CN107061121B - 一种利用海洋波浪能的发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用海洋波浪能的发电装置包括布设在大堤上的压电俘能装置,所述压电俘能装置包括压电结构单元,所述压电结构单元包括拱形铜板,所述压电结构单元的内部安装有多个压电膜,所述压电俘能装置的两端通过连杆固定在滑轨上,所述压电俘能装置经过导线连接至电源控制装置从而输出电能。利用本发明的装置,既可以减轻波浪对大堤的损害,延长寿命,又可以获得自发的电能供给,减小能源的浪费,获得巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及利用海洋波浪能的发电装置。
背景技术
随着我国经济的发展和人们生活水平的快速提高,用电紧缺现象日益凸显。而我国大陆拥有世界上最长的海岸线,全长约18000公里,另有岛岸1.4万余公里。万里海岸及岛岸线蕴藏着巨大的波浪能,经初步估计,其理论储量在7000万kW左右,具有十分广阔的开发和应用前景。海洋波浪能相比于其他能量还具有生态环保、经济等优点,如能将其有效利用,将会在我国乃至全世界起到至关重要的作用。
以大堤为例,我国的大堤每天承受波浪不间断的冲击,这些冲击最终会造成对大堤的损害,缩短大堤的使用寿命,在狂风暴雨等恶劣天气情况下尤其明显。尽管单次波浪荷载作用的能量对大堤的损害一般来说微乎其微,但是考虑到我国绵长的海岸及岛岸堤坝,维护费用十分巨大。据统计,大堤一般20~30年左右就得加固,大堤上巨大的波浪荷载所产生的能量除了增加对大堤的损耗之外,没有能够得到有效的利用和转化,实际上是一种巨大的能源浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用海洋波浪能的发电装置,能够利用波浪对大堤造成的应力载荷进行发电,通过结构的设计提高利用波浪的能量利用效率。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是: 一种利用海洋波浪能的发电装置,包括布设在大堤上的压电俘能装置以及电源控制装置,所述压电俘能装置包括压电结构单元,所述压电结构单元包括被弯曲成拱形并能够在一定范围内弯曲形变的刚性有机材料板,所述压电结构单元的内部安装有多个能够随刚性有机材料板的弯曲形变而伸缩的PVDF压电膜,所述压电俘能装置经过导线连接至电源控制装置从而输出电能。
两块刚性有机材料板的上下两端面均密封覆盖有用于防水的柔性有机材料膜,使得两块刚性有机材料板所包围的区域形成一个密封防水的空间。
PVDF压电膜平行布置在压电结构单元的内部,PVDF压电膜的两端通过固定装置固定在刚性有机材料板的内表面上。
所述刚性有机材料板沿垂直于波浪冲击方向拱起一定高度。
多个PVDF压电膜的两侧边通过压条以螺栓固定在刚性有机材料板拱起的内表面上,多个PVDF压电膜沿拱形由内而外长度依次递增,每个PVDF压电膜上均设有用于导出电能的导线,导线可以被包覆在柔性有机材料膜之内,防海水侵蚀。
每个压电结构单元均包括两个正反向成对设置的刚性有机材料板,这两个刚性有机材料板分别向外拱起,可以同时承受来自两个方向的海浪冲击力,且两侧边通过轴承连接,形成一个压电结构单元,多个压电结构单元依次相连,形成整体的压电俘能结构,相邻压电结构单元之间共用一根轴承。
所述压电俘能装置安装在浮箱上,浮箱包括上下两根横向连接杆,两根横向连接杆平行设置且其两端分别固定连接在纵向连接杆上,纵向连接杆通过纵向滑轮及纵向滑轮支架可滑动地安装在浮箱框架上,浮箱框架架设在大堤堤面上,压电俘能装置的上表面始终与水面齐平。滑轮可以很好地抵抗波浪的往复运动,所述横向滑轨两端通过滑轮嵌套在俘能装置固定框架上的竖向滑轨上,配合密闭的发电装置单元组提供的浮力,可以使压电俘能装置随水面高度自动升降,保持最优的俘电效率;所述压电俘能装置通过导线连接至电源控制装置从而输出电能。
压电结构单元的轴承两端设有固定连接支架,该固定连接支架的端部设有横向滑轮,固定连接支架套设在横向连接杆上,其上的横向滑轮能够沿横向连接杆上的横向滑轨滑动;横向滑轨的两端设有橡胶弹簧,橡胶弹簧的一端分别固定在横向滑轨的轨道端部。
每个压电俘能单元中PVDF压电膜的导线汇总并从朝上的一侧延伸至浮箱上方从而连接至电源控制装置,在确保压电俘能装置始终处于海平面上的情况下,可以确保导线输出以及电源控制装置不会受到海水侵蚀。
所述电源控制装置包括压电检测装置、稳压整流装置、电能存储设备和变压输出装置,压电俘能装置通过压电检测装置检测后连接至稳压整流装置,稳压整流装置通过变压输出装置连接用电设备,在满足用电设备供电的情况下,稳压整流装置将多余电能传输至电能存储设备进行存储。用电设备可以包括大堤旁的公用照明设备、家用电器设备、监测设备及公共广播设备等。
本发明的有益效果是:本发明根据大堤的特性,在其外侧安装了采集海洋波浪能的压电俘能装置,利用压电材料自身的压电效应将波浪荷载产生的机械能转化为电能,并进行收集和利用,为大堤旁的公用照明设备、家用电器设备、监测设备及公共广播设备等提供绿色能源,将原先完全处于浪费状态的这部分损耗性能量转化为可循环持续使用的能源,变废为宝; 本发明的压电俘能装置能够随着海水的波动上下浮动,确保整个装置能够始终处于海浪最为丰富的海平面上,最大程度地承受海浪冲击和收集海浪冲击所产生的形变从而产生电能,是一种高效的发电方式。利用本发明的装置,既可以减轻波浪对大堤的损害,延长寿命,又可以获得自发的电能供给,减少能源的浪费,获得巨大的经济效益。
附图说明
图1为压电俘能装置的俯视示意图。
图2为压电俘能装置的立体结构示意图。
图3为压电俘能装置的局部图,示出了横向滑轮和横向滑轨的结构。
图4为压电俘能装置的局部图,示出了橡胶弹簧的结构。
图5为压电俘能装置的局部图,示出了压电俘能装置中轴承的结构。
图6为压电俘能装置的局部图,示出了压电膜的排列及螺栓的布置。
图7为压电俘能装置的主视示意图。
图8为电源控制装置示意图。
具体实施方式
参照附图。
本发明的利用大堤上波浪能的发电装置包括至少一个布设在大堤上的压电俘能装置1,压电俘能装置l架设在大堤面向波浪冲击的一侧,且俘能装置垂直于波浪冲击方向。压电俘能装置的刚性有机材料板3直接与波浪荷载相接触,承受波浪荷载冲击力的作用,将压电俘能装置l部分浸入水面下方,能够最大程度地利用海洋波浪能进行发电。
压电俘能装置包括一个或多个压电结构单元2,压电结构单元2可拆卸地排列在压电俘能装置1内,压电俘能装置1可以根据大堤处波浪能的大小的决定铺设面积,以适应不同环境下的大堤,在本实施例中,压电俘能装置在沿堤坝上设置五个压电结构单元2,压电结构单元2排列方向垂直于波浪冲击方向。为了安装的方便,单个压电结构单元的尺寸约为200cm×100cm,压电俘能装置1的总尺寸约为600cm×200cm×60cm,压电结构单元2可拆卸地整齐排列在压电俘能装置1中。这样,压电俘能装置1拆卸方便,便于检修,若发现有局部损坏,只需更换所对应的压电结构单元2即可。
压电结构单元2包括刚性有机材料板3,为了将变形放大,将刚性有机材料板做成拱形,拱起方向垂直于波浪冲击方向,使其能够最大程度地受力。
压电结构单元2的内部安装有多个PVDF压电膜4,压电膜4的厚度在1-2mm,压电膜4呈层叠式地平行排列在压电结构单元2内部,层叠式的压电膜4通过绝缘导线串联,串联后的压电膜4通过导线汇总连接。压电膜4长边尺寸保持不变,短边尺寸由中间向两侧递减,将中间的压电膜4的尺寸定为200cm×100cm,其中压电膜4的短边垂直于拱轴线方向,长边沿着拱轴线方向,这样不仅可以有效地固定压电膜4,而且可以最大程度地利用波浪荷载将机械能转化成为电能。在压电膜4的两侧用螺栓5将其固定。当波浪冲向大堤即波浪荷载作用在压电俘能装置1上时,压电结构单元2和刚性有机材料板3就会发生变形,安装在刚性有机材料板3内部的压电膜4便可以将变形的能量收集起来,转化成为电流,产生电能。
两块刚性有机材料板3的上下两端面均密封覆盖有用于防水的柔性有机材料膜19,使得两块刚性有机材料板3所包围的区域形成一个密封防水的空间,压电膜4及所引出的导线在其中能够被与海水隔离,同时由于形成了一个密封的空间,还能够为整个装置提供浮力。
压电俘能装置1安装在浮箱18上,浮箱18包括上下两根横向连接杆9,两根横向连接杆9平行设置且其两端分别固定连接在纵向连接杆20上,纵向连接杆20通过纵向滑轮及纵向滑轮支架21可滑动地安装在浮箱框架22上,浮箱框架22架设在大堤堤面上,在设计时,根据设计的压电俘能装置布置的海水条件计算出浮箱及压电俘能装置的总重量,确保总重量≈该区域的海水浮力,使得压电俘能装置的上表面恰好能够与水面齐平。
至于刚性有机材料板3的连接条件,在刚性有机材料板3两端的连接部位设置铰支,在相邻的刚性有机材料板3之间采用直径为2cm的轴承6连接,轴承6两端各自通过连杆7嵌套横向滑轮8,横向滑轮8的直径为5cm,这样就可以使得多个压电结构单元2可以连成一个整体,共同组成一个压电俘能装置1。多个压电结构单元2能够在压电俘能装置1中联动,当一个压电结构单元2承受压力时,通过轴承6连接,可以带动相邻的压电结构单元2振动甚至形变,从而在整个压电俘能装置1中进行受力振动和形变传递,由于联动的振动和形变始终处于传递之中,因此这种结构又能够避免压电俘能装置1中的各个压电结构单元2产生共振,防止变形和振动过量损害本发明的装置本身甚至危及防波提安全。当波浪荷载施加在压电俘能装置1上面时,刚性有机材料板3会发生变形,从而导致横向滑轮8发生滑动,为了避免横向滑轮8偏离预先的轨迹线滑动或者滑移过多等情况,在横向滑轮8周围设置一个用于横向滑轮8滑动的横向滑轨9,横向滑轨9的长度比压电俘能装置l长度稍长,横向滑轨9的高度设为10cm。因此,整个压电俘能装置1的总高度为200cm,确保不影响任何现有大堤的正常功能。
为了避免整个压电俘能装置1发生滑动产生冲击力,影响装置本身的安全,在压电俘能装置1所有压电结构单元最外侧的两端分别设置一个橡胶弹簧10,橡胶弹簧10的高度与横向滑轨9的高度一致,橡胶弹簧10的长度为30cm,以为压电俘能装置1提供足够的形变滑动空间为限,橡胶弹簧10还能够起到防止滑动和形变过量的作用。橡胶弹簧10固定在横向滑轨9两端的轨道内。这样可以减小由于压电俘能装置1的滑动引起的冲击力,增加整个装置的稳定性。
压电俘能装置1经过导线连接到电源控制装置11。压电俘能装置1中的PVDF压电膜4上用于导出电能的导线从压电俘能装置1上方引出,连接至电源控制装置11,电源控制装置11布置在浮箱18上方,确保不会浸入海水中,电源控制装置11与用电设备13连接,并向用电设备13供电,从而达到利用海洋波浪能发电的效果。用电设备13可以是大堤上的照明灯、广播设备、监控系统等等,这样可以做到可持续发展,生态环保、经济节约。
电源控制装置11包括压电检测装置14、稳压整流装置15、电能存储设备16以及变压输出装置17,其中变压输出装置17与用电设备13连接,压电检测装置14可以采用通常的通电检测设备,主要用于检测压电俘能装置1的发电情况,例如是否有电流输出以及电流流量的大小,从而明确本发明的发电装置是否正常工作;稳压整流装置15可以采用通常的稳压整流电路,对压电俘能装置1产生的电能进行稳压整流,电能存储设备16可以采用一定容量的蓄电装置,例如白天不需要照明用电的情况下,可以将多余的电能存储起来,已备发电量不足时使用,变压输出装置17可以采用通常的变压器,用于与用电设备13的额定电压匹配。
Claims (5)
1.一种利用海洋波浪能的发电装置,其特征在于:所述发电装置包括布设在大堤上的压电俘能装置以及电源控制装置,所述压电俘能装置包括压电结构单元,所述压电结构单元包括被弯曲成拱形并能够在一定范围内弯曲形变的刚性有机材料板,所述压电结构单元的内部安装有多个能够随刚性有机材料板的弯曲形变而伸缩的PVDF压电膜,所述压电俘能装置经过导线连接至电源控制装置从而输出电能,所述PVDF压电膜平行布置在压电结构单元的内部,PVDF压电膜的两端通过固定装置固定在刚性有机材料板的内表面上,所述刚性有机材料板沿垂直于波浪冲击方向拱起一定高度,多个PVDF压电膜的两侧边通过压条以螺栓固定在刚性有机材料板拱起的内表面上,多个PVDF压电膜沿拱形由内而外长度依次递增,多个PVDF压电膜上均设有用于导出电能的导线,所述压电俘能装置安装在浮箱上,浮箱包括上下两根横向连接杆,两根横向连接杆平行设置且其两端分别固定连接在纵向连接杆上,纵向连接杆通过纵向滑轮及纵向滑轮支架可滑动地安装在浮箱框架上,浮箱框架架设在大堤堤面上,压电俘能装置的上表面始终与水面齐平,所述压电结构单元的轴承两端设有固定连接支架,该固定连接支架的端部设有横向滑轮,固定连接支架套设在横向连接杆上,其上的横向滑轮能够沿横向连接杆上的横向滑轨滑动;横向滑轨的两端设有橡胶弹簧,橡胶弹簧的一端分别固定在横向滑轨的轨道端部。
2.如权利要求1所述的一种利用海洋波浪能的发电装置,其特征在于:多个压电结构单元均包括两块正反向成对设置的刚性有机材料板,这两个刚性有机材料板分别向外拱起,且两侧边通过轴承连接,多个压电结构单元依次相连,相邻压电结构单元之间共用一根轴承。
3.如权利要求2所述的一种利用海洋波浪能的发电装置,其特征在于:两块刚性有机材料板的上下两端面均密封覆盖有用于防水的柔性有机材料膜,使得两块刚性有机材料板所包围的区域形成一个密封防水的空间。
4.如权利要求3所述的一种利用海洋波浪能的发电装置,其特征在于:多个压电俘能单元中PVDF压电膜的导线汇总并从朝上的一侧延伸至浮箱上方从而连接至电源控制装置。
5.如权利要求1所述的一种利用海洋波浪能的发电装置,其特征在于:所述电源控制装置包括压电检测装置、稳压整流装置、电能存储设备和变压输出装置,压电俘能装置通过压电检测装置检测后连接至稳压整流装置,稳压整流装置通过变压输出装置连接用电设备,在满足用电设备供电的情况下,稳压整流装置将多余电能传输至电能存储设备进行存储。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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