CN109217611A - 一种复合式波浪能收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合式波浪能收集装置，包括可安装在搭载平台上的壳体、安装在壳体内部的电磁发电组件和压电发电组件；电磁发电组件包括球形电壳、安装在电壳内的弹性球、设置在弹性球内部的磁铁以及缠绕在电壳外部的电磁线圈；压电发电组件包括至少两组相对于电壳对称设置的压电片以及用于带动电壳往复移动以挤压对侧压电片的弹性部件。本发明所提供的复合式波浪能收集装置，将海洋波浪多个方向的低频振动通过空间运动副、弹簧储能机构和压电弹性梁阵列结构，转化为球内磁铁的滚动、转动和压电弹性梁的振动，并且电磁和压电两种方式共同输出电能，实现了波浪能的高功率密度输出和较高的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集设备领域，特别是涉及一种复合式波浪能收集装置。
背景技术
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。地球上70.8％的面积被海水所覆盖，海洋波浪的能量资源丰富。如今人类对能源的需求不断加大，非可再生能源的储量日益减少，各种可再生能源的利用工作受到越来越多的重视，发掘波浪能的潜力、利用海洋中波浪能还具有很大的空间。波浪能收集目前主要有两种类型：一种是能量收集装置直接与海水接触，通过运动的海水直接驱动能量转换装置；另一种是能量收集装置集成在搭载平台内部，通过收集平台受到波浪作用产生的振动能量，间接地收集波浪能。人类对于通过运动的海水直接驱动与海水接触的能量收集装置来收集能源的研究和应用已经有较多的技术类型，如直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动等，但是大多都分布于沿海或近海地区，且装置体积巨大。间接收集波浪能的装置发展较晚，现有的种类并不多。
目前，人类为了监测和开发海洋的需要，将这种间接收集波浪能的装置集成在海上检测工具中，如海洋浮标、海上航行器等设备平台上，可在非沿海近海地区进行能源收集，为这些设备平台中耗能小的元件供电并延长设备的使用周期，对海洋的监测和开发具有重要意义。
现有技术中，可集成在海上以及海中的设备平台内间接收集波浪能的装置或直接布置在海平面上下的波浪能收集装置相对较少。现有装置一般采用电磁发电和摩擦发电两种类型。电磁发电类型一般采用弹簧振子结构。搭载平台受海浪作用随海洋波浪运动而振动，这也带动了固定在弹簧活动端的磁铁产生某个方向的正负受迫振动，与此同时固定在能量收集器上的感应线圈切割磁感线产生电能输出。由于海洋波浪振动具有频率低、空间中振动波形复杂的特点，这种电磁发电能量收集装置的磁铁振动频率低，且只能单一方向运动，使得磁通量的变化率较小，影响了发电输出。摩擦式发电类型是通过两种材料的表面相互接触和分离，根据摩擦生电和静电感应的耦合来实现电能输出。一般是在波浪振动产生的外力作用下，通过某种方式，如在平面上自由滚动小球相互撞击摩擦等，使两种不同的材料表面产生接触和分离，产生电能并输出。同样由于海洋中的波浪振动的频率较低、空间中振动波形复杂的原因，使得摩擦材料表面的接触和分离的频率较低，且相互间刚体撞击极大损失能量，摩擦使之寿命缩短，所以输出的电能较低使用寿命不长。
由于海洋中海浪振动具有频率极低的特点，一般小于5Hz，甚至在1Hz以下，现有的电磁发电、摩擦发电等类型的振动式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，超低频振动环境下很难实现高功率密度输出和较高的能量转换效率。由于海洋波浪在空间中振动波形复杂的原因以及现有装置结构自身因素，大多只能在单自由度或少数几个自由度上运动并收集这部分动能，其余部分的海洋波浪能只能白白浪费。对于可集成在海上设备平台间接收集波浪能的装置，目前缺少有效装置和技术来实现对波浪能的充分利用和收集。
因此，如何提高波浪能收集的效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合式波浪能收集装置，该复合式波浪能收集装置采用电磁和压电两种方式共同输出电能，实现了波浪能的高功率密度输出和较高的能量转换效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种复合式波浪能收集装置，包括可安装在搭载平台上的壳体、安装在所述壳体内部的电磁发电组件和压电发电组件；所述电磁发电组件包括球形电壳、安装在所述电壳内的弹性球、设置在所述弹性球内部的磁铁以及缠绕在所述电壳的外部可在所述磁铁移动时产生电磁感应并输出电能的电磁线圈；所述压电发电组件包括至少两组相对于所述电壳对称设置的压电片以及用于带动所述电壳往复移动以挤压对侧所述压电片的弹性部件，所述电壳在所述壳体内移动时会挤压所述压电片产生压电效应以输出电压。
优选的，所述压电片套设在所述弹性部件上；所述压电片包括环形支撑件和安装在所述环形支撑件内周部的若干压电片本体，所述压电片本体远离所述环形支撑件的端部悬置；所述弹性部件与所述压电片本体之间具有间隙。
优选的，所述压电片本体呈梯形或者扇环形。
优选的，所述壳体为正方体型壳体，所述弹性部件与所述压电片的个数均为六个，并且分别分布在所述壳体的六个内表面。
优选的，所述弹性部件为弹簧，所述壳体的各内表面均设有用于安装所述弹性部件的圆形凸台。
优选的，所述弹性球为硅胶弹性球，所述磁铁呈柱状，并且所述磁铁嵌入所述弹性球内部。
优选的，所述电壳的外表面由球体顶端到低端设有若干环绕外圆的凹槽，单个所述凹槽的长度为对应位置球体外圆周长的1/6-1/4，所述电磁线圈呈之字形缠绕在所述凹槽上。
优选的，所述凹槽的环形阵列个数为3-5个，并且，缠绕在各凹槽阵列上的所述电磁线圈的依次首尾相连以实现所述电壳的底端和顶端的铜线接头为正负极。
优选的，单个所述凹槽的长度为对应位置球体外圆周长的1/5，所述凹槽的环形阵列个数为4个。
优选的，还包括用于根据所述电磁发电组件输出的电信号变化监测所述搭载平台稳定性以及根据所述压电发电组件输出的电信号变化监测所述搭载平台加速度的传感控制器。
本发明所提供的复合式波浪能收集装置，包括可安装在搭载平台上的壳体、安装在所述壳体内部的电磁发电组件和压电发电组件；所述电磁发电组件包括球形电壳、安装在所述电壳内的弹性球、设置在所述弹性球内部的磁铁以及缠绕在所述电壳的外部可在所述磁铁移动时产生电磁感应并输出电能的电磁线圈；所述压电发电组件包括至少两组相对于所述电壳对称设置的压电片以及用于带动所述电壳往复移动以挤压对侧所述压电片的弹性部件，所述电壳在所述壳体内移动时会挤压所述压电片产生压电效应以输出电压。该复合式波浪能收集装置，通过所述电磁发电组件的设置，利用所述电壳、所述弹性球、所述磁铁以及所述电磁线圈的组合，当搭载平台晃动时，包裹所述磁铁的所述弹性球受重力作用与所述电壳发生相对运动，引起周围磁场的变化，使所述电磁线圈发生电磁感应效应，输出电能；同时，在所述弹性球运动撞击作用下，所述电壳与所述外壳发生相对运动，从而使所述电壳对某个方向上的所述压电片以及所述弹性部件产生压力，使所述压电片因受压而输出电能，所述弹性部件收缩储存势能并释放，再进而对反方向的所述压电片产生压力并输出电能，循环往复，尽可能地将装置收集到的能量转化为电能。
在一种优选实施方式中，还包括用于根据所述电磁发电组件输出的电信号变化监测所述搭载平台稳定性以及根据所述压电发电组件输出的电信号变化监测所述搭载平台加速度的传感控制器。上述设置，当搭载平台有某个方向的运动加速度，则所述弹性球与所述电壳一起受惯性力作用，沿加速度的反方向挤压所述弹性部件与所述压电片，使之有电信号输出，加速度减小时所述弹性部件与所述压电片形变量减小，电信号改变，对压电部分的电信号处理分析可测得搭载平台的运动加速度情况；当搭载平台有晃动、抖动等情况发生时，包裹所述磁铁的所述弹性球会发生相对所述电壳的运动，从而电磁发电结构有电信号输出；平台的不稳定情况越剧烈，则电信号越强烈，以此可以用于测量平台的稳定情况。
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，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。
图1为本发明所提供的复合式波浪能收集装置一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明所提供的复合式波浪能收集装置中电磁发电组件的结构示意图；
图3为本发明所提供的电磁发电组件与壳体的组装结构示意图；
图4为本发明所提供的复合式波浪能收集装置中压电发电组件的结构示意图；
图5为本发明所提供的压电片与壳体的组装结构示意图；
图6为本发明所提供的电壳、弹簧、压电片和外壳连接处的局部放大示意图；
其中：1-壳体、2-电壳、3-磁铁、4-弹性球、5-电磁线圈、6-弹性部件、7-压电片、71-环形支撑件、72-压电片本体。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种复合式波浪能收集装置，该复合式波浪能收集装置将海洋波浪多个方向的低频振动通过空间运动副、弹簧储能机构和压电弹性梁阵列结构，转化为球内磁铁的滚动、转动和压电弹性梁的振动，并且电磁和压电两种方式共同输出电能，实现了波浪能的高功率密度输出和较高的能量转换效率。
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。
请参考图1至图6，图1为本发明所提供的复合式波浪能收集装置一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的复合式波浪能收集装置中电磁发电组件的结构示意图；图3为本发明所提供的电磁发电组件与壳体的组装结构示意图；图4为本发明所提供的复合式波浪能收集装置中压电发电组件的结构示意图；图5为本发明所提供的压电片与壳体的组装结构示意图；图6为本发明所提供的电壳、弹簧、压电片和外壳连接处的局部放大示意图。
在该实施方式中，复合式波浪能收集装置包括壳体1、电磁发电组件和压电发电组件，壳体1可安装在搭载平台上，可跟随搭载平台而移动和晃动，电磁发电组件和压电发电组件均安装在壳体1的内部。
具体的，电磁发电组件包括球形电壳2、安装在电壳2内的弹性球4、设置在弹性球4内部的磁铁3以及缠绕在电壳2的外部可在磁铁3移动时产生电磁感应并输出电能的电磁线圈5；当搭载平台晃动时，包裹磁铁3的弹性球4受重力作用与电壳2发生相对运动，引起周围磁场的变化，使电磁线圈5发生电磁感应效应，输出电能；
压电发电组件包括压电片7以及用于带动电壳2往复移动以挤压对侧压电片7的弹性部件6，优选的，压电片7与弹性部件6一一对应，并且，压电片7与弹性部件6具有至少两组，两组压电片7与弹性部件6相对于电壳2对称设置，在壳体1内移动时，弹性部件6会挤压压电片7产生压电效应以输出电压。具体的，在弹性球4运动撞击作用下，电壳2与外壳发生相对运动，从而使电壳2对某个方向上的压电片7以及弹性部件6产生压力，使压电片7因受压而输出电能，弹性部件6收缩储存势能并释放，再进而对反方向的压电片7产生压力并输出电能，循环往复，尽可能地将装置收集到的能量转化为电能。
在上述各实施方式的基础上，压电片7套设在弹性部件6上；压电片7包括环形支撑件71和安装在环形支撑件71内周部的若干压电片本体72，压电片本体72远离环形支撑件71的端部悬置。
进一步，弹性部件6位于由各压电片本体72的端部形成的中空部分内；弹性部件6与压电片本体72之间具有间隙，即弹性部件6与压电片本体72不接触。
优选的，压电片本体72呈梯形或者扇环形。
优选的，弹性部件6优选为柱状弹性部件6，更优选为弹簧。
具体的，压电片本体72的长度，即梯形或扇环形压电片本体72的高度不宜过大，应当保证由各压电片本体72的端部形成的中空部分，即压电片7的中心预留空间的直径比弹性部件6的直径略大，梯形或扇环形压电片本体72的表面距离环形支撑件71的端面的距离，应当能够保证在电壳2将弹性部件6压至完全压缩时会使压电片本体72产生形变且不至于断裂。
优选的，压电片本体72以环形支撑件71的圆心为中心阵列嵌在环形支撑件71的内侧，以保证各压电片本体72承受压力的均匀性，提高使用寿命。
在上述各实施方式的基础上，壳体1为正方体型壳体1，弹性部件6与压电片7的个数均为六个，并且分别分布在壳体1的六个内表面。具体的，6个压电片7阵列布置于外壳内部中心位置如图1。
在上述各实施方式的基础上，壳体1的各内表面均设有用于安装弹性部件6的圆形凸台，每个弹性部件6均为一端固定在外壳内的圆形凸台上而另一端支撑电壳2。
在上述各实施方式的基础上，弹性球4为硅胶弹性球4，磁铁3呈柱状，并且磁铁3嵌入弹性球4内部，具体的，柱状磁铁3被弹性球4包裹，可在电壳2内自由运动，弹性球4的材质为硅胶等做成球形后弹性较大的材料，内部嵌入磁铁3封装后置于电壳2内，弹性球4可在电壳2内自由滚动。
在上述各实施方式的基础上，电壳2的外表面由球体顶端到低端设有若干环绕外圆的凹槽，单个凹槽的长度为对应位置球体外圆周长的1/6-1/4，电磁线圈5呈之字形缠绕在凹槽上。具体的，电磁线圈5优选为铜线线圈。
在上述各实施方式的基础上，凹槽的环形阵列个数为3-5个，并且，缠绕在各凹槽阵列上的电磁线圈5的依次首尾相连以实现电壳2的底端和顶端的铜线接头为正负极。
在上述各实施方式的基础上，单个凹槽的长度为对应位置球体外圆周长的1/5，凹槽的环形阵列个数为4个。
具体的，铜线呈之字形缠绕在每个1/5凹槽上形成电磁线圈5，电磁线圈5阵列4个，且4个铜线线圈首尾相接实现电壳2的底端和顶端的铜线接头为正负极。
在上述各实施方式的基础上，还包括用于根据电磁发电组件输出的电信号变化监测载平台稳定性以及根据压电发电组件输出的电信号变化监测载平台加速度的传感控制器。
上述设置，当搭载平台有某个方向的运动加速度，则弹性球4与电壳2一起受惯性力作用，沿加速度的反方向挤压弹性部件6与压电片7，使之有电信号输出，加速度减小时弹性部件6与压电片7形变量减小，电信号改变，对压电部分的电信号处理分析可测得搭载平台的运动加速度情况；当搭载平台有晃动、抖动等情况发生时，包裹磁铁3的弹性球4会发生相对电壳2的运动，从而电磁发电结构有电信号输出；平台的不稳定情况越剧烈，则电信号越强烈，以此可以用于测量平台的稳定情况。
在上述各实施方式的基础上，搭载平台可以是海上的浮标、航行器等设备，搭载平台在波浪的作用下，产生各方向上的晃动，通过对搭载平台晃动的能量进行收集，间接的将波浪能转化为电能。并且压电部分可作为加速度计使用，电磁发电部分可用于平台稳定性的测量。
该收集装置可集成在海上设备平台内，间接收集波浪能，若对其密封做好处理并配以浮力支持配件及防水配件，将多个本设计空间阵列，亦可在近海或深海进行直接能源收集，单个该收集装置放置于运动平台中，可以做加速度检测器使用。
具体的，本实施例所提供复合式波浪能收集装置，安装在搭载平台中，在装置静止时，包裹磁铁3的弹性球4静置在电壳2内的底部，电壳2在六个弹簧的限制下处于静止平衡状态；在海浪波动激励下，外壳与搭载平台随之起伏晃动，此时包裹磁铁3的弹性球4受重力作用在电壳2内自由滚动或与电壳2发生碰撞；在弹性球4滚动的同时，磁铁3的运动会使周围磁场发生变化，从而引起铜线线圈的电磁感应效应使电流输出，完成电磁发电；弹性球4的自由滚动或与电壳2发生碰撞会使电壳2相对外壳发生运动位移，并在弹簧的作用下反复撞击各压电片7，从而使各压电片本体72反复弯曲产生压电效应，对外输出电压。这样，本装置将波浪运动的能量间接并高效率地转化为电能。
本装置亦可用于测量平台的加速度及稳定性。当搭载平台有某个方向的运动加速度，则弹性球4与电壳2一起受惯性力作用，沿着加速度的反方向挤压弹簧与压电片7，使之有电信号输出，从而对电信号分析处理可得到搭载平台的运动加速度。当搭载平台运动不稳定时，内部电磁发电结构中的弹性球4会无规律剧烈地运动，从而引起电磁组件电信号较高输出。
工作原理：
1、当该装置与搭载平台在海浪作用下上下起伏左右晃动时，本装置中的磁铁3与弹性球4会因重力及惯性力作用，在电壳2内自由滚动或与电壳2发生碰撞，从而使磁场发生变化进而因铜线线圈的电磁感应而输出电能。
具体可根据电壳2与弹性球4及磁铁3的大小，选定相应比例，使弹性球4在电壳2内的运动最为剧烈，周围磁场变化最大；调整铜线线圈围绕电壳2的角度及阵列个数，完成电磁发电的优化，使输出效果更好。
2、弹性球4在电壳2内与电壳2发生相互挤压碰撞时，电壳2会相对于外壳向某个方向运动，挤压对应方向的弹簧使之压缩、碰撞并挤压对应方向上的压电片7，使压电片7发生弯曲形变，之后弹簧释放压缩势能将电壳2推出，被挤压的压电片7恢复原状，电壳2接着去挤压对面的弹簧与压电片7，如此反复，完成压电片7的升频振动，通过压电效应产生电动势，将积累的弹性势能转化为电能。
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。具体可以根据压电材料压电特性调整压电片7尺寸、弹簧直径与硬度甚至弹性球4的材料，使电壳2的振动频率满足压电片7的高效率压电电能输出。得到优化后的尺寸，完成高效的压电输出效果。
3、可根据实际情况，调整每个压电片7上梯形或扇环形压电片本体72的个数，并调整弹簧原长，使电壳2达到运动极限时既能把压电片本体72压至形变很大也不至于压断压电片本体72，达到压电输出的优化。
4、若将本申请设计作为加速度检测器使用，则需增大弹性球4质量与体积，增大弹簧硬度，优化应变片的尺寸提高其最大形变量，以获得最大的加速度测量范围。当搭载平台有某个方向的运动加速度，则弹性球4与电壳2一起受惯性力作用，沿着加速度的反方向挤压弹簧与压电片7，使之有电信号输出，从而对电信号分析处理可得到搭载平台的运动加速度。
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。
以上对本发明所提供的复合式波浪能收集装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种复合式波浪能收集装置，其特征在于，包括可安装在搭载平台上的壳体(1)、安装在所述壳体(1)内部的电磁发电组件和压电发电组件；所述电磁发电组件包括球形电壳(2)、安装在所述电壳(2)内的弹性球(4)、设置在所述弹性球(4)内部的磁铁(3)以及缠绕在所述电壳(2)的外部可在所述磁铁(3)移动时产生电磁感应并输出电能的电磁线圈(5)；所述压电发电组件包括至少两组相对于所述电壳(2)对称设置的压电片(7)以及用于带动所述电壳(2)往复移动以挤压对侧所述压电片(7)的弹性部件(6)，所述电壳(2)在所述壳体(1)内移动时会挤压所述压电片(7)产生压电效应以输出电压。
2.根据权利要求1所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述压电片(7)套设在所述弹性部件(6)上；所述压电片(7)包括环形支撑件(71)和安装在所述环形支撑件(71)内周部的若干压电片本体(72)，所述压电片本体(72)远离所述环形支撑件(71)的端部悬置；所述弹性部件(6)与所述压电片本体(72)之间具有间隙。
3.根据权利要求2所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述压电片本体(72)呈梯形或者扇环形。
4.根据权利要求1所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述壳体(1)为正方体型壳体(1)，所述弹性部件(6)与所述压电片(7)的个数均为六个，并且分别分布在所述壳体(1)的六个内表面。
5.根据权利要求4所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述弹性部件(6)为弹簧，所述壳体(1)的各内表面均设有用于安装所述弹性部件(6)的圆形凸台。
6.根据权利要求1所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述弹性球(4)为硅胶弹性球(4)，所述磁铁(3)呈柱状，并且所述磁铁(3)嵌入所述弹性球(4)内部。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述电壳(2)的外表面由球体顶端到低端设有若干环绕外圆的凹槽，单个所述凹槽的长度为对应位置球体外圆周长的1/6-1/4，所述电磁线圈(5)呈之字形缠绕在所述凹槽上。
8.根据权利要求7所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，所述凹槽的环形阵列个数为3-5个，并且，缠绕在各凹槽阵列上的所述电磁线圈(5)的依次首尾相连以实现所述电壳(2)的底端和顶端的铜线接头为正负极。
9.根据权利要求8所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，单个所述凹槽的长度为对应位置球体外圆周长的1/5，所述凹槽的环形阵列个数为4个。
10.根据权利要求1至6任意一项所述的复合式波浪能收集装置，其特征在于，还包括用于根据所述电磁发电组件输出的电信号变化监测所述搭载平台稳定性情况以及根据所述压电发电组件输出的电信号变化检测所述搭载平台加速度的传感控制器。
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