CN106837670A - 一种压电式波浪能发电装置及海上灯塔供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的压电式波浪能发电装置，纵向波浪能发电组件利用横向洋流能发电组件作为悬浮体进行纵向发电，同时，横向洋流能发电组件将横向洋流的冲击力转化成电能，充分利用自然环境进行发电，结构巧妙，高效省时，比机械式、液压式及空气式波能发电方式更为简单可靠，提高发电机使用年限。同时，本发明提供的海上灯塔发电系统，通过电压式波浪能发电装置、太阳能光伏发电装置和风力发电装置互补地进行发电，提高了能源输出的效率和稳定性，在保证同样供电的情况下，可大大减少储能设备的容量，从而降低了对灯塔的投资；另外，该系统也实现了灯塔的无人供电，减轻了劳动力，同时高效地利用了可再生能源，绿色环保。

Description

一种压电式波浪能发电装置及海上灯塔供电系统
技术领域
本发明涉及一种灯塔供电系统，尤其是一种涉及波光风三能互补的能量自给型海上灯塔供电系统，其中波浪能发电涉及利用压电材料采集波浪振动发电技术。
背景技术
灯塔是建于航道关键部位附近的一种塔状发光航标，用以引导船舶航行或指示危险区。灯塔多位于近海的岛屿、滩涂处，铺设电路从陆上电网输送电能较为困难；柴油发电机供电，则不可避免地对海水造成污染；传统海上发电方式即太阳能、风能发电又都存在一定的天气制约，当出现极限天气(枯风、阴天)情况时，灯塔供电设施就会出现问题，这势必会影响灯塔灯器的正常工作，对灯塔各属海域的船舶交通安全造成极大的隐患。
为确保灯塔供电，使灯站正常工作，在灯塔上住着许多管理人员，他们日夜精心管理，兢兢业业。目前，岛上职工生活和工作用水全部靠大陆供给，然而，到了冬季，风大、浪高、流急，船舶靠、离码头相当困难，正常补给不能顺利进行，严重影响了职工的工作和生活。因此，亟需开发能量自给型海上灯塔供电系统。
波浪能不受天气制约，且能量密度大，是风能能量密度的3-30倍，来源清洁，符合绿色环保的要求；压电式波浪能发电装置能够直接将波能通过电枢的相对运动和压电材料的张拉应变转换为电能，使电能的生产和使用同时进行，高效省时，比机械式、液压式及空气式波能发电方式更为简单可靠。因此压电式波浪发电具有其独特的应用价值。将波浪能、太阳能、风能三种途径共同使用，便能使资源得到最大化利用，确保持续供电，为能量自给型海上灯塔供电系统的开发奠定了基础。
发明内容
针对上述问题，结合海中灯塔的地理位置和多种可再生能源在时间和季节上的互补性本发明提供一种能量自给型海上灯塔供电系统。同时，本发明提供了一种可采集两个方向波浪能的压电式波浪能发电装置。
为解决上述技术问题，本发明提供一种压电式波浪能发电装置，其特征在于：包括纵向波浪能发电组件、横向洋流能发电组件以及连接轴；
所述纵向波浪能发电组件包括发电箱体和塑料浮壳，所述塑料浮壳与所述发电箱体一体成型、置于所述发电箱体的两侧，且所述塑料浮壳的上表面所在水平面低于所述发电箱体上表面所在的水平面，所述发电箱体内设有若干组横向排列的发电单元一，若干组发电单元一固定在置于发电箱体内部的固定部件上；所述发电单元一包括用于连接纵向波浪能发电组件和横向洋流能发电组件的连接轴、固定在连接轴上且均匀分布的若干个凸轮、以及通过导线串联的若干个压电悬臂梁，所述压电悬臂梁分为左右两列，每列层数相等，各列层数相同的压电悬臂梁交错分布在所述连接轴的两侧，凸轮位于层数相同的两个压电悬臂梁之间，且两列压电悬臂梁自由端之间的水平距离小于凸轮的直径，所述连接轴的顶部通过弹簧固定在发电箱体顶部；
所述横向洋流能发电组件包括圆柱形壳体、螺旋桨和转轴，所述壳体水平放置、位于所述发电箱体的正下方，且壳体的外表面与连接轴的下端部固定相连，所述转轴位于壳体的轴线位置、且通过转动部件安装在所述壳体两个端面上的通孔内，所述螺旋桨中心位置处设有六角插孔，转轴的端部设有六角插头，所述螺旋桨通过六角插孔和六角插头的相互配合与转轴卡接在一起，所述壳体内设有若干组发电单元二，所述发电单元二包括均匀分布在转轴同一横截面上的若干个凸轮以及固定端固定在壳体内壁上、自由端与凸轮交叉分布的压电悬臂梁，螺旋桨带动转轴转动时，凸轮与压电悬臂梁的自由端相接触。
进一步，所述压电悬臂梁为金属层-压电陶瓷层-金属层构成的矩形结构。
进一步，所述塑料浮壳上表面为斜面。
进一步，所述塑料浮壳上表面固定有太阳能电池板。
进一步，所述转动部件包括设置在通孔内壁上的圆形凹槽和置于所述凹槽内的滚珠。
本发明还提供一种海上灯塔供电系统，包括上述压电式波浪能发电装置、太阳能光伏发电装置、风力发电装置和发电中枢，所述压电式波浪能发电装置通过稳压整流器、太阳能光伏发电装置通过逆变器、风力发电装置通过稳压整流器将各自获得的电能输送给发电中枢，由发电中枢向负载供电。
进一步，所述大点中枢包括变压输出电路及电量控制电路；其中，变压输出电路将获得的交流电进行控制和调节，将其转化为适合负载或蓄电池使用的电流；所述电量控制电路对发电中枢的电能进行电流判断，从而调整对负载的供电方式。
进一步，若电量控制电路判断发电中枢发电过剩，则发电中枢一方面将电能输送给负载，另一方面，将剩余的电能通过交流整理器和变压器将交流电转化为直流电，然后输送给蓄电池组储存；若电量控制电路判断发电中枢发电不足时，则发电中枢一方面将全部电能传输给负载，另一方面，蓄电池通过逆变器将存储的直流电转化为交流电输送给发电中枢，由发电中枢传输给负载。
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供的压电式波浪能发电装置，纵向波浪能发电组件利用横向洋流能发电组件作为悬浮体进行纵向发电，同时，横向洋流能发电组件将横向洋流的冲击力转化成电能，充分利用自然环境进行发电，结构巧妙，高效省时，比机械式、液压式及空气式波能发电方式更为简单可靠，提高发电机使用年限。同时，本发明提供的海上灯塔发电系统，通过电压式波浪能发电装置、太阳能光伏发电装置和风力发电装置互补地进行发电，提高了能源输出的效率和稳定性，在保证同样供电的情况下，可大大减少储能设备的容量，从而降低了对灯塔的投资；另外，该系统也实现了灯塔的无人供电，减轻了劳动力，同时高效地利用了可再生能源，绿色环保。
附图说明
图1本发明之压电式波浪能发电装置结构示意图；
图2本发明图1中沿A-A线剖视示意图；
图3本发明图1中沿B-B线剖视示意图；
图4本发明之横向洋流能发电组件俯视示意图；
图5本发明之纵向波浪能发电组件工作过程示意图；
图6本发明之海上灯塔供电系统示意图；
图7本发明之海上灯塔供电系统组成框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种压电式波浪能发电装置，其特征在于：包括纵向波浪能发电组件1、横向洋流能发电组件2以及连接轴3；
如图2-3所示，所述纵向波浪能发电组件包括发电箱体11和塑料浮壳12，所述塑料浮壳12与所述发电箱体11一体成型、置于所述发电箱体11的两侧，且所述塑料浮壳12的上表面所在水平面低于所述发电箱体11上表面所在的水平面，所述发电箱体11内设有若干组横向排列的发电单元一，若干组发电单元一固定在置于发电箱体内部的固定部件13上；所述发电单元一包括用于连接纵向波浪能发电组件和横向洋流能发电组件的连接轴3、固定在连接轴3上且均匀分布的若干个凸轮14、以及通过导线串联的若干个压电悬臂梁15，所述压电悬臂梁15分为两列，每列层数相等，各列层数相同的压电悬臂梁交错分布在所述连接轴3的两侧，凸轮14位于相邻的两个压电悬臂梁15之间，且两排压电悬臂梁15自由端之间的水平距离小于凸轮14的直径，所述连接轴3的顶部通过弹簧16固定在发电箱体11顶部。
如图4所示，所述横向洋流能发电组件2包括圆柱形壳体21、螺旋桨22和转轴23，所述壳体21水平放置、位于所述发电箱体11的正下方，且壳体21的外表面与连接轴3的下端部固定相连，所述转轴23位于壳体21的轴线位置、且通过转动部件安装在所述壳体21两个端面上的通孔内，所述转动部件包括设置在通孔内壁上的圆形凹槽和置于所述凹槽内的滚珠，所述螺旋桨22中心位置处设有六角插孔，转轴23的端部设有六角插头，所述螺旋桨22通过六角插孔和六角插头的相互配合与转轴23卡接在一起，所述壳体21内设有若干组发电单元二，所述发电单元二包括均匀分布在转轴同一横截面上的若干个凸轮14以及固定端固定在壳体21内壁上、自由端与凸轮14交叉分布的压电悬臂梁15，螺旋桨22带动转轴23转动时，凸轮14与压电悬臂梁25的自由端相接触。
所述塑料浮壳12上表面为斜面，所述塑料浮壳12上表面固定有太阳能电池板4作为太阳能光伏发电装置，在发电箱体11上也可以设置太阳能电池板作为太阳能光伏发电装置。
如图5所示，所述压电悬臂梁15为金属层151-压电陶瓷层-金属层151构成的矩形结构，其中压电悬臂梁的金属层既可以充当电极使用，也可以保护压电陶瓷，延长使用寿命，但金属层需具有导电功能。
本发明将波浪能和横向洋流能转换为电能的过程为：如图4所示，横向洋流能发电组件随着波浪产生上下运动，发电箱体内的凸轮随着连接轴上下运动，从而凸轮与压电悬臂梁的自由端产生相对运动，两者之间相互挤压，使得压电悬臂梁发生形变，从而在压电悬臂梁的上下两个表面产生极化电荷，再通过压电悬臂梁中的金属电极将电荷通过导线输出，从而完成利用纵向波浪能进行发电的过程；与此同时，螺旋桨在横向洋流的冲击下旋转，螺旋桨带动转轴转动，因此，固定在转轴上的凸轮也进行旋转，旋转的凸轮与固定在壳体内的压电悬臂梁的自由端相互挤压，使得压电悬臂梁的自由端发生形变，在压电悬臂梁的上下两个表面产生极化电荷再通过压电悬臂梁中的金属电极将电荷通过导线输出，从而完成利用横向洋流能进行发电的过程。
如图6-7所示，本发明还提供一种海上灯塔供电系统，包括上述压电式波浪能发电装置、太阳能光伏发电装置4、风力发电装置5和发电中枢，所述压电式波浪能发电装置通过稳压整流器、太阳能光伏发电装置通过逆变器、风力发电装置通过稳压整流器将各自获得的电能输送给发电中枢，由发电中枢向负载供电。
所述大点中枢包括变压输出电路及电量控制电路；其中，变压输出电路将获得的交流电进行控制和调节，将其转化为适合负载或蓄电池使用的电流；
所述电量控制电路对发电中枢的电能进行电流判断，从而调整对负载的供电方式，具体过程为：若电量控制电路判断发电中枢发电过剩，则发电中枢一方面将电能输送给负载，另一方面，将剩余的电能通过交流整理器和变压器将交流电转化为直流电，然后输送给蓄电池组储存；若电量控制电路判断发电中枢发电不足时，则发电中枢一方面将全部电能传输给负载，另一方面，蓄电池通过逆变器将存储的直流电转化为交流电输送给发电中枢，由发电中枢传输给负载。
实施例
在灯塔上应用该供电系统，需要对灯塔所在地理位置的多年水文信息、气象信息及用电情况进行充分的调研及设计，最后确定供电系统建设方案，包括：风力发电装置、太阳能光伏发电装置及压电式波浪能发电装置的数量及安装位置、蓄电池及厂房的规模等。
表1能量自给型海上灯塔设备用电统计
序号 负载荷载 功率/W 平均工作时长/h
1 航标灯 1000 10(夜长)
2 安全指示灯 500 10(夜长)
3 IMA-70W灯器 ≤120 10(夜长)
4 雾情探测仪 50 24
5 备用ML-300 36 -
6 无线电设备 150 24
7 无线电指向标 160 24
8 照明 200 5
9 监控设备 50 24
10 非有关人闯入探测器 50 24
11 气象设备 700 5
12 火警探测器 50 24
为了便于理解本发明，下面结合实例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
1.负载统计
能量自给型海上灯塔设备用电统计如表1所示。
从表1统计的用电情况可知能量自给型海上灯塔设备用电一天、一个月和一年的总量分别为：
W天＝P×t＝32.940kW·h
W月＝W天×30天＝988.2kW·h
W年＝W天×365天＝12 023.1kW·h
2.发电计算
估算风力发电装置发电量较为简便的方法是对照最大风速和平均风速表，现把风力的等级分为以下四种并依照功率表计算如下：
当风速为4～6m/s，全年按120天计算：
W1＝P×t＝0.05k W×24h×120天＝144kW·h
当风速为8～12m/s，全年按120天计算：
W2＝P×t＝0.105k W×24h×120天＝302.4kW·h
当风速为13～20m/s，全年按60天计算：
W3＝P×t＝0.45k W×24h×60天＝648kW·h
当风速为20m/s以上，全年按60天计算：
W4＝P×t＝0.75k W×24h×60天＝1080kW·h
全年共产生电能：
W＝W1+W2+W3+W4＝144+302.4+648+1 080＝2174.4kW·h
全年波浪能分布与全年风能分布类似，每个此种压电式波浪能发电机的全年平均功率为48.97W。
选择日照时数2371h计算太阳能电池板的最小峰瓦数。根据市场成品情况选用常见的每块平均功率为160W的单块电池组，尺寸为992mm*1288mm*35mm。
由于太阳电池组合板发出的电能需要经过逆变器、波浪能和风能发电机需要经过稳压整流电路和变压输出电路才能提供给负载，这些设备会消耗一部分电能，所以这一部分功率需要增加太阳能电池板和波浪能发电机来平衡。按照逆变器取0.90、稳压整流电路取0.95、变压输出电路取0.95计算，则总效率为：
0.90×0.95×0.95＝0.81225
已知风力发电机全年发电量和全年负载用电量，计算每年所需太阳能和波浪能发电量为：
12 023.1kW·h-2 174.4kW·h*0.95*0.95＝10060.7kW·h
故太阳能电池板和波浪能发电机最小发电量为：
100600.7kW·h/0.81225＝12386.21kW·h
由于太阳能电池板固定在压电式波浪能发电机的顶部，所以太阳能电池板的数量与压电式波浪能发电机的数量相等，总数为N：
N＝12386.21/(0.16*2371+24*365*0.4897)＝15.9
由此可确定需16路并联组成发电系统。
由于波浪能、光能和风能的不均匀性，必须充分考虑不同季节和不同月份波浪能、光能和风能对供电系统的影响。这就要求在系统配置时必须适当增加波浪能发电机和太阳能光伏电池板的数量。现增加3组压电式波浪能发装置和太阳能光伏发电装置，确定需19路发电装置并联组成发电系统。
由于蓄电池也是组成对负载供电系统的一部分，蓄电池在系统发电量过剩时储存不能被负载使用的多余电能。在系统发电量不足时，蓄电池可向负载提供电能，因此只有当系统发电量不足，并且蓄电池放电也超出限定放电深度时，系统才处于亏电状态。因此蓄电池的最大容量应为全年平均发电量和全年平均用电量的差值，即：
(778.96*3+12386.21)*0.81225+2174.4*0.95*0.95-21023.1＝1865.0
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种压电式波浪能发电装置，其特征在于：包括纵向波浪能发电组件、横向洋流能发电组件以及连接轴；
所述纵向波浪能发电组件包括发电箱体和塑料浮壳，所述塑料浮壳与所述发电箱体一体成型、置于所述发电箱体的两侧，且所述塑料浮壳的上表面所在水平面低于所述发电箱体上表面所在的水平面，所述发电箱体内设有若干组横向排列的发电单元一，若干组发电单元一固定在置于发电箱体内部的固定部件上；所述发电单元一包括用于连接纵向波浪能发电组件和横向洋流能发电组件的连接轴、固定在连接轴上且均匀分布的若干个凸轮、以及通过导线串联的若干个压电悬臂梁，所述压电悬臂梁分为左右两列，每列层数相等，各列层数相同的压电悬臂梁交错分布在所述连接轴的两侧，凸轮位于层数相同的两个压电悬臂梁之间，且两列压电悬臂梁自由端之间的水平距离小于凸轮的直径，所述连接轴的顶部通过弹簧固定在发电箱体顶部；
所述横向洋流能发电组件包括圆柱形壳体、螺旋桨和转轴，所述壳体水平放置、位于所述发电箱体的正下方，且壳体的外表面与连接轴的下端部固定相连，所述转轴位于壳体的轴线位置、且通过转动部件安装在所述壳体两个端面上的通孔内，所述螺旋桨中心位置处设有六角插孔，转轴的端部设有六角插头，所述螺旋桨通过六角插孔和六角插头的相互配合与转轴卡接在一起，所述壳体内设有若干组发电单元二，所述发电单元二包括均匀分布在转轴同一横截面上的若干个凸轮以及固定端固定在壳体内壁上、自由端与凸轮交叉分布的压电悬臂梁，螺旋桨带动转轴转动时，凸轮与压电悬臂梁的自由端相接触。
2.根据权利要求1所述的压电式波浪能发电装置，其特征在于：所述压电悬臂梁为金属层-压电陶瓷层-金属层叠构成的矩形结构。
3.根据权利要求1所述的压电式波浪能发电装置，其特征在于：所述塑料浮壳上表面为斜面。
4.根据权利要求3所述的压电式波浪能发电装置，其特征在于：所述塑料浮壳上表面固定有太阳能电池板。
5.根据权利要求1所述的压电式波浪能发电装置，其特征在于：所述转动部件包括设置在通孔内壁上的圆形凹槽和置于所述凹槽内的滚珠。
6.一种海上灯塔供电系统，其特征在于：包括权利要求1-5任一项所述压电式波浪能发电装置、太阳能光伏发电装置、风力发电装置和发电中枢，所述压电式波浪能发电装置通过稳压整流器、太阳能光伏发电装置通过逆变器、风力发电装置通过稳压整流器将各自获得的电能输送给发电中枢，由发电中枢向负载供电。
7.根据权利要求6所述的海上灯塔供电系统，其特征在于：所述大点中枢包括变压输出电路及电量控制电路；其中，变压输出电路将获得的交流电进行控制和调节，将其转化为适合负载或蓄电池使用的电流；所述电量控制电路对发电中枢的电能进行电流判断，从而调整对负载的供电方式。
8.根据权利要求7所述的海上灯塔供电系统，其特征在于：若电量控制电路判断发电中枢发电过剩，则发电中枢一方面将电能输送给负载，另一方面，将剩余的电能通过交流整理器和变压器将交流电转化为直流电，然后输送给蓄电池组储存；若电量控制电路判断发电中枢发电不足时，则发电中枢一方面将全部电能传输给负载，另一方面，蓄电池通过逆变器将存储的直流电转化为交流电输送给发电中枢，由发电中枢传输给负载。
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