装有受振永磁体(10)。

2.根据权利要求1所述的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，其特征在于：每个悬臂梁压电浮能器(5)的压电片(5-1)为压电陶瓷片或者聚偏氟乙烯片。

3.根据权利要求1或2所述的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，其特征在于：每个悬臂梁压电浮能器(5)的压电片(5-1)为长条矩形片状结构。

4.根据权利要求3所述的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，其特征在于：摆动翼板(7)为流线型结构。

5.根据权利要求1、2或4所述的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，其特征在于：所述支撑座(9)为三角形支撑座。

6.根据权利要求6所述的摆动式水翼端部激振波浪能转换装置，其特征在于：所述装置还包括两个支撑轴(8)和两个密封盖(11)；支撑轴(8)布置在摆动翼板(7)和支撑座(9)之间，支撑轴(8)的一端通过轴承与摆动翼板(7)转动连接，支撑轴(8)的另一端安装在支撑座(9)上，密封盖(6)穿设在支撑轴(8)的另一端并封装在摆动翼板(7)上。