CN108001626B - 一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标及方法，利用压电材料特性和海洋波浪能来发电，用于给多功能监测浮标供电。压电效应的波浪能发电供能浮标包含压电发电装置和和水文气象多参数观测浮标。浮标包含上工作平台、浮子、中心轴杆和载重装置。工作时，浮子、载重装置和中心轴杆构成了二自由度谐振系统，在波浪的激励下产生相对运动，通过压电发电装置的周期性振动将波浪能转化为电能输出，从而给各个监测设备供电。本发明充分利用了海洋波浪能进行压电发电，从而为了监测设备稳定持久的供能，实现对海洋环境气象和水文数据的实时采集、处理、传输，具有高度自动化特点，实现了集智能化、模块化于一体的高性能多功能海洋检测系统。

Description

一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标及方法

技术领域

本发明涉及一种在海上利用波浪能发电给监测系统供能的压电式浮标，是一种对新能源开发和利用的发电装置及水文气象多功能监测浮标。

背景技术

在人类科技高速发展的现在，供人类直接开采的能源资源如石油和天然气已经日渐匮乏，所以对新能源的开发和利用是当今世界的热潮。海洋面积广阔，约占地球表面积的71％，具有非常大的潜力，而利用波浪能发电则是现在的一项新兴技术。

如今大多数的海洋发电装置都是利用的太阳能发电和蓄电池的交替使用来为工作设备或监测系统进行供电，显而易见，上述现有的供电形式不具有连续性、安全性和可靠性。而利用压电式波浪能发电装置能够直接将波浪能通过压电材料的形变转换为电能，比太阳能发电更持久和稳定，这为海上监测设备供电提供了一种十分可行的技术方案。

由于海洋环境复杂多变，海洋监测浮标的功能一般都比较单一，现在的海洋监测浮标，通常都只具有水文、水质、气象、环境等海洋数据监测中的个别功能。就浮标本身而言，扩展性和兼容性均显得不足，难以满足海洋监测的多方面需求。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中所阐述的缺陷和不足，提供了一种多功能海洋波浪能压电发电装置供能浮标，其具有体积小、结构简单、易于组装和维护的优点，且寿命长，供能稳定，能量吸收率和发电效率高，可广泛用于江河湖泊及海岸，具有较强的市场竞争优势。

本发明技术方案如下：

一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标,包括上工作平台、浮子、中心轴杆和载重装置；

所述的中心轴杆贯穿浮子后，上端与上工作平台连接，下端与载重装置连接；中心轴杆下部外侧搭载有水深计、水温计、盐度计和流速计；中心轴杆处于浮子中心轴位置；水深计用来测量水深计所在位置的深度，水温计、盐度计和流速计分别用来测量水温、水的盐度以及水的流速，同时将数据传输给数据采集器。

所述的上工作平台(17)上搭载有浮标灯、风向风速传感器、气温气压计和无线电发射器；浮标灯用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；风向风速传感器用来测量当前海域的风向和风速变化，并将收集的数据传给数据采集器；气温气压计用来测量当前海域的气温和气压变化，并将收集的数据传给数据采集器；无线电发射器用来将数据采集器收集到的数据实时传输到船上或岸上接收中心。

所述的浮子内部设有压电发电装置和若干密封舱；所述的压电发电装置为若干压电发电单元，压电发电单元一端与中心轴杆固定连接，另一端与浮子的浮壳固定连接，从而使浮子与中心轴杆连接；所述密封舱以中心轴杆为中心对称布置，密封舱内设置有蓄电池组、数据采集器、存储器以及定位装置；

所述的压电发电装置和蓄电池组分别与水深计、水温计、盐度计、流速计、数据采集器、存储器、定位装置、浮标灯、风向风速传感器、气温气压计和无线电发射器连接以提供电能,所述的压电发电装置和蓄电池组电连接,所述的数据采集器与水深计、水温计、盐度计、流速计、风向风速传感器、气温气压计、定位装置、存储器和无线电发射器连接以采集数据，并将采集到的数据传输给用户。

所述载重装置沉入水面之下工作时，浮子、载重装置和中心轴杆三者构成了二自由度谐振系统，在海洋波浪的激励下产生相对运动,从而给压电发电单元施加压力进而产生电能。

优选的：所述上工作平台、浮子、载重装置和中心轴杆均同轴设置。这样的设置，可以保证浮标的重心在中心轴杆上，浮标投放到水中后，能够竖直立于水中。

优选的：所述压电发电装置的压电发电单元共有8个，8个压电发电单元位于同一水平面，且各个压电发电单元之间的夹角均相等。这样的好处是可以充分利用波浪能的能量，使之能更加均匀有效地转化为电能，从而提高发电效率。

优选的：所述压电发电单元沿着厚度方向极化。

优选的：所述的浮子内部的密封舱有4个。

优选的：所述中心轴杆上的水深计、水温计、盐度计和流速计设置于浮子和载重装置之间

优选的：所述的浮子上部设置有套管；浮子下部设置有中心开孔，套管直径和中心开孔直径大于中心轴杆的直径，中心轴杆通过套管和中心开孔贯穿浮子；所述的上工作平台下部为空心腔体，且空心腔体下方设置有开口，套管上部通过开口套入空心腔体内，位于空心腔体内的套管顶端部分设置有一限位挡环；限位挡环最外圈的外径大于开口直径，开口直径大于套管外径，中心轴杆与空心腔体顶部连接；空心腔体内的顶部和底部正对限位挡环的位置设置有垫片；浮子下部的中心开孔设置为倒椎体，防止水从中心开孔进入浮子内部。

优选的：所述浮子下部的中心开孔周围设有保护铜网，形成海洋生物抑制层，防止堵塞，影响浮子与中心轴杆的相对移动。

本发明同时还提供了一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标的工作方法，包括以下步骤：将浮标投放于选定海域，海浪先带动浮子向下运动1/4个周期，由于压电发电单元一端与浮子固定，会随着浮子向下运动，但是另一端连接中心轴杆，故保持静止状态，这样压电发电单元就会产生犹如悬臂梁般的弯曲变形，由于压电效应从而产生电荷变化并蓄积电能，在海浪的第1/2个周期时，压电发电单元恢复到正常的水平状态；从海浪的第1/2个周期开始，浮子跟随海浪向上运动，而压电发电单元则向下弯曲变形从而产生电荷变化并蓄积电能，在经过一个海浪周期后，压电元件恢复至初始水平位置；如此反复，压电发电装置就能不断地积蓄电能，从而产生稳定持久的电量，进而为浮标供电，多余的电能则存储在蓄电池组中，以便应对突发状况；

浮标灯用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；风向风速传感器(2)测量当前海域的风向和风速变化；气温气压计测量当前海域的气温和气压变化；水深计测量传感器所在位置的深度，水温计、盐度计和流速计分别测量该深度下的水温、水的盐度以及水的流速，定位装置标记该浮标的位置，以便回收和维护；

数据采集器采集风向、风速、气温、气压、水深度、水温、水的盐度、水的流速、浮标位置数据信息后，一方面将数据信息存放在存储器内，另一方面通过无线电发射器将数据信息实时传输到船上或岸上接收中心。

本发明能达到的技术效果是：通过波浪的运动来带动浮子的上下浮动，而浮子的运动又会导致内部压电发电装置的变形，从而产生电能，并给传感器、用电器供电。本发明将自然清洁的波浪能转化为稳定持久的电能，对海洋气象和水文水质的监测具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明海洋波浪能发电供能浮标的结构原理示意图；

图2是本发明的压电发电装置的俯视图；

图3是浮子的压电发电单元的发电原理图；

图4是浮子的剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细的说明：本发明是一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标，它是利用海洋中水平面的起伏波动涌动产生的能量转化为供各类传感器、用电器使用的电能。

如图1所示，一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标,包括上工作平台17、浮子4、中心轴杆18和载重装置15；

中心轴杆18贯穿浮子4后，上端与上工作平台17连接，下端与载重装置15连接；中心轴杆18下部外侧搭载有水深计11、水温计12、盐度计13和流速计14，且位于浮子4和载重装置15之间；中心轴杆18处于浮子4中心轴位置；水深计11用来测量水深计所在位置的深度，水温计12、盐度计13和流速计14分别用来测量水温、水的盐度以及水的流速，同时将数据传输给数据采集器8。上工作平台17、浮子4、载重装置15和中心轴杆18均同轴设置。这样的设置，可以保证浮标的重心在中心轴杆18上，浮标投放到水中后，能够竖直立于水中。

上工作平台17上搭载有浮标灯1、风向风速传感器2、气温气压计3和无线电发射器5；浮标灯用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；风向风速传感器用来测量当前海域的风向和风速变化，并将收集的数据传给数据采集器8；气温气压计用来测量当前海域的气温和气压变化，并将收集的数据传给数据采集器8；无线电发射器用来将数据采集器8收集到的数据实时传输到船上或岸上接收中心。

浮子4内部设有压电发电装置6和4个密封舱；如图2所示，压电发电装置6为8个压电发电单元，压电发电单元可以由压电材料制成，压电发电单元沿着厚度方向极化，压电发电单元一端与中心轴杆18固定连接，另一端与浮子4的浮壳固定连接，从而使浮子4与中心轴杆18连接压；8个压电发电单元位于同一水平面，且各个压电发电单元之间的夹角均相等。这样的好处是可以充分利用波浪能的能量，使之能更加均匀有效地转化为电能，从而提高发电效率。密封舱以中心轴杆18为中心对称布置，密封舱内设置有蓄电池组7、数据采集器8、存储器9以及定位装置10；

压电发电装置6和蓄电池组7分别与水深计11、水温计12、盐度计13、流速计14、数据采集器8、存储器9、定位装置10、浮标灯1、风向风速传感器2、气温气压计3和无线电发射器5连接以提供电能,所述的压电发电装置6和蓄电池组7电连接,所述的数据采集器8与水深计11、水温计12、盐度计13、流速计14、风向风速传感器2、气温气压计3、定位装置10、存储器9和无线电发射器5连接以采集数据，并将采集到的数据传输给用户。

如图1和图4所示，浮子4上部设置有套管，套管上部直径大于套管下部直径；所述的浮子4上部设置有套管；浮子4下部设置有中心开孔，套管直径和中心开孔直径大于中心轴杆18的直径，中心轴杆18通过套管和中心开孔贯穿浮子4；所述的上工作平台17下部为空心腔体，且空心腔体下方设置有开口，套管上部通过开口套入空心腔体内，位于空心腔体内的套管顶端部分设置有一限位挡环；限位挡环最外圈的外径大于开口直径，开口直径大于套管外径，中心轴杆18与空心腔体顶部连接；空心腔体内的顶部和底部正对限位挡环的位置设置有垫片16；浮子4下部的中心开孔设置为倒椎体，防止水从中心开孔进入浮子内部；中心轴杆18与空心腔体顶部连接；空心腔体内上壁和下壁上设置有垫片，垫片用来缓冲浮子套管对上工作平台的冲击，也起到了限制浮子上下运动幅度的作用；浮子4下部的中心开孔设置为倒椎体，防止水从中心开孔进入浮子内部。浮子4下部的中心开孔周围设有保护铜网，形成海洋生物抑制层，防止堵塞，影响浮子4与中心轴杆18的相对移动。

本发明的一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标的工作方法，包括以下步骤：将浮标投放于选定海域，浮标发电原理如图3所示，海浪先带动浮子4向下运动1/4个周期，由于压电发电单元一端与浮子4固定，会随着浮子4向下运动，但是另一端连接中心轴杆18，故保持静止状态，这样压电发电单元就会产生犹如悬臂梁般的弯曲变形，由于压电效应从而产生电荷变化并蓄积电能，在海浪的第1/2个周期时，压电发电单元恢复到正常的水平状态；从海浪的第1/2个周期开始，浮子4跟随海浪向上运动，而压电发电单元则向下弯曲变形从而产生电荷变化并蓄积电能，在经过一个海浪周期后，压电元件恢复至初始水平位置；如此反复，压电发电装置6就能不断地积蓄电能，从而产生稳定持久的电量，进而为浮标供电，多余的电能则存储在蓄电池组7中，以便应对突发状况；浮标灯1用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；风向风速传感器2测量当前海域的风向和风速变化；气温气压计3测量当前海域的气温和气压变化；水深计11测量传感器所在位置的深度，水温计12、盐度计13和流速计14分别测量该深度下的水温、水的盐度以及水的流速，定位装置10标记该浮标的位置，以便回收和维护；数据采集器8采集风向、风速、气温、气压、水深度、水温、水的盐度、水的流速、浮标位置数据信息后，一方面将数据信息存放在存储器9内，另一方面通过无线电发射器5将数据信息实时传输到船上或岸上接收中心。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标的工作方法，所述基于压电效应的波浪能发电供能浮标包括上工作平台(17)、浮子(4)、中心轴杆(18)和载重装置(15)；

所述的中心轴杆(18)贯穿浮子(4)后，上端与上工作平台(17)连接，下端与载重装置(15)连接；中心轴杆(18)下部外侧搭载有水深计(11)、水温计(12)、盐度计(13)和流速计(14)；中心轴杆(18)处于浮子(4)中心轴位置；

所述的上工作平台(17)上搭载有浮标灯(1)、风向风速传感器(2)、气温气压计(3)和无线电发射器(5)；

所述的浮子(4)内部设有压电发电装置(6)和若干密封舱；所述的压电发电装置(6)为若干压电发电单元，压电发电单元一端与中心轴杆(18)固定连接，另一端与浮子(4)的浮壳固定连接，从而使浮子(4)与中心轴杆(18)连接；所述密封舱以中心轴杆(18)为中心对称布置，密封舱内设置有蓄电池组(7)、数据采集器(8)、存储器(9)以及定位装置(10)；

所述的压电发电装置(6)和蓄电池组(7)分别与水深计(11)、水温计(12)、盐度计(13)、流速计(14)、数据采集器(8)、存储器(9)、定位装置(10)、浮标灯(1)、风向风速传感器(2)、气温气压计(3)和无线电发射器(5)连接以提供电能,所述的压电发电装置(6)和蓄电池组(7)电连接,所述的数据采集器(8)与水深计(11)、水温计(12)、盐度计(13)、流速计(14)、风向风速传感器(2)、气温气压计(3)、定位装置(10)、存储器(9)和无线电发射器(5)连接以采集数据，并将采集到的数据传输给用户；

所述的浮子(4)上部设置有套管；浮子(4)下部设置有中心开孔，套管直径和中心开孔直径大于中心轴杆(18)的直径，中心轴杆(18)通过套管和中心开孔贯穿浮子(4)；所述的上工作平台(17)下部为空心腔体，且空心腔体下方设置有开口，套管上部通过开口套入空心腔体内，位于空心腔体内的套管顶端部分设置有一限位挡环；限位挡环最外圈的外径大于开口直径，开口直径大于套管外径，中心轴杆(18)与空心腔体顶部连接；空心腔体内的顶部和底部正对限位挡环的位置设置有垫片(16)；浮子(4)下部的中心开孔设置为倒椎体，防止水从中心开孔进入浮子内部；

所述浮子(4)下部的中心开孔周围设有保护铜网，形成海洋生物抑制层，防止堵塞；

其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：将浮标投放于选定海域，海浪先带动浮子(4)向下运动1/4个周期，由于压电发电单元一端与浮子(4)固定，会随着浮子(4)向下运动，但是另一端连接中心轴杆(18)，故保持静止状态，这样压电发电单元就会产生犹如悬臂梁般的弯曲变形，由于压电效应从而产生电荷变化并蓄积电能，在海浪的1/2个周期时，压电发电单元恢复到正常的水平状态；从海浪的第1/2个周期开始，浮子(4)跟随海浪向上运动，而压电发电单元则向下弯曲变形从而产生电荷变化并蓄积电能，在经过一个海浪周期后，压电元件恢复至初始水平位置；如此反复，压电发电装置(6)就能不断地积蓄电能，从而产生稳定持久的电量，进而为浮标供电，多余的电能则存储在蓄电池组(7)中，以便应对突发状况；

浮标灯(1)用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；风向风速传感器(2)测量当前海域的风向和风速变化；气温气压计(3)测量当前海域的气温和气压变化；水深计(11)测量水深计(11)所在位置的深度，水温计(12)、盐度计(13)和流速计(14)分别测量水温、水的盐度以及水的流速，定位装置(10)标记该浮标的位置，以便回收和维护；

上述装置将风向、风速、气温、气压、水深度、水温、水的盐度、水的流速、浮标位置数据信息传给数据采集器(8)；数据采集器(8)一方面将数据存放在存储器(9)内，另一方面通过无线电发射器(5)将数据信息实时传输到船上或岸上接收中心。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述上工作平台(17)、浮子(4)、载重装置(15)和中心轴杆(18)均同轴设置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述压电发电装置(6)的压电发电单元共有8个，8个压电发电单元位于同一水平面，且各个压电发电单元之间的夹角均相等。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述压电发电单元沿着厚度方向极化。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的浮子(4)内部的密封舱有4个。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述中心轴杆(18)上的水深计(11)、水温计(12)、盐度计(13)和流速计(14)设置于浮子(4)和载重装置(15)之间。

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