CN108923685A - 一种用于超低频振动能量转化的压电弹簧 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于振动能量转化的压电弹簧结构，涉及振动能量收集与微功率发电领域，能够实现使用可靠性更高、更易维护、使用成本更低、超低频振动频率匹配、发电功率更高等优势。本发明包括：连接杆(2)和至少1个压电金属夹(4)构成压电弹簧；压电金属夹(4)由金属夹(4‑1)和覆盖在金属夹(4‑1)表面的压电陶瓷材料(4‑2)组成，其中，金属夹(4‑1)为U型，压电金属夹(4)的至少一个表面覆盖有压电陶瓷材料。本发明适用于将超低频振动能量转化为电能并存储。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，尤其涉及一种超低频振动能量转化的压电弹簧结构。
背景技术
在海洋工程装备中，海洋浮标是一种既小又重要的装置，主要提供海面的指示、测量等功能。随着人类活动、探测范围的不断扩大，海洋浮标数量与日俱增。例如近海区的人工养殖场，需要大量的指示浮标指示渔网、绳索等生产工具的位置；海洋观测网的建设需要使用海量的阿尔戈浮标(ARGO浮标)。
目前，此类浮标大多采用电池供电。而这类供电设备，成本高，且相对于浮标本身，使用寿命又太短，这就极大限制了浮标最终的使用寿命和性能，也增加更换电池的维护费用。无法实现远海长时间的作业需求。
主要原因在于缺乏一种能够适应超低频工作环境，比如浮标的压电弹簧方案。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，可靠性更高、更易维护、使用成本更低、发电功率更高。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
连接杆(2)和至少1个压电金属夹(4)构成压电弹簧(3)；
压电金属夹(4)由金属夹(4-1)和覆盖在金属夹(4-1)表面的压电元件组成，其中，金属夹(4-1)为U型，压电金属夹(4)的至少一个表面覆盖有压电陶瓷材料。
压电金属夹(4)由金属夹(4-1)和压电陶瓷片(4-2)构成，金属夹(4-1)的至少一个表面粘贴有压电陶瓷片(4-2)，其中，所述至少一个表面中包括金属夹(4-1)的U型的底面；
压电陶瓷片(4-2)之间并联或串联连接，并引出正负两个电极连接后续接口电路的导线。
由至少2个压电金属夹(4)串联构成所述压电弹簧(3)，其中，各个压电金属夹(4)之间固定连接。
各个压电金属夹(4)之间通过焊接实现固定连接。
各个压电金属夹(4)之间通过连接装置(3)串联；
压电金属夹(4)上开设有匹配连接装置(3)的通孔，连接装置(3)与压电金属夹(4)的通孔之间采取过盈配合的方式实现固定连接。
连接装置(3)为U型金属销，U型金属销的两臂分别固定连接一个压电金属夹(4)。
现有技术中，也存在一些利用波浪能发电并为浮标设备供电的方案，并在工程实现上做到了例如能够持续不间断发电，能够有效与浮标设备集成为一体等等。目前研制成功的有“点头鸭”式振荡水柱式、推摆式、聚波蓄能式、阀式、蚌式等，大部分仍具有发电效率低、成本高、维护困难、对地形要求高等问题，这些问题制约了波浪能发电技术的大幅推广。
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种利用压电材料的波动能发电装置，该发电装置能够与海水有效隔离，降低了设计、维护难度及加工制造成本，同时实验测试表明该装置还具有较高的功率密度。该装置能够较好地匹配超低频波动能，其中的压电弹簧摆结构，能够匹配超低频的波浪振动，同时实现升频输出。当然，也可以通过升频转化进一步提升发电效率。本发明实施例具有成本低、不间断发电等优势，解决了传统浮标供电所需的长寿命、高效率、低维护率等一系列难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种典型的基于压电材料的波动能发电装置结构框架示意图；
图2为本发明实施例提供的一种波动能发电装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种压电弹簧结构示意图；
图4为本发明实施例提供的金属夹粘贴压电元件的几种典型布置方案；
图5为本发明实施例基于图4所示压电元件布置方案计算得到的机电转换能量及能量密度比较图；
图6为本发明实施例提供的另一种基于联轴铰链保持姿态的压电弹簧摆结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种联轴铰链结构示意图；
图8为本发明实施例提供的模拟波浪动能发电实验结果图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例中提供一种压电弹簧结构，其结构示意图如图3所示，连接杆(2)和至少1个压电金属夹(4)构成压电弹簧(3)；压电金属夹(4)由金属夹(4-1)和覆盖在金属夹(4-1)表面的压电元件组成，其中，金属夹(4-1)为U型，压电金属夹(4)的至少一个表面覆盖有压电陶瓷材料。
压电金属夹(4)由金属夹(4-1)和压电陶瓷片(4-2)构成，金属夹(4-1)的至少一个表面粘贴有压电陶瓷片(4-2)，其中，所述至少一个表面中包括金属夹(4-1)的U型的底面；压电陶瓷片(4-2)之间并联或串联连接，并引出正负两个电极连接接口电路的导线。
由至少2个压电金属夹(4)串联构成所述压电弹簧(3)，其中，各个压电金属夹(4)之间固定连接。
各个压电金属夹(4)之间通过焊接实现固定连接。各个压电金属夹(4)之间通过连接装置(3)串联；压电金属夹(4)上开设有匹配连接装置(3)的通孔，连接装置(3)与压电金属夹(4)的通孔之间采取过盈配合的方式实现固定连接。
连接装置(3)为U型金属销，U型金属销的两臂分别固定连接一个压电金属夹(4)。
例如：在图3所示的压电弹簧中，压电金属夹由金属夹(4-1)和压电陶瓷片(4-2)构成。其中具有弹性的金属夹与市场上常见的长尾票夹类似，若批量生产则加工成本特别低。压电陶瓷片目前市场上的价格也十分便宜。因此，该结构相对于小型风力发电机或太阳能电池板，理论上已经有了较大的成本优势。
所述压电金属夹(4)中的金属夹(4-1)有6个面可以和压电陶瓷片(4-2)有效集成。但金属夹在弹性变形过程中，各个面的应变分布不一致：在上下侧面，越靠近底部转角，应变越大。在底部，应变总体比较大且相对侧面的应变分布而言，较均匀。图4给出了一个金属夹上压电元件的几种典型布置方案，假设压电元件的厚度、宽度均一致，不同布置方案对应着不同压电元件的总长度，金属夹(4-1)的至少一个表面粘贴有压电陶瓷片(4-2)，其中，所述至少一个表面中包括金属夹(4-1)的U型的底面，例如：金属夹(4-1)的U型的底部金属片的两个表面，都粘贴有压电陶瓷片(4-2)，且本实施例中，压电陶瓷片(4-2)的长度可以按照从短至长的顺序，分为一级、二级、三级，其中一级压电陶瓷片的长度为d、二级压电陶瓷片的长度为2d、三级压电陶瓷片的长度为3d，d为一个预设的长度值，在A-1、B-1、C-1的方案中，金属夹(4-1)的U型的底面粘贴的压电陶瓷片(4-2)为一级；再例如：在A-2、B-2、C-2的方案中，金属夹(4-1)的U型的底面粘贴的压电陶瓷片(4-2)为二级；在A-3、B-3、C-3的方案中，金属夹(4-1)的U型的底面粘贴的压电陶瓷片(4-2)为三级。而金属夹(4-1)的U型的两臂上可以粘贴的压电陶瓷片，也可以不粘贴的压电陶瓷片，例如：A-1、A-2、A-3的方案中，金属夹(4-1)的U型的底面粘贴的压电陶瓷片，而两臂上并不粘贴压电陶瓷片；再例如：B-1、B-2、B-3的方案中，或者，C-1、C-2、C-3的方案中，金属夹(4-1)的U型的底面粘贴的压电陶瓷片，两臂上分别粘贴压电陶瓷片，而两臂上分别粘贴压电陶瓷片的长度可以按照具体设计要求进行选择，比如：C-1、C-2、C-3的方案中两臂上分别粘贴压电陶瓷片的长度长于B-1、B-2、B-3的方案。
图5给出了不同布置方案下，在相同机械能作用下产生的电能及电能密度比较曲线。可以看出，粘贴压电片的面积越大(总长度越长)，产生的电能越大，表明压电弹簧结构的机电耦合系数越高。但是当底端面快粘贴满时，电能密度最高。具体设计时，可以根据需求选择电能密度最高的布置方式，或者电能最高的布置方式。
为验证本发明的可行性，搭建了如图2所示的压电弹簧摆结构。摆动方向固有频率为1.49Hz，弹簧-质量振动方向固有频率为3.50Hz，结构机电耦合系数为0.015，摆动质量块质量为2.03kg，压电元件输出端接入阻值为54.16kΩ的等效输入阻抗，整个装置的体积约为160×85×85mm3。在人为给出的低频运动激励条件下，压电元件的输出电压及发电功率如图8所示，当激励频率在摆动固有频率附近时，压电弹簧摆结构的平均输出功率在13mW左右。当激励频率随机变化时，输出功率在4mW左右，已经可以满足LED灯指示型浮标夜间照明的需求。值得说明的是，该装置的压电片布置方案并未优化，另外装置的平均发电功率与其等效质量(体积)成正比，对于大型耗电量较高的浮标，可通过优化压电元件布置方案，增加等效质量(体积)等方式进一步提高发电功率。
本实施例中，压电弹簧结构每个金属夹有6个平面可以粘贴压电陶瓷片，压电片之间并联或者串联连接，最终引出正负两个电极给后续接口电路。压电弹簧摆结构，结构摆动自由度的固有频率主要与摆长和重力加速度有关，因此可以在保证结构强度的条件下，实现超低频波动频率匹配。压电弹簧摆结构，弹簧摆总体尺寸可以放大或缩小，相应的发电功率可以增加或降低。另外，装置还可以通过阵列式布置多个压电弹簧摆的方式，进一步提高发电功率或拓宽工作频带。
更进一步，对于大型耗电量较高的浮标，还可以通过阵列式布置多个压电弹簧摆结构，有效提高发电功率。对于波动频率变化不大的应用场合，压电弹簧摆结构尺寸可以一致，最大限度地提高该频率下的发电功率。对于波动频率变化的应用场合，压电弹簧摆结构尺寸可以依次排列设计，通过牺牲最大发电功率的方式拓宽装置的工作频带。
具体的，由1个压电金属夹(4)构成压电弹簧。或者由至少2个压电金属夹(4)串联构成所述压电弹簧，其中，各个压电金属夹(4)之间固定连接。
例如：所述压电弹簧由至少2个压电金属夹(4)串联构成的情况下，各个压电金属夹(4)之间通过焊接实现固定连接。
本实施例中提供了一种加工简便的压电弹簧，使得本实施例的实际产品便于大批量生产。
例如：各个压电金属夹(4)之间通过连接装置(3)串联。压电金属夹(4)上开设有匹配连接装置(3)的通孔，连接装置(3)与压电金属夹(4)的通孔之间采取过盈配合的方式实现固定连接。其中：连接装置(3)为导电材料制成的U型金属销，U型金属销的两臂分别固定连接一个压电金属夹(4)。需要说明的是，本实施例中所提及的金属销，目的在于固定连接两个压电金属夹，因此金属销的形状可以不限于U型，也采用是O型(环形)、工字型等，在此并不限定。其中，连接装置优选刚性材料，连接装置与压电金属夹的连接方式也是刚性的固定连接。在实际应用中，压电弹簧主要由压电金属夹(4)通过连接装置(3)串联构成。金属夹数量可根据实际应用需求选择。
再例如，若大批量生产同一型号的压电弹簧摆结构，则可考虑一次冲压成型或线切割，然后通过热处理去除残余应力的工艺生产金属弹簧。该工艺方案有助于提高弹簧结构实际工作过程中的可靠性，在控制制造成本的同时提升弹簧摆结构的部分性能。
本发明提供的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于压电弹簧结构特别适用于超低频振动能量收集与转化，其典型的应用即海洋波浪能发电。因此本发明的实施例介绍一种用于海洋浮标供电的波动能发电装置，其结构框架示意图如图1所示，装置主要由压电弹簧摆结构、接口电路、能量存储与管理单元构成。其中压电弹簧摆结构是装置的核心，它能够将波动能量直接转换为电能，决定了装置潜在的最大发电功率。接口电路是装置电能提取与存储的重要组成部分，它能够通过阻抗匹配策略优化发电功率，与压电弹簧摆结构一起决定了装置的实际发电功率。能量存储与管理单元是自供电浮标设备的能源中枢，它必须在不断变化的发电功率和消耗功率之间找到平衡，在确保设备能够随时用电或不间断用电的前提条件下，尽可能地降低冗余发电功率，减少设备成本。
本发明实施例提供一种用于海洋浮标供电的波动能发电装置的压电弹簧，其内部的具体结构如图2所示，包括：
密封外壳(1)、连接杆(2)、压电金属夹(4)、摆球质量块(5)、接口电路和能量存储与管理单元(6)。
连接杆(2)分为上端和下端两截，其中，连接杆(2)的上端与密封外壳(1)的内壁铰连，连接杆(2)的下端固定连接摆球质量块(5)。
压电金属夹(4)的部分表面或者全部表面覆盖有压电陶瓷材料。
接口电路通过导线连接所述压电弹簧摆结构中压电元件的电极，用于提取所述压电弹簧摆结构中压电元件电极面产生的电荷能，例如：压电弹簧结构每个金属夹有多个平面可以粘贴压电陶瓷片，压电片之间并联连接，最终引出正负两个电极给后续接口电路。所述接口电路可以有带最大功率点跟踪功能的AC/DC转换电路构成，也可以由负载阻抗不(或弱)影响的非线性能量提取电路组成。当所述压电弹簧摆结构机电耦合系数偏小时，上述接口电路均可以进一步提升装置的实际发电功率。
所述接口电路还通过导线连接能量存储与管理单元，能量存储与管理单元用于存储所述接口电路输出的电能。
其中，外壳(1)形状可任意设计，应遵循与被供电浮标结构方便集成的首要设计原则；外壳(1)吃水线上方应设计类似于减摇鳍的结构，避免在大风浪条件下导致弹簧摆结构失稳；密封外壳(1)内部应该严格密封且保持干燥，在结构装配结束，内部充氮气后，维护孔应该闭合且锁死。对于简单的照明指示浮标，可直接将照明设备集成进波动能发电装置中，外壳(1)设计可考虑布置照明设备；另一方面，若被供电浮标功能复杂，结构尺寸较大，发电装置也可以直接集成进被供电浮标中，此时，密封外壳(1)可以不严格遵循上述设计原则，但仍应考虑其密封性能，防止内部结构和电路腐蚀损伤。波动能发电装置，其自身结构示意图如图2所示，包括：密封外壳(1)，压电弹簧中的连接杆(2)，连接装置(3)及压电金属夹(4)，摆球质量块(5)和处于密封壳(1)底端的接口电路、能量存储与管理单元(6)。所述密封外壳(1)的制造材料可选择CMB(防撞免维护)塑料，若浮标在特殊情况下需要紧急下潜等操作，材料也可选择高强度的金属如钢、钛合金等，此时外壳(1)外部应涂防腐蚀涂料，或者放置锌块。
连接杆(2)、压电金属夹(4)构成压电弹簧，所述压电弹簧和摆球质量块(5)构成压电弹簧摆结构。密封外壳(1)，所述密封外壳(1)形状不唯一，以方便和被供电浮标结构集成为首要设计原则；压电弹簧摆结构，所述压电弹簧摆结构由连接杆(2)、连接装置(3)、压电金属夹(4)和摆球质量块(5)构成，连接杆(2)顶端与密封外壳(1)铰连，底端与摆球质量块(5)固连；接口电路、能量存储与管理单元(6)，所述接口电路、能量存储与管理单元(6)一般布置于密封空间的底部，用以增强装置的稳定性。密封外壳(1)以方便与被供电浮标设备集成为首要设计原则，因此密封外壳(1)形状不唯一。但要考虑密封外壳(1)在大风浪中漂浮的稳定性。
其中，压电弹簧摆结构在振荡过程中直接输出的实际上是交流电，接口电路的其中一个功能即为将交流电能转换为直流电能，并能有效提取压电元件电极面电荷能。将电能有效存储并给后续被供电设备提供稳定供电电压的能量存储与管理单元。
在12页15行中有介绍，所以可以删除。
本实施例中的压电弹簧摆结构，可以近似看成一典型的二自由度平方非线性振荡器，当波浪振动施加在发电装置上时，弹簧摆结构会发生摆动，进而引发弹簧发生伸缩振荡。由于压电陶瓷片集成在弹簧结构上，弹簧的伸缩振荡会使压电陶瓷元件产生变形，进而通过正压电效应产生电能。压电弹簧摆结构的摆动是惯性式的，因此不要求供电装置或部分构件必须通过锚链固定，因此该供电方式适合各种类型的浮标设备。
根据非线性动力学理论中的内共振原理，要求摆动固有频率接近波浪振动频率，弹簧伸缩振荡固有频率是摆动固有频率的两倍。一般而言，波浪振动频率特别低，在1Hz左右，但摆动固有频率仅与重力加速度和摆长有关，与结构的等效刚度和质量无关，因此摆结构的设计创造性地在实现超低频匹配的同时避免了结构脆弱性问题。
另外，弹簧伸缩振荡频率是波浪振动频率的两倍，巧妙地实现了升频功能，进一步提高了输出功率。这是因为当振荡幅值恒定时，发电功率与振动频率的三次方成正比关系。要知道，大多数风力发电机内部会安装昂贵的齿轮增速装置，也是为了提高线圈切割磁感应线的频率；而该压电弹簧摆的结构设计，并没有额外增加复杂的升频转换结构。
压电弹簧摆结构发生振荡是相对式的，即结构的密封外壳必须和激励源(波浪振动)相对静止，当振动频率和摆动固有频率匹配时，弹簧摆结构会放大激励振幅，进而高效的发电。这与大部分带锚链设计的波浪能发电装置(装置部分结构和地球保持静止不动)不同，因此本实施例中的装置既可以为固定的浮标设备供电，也可以为漂流式的浮标设备供电，且结构集成方式较为简单。
该压电弹簧摆结构关键部位由压电弹簧和摆球构成，结构设计简单，运行稳定可靠。其中压电弹簧结构创造性地由具有弹性的金属夹和压电陶瓷片组合而成，金属夹可以由常见的长尾夹改装而成，压电陶瓷片则属于最为常见的一种压电材料，因此压电弹簧结构的加工制造成本非常低。
波动能发电装置，其核心部件是压电弹簧摆结构，即压电弹簧和摆球质量块(5)。其中压电弹簧由连接杆(2)，连接装置(3)及压电金属夹(4)构成。连接杆(2)顶端与密封外壳(1)铰连，底端与摆球质量块(5)固连，压电金属夹(4)之间通过连接装置(3)串联在一起。当密封外壳(1)随波浪波动时，摆球质量块(5)会发生摆动。若波动频率满足条件，摆球的摆动幅度可能会远远大于波动幅度。根据弹簧摆原理，若弹簧-质量振动自由度的固有频率在摆动频率附近，弹簧将发生大幅伸缩振荡。所述压电金属夹之间通过连接装置(3)串联，连接销与金属夹通孔之间采取过盈配合的方式，确保销和金属夹之间不容易发生转动，提高发电效率。另外，由于弹性金属夹串联之后会降低弹簧的等效刚度，因此可以根据实际情况灵活的选择串联金属夹数量，进而控制等效刚度(弹簧-质量振动自由度的固有频率)。
作为一种实施方式，考虑供电装置与流线漂流或潜航型浮标集成，其密封外壳(1)在波动激励作用下容易失稳翻滚，为保证摆结构正常工作，可在密封空间中间位置设计轴铰链机构。该设计的简化示意图如图6所示，其中轴(1-1)与密封外壳(1)固连，无相对运动。轴(1-1)与压电弹簧连接杆(2-1)通过特定的轴承装配在一起，细节放大的示意图如图7所示。此时，一旦密封外壳(1)带动轴(1-1)发生翻滚，由于轴承的存在，整个重力弹簧摆结构仍能保持自身状态。此设计的缺点是，摆结构仅在沿漂流方向的铅垂平面内振荡，此方向密封外壳(1)的稳定性也较高。而在容易发生剧烈振荡的横向铅垂平面内，由于轴承(2-1)的存在，摆结构较难发生大幅振荡。
更进一步，为解决上述缺点，轴承可以通过特殊定制的方式，人为增大旋转时的摩擦力，当其超过一定阈值时才发生旋转，可以进一步增加装置的发电效率。另外，轴铰链设计增加了结构的复杂度和部分成本，应该仅在对漂流阻尼系数要求特别高的场合选择应用。例如：对于要求漂流阻力特别小的漂流式浮标，可通过设计轴铰链机构确保压电弹簧摆状态的稳定性。该设计增加了结构的复杂性和部分成本，但可以降低漂流阻力系数。对于需要长途漂流的浮标，密封壳体可采用横向流线型结构设计，用以减小浮标漂流时的阻尼系数。此时，可以在摆的固定端设计轴铰链机构确保摆的姿态。
进一步的，所述波动能发电装置中设置有至少2组压电弹簧摆结构，所述至少2组压电弹簧摆结构阵列式装配在所述波动能发电装置中，所述接口电路通过导线连接每一组压电弹簧摆结构。即，可以通过设计多组压电弹簧摆结构阵列式装配，线性增加发电功率，进而满足各类消耗功率不一致的浮标设备。本发明实施例所要解决的技术问题是在满足性能要求的基础上，设计结构简单、可靠性高、易维护、使用成本低的波浪能发电装置；该装置能够根据实际需求更改设计尺寸，或者增加弹簧摆数量，同时有效地与各种类型的浮标结构集成。
进一步的，所述接口电路和能量存储与管理单元(6)，布置于密封外壳(1)所围成的密封空间的吃水线下方。在密封外壳(1)外表面的吃水线上方，安装有减摇鳍结构。密封外壳(1)在大风浪中漂浮要具有稳定性，所述接口电路和能量存储与管理单元(6)中的电池组和超级电容器应布置于密封空间下方。同时密封外壳(1)吃水线上方设计类似于减摇鳍的结构，增大结构在大风浪中摇摆的阻尼系数。为保证摆的姿态，在外壳吃水线上方设计了类似于船舶减摇鳍的结构，用以增加装置在大幅摇摆状态下的阻尼系数，确保压电弹簧摆结构属于重力摆。将供电装置中用于储能的超级电容器及电池布置于壳体下方，吃水线以下，最大限度地增加装置的稳定性。
接口电路和能量存储与管理单元(6)中存储模块采用超级电容器和电池混合储能的方式。电池储能密度大，能够在相同质量(或体积)条件下，存储较多的电能，但是充电效率受充电条件影响较大，使用寿命也与充放电次数密切相关；超级电容器储能密度相对较小，但是充放电简单、高效，循环次数特别高。由于本实施例所述的发电装置，几乎时时刻刻均处于充放电状态，为提高能量存储介质的使用寿命，选择混合储能方式有助于延长使用寿命，同时满足自供电系统对电能管理的要求，从根源上降低设计难度。另外，电池及超级电容器应布置于壳体最下方，提高装置的稳定性。
为避免海水盐雾环境对压电弹簧摆结构的影响，应考虑将结构密封进外壳内部。例如：密封外壳(1)内部完全密封并充满惰性气体。或者密封外壳(1)内部完全密封并充满氮气。也可以在密封外壳(1)内部填充其他能够缓减金属氧化的气体。该外壳可以通过材料本身、涂料、或者牺牲阳极保护法提高耐腐蚀性能；内部则通过物理隔离、甚至充氮气的方法提高结构的耐腐蚀性能。此设计能够极大确保装置的发电效率，同时降低维护费用。密封外壳(1)内部完全密封并充满氮气，一旦设备装配成功，外壳应不保留维护孔，或者维护孔关闭并锁死。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，包括：
连接杆(2)和至少1个压电金属夹(4)构成压电弹簧；
压电金属夹(4)由金属夹(4-1)和覆盖在金属夹(4-1)表面的压电元件(4-2)组成，其中，金属夹(4-1)为U型，压电金属夹(4)至少有一个表面覆盖压电陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的超低频振动能量转化的压电弹簧，其特征在于，压电金属夹(4)由金属夹(4-1)和压电元件(4-2)构成，金属夹(4-1)的至少一个表面粘贴有压电元件(4-2)，其中，所述至少一个表面中包括金属夹(4-1)的U型的底面；
压电元件(4-2)电极面之间并联或者串联连接，并引出正负两个电极连接后续接口电路的导线。
3.根据权利要求1所述的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，由至少2个压电金属夹(4)串联构成所述压电弹簧，其中，各个压电金属夹(4)之间固定连接。
4.根据权利要求3所述的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，各个压电金属夹(4)之间通过焊接实现固定连接。
5.根据权利要求3所述的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，各个压电金属夹(4)之间通过连接装置(3)串联；
压电金属夹(4)上开设有匹配连接装置(3)的通孔，连接装置(3)与压电金属夹(4)的通孔之间采取过盈配合的方式实现固定连接。
6.根据权利要求5所述的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，连接装置(3)为U型金属销，U型金属销的两臂分别固定连接一个压电金属夹(4)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，所述压电弹簧安装在一种波动能发电装置上，所述波动能发电装置包括：
密封外壳(1)、连接杆(2)、压电弹簧(3)、压电金属夹(4)、摆球质量块(5)、接口电路和能量存储与管理单元(6)；
压电弹簧(3)和摆球质量块(5)构成压电弹簧摆结构；
连接杆(2)分为上端和下端两截，其中，连接杆(2)的上端与密封外壳(1)的内壁铰连，连接杆(2)的下端固定连接摆球质量块(5)；
所述接口电路通过导线连接所述压电弹簧摆结构中压电元件(4-2)的电极，用于提取所述压电弹簧摆结构中的压电元件(4-2)电极面产生的电荷能；
所述接口电路还通过导线连接能量存储与管理单元(6)，能量存储与管理单元(6)用于存储所述接口电路输出的电能。
8.根据权利要求7所述的用于超低频振动能量转化的压电弹簧结构，其特征在于，所诉压电弹簧结构特别适用于超低频振动能量收集与转化，其典型的应用即海洋波浪能发电。所述波浪能发电装置中设置有至少2组压电弹簧摆结构，所述至少2组压电弹簧摆结构阵列式装配在所述波动能发电装置中，所述接口电路通过导线连接每一组压电弹簧摆结构。
9.根据权利要求8所述的用于海洋波浪能机电能量转化的压电弹簧，其特征在于，所述接口电路和能量存储与管理单元(6)，布置于密封外壳(1)所围成的密封空间的吃水线下方；
在密封外壳(1)外表面的吃水线上方，安装有减摇鳍结构。
10.根据权利要求7所述的用于海洋波浪能机电能量转化的压电弹簧，其特征在于，轴(1-1)与密封外壳(1)固定连接且无相对运动；
轴(1-1)与压电弹簧连接杆(2-1)通过轴承装配在一起。
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