CN106948997B - 一种复合式波浪能收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合式波浪能收集装置，包括：能够与海上搭载平台配合安装的机架，所述机架上设有受海浪作用能够往复摆动的摆杆、均匀分布在摆杆摆动的圆弧上的多个压电弹性梁、由摆杆摆动带动的电磁发电机，所述摆杆朝向各所述压电弹性梁的端部上设有质量块，所述质量块上设有能够部分与各所述压电弹性梁端部重叠、随所述摆杆摆动时拨动压电弹性梁、用于撞击压电弹性梁使其产生高频自由振动的拨片。本发明采用电磁和压电复合发电，可将极低频率的海浪振动转化为电磁发电机的高速旋转和压电弹性梁的高频振动实现高功率密度输出和较高的能量转换效率，即本发明能够充分利用和收集波浪能。

Description

一种复合式波浪能收集装置
技术领域
本发明涉及一种能量收集装置，具体涉及一种可将波浪产生的能量转换为可供利用的能量的一种复合式波浪能收集装置。
背景技术
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，地球上70％的面积被海水所覆盖，海洋波浪能资源巨大。如今人类对能源的需求不断加大，非可再生能源的储量日益衰减，收集海洋中的波浪能受到了越来越多的重视。
目前，波浪能收集主要有两种类型：一种是能量收集装置直接与海水接触，通过运动的海水直接驱动能量转换装置，人类对这种波浪能收集装置的研究和应用已经有比较多的技术类型，如直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动等；另一种是能量收集装置集成在搭载平台内部，通过收集平台受到波浪作用产生的振动能量，间接地收集波浪能。由于这种间接收集波浪能的装置发展较晚，现有的种类并不多。目前人类为了监测和开发海洋的需要，将这种间接收集波浪能的装置集成在海上监测设备中，如海洋浮标、海上航行器等设备平台上，可为这些设备平台中耗能小的元件供电并可延长设备的使用周期，对海洋的监测和开发具有重要意义，但是目前可集成在海上设备平台内间接收集波浪能的装置相对较少。现有装置一般采用电磁发电和摩擦发电两种类型。电磁发电类型一般采用弹簧振子结构，搭载平台受海浪作用上下振动，使固定在弹簧活动端的磁体产生受迫上下振动，固定在能量收集器上的感应线圈切割磁感线产生电能输出。由于海洋波浪振动具有频率低的特点，这种电磁发电能量收集装置的磁体振动频率低，使得磁通量的变化率较小，影响了发电输出。摩擦式发电类型是通过两种材料的表面相互接触和分离，根据摩擦生电和静电感应的耦合来实现电能输出。一般是在波浪振动产生的外力作用下，通过某种方式，如在平面上自由滚动小球撞击等方式，使两种材料表面产生接触和分离。同样由于海洋中的波浪振动的频率较低的原因，使得摩擦材料表面的接触和分离的频率较低，所以输出的电能也较低。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种能够对波浪能充分利用和收集的复合式波浪能收集装置，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够实现对波浪能的充分利用和收集的电磁-压电复合式波浪能收集装置。
本发明的一种复合式波浪能收集装置，其特征在于：包括能够与海上搭载平台配合安装的机架，所述机架上设有受海浪作用能够往复摆动的摆杆、均匀分布在摆杆摆动的圆弧上的多个压电弹性梁、由摆杆摆动带动的电磁发电机，所述摆杆朝向各所述压电弹性梁的端部上设有质量块，所述质量块上设有能够部分与各所述压电弹性梁端部重叠、随所述摆杆摆动时拨动压电弹性梁、用于撞击压电弹性梁使其产生高频自由振动拨片。
进一步的，还包括使所述摆杆在未受海浪作用状态下保持平衡的扭簧，所述扭簧一端与所述机架连接、另一端与所述摆杆连接。
进一步的，所述机架上垂直设有支架，所述支架上转动连接有带动所述摆杆转动的转轴，所述扭簧套设在所述转轴上。
进一步的，所述转轴上连接有与所述电磁发电机输入轴啮合连接的增速齿轮副。
进一步的，其特征在于：所述机架上还设有安装各所述压电弹性梁的支座。
进一步的，所述压电弹性梁包括弹性梁及附着于所述弹性梁上的压电膜。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明能够将低频振动转化为高速旋转-电磁和高频振动-压电相复合的方式发电，其有效提高输出电能和能量转化效率。
其中：
高速旋转-电磁的实现方式：搭载平台上下振动时，摆杆产生受迫振动，上下往复摆动，并通过增速齿轮副增速，使发电机输入轴获得更高转速，由此输出更高的电能；
高频振动-压电的实现方式：摆杆上下摆动时，摆杆末端拨片不断与压电弹性梁发生接触-分离，使压电弹性梁产生高频率的自由振动，进而使得压电膜按相应频率拉伸和压缩，进而产生更高的输出电能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一种复合式波浪能收集装置的结构示意图；
图2是本发明的摆杆运动示意图；
图3是本发明的扭簧安装示意图；
图4是本发明压电弹性梁结构示意图；
图5是本发明安装在搭载平台中的结构示意图；
图6是本发明压电弹性梁弯曲弹性变形示意图。
其中：
1是机架、2是摆杆、201是回转中心、3是压电弹性梁、301是弹性梁、302是压电膜、4是电磁发电机、5是质量块、501拨片、6是扭簧、7是支架、701是第一支架、702是第二支架、8是转轴、801是第一转轴、802是第二转轴、9是增速齿轮副、10是支座、1001是弧面、11是搭载平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见附图1至6，本发明一较佳实施例所述的一种复合式波浪能收集装置，包括能够与海上搭载平台11配合安装的机架1，所述机架1上设有受海浪作用能够往复摆动的两根相互平行设置的摆杆2，为实现波浪能收集，本设计在以摆杆2的回转中心201为圆心的圆弧上均匀分布设置有多个压电弹性梁3，本设计还包括由摆杆2摆动带动其转动的电磁发电机4，所述压电弹性梁3包括弹性梁301及附着于所述弹性梁上的压电膜302，所述摆杆2朝向各所述压电弹性梁3的端部上设有质量块5，为保证压电弹性梁3能够正常发挥使用，在所述质量块5上设有能够部分与各所述压电弹性梁3端部重叠、随所述摆杆摆动时拨动压电弹性梁且用于撞击压电弹性梁使其产生高频自由振动的拨片501。本设计中所述压电弹性梁的设置形式不受限制如水平均匀设置或径向均匀设置，只要保证所述拨片501能够与所述压电弹性梁3端部有部分重叠且拨片能够撞击压电弹性梁使其产生高频自由振动即可，本实施例优选所述压电弹性梁径向均匀布置。
为保证摆杆2在未受海浪作用状态下能够保持平衡，本发明还设有扭簧6，所述扭簧6的一端与所述机架1连接、另一端与所述摆杆2的端部连接。
所述机架上垂直设有第一支架701，所述第一支架701上铰接有中心为所述摆杆的回转中心的第一转轴801，所述摆杆2刚性连接于所述第一转轴801上，所述扭簧6套设在所述第一转轴801上。所述第一转轴801上连接有与所述电磁发电机4输入轴相啮合的增速齿轮副9，增速齿轮副的增速级数可以根据实际使用时对速度的要求来设定，本实施例选用两次增速，即在所述第一支架701与所述电磁发电机4之间设有支撑增速齿轮的第二支架702和第二转轴802。
所述机架1上还设有安装各所述压电弹性梁3的支座10。
本发明的工作原理如下：
通过调整扭簧6的初始安装位置，使得摆杆2在质量块5重力对回转中心201的力矩和扭簧6扭矩的共同作用下处于水平位置，在使用过程中，本发明的波浪能收集装置安装于搭载平台11内，当搭载平台在海浪的作用下发生上下起伏时，本装置中的机架1随着搭载平台上下振动，摆杆2在质量块5、扭簧6和增速齿轮副9对其产生的力矩的作用下，摆杆2将产生相对于回转中心的往复摆动，即产生受迫振动中的基础激振，通过增速齿轮副9将摆杆2的摆动转换成电磁发电机4输入轴的增速转动，由此电磁发电机4输出更高的电能。
在摆杆2往复摆动时，拨片501撞击压电弹性梁3的自由端，拨片501将会与压电弹性梁3末端接触并挤压，使压电弹性梁3产生挠曲变形，积累弹性势能，直至拨片501与压电弹性梁3的重叠长度变为零，即分离，使得压电弹性梁产生高频自由振动，进而使压电弹性梁3上的压电膜302按相应频率伸长和压缩，通过压电效应产生电动势，将积累的弹性势能转化为电能。在摆杆2往复摆动过程中，拨片501依次与压电弹性梁3阵列中的每个压电弹性梁产生接触-分离，进而不断有电能输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种复合式波浪能收集装置，其特征在于：包括能够与海上搭载平台配合安装的机架，所述机架上设有受海浪作用能够往复摆动的摆杆、均匀分布在摆杆摆动的圆弧上的多个压电弹性梁、由摆杆摆动带动的电磁发电机，所述摆杆朝向各所述压电弹性梁的端部上设有质量块，所述质量块上设有能够部分与各所述压电弹性梁端部重叠、随所述摆杆摆动时拨动压电弹性梁、用于撞击压电弹性梁使其产生高频自由振动的拨片；
还包括使所述摆杆在未受海浪作用状态下保持平衡的扭簧，所述扭簧一端与所述机架连接、另一端与所述摆杆连接；
还包括带动所述摆杆转动的转轴，所述扭簧套设在所述转轴上，所述转轴上连接有与所述电磁发电机输入轴啮合连接的增速齿轮副；
所述机架上垂直设有第一支架，在所述第一支架与所述电磁发电机之间设有第二支架。
2.根据权利要求1所述的一种复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述机架 上还设有安装各所述压电弹性梁的支座。
3.根据权利要求1所述的一种复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述压电弹性梁包括弹性梁及附着于所述弹性梁上的压电膜。
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