CN108448932B - 一种深海洋流波动能压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海洋流波动能压电发电装置，该装置包括箱体、扇叶结构、连接杆；箱体为内部为空腔的正方体，并在正方体的每个外表面上均与连接杆的一端固定连接，连接杆的另一端与扇叶结构连接；每个扇叶结构均包括四个压电发电部和固定部，且压电发电部均匀的布置在固定部的外侧面上；每个压电发电部均包括与固定部的外侧面固定连接的平板、与平板固定连接的S形扇叶以及在平板的上下表面贴压的压电陶瓷片；本发明提供的装置在工作时，箱体、扇叶结构、连接杆构成多自由度运动系统，在洋流波动能的激励下产生相对运动，并通过压电陶瓷片的正压电效应实现机械能到电能的转换，填补自供电深海探测器的空缺，且运动方式多，能量利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及洋流波动能发电技术领域，特别涉及一种深海洋流波动能压电发电装置。
背景技术
洋流波动能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，且以机械能形式存在，开发过程对环境影响小，是品质最高的海洋能。
随着现代科技的发展，各种基于压电的海面漂浮式的自供电探测器被提出，但是上述自供电探测器的发电机原理复杂，运动方式少，能量利用率低，且只适用于海面漂浮发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海洋流波动能压电发电装置，填补自供电深海探测器的空缺，且运动方式多，能量利用率高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深海洋流波动能压电发电装置，所述深海洋流波动能压电发电装置包括箱体、扇叶结构以及连接杆；所述箱体为内部为空腔的正方体，并在所述正方体的每个外表面上均与所述连接杆的一端固定连接，所述连接杆的另一端与所述扇叶结构连接；
每个所述扇叶结构均包括四个压电发电部和固定部，且所述压电发电部均匀的布置在所述固定部的外侧面上；每个所述压电发电部均包括与所述固定部的外侧面固定连接的平板、与所述平板固定连接的S形扇叶以及在所述平板的上下表面贴压的压电陶瓷片；
工作时，所述箱体、所述扇叶结构、所述连接杆构成多自由度运动系统，在洋流波动能的激励下产生相对运动，并通过所述压电陶瓷片的正压电效应实现机械能到电能的转换。
可选的，所述平板的一端与所述固定部的外侧面连接，所述平板的另一端与所述S形扇叶贴合，且所述平板与所述S形扇叶形成一体结构；所述平板为长方体薄板，所述S形扇叶是由两个沿轴向拉伸的弧组合而成；所述平板的尺寸、所述S形扇叶的尺寸均依照与其他所述压电发电部不发生位置干涉为原则进行调整。
可选的，所述平板的尺寸为5cm×3cm×1cm；所述S形扇叶的弧的半径为4cm，且所述弧对应的圆心角为120度；所述S形扇叶的宽为3cm。
可选的，所述深海洋流波动能压电发电装置还包括传感器探测系统和声波通讯系统；所述传感器探测系统和所述声波通讯系统均固定在所述箱体的外表面上，且均与所述扇叶结构连接；所述传感器探测系统用于获取深海的水文信息；所述声波通讯系统用于将采集的所述水文信息通过发射声波发送至深海空间站或者潜艇；其中，所述传感器探测系统包括温度传感器、盐度传感器和压力传感器。
可选的，所述深海洋流波动能压电发电装置还包括轴承；所述连接杆的一端通过所述轴承嵌套在所述固定部内，所述连接杆的另一端与所述箱体固定连接。
可选的，所述箱体为密封结构；在所述箱体的内部空腔的中间位置上安装蓄水柜，并通过调整所述箱体内所述蓄水柜的水量来调整所述箱体在海内的深度。
可选的，所述箱体的尺寸、所述蓄水柜的尺寸均是根据实际情况调整。
可选的，所述箱体的外部尺寸为20cm×20cm×20cm，所述箱体的内部空腔的厚度为2cm；所述蓄水柜为正方体；所述蓄水柜的外部尺寸为10cm×10cm×10cm。
可选的，所述连接杆与所述扇叶结构的结合处、所述箱体与所述连接杆的结合处均采用密封结构。
可选的，所述扇叶结构和所述连接杆的数量均为6个；每个所述扇叶结构的大小、形状均相同，且相互之间不发生位置干涉。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种深海洋流波动能压电发电装置，该装置包括箱体、扇叶结构以及连接杆；箱体为内部为空腔的正方体，并在正方体的每个外表面上均固定连接连接杆的一端，且连接杆的另一端还与扇叶结构连接；每个所述扇叶结构均包括四个压电发电部和固定部，且压电发电部均匀的布置在固定部的外侧面上；每个所述压电发电部均包括与固定部的外侧面固定连接的平板、与平板固定连接的S形扇叶以及在平板的上下表面贴压的压电陶瓷片；本发明提供的装置在工作时，箱体、扇叶结构、连接杆构成多自由度运动系统，在洋流波动能的激励下产生相对运动，并通过所述压电陶瓷片的正压电效应实现机械能到电能的转换，填补自供电深海探测器的空缺，且运动方式多，能量利用率高。
此外，本发明不受地形限制，设置于深海，不占用海岸、海面，具有结构简单紧凑，便于安装实施的特点，造价低，适宜大批量生产，有利于推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例深海洋流波动能压电发电装置的结构示意图；
图2为本发明深海洋流波动能压电发电装置中扇叶结构的结构示意图；
图3为本发明深海洋流波动能压电发电装置中压电发电部的结构示意图；
图4为本发明压电陶瓷片的变形示意图一；
图5为本发明压电陶瓷片的变形示意图二；
图6为本发明深海洋流波动能压电发电装置沿X方向运动过程示意图；
图7为本发明深海洋流波动能压电发电装置沿Y方向运动过程示意图；
图8为本发明深海洋流波动能压电发电装置沿Z方向运动过程示意图。
其中，扇叶结构1、箱体2、连接杆3、传感器探测系统4、声波通讯系统5、蓄水柜6、平板101、S形扇叶102、压电陶瓷片103、压电发电部S。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种深海洋流波动能压电发电装置，填补自供电深海探测器的空缺，且运动方式多，能量利用率高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的海洋流波动能压电发电装置应用于深海中的水域，充分利用洋流波动能并将其转换成电能。
图1为本发明实施例深海洋流波动能压电发电装置的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的深海洋流波动能压电发电装置包括扇叶结构1、箱体2、连接杆3、传感器探测系统4、声波通讯系统5、轴承。
所述箱体2为内部为空腔的正方体，并在所述正方体的每个外表面上均与所述连接杆3的一端固定连接，所述连接杆3的另一端通过轴承嵌套在所述扇叶结构1的固定部内。
与箱体2连接的六个方向的扇叶结构1、连接杆3的形状、大小、结构和功能完全一致。具体为：所述扇叶结构1一共有六个，都通过轴承与连接杆3的另一端相连接且分布在箱体2的六个面上，所述扇叶结构1的大小、形状、结构和功能相同，且相互之间不发生位置干涉。所述连接杆3一共有六个，分布于箱体2的六个不同面，连接杆3的一端和所述箱体2固连，另一端通过轴承与所述扇叶结构1相连。所述连接杆3的大小、形状、结构和功能相同，且相互之间不发生位置干涉。
每个所述压电发电部均包括与所述固定部的外侧面固定连接的平板101、与所述平板固定连接的S形扇叶102以及在所述平板101的上下表面贴压的压电陶瓷片103。多个压电发电部互不影响。所述压电陶瓷片103均沿着厚度方向极化。
扇叶结构1、箱体2、连接杆3均采用耐腐蚀的材料而且绝缘，增加扇叶结构1、箱体2、连接杆3在水中的使用寿命。
所述箱体2的表面上装配有传感器探测系统4；传感器探测系统4，包括温度传感器、盐度传感器和压力传感器等，用来获取深海的温度、盐度、深度和海流等水文信息。
所述箱体2的表面上装配有声波通讯系统5，声波通讯系统5用于将采集到的水文信息通过发射声波返回给深海空间站或者潜艇等。
所述箱体2为密封结构；在所述箱体2的内部空腔的中间位置安装蓄水柜6，并通过调整所述箱体2内所述蓄水柜6的水量来调整所述箱体2在海内的深度，即可通过调整蓄水量使所述箱体2潜伏在一定的深度。
所述箱体2和所述蓄水柜6的尺寸均是根据实际情况调整。优选的，所述箱体的外部尺寸为20cm×20cm×20cm，所述箱体的内部空腔的厚度为2cm；所述蓄水柜6为正方体，所述蓄水柜6的外部尺寸为10cm×10cm×10cm。
为了防止轴承进水，采取密封方式。为了防止箱体2进水，箱体2与连接杆3结合处也采取密封方式。因此，所述连接杆3与所述扇叶结构1的结合处、所述箱体2与所述连接杆3的结合处均采用密封结构，且密封结构使用的材料应绝缘，耐压，防腐蚀。
扇叶结构1在洋流的激励下发生相对转动，从而将机械能转换成电能。具体为压电发电部在受到一个正向或者逆向洋流激励时，都能振动旋转，S形扇叶102用来增加与洋流接触面积，当S形扇叶102受到洋流激励而产生振动时，更好地增强压电发电效果。
工作时，扇叶结构1、箱体2和连接杆3构成了多自由度运动系统，在洋流波动能的激励下产生相对运动，通过压电陶瓷片103的正压电效应实现机械能到电能的转换。
传感器探测系统4接收压电发电部的供电从而实现对海底温度、盐度、深度和海流等水文信息的探测，声波通讯系统5接收压电发电部的电源供应从而连接深海空间站或潜艇等实现数据通讯。
图2为本发明深海洋流波动能压电发电装置中扇叶结构的结构示意图，如图2所示，每个所述扇叶结构1均包括四个压电发电部S和一个固定部；所述固定部为圆环结构；四个压电发电部S分别为S1、S2、S3、S4，且均匀的布置固定部的外侧面上。同一扇叶结构1中相邻的压电发电部S的夹角为90度。所述深海洋流波动能压电发电装置包含24个压电发电部S，其中每个扇叶结构1上有4个压电发电部S，且每个压电发电部S的形状、大小、结构和功能都相同。
图3为本发明深海洋流波动能压电发电装置中压电发电部的结构示意图，如图3所示，所述平板101的一端与所述固定部的外侧面固定连接，所述平板101的另一端与所述S形扇叶102贴合，因此，所述平板101、所述S形扇叶102形成一体结构。
所述平板101为长方体薄板，所述平板101采用弹性耐腐蚀材料；所述S形扇叶102是由两个沿轴向拉伸的弧组合而成；所述平板101的尺寸、所述S形扇叶102的尺寸均依照与其他所述压电发电部S不发生位置干涉为原则进行调整。优选的，所述平板101的尺寸为5cm×3cm×1cm；所述S形扇叶102的弧的半径为4cm，且每个弧对应圆心角120度；所述S形扇叶102的宽3cm。
本发明提供的深海洋流波动能压电发电装置不设置在固定位置，而是由深海空间站或者潜艇中投置于深海中，随洋流运动方向游动，用来探测一定范围内的海洋水文信息，且无需收回。
本发明还提供了一种深海洋流波动能压电发电装置工作方式，包含以下步骤：
步骤1)，所述扇叶结构1受到洋流波动来自一个方向的激励而绕连接杆3的产生转动，同时扇叶结构1产生振动。
步骤2)，受到洋流激励的弹性体扇叶结构1产生挠度，从而驱动压电发电部S上的平板101和压电陶瓷片103产生弯曲振动。
步骤3)，压电陶瓷片103通过正压电效应，沿厚度方向的表面产生电荷，实现压电发电，收集到的电量储存在电路板上。
步骤4)，电路板实现传感器探测系统4和声波通讯系统5供电。
步骤5)，传感器探测系统4实现水文信息探测，声波通讯系统5实现将信息发送回深海空间站或潜艇上。
步骤6)，自供电深海洋流波动能压电发电装置受到洋流波动的激励，可以随洋流方向实现XYZ三个自由度的辅助驱动。
图4为本发明压电陶瓷片的变形示意图一；图5为本发明压电陶瓷片的变形示意图二。
由于多个压电发电部S的平板101采用弹性耐腐蚀材料，平板101上下表面的压电陶瓷片103均沿着厚度方向极化，因此当压电发电部S工作时，外部的冲击力对压电发电部S产生的作用力，使得压电陶瓷片103产生如图4-5的变形，并且可以充分且均匀的转换成为高效的压电效应的电荷能量。
深海洋流波动能压电发电装置包括六个扇叶结构，分别为扇叶结构Ⅰ、扇叶结构Ⅱ、扇叶结构Ⅲ、扇叶结构Ⅳ、扇叶结构Ⅴ、扇叶结构Ⅵ；每个扇叶结构均包括四组压电发电部S1、S2、S3、S4；为了便于理解本发明的工作原理中的三个自由度的工作方式与运动方式，作如下简明描述。
图6为本发明深海洋流波动能压电发电装置沿X方向运动过程示意图。
图7为本发明深海洋流波动能压电发电装置沿Y方向运动过程示意图。
图8为本发明深海洋流波动能压电发电装置沿Z方向运动过程示意图。
如图6所示，当深海洋流波动能压电发电装置在深海中受到X轴正方向洋流的激励时，扇叶结构Ⅰ、扇叶结构Ⅲ、扇叶结构Ⅳ、扇叶结构Ⅵ因受到冲击而产生如图6所示方向的辅助转动和振动，进而实现深海洋流波动能压电发电装置随X轴正方向的辅助运动及压电发电；当深海洋流波动能压电发电装置受到X轴负方向的洋流激励时，与X轴正方向类似，扇叶结构Ⅰ、扇叶结构Ⅲ、扇叶结构Ⅳ、扇叶结构Ⅵ因受到冲击而产生与图6所示相反方向的辅助转动和振动，进而实现深海洋流波动能压电发电装置随X轴负方向的辅助运动及压电发电。
如图7，当深海洋流波动能压电发电装置在深海中受到Y轴正方向洋流的激励时，扇叶结构Ⅱ、扇叶结构Ⅲ、扇叶结构Ⅴ、扇叶结构Ⅵ因受到冲击而产生如图7所示方向的辅助转动和振动，进而实现深海洋流波动能压电发电装置随Y轴正方向的辅助运动及压电发电；当深海洋流波动能压电发电装置受到Y轴负方向的洋流激励时，与Y轴正方向类似，扇叶结构Ⅱ、扇叶结构Ⅲ、扇叶结构Ⅴ、扇叶结构Ⅵ因受到冲击而产生与图7所示相反方向的辅助转动和振动，进而实现深海洋流波动能压电发电装置测器随Y轴负方向的辅助运动及压电发电。
如图8，当深海洋流波动能压电发电装置在深海中受到Z轴正方向洋流的激励时，扇叶结构Ⅰ、扇叶结构Ⅱ、扇叶结构Ⅳ、扇叶结构Ⅴ因受到冲击而产生如图8所示方向的辅助转动和振动，进而实现深海洋流波动能压电发电装置随Z轴正方向的辅助运动及压电发电；当深海洋流波动能压电发电装置受到Z轴负方向的洋流激励时，与Z轴正方向类似，扇叶结构Ⅰ、扇叶结构Ⅱ、扇叶结构Ⅳ、扇叶结构Ⅴ因受到冲击而产生与图8所示相反方向的辅助转动和振动，进而实现深海深海洋流波动能压电发电装置随Z轴负方向的辅助运动及压电发电。
与现有技术相比，具有以下技术效果：
第一、本发明充分利用海洋能源中蕴藏最为丰富的洋流波动能并转换为电能，将深海洋流的自然能开发为提供给该装置自身携带的水文监测的传感器探测系统、声波通讯系统使用的电能，有利于清洁能源的利用与开发，符合人类清洁电能、高效电能的发展趋势。
第二、本发明充分利用了深海洋流波动能，其激励扇叶结构产生相对运动，通过压电陶瓷片将机械能转换为电能。同时在箱体的腔体内设置蓄水柜，使该装置潜伏在一定深度，在箱体表面设置传感器探测系统和声波通讯系统，可以将在一定海域内探测的海文数据信息通过声波通讯系统传输给深海空间站或潜艇，实现深海监测及发电一体化功能，且无需收回。
第三、该装置不受地形限制，设置于深海，不占用海岸、海面，具有结构简单紧凑，便于安装实施的特点，造价低，适宜大批量生产，有利于推广应用。
第四、本发明充分利用了深海洋流波动能进行压电发电，不受地形限制，由深海空间站或者潜艇将其投放于深海，配合深海空间站开展海洋环境调查，获取一定范围内海洋水文信息。为未来开发海洋资源做准备，体现“海洋强国”战略。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述深海洋流波动能压电发电装置包括箱体、扇叶结构以及连接杆；所述箱体为内部为空腔的正方体，并在所述正方体的每个外表面上均与所述连接杆的一端固定连接，所述连接杆的另一端与所述扇叶结构连接；
每个所述扇叶结构均包括四个压电发电部和固定部，且所述压电发电部均匀的布置在所述固定部的外侧面上；每个所述压电发电部均包括与所述固定部的外侧面固定连接的平板、与所述平板固定连接的S形扇叶以及在所述平板的上下表面贴压的压电陶瓷片；
工作时，所述箱体、所述扇叶结构、所述连接杆构成多自由度运动系统，在洋流波动能的激励下产生相对运动，并通过所述压电陶瓷片的正压电效应实现机械能到电能的转换。
2.根据权利要求1所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述平板的一端与所述固定部的外侧面连接，所述平板的另一端与所述S形扇叶贴合，且所述平板与所述S形扇叶形成一体结构；所述平板为长方体薄板，所述S形扇叶是由两个沿轴向拉伸的弧组合而成；所述平板的尺寸、所述S形扇叶的尺寸均依照与其他所述压电发电部不发生位置干涉为原则进行调整。
3.根据权利要求2所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述平板的尺寸为5cm×3cm×1cm；所述S形扇叶的弧的半径为4cm，且所述弧对应的圆心角为120度；所述S形扇叶的宽为3cm。
4.根据权利要求1所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述深海洋流波动能压电发电装置还包括传感器探测系统和声波通讯系统；所述传感器探测系统和所述声波通讯系统均固定在所述箱体的外表面上，且均与所述扇叶结构连接；所述传感器探测系统用于获取深海的水文信息；所述声波通讯系统用于将采集的所述水文信息通过发射声波发送至深海空间站或者潜艇；其中，所述传感器探测系统包括温度传感器、盐度传感器和压力传感器。
5.根据权利要求1所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述深海洋流波动能压电发电装置还包括轴承；所述连接杆的一端通过所述轴承嵌套在所述固定部内，所述连接杆的另一端与所述箱体固定连接。
6.根据权利要求1所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述箱体为密封结构；在所述箱体的内部空腔的中间位置上安装蓄水柜，并通过调整所述箱体内所述蓄水柜的水量来调整所述箱体在海内的深度。
7.根据权利要求6所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述箱体的尺寸、所述蓄水柜的尺寸均是根据实际情况调整。
8.根据权利要求7所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述箱体的外部尺寸为20cm×20cm×20cm，所述箱体的内部空腔的厚度为2cm；所述蓄水柜为正方体；所述蓄水柜的外部尺寸为10cm×10cm×10cm。
9.根据权利要求1所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述连接杆与所述扇叶结构的结合处、所述箱体与所述连接杆的结合处均采用密封结构。
10.根据权利要求1所述的深海洋流波动能压电发电装置，其特征在于，所述扇叶结构和所述连接杆的数量均为6个；每个所述扇叶结构的大小、形状均相同，且相互之间不发生位置干涉。
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