CN107218171A - 一种波浪能收集装置 - Google Patents

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Abstract

本申请的一种波浪能收集装置，包括机架、设置于机架上的能够随波浪运动而绕转轴左右摆动的摆动机构、设置与所述的摆动机构相连的齿轮增速机构、设置与所述齿轮增速机构相连并固定在机架上的永磁发电机、设置在所述的摆动机构左右两侧的压电发电装置，所述的压电发电装置包括固定在机架上的弹性梁、贴合在弹性梁上的压电膜。本申请所述的一种波浪能收集装置，收集海洋波浪的低频左右振动能量，摆动机构随波浪的运动而左右摆动，并通过齿轮增速机构转化为永磁发电机转子的高速转动，进行电磁发电，同时摆动机构撞击弹性梁，使压电弹性梁产生高频自由振动，进行压电发电，最终实现波浪能收集装置在封闭狭窄的集成环境下的高功率密度输出和较高的能量转换效率。

Description

一种波浪能收集装置
技术领域
本申请涉及一种波浪能收集装置。
背景技术
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能与势能，属于清洁可再生能源。地球上70％的面积被海水所覆盖，海洋波浪能资源巨大，有着广阔的开发价值。由于人类对能源的需求日益增加与非可再生能源储量有限，如今越来越多的科研工作者将目光投向了海洋波浪能，促进了波浪能的发展研究。目前，绝大多数波浪能转换系统可根据其转换原理，将波浪能收集器分为点吸收式、摆式、筏式、鸭式、振荡水柱式以及收缩波道式。其中点吸收式装置主要利用振荡浮子在波浪力作用下的运动进行波浪能收集，具有转换效率高、投资成本小等特点，是研究最多、最具特色的一种波浪能发电技术。根据发电装置的机理，又可将能量收集器分为电磁型、压电型和电活性聚合物型。其中电磁型能量收集器主要以采用永磁发电机为主，通常多应用于浮标发电系统，压电型和电活性聚合物型属于较新的转换技术，特别是电活性聚合物型发电机的研究方兴未艾。
目前，可集成在海上设备平台内收集波浪能的装置相对较少，大多为点吸收式。现有装置一般可采用电磁发电和压电发电两种类型。电磁发电类型应用最多，大多采用永磁发电机进行电磁发电。当搭载平台受海浪作用上下振动时，搭载平台内的传动机构将搭载平台上下振动的能量转化为旋转机械能并传递永磁发电机，最终永磁发电机发电。如今随着点吸收式波浪能收集器的深入研究发展，传动结构类型大致可分为机械式、液压式、水压式以及直驱式。由于存在传动机构的能量损耗和海洋波浪振动具有频率低的特点，永磁发电机内的输入轴转速较低，使得磁通量的变化率较小，影响了发电输出。压电式波浪能收集装置通常设计成悬臂梁结构，最终将波浪的低频振动转化为悬臂梁的高频振动，从而输出电能。然而，如何设计装置将波浪的低频振动高效地转化为悬臂梁的高频振动是压电式波浪能收集装置的一大难点，制约着压电式波浪能收集装置的发展。因此，压电式波浪能收集装置的研制较少。
由于存在传动机构的能量损耗和海洋中海浪振动具有频率极低的特点,现有的电磁发电类型的能量收集装置的输出功率很大程度上取决于振动频率的高低和传动机构的结构设计。在压电式能量收集装置设计中，如何设计装置将波浪的低频振动高效地转化为悬臂梁的高频振动是其中一难点。
申请内容
为解决上述技术问题，本申请的目的是提供一种波浪能收集装置。
本申请的一种波浪能收集装置，包括机架、设置于机架上的能够随波浪运动而绕转轴左右摆动的摆动机构、设置在所述的摆动机构左右两侧的压电发电装置，所述的压电发电装置包括固定在机架上的弹性梁、贴合在弹性梁上的压电膜。
优选地，所述的摆动机构包括与所述的机架通过转轴相转动连接的摆杆、设置在所述的摆杆下端的用于在摆动时碰撞所述的弹性梁的质量块。
优选地，所述的弹性梁沿上下方向固定设置在机架上，所述的弹性梁的左右两侧粘贴有压电膜，所述的弹性梁具有未被所述的压电膜覆盖的用于与所述的质量块相接触的末端。
优选地，所述的波浪能收集装置还包括将所述的摆动机构的动能转化为电能的电磁发电机。
优选地，所述的波浪能收集装置还包括齿轮增速机构，所述的齿轮增速机构包括相互啮合的用于驱动所述的电磁发电机的输入轴的第一齿轮和固定在所述的摆杆上的第二齿轮，所述的转轴所在的直线经过所述的第二齿轮的圆心位置。
优选地，所述的第一齿轮的角速度大于所述的第二齿轮的角速度。
优选地，所述的摆动机构的两侧的压电发电装置沿摆杆左右对称的设置。
借由上述方案，本申请至少具有以下优点：
本申请所述的一种波浪能收集装置，收集海洋波浪的低频左右振动能量，摆动机构随波浪的运动而左右摆动，同时摆动机构撞击弹性梁，使压电弹性梁的高频自由振动，进行压电发电，实现波浪能的高功率密度输出。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本申请所述的一种波浪能收集装置的结构示意图，
图2为本申请所述的波浪能收集装置安装在搭载平台内的结构示意图，
其中：1、机架；21、弹性梁；22、压电膜；3、电磁发电机；31、第一齿轮；41、质量块；42、摆杆；43、转轴；44、第二齿轮；100、波浪能收集装置；200、搭载平台
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请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申请，但不用来限制本申请的范围。
参见图1和图2，本申请一较佳实施例所述的一种波浪能收集装置，包括机架1、设置于机架1上的能够随波浪运动而绕转轴43左右摆动的摆动机构、设置在所述的摆动机构左右两侧的压电发电装置，所述的压电发电装置包括固定在机架1上的弹性梁21、贴合在弹性梁21上的压电膜22，所述的弹性梁21沿上下方向并相对摆杆左右对称的设置在机架1上，所述的弹性梁21的左右两侧粘贴有压电膜22。所述的摆动机构包括与所述的机架1通过转轴43相转动连接的摆杆42、设置在所述的摆杆42下端的用于在摆动时碰撞所述的弹性梁21的质量块41。所述的弹性梁21具有未被所述的压电膜22覆盖的用于与所述的质量块41相接触的末端。
所述的波浪能收集装置还包括将所述的摆动机构的动能转化为电能的电磁发电机3。所述的波浪能收集装置还包括齿轮增速机构，所述的齿轮增速机构包括相互啮合的用于驱动所述的电磁发电机3的输入轴的第一齿轮31和固定在所述的摆杆42上的第二齿轮44，所述的转轴43所在的直线经过所述的第二齿轮44的圆心位置。所述的第一齿轮31的角速度大于所述的第二齿轮44的角速度。
摆动机构在随波浪运动而左右摆动时，收集海洋波浪的低频左右振动能量，转化为电机转子的高速转动和压电弹性梁21的高频自由振动，进而同时进行电磁发电和压电发电，简化了装置的传动机构，最终实现波浪能的高功率密度输出和较高的能量转换效率。
本申请的工作原理如下：
本申请所述的波浪能收集装置通常可以安装在搭载平台内部，搭载平台可以是海上的浮标、航行器等设备。在海浪振动作用下，搭载平台随之左右摆动，摆杆42围绕回转轴43摆动，通过齿轮增速机构带动电磁发电机3转动，使得电磁发电机3获得更高转速，并输出电能；同时，摆杆42摆动时，摆杆42末端的质量块41将会与左右两侧的弹性梁21末端接触，使弹性梁21产生挠曲变形，积累弹性势能，再与弹性梁21分离，使得弹性梁21产生高频率的自由振动，弹性梁21上的压电膜22按相应频率伸长和压缩，通过压电效应产生电动势，以较高效率输出电能。本装置同时利用电磁发电和压电发电模块，高效率地将波浪左右振动的能量间接转化为电能。
在本申请中，可以根据波浪振动的频率，振幅等条件，通过改变质量块41的质量，摆杆42的长度和齿轮增速机构，来实现工作性能的优化。也可以通过改变第一齿轮31和第二齿轮44的齿轮数，增加电磁发电机3的转速。弹性梁21的基体采用有一定弹性的材料(如硅基、金属基、聚合物基等)，基体上表面附着压电材料膜。在摆杆42往复摆动时，摆杆42末端的质量块41撞击弹性梁21的自由末端，使弹性梁21产生挠曲变形，积累弹性势能。根据压电材料的压电特性，施加外力的频率对压电材料输出电能的效率有直接影响。可以根据压电膜22材料压电特性设计压电弹性梁21，使其的自由振动频率满足压电膜22的高效率压电电能输出。在摆杆42往复摆动过程中，质量块41依次与左右两侧的弹性梁21产生接触-分离运动，进而不断有电能输出。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，并不用于限制本申请，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的波浪能收集装置包括机架、设置于机架上的能够随波浪运动而绕转轴左右摆动的摆动机构、设置在所述的摆动机构左右两侧的压电发电装置，所述的压电发电装置包括固定在机架上的弹性梁、贴合在弹性梁上的压电膜。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的摆动机构包括与所述的机架通过转轴相转动连接的摆杆、设置在所述的摆杆下端的用于在摆动时碰撞所述的弹性梁的质量块。
3.根据权利要求2所述的一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的弹性梁沿上下方向固定设置在机架上，所述的弹性梁的左右两侧粘贴有压电膜，所述的弹性梁具有未被所述的压电膜覆盖的用于与所述的质量块相接触的末端。
4.根据权利要求2所述的一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的波浪能收集装置还包括将所述的摆动机构的动能转化为电能的电磁发电机。
5.根据权利要求4所述的一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的波浪能收集装置还包括齿轮增速机构，所述的齿轮增速机构包括相互啮合的用于驱动所述的电磁发电机的输入轴的第一齿轮和固定在所述的摆杆上的第二齿轮，所述的转轴所在的直线经过所述的第二齿轮的圆心位置。
6.根据权利要求5所述的一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的第一齿轮的角速度大于所述的第二齿轮的角速度。
7.根据权利要求3所述的一种波浪能收集装置，其特征在于：所述的摆动机构的两侧的压电发电装置沿摆杆左右对称的设置。
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