CN107222130A - 一种利用波浪能的新型压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋波浪能收集技术领域，具体涉及一种利用波浪能的新型压电发电装置，包括支撑浮体，支撑浮体通过绳索与水底处的系泊装置相连，支撑浮体的顶板上通过弹簧连接有波能采集浮体；波能采集浮体包括外壳，外壳顶板的边缘向外延伸形成延伸边，延伸边的下侧面均匀连接有导向柱，支撑浮体的顶板上对应导向柱设置有通孔，导向柱穿过通孔，并能够沿通孔上下运动，导向柱的末端设置有限位块。该装置制作成本低廉，装配简单，转化效率高，能够满足航标灯等海洋小型用电设备的用电需求，且对于可再生能源的有效利用有着积极地影响。
Description
技术领域
本发明属于海洋波浪能收集技术领域，具体涉及一种利用波浪能的新型压电发电装置。
背景技术
海洋能是人类开始研究较早的能源之一，人们对海洋能的开发从十八世纪末就已经开始，但与其它能源相比，海洋能的开发环境恶劣，发展相对滞后。由于海洋面积占地球总面积的71％，而且海洋能又是清洁的可再生能源，取之不尽、用之不竭，所以各个国家都不断加大对海洋能的探索性投入。随着科学技术的不断发展，许多国家特别是海洋能资源丰富的国家对海洋能开发的大力支持，海洋能的开发已有了突飞猛进的发展，我国从20世纪70年代开始也对海洋能发电进行研究且取得了一定的成绩。
海洋能虽然储量极其丰富，但目前受到收集技术成本昂贵和利用效率低下的制约，波浪能的开发利用一直得不到推广。如果能够得到合理利用，将极大改善我国的能源结构，缓解我国能源短缺问题，保证能源的可持续利用，同时波浪能是清洁无污染的可再生能源，波浪能的合理利用不仅可以解除经济快速发展受资源短缺的制约，也将会极大地改善我们居住的生活环境，提高人们的生活水平。
随着压电技术的发展，压电材料越来越多元化，利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能的转换效率越来越高，进而受到人们的青睐。海洋能作为一种用之不竭且清洁的能源，将压电技术用于海洋能发电方向，设计简单方便的利用海洋能发电的新型压电发电装置，有助于提高海洋能的利用率。
发明内容
本发明提出一种利用海洋能发电的新型压电发电装置，该装置制作成本低廉，装配简单，转化效率高，能够满足航标灯等海洋小型用电设备的用电需求，且对于可再生能源的有效利用有着积极地影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用波浪能的新型压电发电装置，包括支撑浮体，支撑浮体通过绳索与水底处的系泊装置相连，支撑浮体的顶板上通过弹簧连接有波能采集浮体；波能采集浮体包括外壳，外壳顶板的边缘向外延伸形成延伸边，延伸边的下侧面均匀连接有导向柱，支撑浮体的顶板上对应导向柱设置有通孔，导向柱穿过通孔，并能够沿通孔上下运动，导向柱的末端设置有限位块；外壳的内部设置有压电发电装置，压电发电装置包括悬臂梁和圆柱形重物，若干个悬臂梁沿圆柱形重物的周向均匀设置，悬臂梁的一端与圆柱形重物连接，另一端与波能采集浮体侧壁的内侧连接，悬臂梁上设置有柔性压电材料。
进一步地，所述悬臂梁采用压电材料制成，或者悬臂梁的上下表面中至少有一个面上粘贴有柔性压电材料。
进一步地，所述外壳底板的边缘均匀设置有连接弹簧，弹簧的一端与外壳底板的边缘连接，另一端与支撑浮体顶板的上表面连接。
优选地，所述弹簧由耐腐蚀金属材料制成。
优选地，所述支撑浮体采用固体浮力材料制成。
优选地，所述圆柱形重物的材质为纯金属或合金。
优选地，所述外壳为密闭的壳体，由耐腐蚀的金属或有机材料制成。
优选地，所述绳索为锚绳或缆绳，所述系泊装置为单点系泊系统。
本发明的基于压电效应的海洋波浪能发电装置与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的装置转化效率高，能够将波浪的涌动直接转化为压电片的机械运动，这种设计可以减少中间的传动环节，进而提高波浪能到电能的转化效率；
(2)本发明的装置利用率高，海洋各个方向的波浪涌动均能使波能采集浮体上下浮动，进而使悬臂梁与压电材料发生上下摆动，并产生电能，而且本发明的装置可以充分采集海洋各个方向的来波，无论是较强的波浪，还是较弱的海水波动，抑或是洋流的冲击，本发明的装置均能够采集到并将其转化为电能；
(3)本发明的装置结构简单，成本低廉，易于安装，能够广泛使用。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为波能采集浮体及导向柱的结构示意图；
图4为压电发电装置的结构示意图；
上述图中：1-支撑浮体；2-波能采集浮体；21-外壳；22-延伸边；3-导向柱；4-压电发电装置；41-悬臂梁；42-圆柱形重物；5-弹簧。
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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种利用波浪能的新型压电发电装置，包括支撑浮体1，支撑浮体1整体为中空的圆柱形，其侧壁的厚度较大，采用泡沫制成，支撑浮体1为整个装置提供漂浮在海面上的浮力。支撑浮体1的下端通过缆绳与沉于海底的锚相连接，便于将整个装置固定在海域的某个位置，防止随海流飘走。如图1和2所示，支撑浮体1的顶板上通过弹簧连接有波能采集浮体2，波能采集浮体2设置在支撑浮体1顶板的中心位置。波能采集浮体2包括外壳21，外壳21为中空的圆柱体，采用重量轻且耐腐蚀的塑料制成，外壳21底板的边缘均匀设置有连接8个弹簧5，弹簧5的一端与外壳21底板的边缘连接，另一端与支撑浮体1顶板的上表面连接，弹簧5由弹簧钢制成，易发生形变，机械性能好且耐腐蚀性强。如图2和3所示，外壳21顶板的边缘向外延伸形成环形的延伸边22，延伸边21的下侧面连接有3个导向柱3，导向柱3围绕外壳21的周向均匀设置。支撑浮体1的顶板上对应导向柱3设置有通孔，导向柱3的另一端穿过通孔，并能够沿通孔上下运动，导向柱3的末端连接有方形的限位块，防止导向柱3脱出通孔，为了减少导向柱3沿通孔上下运动时的阻力，可以在导向柱3和通孔之间添加直线轴承。外壳21为密闭的壳体，其内部设置有压电发电装置4，如图2和4所示，压电发电装置包括悬臂梁41和铅材质的圆柱形重物42，8个悬臂梁41沿圆柱形重物42的周向均匀设置，悬臂梁41的一端与圆柱形重物42连接，另一端与波能采集浮体2侧壁的内侧连接，悬臂梁41采用弹性较大的材料制成，其上端面上均粘贴有柔性压电材料。
该装置可分布于距离陆地或岛屿比较近的浅海区域，整个装置通过较长的缆绳与锚系装置固定漂浮于某片海域。
本发明的发电装置的工作原理为：该装置将海浪的复杂多变的运动通过波能采集浮体2吸收转化为导向柱3以及外壳21的上下往复运动，而外壳21内壁上连接的悬臂梁41在圆柱形重物42的上下往复运动下会被迫发生上下振动；悬臂梁41上的柔性压电材料在振动过程中因产生较大的机械应变而产生电荷输出，通过导线接入电缆中，利用外接整流处理电路将压电材料产生的电能储存，最终为功耗为瓦量级的海洋设备如航标灯供电；因支撑浮体1与波能采集浮体2是通过弹簧相互连接在一起，在海浪波动较弱的情况下仍能维持海浪发电装置持续工作一段时间。因为沉于海洋中的锚系装置在洋流的作用下会左右晃动，并通过支撑浮体使弹簧发生形变存储势能，进而又使圆柱形重物上下摆动，带动悬臂梁与压电片的上下振动，并产生需要的电能。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，该实施例中围绕圆柱形重物42设置有12个悬臂梁41，悬臂梁41的上下端面均粘贴有柔性压电材料，柔性压电材料与悬臂梁41的长度相差不大，压电薄片的一端固定在上盖内腔的表面上，这样可以使得悬臂梁41与压电薄片发生振动时会产生更多的电荷，释放出更多的电能，尽最大可能保证波浪能转化的效率。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于，悬臂梁41采用压电材料制成，由两片压电薄片上下粘贴构成。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，包括支撑浮体(1)，支撑浮体(1)通过绳索与水底处的系泊装置相连，支撑浮体(1)的顶板上通过弹簧连接有波能采集浮体(2)；波能采集浮体(2)包括外壳(21)，外壳(21)顶板的边缘向外延伸形成延伸边(22)，延伸边(22)的下侧面均匀连接有导向柱(3)，支撑浮体(1)的顶板上对应导向柱(3)设置有通孔，导向柱(3)穿过通孔，并能够沿通孔上下运动，导向柱(3)的末端设置有限位块；外壳(21)的内部设置有压电发电装置(4)，压电发电装置包括悬臂梁(41)和圆柱形重物(42)，若干个悬臂梁(41)沿圆柱形重物(42)的周向均匀设置，悬臂梁(41)的一端与圆柱形重物(42)连接，另一端与波能采集浮体(2)侧壁的内侧连接，悬臂梁(41)上设置有柔性压电材料。
2.根据权利要求1所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述悬臂梁(41)采用压电材料制成，或者悬臂梁(41)的上下表面中至少有一个面上粘贴有柔性压电材料。
3.根据权利要求1所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述外壳(21)底板的边缘均匀设置有连接弹簧(5)，弹簧(5)的一端与外壳(21)底板的边缘连接，另一端与支撑浮体(1)顶板的上表面连接。
4.根据权利要求3所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述弹簧(5)由耐腐蚀金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述支撑浮体(1)采用固体浮力材料制成。
6.根据权利要求1所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述圆柱形重物(42)的材质为纯金属或合金。
7.根据权利要求1所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述外壳(21)为密闭的壳体，由耐腐蚀的金属或有机材料制成。
8.根据权利要求1所述的利用波浪能的新型压电发电装置，其特征在于，所述绳索为锚绳或缆绳，所述系泊装置为单点系泊系统。
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