CN106301076A - 水母状浮标能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水母状浮标能量收集系统，包括有至少一个能量拾取装置、能量收集电路和能量存储装置，所述能量拾取装置包括弹性压电元件、上导电环、下导电环、细管和导流槽，上导电环、下导电环分别设置于弹性压电元件的上端和下端，细管贯穿上导电环、弹性压电元件、下导电环的中部，能量收集电路和能量存储装置设置在沉盒中，所述各个能量拾取装置通过细管依次串联，细管的下端深入沉盒内部。本发明延长了浮标等用电装置的使用寿命，节省了电池反复更换带来的大量人力劳动，是环境友好型能量收集装置。
Description
技术领域
本发明涉及到一种能量收集技术领域，具体涉及一种水母状浮标能量收集系统。
背景技术
沿海和海岛观测站观测到的数据只能反映近海和临岛海域的情况，无法为远洋航行提供海况信息，设立海洋浮标即可解决上述问题。海洋浮标是一种现代化的海洋观测设备，用于收集海洋环境资料和进行海洋环境监测，它被固定在指定的海域，随波起伏，可在恶劣的环境下进行全天候的工作，每日定时测量多种水文气象要素，为军事、航海、渔业、以及海洋开发服务。海洋浮标大多数采用原电池供能，原电池的寿命有限，需要定期更换。海洋浮标远离陆地，更换电池极为不便，要消耗大量的人力物力。为了解决海洋浮标的供能缺陷，一种方法是利用太阳能，如专利（申请号：201110278032.4）提出了一种采用太阳能蓄电池装置，整个装置包括太阳蓄电池、用电元件、电压调整装置、控制装置和蓄电装置。这种设计是为了充分利用太阳能，结构往往比较庞大，对天气的依赖程度较大，工作效率受阴雨天等环境限制，此外太阳能蓄电装置制造成本较高，不适合推广。
发明内容
本发明的目的是为了弥补已有浮标供能技术的不足，提供一种不受天气条件限制的水母状浮标能量收集系统，能量拾取装置根据仿生设计为水母状结构，从而最大限度拾取水振动中蕴含的能量。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：包括有至少一个能量拾取装置、能量收集电路和能量存储装置，所述能量拾取装置包括弹性压电元件、上导电环、下导电环、细管和导流槽，上导电环、下导电环分别设置于弹性压电元件的上端和下端，细管贯穿上导电环、弹性压电元件、下导电环的中部，能量收集电路和能量存储装置设置在沉盒中，所述各个能量拾取装置通过细管依次串联，细管的下端深入沉盒内部；所述弹性压电元件为三明治结构，从上到下依次为上金属薄膜、柔性压电薄膜和下金属薄膜；所述上导电环与下导电环均为圆柱环结构，弹性压电元件呈倒置的碗形，碗形的弹性压电元件的碗底面内接所述上导电环，所述碗形的弹性压电元件的碗口面外接所述下导电环，上导电环的外侧与上金属薄膜相接触，下导电环的内侧与下金属薄膜相接触，上导电环的内侧和下导电环外侧固接导线；所述上导电环的内侧固接所述导流槽，所述导流槽为圆柱状结构，其上端面与下端面均匀分布若干数量的通孔作为水流进出的通道，其侧面沿着直径方向设有通孔作为所述导线的通道；所述导流槽内侧固接所述细管上端，所述细管为薄壁空心圆柱体，所述细管上端外侧设有沿着直径方向的通孔作为所述导线的通道，所述细管上表面闭合，下表面中心钻有通孔，所述沉盒上表面有圆孔，细管下端通过所述沉盒上表面的圆孔伸入所述沉盒内部，所述导线分别从所述上导电环的内侧和所述下导电环的外侧引出，通过所述导流槽外侧通孔和所述细管上端外侧通孔进入所述细管内部，并从所述细管下表面通孔伸入所述沉盒内部，连接所述能量收集电路的输入端，所述能量收集电路的输出端连接所述能量存储装置的输入端。
所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述弹性压电元件、上导电环和下导电环外表面附有一层弹性聚合物；所述导流槽外侧通孔、细管上端外侧通孔和所述沉盒上表面圆孔处附有一层弹性聚合物。
所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述弹性压电元件中的上金属薄膜和下金属薄膜采用铝、铜或银中的一种材料制造而成。
所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述柔性压电薄膜采用聚偏氟乙烯。
所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述上导电环和下导电环选用铁或铜中的一种材料制作而成。
所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述能量收集电路采用超低电压输入升压电路，实现所需电压值的输出，采用电荷放大器使能量采集装置具有传感功能，所述电荷放大器应具有高输入阻抗，高灵敏度的特性。
所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述能量存储装置采用可充蓄电池。
当水流冲击所述能量拾取装置，能量拾取装置中的弹性压电元件直接感受水的振动，随着水流来回收缩与膨胀，并将水流中蕴含的能量转化为以电荷形式存在的电能；弹性压电元件表面的电荷通过导线输入到所述能量收集电路转换为直流电能并储存在所述能量存储装置中，能量存储装置为浮标等用电装置稳定供能。
本发明的优点是：
1.本发明放置在水下，收集水流中蕴含的能量，不受太阳光强等坏境因素影响，在任何天气都可高效率的采集能量为用电装置供能。
2.本发明不需要定期更换蓄电池，节省人力成本。
3.本发明可减少废旧电池污染，是环境友好型能量收集装置。
4.本发明所述的能量拾取装置仿生设计为水母状结构可最大限度的拾取水流中蕴含的能量，能量转化效率高。
5.本发明设计结构简单，可为海洋浮标供能并弥补已有海洋浮标供能技术的不足。
6.本发明可作为传感装置，具有测量功能。
附图说明
图1为本发明水母状浮标能量收集系统中能量拾取装置的结构示意图。
图2为本发明水母状浮标能量收集系统中能量拾取装置的多串的“水母状结构”示意图。
图3为本发明水母状浮标能量收集系统中能量拾取装置中导流槽的结构示意图。
图4为本发明水母状浮标能量收集系统中上导电环，下导电环与弹性压电元件的连接局部放大示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为导流槽；2为上导电环；3为弹性压电元件；4为细管；5为下导电环；6为沉盒；7为上金属薄膜；8为柔性压电薄膜；9为下金属薄膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
一种水母状浮标能量收集系统，包括能量拾取装置、能量收集电路和能量存储装置，水流中蕴含的能量通过此系统收集并转化为直流电能，可为浮标等用电装置供能。能量收集电路采用超低电压输入升压电路，能量存储装置采用可充蓄电池。能量拾取装置根据仿生设计为水母状结构，从而最大限度拾取水振动中蕴含的能量。如图1所示，所述能量拾取装置，包括弹性压电元件3；上导电环2；下导电环5；细管4；导流槽1和沉盒6。所述的弹性压电元件3为三明治结构，从上到下依次为上金属薄膜7；柔性压电薄膜8和下金属薄膜9。所述上金属薄膜7和所述下金属薄膜9采用铝、铜和银中的一种材料制造，所述的柔性压电薄膜8采用聚偏氟乙烯（PVDF）。所述的上导电环2与所述的下导电环5为圆柱环结构，所述上导电环2与所述下导电环5选用铁或铜中的一种材料制作。所述的弹性压电元件3呈倒置的碗形，碗底面内接所述上导电环2，碗口面外接所述下导电环5。所述的上导电环2的外侧与所述上金属薄膜7相接触，所述的下导电环5的内侧与所述下金属薄膜9相接触，所述上导电环2的内侧和所述下导电环5外侧固接导线。所述导流槽1为圆柱环结构，其上端面与下端面均匀分布若干数量的通孔作为水流进出的通道，其侧面沿着直径方向设有通孔作为所述导线的通道，所述上导电环2的内侧固接所述导流槽1。所述细管4为薄壁空心圆柱体，所述细管4上端外侧设有沿着直径方向的通孔作为所述导线的通道。所述细管4上表面闭合，下表面中心钻有通孔。所述沉盒6可选用石材制作，其内部设有所述能量收集电路和所述能量存储装置，所述沉盒6上表面有圆孔。所述细管4下端通过所述沉盒6上表面圆孔伸入所述沉盒6内部，所述导流槽1内侧固接所述细管4上端。所述导线分别从所述上导电环2的内侧和所述下导电环5的外侧引出，通过所述导流槽1外侧通孔和所述细管4上端外侧通孔进入所述细管4内部，并从所述细管4下表面通孔伸入所述沉盒6内部，连接所述能量收集电路的输入端，所述能量收集电路的输出端连接所述能量存储装置的输入端。所述的弹性压电元件3，所述的上导电环2和所述的下导电环5外表面附有一层弹性聚合物。所述导流槽1外侧通孔，所述细管4上端外侧通孔和所述沉盒6上表面圆孔处附有所述弹性聚合物。所述弹性聚合物具有防水作用，采用尼龙或橡胶制造。
实施例二：由于浮标等用电装置所需供给的电量较大，为了满足浮标等用电设备的能量供应，在本实施例中能量拾取装置采用多串“水母状结构”。本实施例与实施例一不同的是, 在本实施例中的所述能量拾取装置采用多串所述“水母状结构”，图2中的虚线表示省略的若干所述“水母状结构”。图2是按照本发明水母状浮标能量收集系统中能量拾取装置采用多串所述“水母状结构”的示意图，所述能量拾取装置包括多片所述弹性压电元件3，多个所述的上导电环2，多个所述的下导电环5，多个所述的导流槽1，所述细管4和所述沉盒6。按照本发明水母状浮标能量收集系统中所述能量拾取装置的结构主要为若干所述“水母状结构”。每个所述“水母状结构”包括所述弹性压电元件3；所述上导电环2；所述下导电环5和所述导流槽1。每个所述的“水母状结构”通过所述的上导电环2和所述的下导电环5输出两束导线。每个所述的“水母状结构”通过所述细管4从上到下串联在一起形成所述多串所述“水母状结构”。所述细管4的下端伸入所述沉盒6内部，所述沉盒6内部设有所述能量收集电路和所述能量存储装置。多片所述的弹性压电元件3，多个所述的上导电环2和多个所述的下导电环5外表面附有一层弹性聚合物。多个所述导流槽1外侧通孔，所述细管4外侧多个通孔和所述沉盒6上表面圆孔处附有所述弹性聚合物。所述弹性聚合物具有防水作用，采用尼龙或橡胶制造。
当水流冲击所述能量拾取装置，所述能量拾取装置随着水流振动，所述能量拾取装置中的多片所述弹性压电元件3直接感受水的振动并来回收缩与膨胀，多片所述弹性压电元件3将水流中蕴含的能量转化为以电荷形式存在的电能并通过导线输入到所述能量收集电路转换为直流电能并储存在所述能量存储装置中，所述能量存储装置为浮标等用电装置稳定供能。所述的能量收集电路采用超低电压输入升压电路，实现所需电压值的输出。所述的能量存储装置采用可充蓄电池。
实施例三：若在实施例一或实施例二中的所述能量收集电路中加入新型电荷放大器，所述水母状浮标能量收集系统可作为传感装置，具有测量功能。在本实施方式中，所述新型电荷放大器是指结合所述弹性压电元件3本身的特点，专门设计的具有高输入阻抗，高灵敏度的电荷放大器，其输入阻抗可以达到10^12欧量级，电荷电压转换部分采用的是CBB电容，确保其工作状态可靠，并且处理电路中还采用了两阶有源滤波的低通滤波器。实验表明，所述新型电荷放大器的下限频率可达到0.06Hz,其增益通过可变电阻器进行调整，可根据实验或者经验让增益调整到最佳状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：包括有至少一个能量拾取装置、能量收集电路和能量存储装置，所述能量拾取装置包括弹性压电元件、上导电环、下导电环、细管和导流槽，上导电环、下导电环分别设置于弹性压电元件的上端和下端，细管贯穿上导电环、弹性压电元件、下导电环的中部，能量收集电路和能量存储装置设置在沉盒中，所述各个能量拾取装置通过细管依次串联，细管的下端深入沉盒内部；所述弹性压电元件为三明治结构，从上到下依次为上金属薄膜、柔性压电薄膜和下金属薄膜；所述上导电环与下导电环均为圆柱环结构，弹性压电元件呈倒置的碗形，碗形的弹性压电元件的碗底面内接所述上导电环，所述碗形的弹性压电元件的碗口面外接所述下导电环，上导电环的外侧与上金属薄膜相接触，下导电环的内侧与下金属薄膜相接触，上导电环的内侧和下导电环外侧固接导线；所述上导电环的内侧固接所述导流槽，所述导流槽为圆柱状结构，其上端面与下端面均匀分布若干数量的通孔作为水流进出的通道，其侧面沿着直径方向设有通孔作为所述导线的通道；所述导流槽内侧固接所述细管上端，所述细管为薄壁空心圆柱体，所述细管上端外侧设有沿着直径方向的通孔作为所述导线的通道，所述细管上表面闭合，下表面中心钻有通孔，所述沉盒上表面有圆孔，细管下端通过所述沉盒上表面的圆孔伸入所述沉盒内部，所述导线分别从所述上导电环的内侧和所述下导电环的外侧引出，通过所述导流槽外侧通孔和所述细管上端外侧通孔进入所述细管内部，并从所述细管下表面通孔伸入所述沉盒内部，连接所述能量收集电路的输入端，所述能量收集电路的输出端连接所述能量存储装置的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述弹性压电元件、上导电环和下导电环外表面附有一层弹性聚合物；所述导流槽外侧通孔、细管上端外侧通孔和所述沉盒上表面圆孔处附有一层弹性聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述弹性压电元件中的上金属薄膜和下金属薄膜采用铝、铜或银中的一种材料制造而成。
4.根据权利要求1所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述柔性压电薄膜采用聚偏氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述上导电环和下导电环选用铁或铜中的一种材料制作而成。
6.根据权利要求1所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述能量收集电路采用超低电压输入升压电路，实现所需电压值的输出，采用电荷放大器使能量采集装置具有传感功能。
7.根据权利要求1所述的一种水母状浮标能量收集系统，其特征在于：所述能量存储装置采用可充蓄电池。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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|---|---|
| CN106301076B (zh) | 2020-09-29 |
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