CN110500227B - 一种频率可调的海浪能发电装置及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率可调的海浪能发电装置及其发电方法。海浪的低频与频率多变的特性，极大的影响力对海浪能的收集效率。本发明一种频率可调的海浪能发电装置，包括内部壳体、壳体端盖、振子系统和振荡发电机构。振子系统包括振荡弹簧、振子管、振子端盖、伸缩气囊和推力单元。压电发电单元包括弓形拉伸板、柔性板、矩形垫块和压电片。本发明通过设置多块依次间隔排列的第一永磁铁能够将低频海浪转换为频率更高的机械振动，从而提高能量收集效率，克服了由于海浪频率低造成能量收集效率低的问题。本发明可通过控制可伸缩气囊内的气压大小，调节杠杆振动频率，使得振动频率趋近于共振频率，从而提高能量收集效率。

Description

一种频率可调的海浪能发电装置及其发电方法

技术领域

本发明属于能量回收利用技术领域，具体涉及一种频率可调的海浪能发电装置及其发电方法。

背景技术

如今，关于能源的无限需求，许多研究都集中在能量收集。这些研究的主要目的是从浪费的能源中产生有用的能量。海浪能源是巨大的能源之一，其能量密度高于太阳能和风能等一些可再生资源。但是，生活中大部分的海浪能量却没有加以利用而被浪费掉了。由于海浪的频率较低，因此对从这个能量资源中获取基于振动的能量的注意力较少。

海洋探测设备一般是在无人值守的情况下长期工作，对于利用电池供能的设备其工作寿命受制于电池的电量，工作寿命较为有限。海浪能是海上一种丰富的可再生能源，将其转化为电能可以实现随时和不间断地为海洋探测设备提供能量(即自供电)。

由于海浪的低频与频率多变的特性，极大的影响力对海浪能的收集效率，目前大部分海浪能收集装置往往只能解决其中一种问题，无法最大化收集海浪能量，故本发明提供了一种低频转高频且频率可调的海浪能量收集装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率可调的海浪能发电装置及其发电方法。

本发明一种频率可调的海浪能发电装置，包括内部壳体、壳体端盖、振子系统和振荡发电机构。两个壳体端盖与内部壳体内侧壁的两端分别固定。振子系统设置在内部壳体内。所述的振子系统包括振荡弹簧、振子管、振子端盖、伸缩气囊和推力单元。振子管的内腔中装有伸缩气囊；振子管的侧壁上开设有m个沟槽组。m个沟槽组与m个推力单元分别对应。推力单元由沿振子管轴向依次排列的多个第一永磁铁组成。各第一永磁铁均与伸缩气囊的侧面固定。两个振子端盖的内侧面与振子管的两端分别固定。两个振荡弹簧的一端与两个壳体端盖的内侧面分别固定，另一端与两个振子端盖的外侧面分别固定。

所述内部壳体的侧壁上开设有m个让位孔，振荡发电机构共有m个。m个振荡发电机构与m个推力单元分别对应。振荡发电机构包括第二永磁铁、滑块、缓冲弹簧、杠杆和压电发电单元。滑块穿过让位孔。滑块的内侧面固定有第二永磁铁。第二永磁铁朝向对应推力单元的磁极与第一永磁铁朝向对应第二永磁铁的磁极极性相同。

所述的压电发电单元包括弓形拉伸板、柔性板、矩形垫块和压电片。两块弓形拉伸板的内凹侧相对设置。两块弓形拉伸板之间设置有柔性板。柔性板上设置有压电片。其中一块弓形拉伸板与内部壳体的外侧面固定。杠杆的中部与内部壳体铰接。杠杆的一端与滑块的外侧面通过缓冲弹簧连接，另一端与远离内部壳体的那块弓形拉伸板固定。

作为优选，本发明一种频率可调的海浪能发电装置还包括充气泵、排气泵和储气罐。充气泵、排气泵及储气罐均设置在封装外壳和内部壳体之间。伸缩气囊上设置有两个气口。充气泵的输入口与储气罐的出气口连接，输出口与伸缩气囊的第一个气口通过软管连接。排气泵的输入口与伸缩气囊的第二个气口通过软管连接，输出口与储气罐的进气口连接。

作为优选，本发明一种频率可调的海浪能发电装置还包括能量收集电路。能量收集电路包括整流器、电流传感器、电压传感器和电池。每张压电片均对应一个整流器。整流器的两个输入接线端与对应压电片的两个接线端分别连接。所有整流器的正极输出端均与电池正极相连，负极输出端均与电池负极相连。电流传感器串联在电池正极与整流器的正极输出端之间。电压传感器的两个接线端与整流器的正极输出端、负极输出端分别相连。

作为优选，所述的伸缩气囊由依次排列相连的2n+1个碟形气囊单元组成。沟槽组包括沿振子管的轴向依次排列的第一滑槽、中间槽和第二滑槽。第一滑槽及第二滑槽的长度方向平行于振子管的轴线。一个推力单元内共有2n+1个第一永磁铁。2n+1个第一永磁铁与伸缩气囊上的2n+1个碟形气囊单元边缘处分别固定。位于中间的第一永磁铁穿过对应沟槽组的中间槽。位于中间的第一永磁铁一侧的n个第一永磁铁设置在第一滑槽内。位于中间的第一永磁铁另一侧的n个第一永磁铁设置在第二滑槽内。

作为优选，两块弓形拉伸板之间设置有多块柔性板。各柔性板依次间隔排列设置。任意两块相邻的柔性板之间均设置有两块矩形垫块。该两块矩形垫块分别位于柔性板的两端。

作为优选，本发明一种频率可调的海浪能发电装置还包括封装外壳和封装端盖。封装外壳内壁的两端与两个封装端盖分别固定。内部壳体设置在封装外壳内。

该频率可调的海浪能发电装置的发电方法具体如下：

当海浪推动振子管持续晃动，带动各推力单元持续往复运动。各推力单元上的多个第一永磁铁依次经过并推动对应第二永磁铁；第二永磁铁推动杠杆转动。杠杆挤压压电发电单元，压电发电单元中的各压电片在两块弓形拉伸板的变形下受拉，从而使得各压电片输出电能。每隔T时间进行一次充气量调节。

充气量调节的方法如下：

步骤一、设置伸缩气囊的充气量范围，并将伸缩气囊到充气量范围的下限。

步骤二、微型充气泵启动，对伸缩气囊进行充气，使得伸缩气囊伸长，相邻两个第一永磁铁的间距增大。充气过程中，电流传感器、电压传感器分别持续检测输入电池的电压和电流，并对所得电压和电流求积，生成发电功率变化曲线。

步骤三、在发电功率变化曲线中确定发电功率最高点对应的伸缩气囊充气量。将该充气量作为目标充气量。

步骤四、微型排气泵启动，将伸缩气囊内的气体抽出，直到伸缩气囊内的充气量达到目标充气量。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过设置多块依次间隔排列的第一永磁铁能够将低频海浪转换为频率更高的机械振动，从而提高能量收集效率，克服了由于海浪频率低造成能量收集效率低的问题。

2、本发明可通过控制可伸缩气囊内的气压(充入气体量)大小，调节第一永磁铁间距，从而实现对杠杆振动频率的调节，使得振动频率趋近于共振频率，从而提高能量收集效率。

3、本发明通过杠杆和弓形结构，将力进行放大，作用于压电发电单元，提高能量收集效率。

4、本发明能用于海上传感器网络、监测设备等电子设备的长期供电，大大降低了海上电子设备的使用成本。

附图说明

图1是本发明的封装示意图；

图2是本发明的拆去封装后的结构示意图；

图3是本发明中振子系统的结构示意图；

图4是本发明中振荡发电机构的结构示意图；

图5是本发明中压电发电单元的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种频率可调的海浪能发电装置，包括封装外壳1、封装端盖2、内部壳体3、壳体端盖4、振子系统、充气泵、排气泵、储气罐、振荡发电机构和能量收集电路。封装外壳1内壁的两端与两个封装端盖2分别固定，形成该频率可调的海浪能发电装置的壳体，用于承载其他元件，起到封装作用，防止海水渗入。内部壳体3设置在封装外壳内；内部壳体3的外侧面与封装外壳的内侧面之间存有间隙，用于安装振荡发电机构、微型充气泵和微型排气泵。两个壳体端盖4与内部壳体3内侧壁的两端分别固定。振子系统设置在内部壳体3内。

如图3所示，振子系统包括振荡弹簧16、振子管17、振子端盖18、伸缩气囊20和推力单元。振子管17的内腔中装有伸缩气囊20；伸缩气囊20由依次排列相连的2n+1个碟形气囊单元组成，n＝3。碟形气囊单元的中间直径大，两端直径小。当伸缩气囊20单元充气时，由于各个碟形气囊的轴向膨胀，伸缩气囊20将沿轴向伸长。振子管17的侧壁上开设有沿振子管17中心轴线的周向均布的四个沟槽组。沟槽组包括沿振子管17的轴向依次排列的第一滑槽、中间槽和第二滑槽。第一滑槽及第二滑槽的长度方向平行于振子管17的中心轴线。

四个沟槽组与四个推力单元分别对应。推力单元由2n+1个第一永磁铁19组成。2n+1个第一永磁铁19与伸缩气囊20上的2n+1个碟形气囊单元边缘处分别固定。位于中间的第一永磁铁19穿过对应沟槽组的中间槽。位于中间的第一永磁铁19一侧的n个第一永磁铁19设置在第一滑槽内。位于中间的第一永磁铁19另一侧的n个第一永磁铁19设置在第二滑槽内。当伸缩气囊20充入气体时，伸缩气囊20伸长，位于中间的第一永磁铁19位置不变，其余第一永磁铁19发生移动，相邻第一永磁铁19的间距增大。

两个振子端盖18的内侧面与振子管17的两端分别固定。两个振子端盖18与内部壳体3的内腔构成滑动副。两个振荡弹簧16的一端与两个壳体端盖4的内侧面分别固定，另一端与两个振子端盖18的外侧面分别固定。当漂浮在海上的封装外壳1随着海水运动时，将带动振子系统在内部壳体3内持续往复运动。

如图2和4所示，内部壳体3的侧壁上开设有沿内部壳体3中心轴线的周向均布的四个让位孔，用于装卡振荡发电机构的滑块7。振荡发电机构共有四个。四个振荡发电机构与四个推力单元分别对应。振荡发电机构包括第二永磁铁6、滑块7、缓冲弹簧8、杠杆9、铰链支座10和压电发电单元11。滑块7与对应的让位孔构成沿振子管17径向滑动的滑动副。滑块7的内侧面固定有第二永磁铁6。第二永磁铁6朝向对应推力单元的磁极与第一永磁铁19朝向对应第二永磁铁6的磁极极性相同。

如图5所示，压电发电单元11包括弓形拉伸板12、柔性板14、矩形垫块15和压电片13。所述弓形拉伸板，其形状为弓形，根据力分解的原理，采用弓形结构具有力放大的作用，位于整个压电单元的上下两侧。两块弓形拉伸板12的内凹侧相对设置。两块弓形拉伸板12之间设置有三块柔性板14。三块柔性板14依次间隔排列设置。任意两块相邻的柔性板14之间均设置有两块矩形垫块15。该两块矩形垫块分别位于柔性板14的两端。矩形垫块15使得相邻两块柔性板14之间存在稳定的间隔。柔性板14的两侧面均设置有压电片13。弓形拉伸板12、柔性板14、矩形垫块15和压电片13通过粘接固定在一起。其中一块弓形拉伸板12与内部壳体3的外侧面固定。

铰链支座10固定在内部壳体3上。杠杆9的中部与铰链支座10铰接。杠杆9的一端与滑块7的外侧面通过缓冲弹簧8连接，另一端与远离内部壳体3的那块弓形拉伸板12固定。杠杆9连接缓冲弹簧8的位置到铰链支座10铰接轴线的距离小于杠杆9连接弓形拉伸板12的位置到铰链支座10铰接轴线的距离

当一块第一永磁铁19滑动至与第二永磁铁6对齐的位置时，将通过斥力推动第二永磁铁6向外滑动。使得滑块7通过缓冲弹簧8推动杠杆9转动。杠杆9通过杠杆原理，将力进行放大，并作用于压电发电单元11。由于拉伸板12采用弓形结构，具有力放大的功能，将竖直力分解为沿两边扩展的斜向力，从而使得柔性板14沿水平方向拉伸收缩；由于柔性板上贴有压电片，故压电片感受到应力变化，从而发生极化现象，产生电能。

由于振子管17的一个往复形成中会有多个第一永磁铁经过第二永磁铁，故本发明的这种多个第一永磁铁依次排列的方式，能够实现低频转高频的效果，从而使得振子管17的振动能够更趋近于整体系统的共振频率，从而提高振动幅度，提升发电效率。

充气泵、排气泵及储气罐均设置在封装外壳1和内部壳体3之间。伸缩气囊20上设置有两个气口。充气泵的输入口与储气罐的出气口连接，输出口与伸缩气囊20的第一个气口通过软管连接。排气泵的输入口与伸缩气囊20的第二个气口通过软管连接，输出口与储气罐的进气口连接。通过控制充气泵、排气泵，控制伸缩气囊的充气量，即可实现对第一永磁铁19间距的调节，进而调节系统频率。

能量收集电路包括整流器、电流传感器、电压传感器和电池。每张压电片均对应一个整流器。整流器的两个输入接线端与对应压电片的两个接线端分别连接。所有整流器的正极输出端均与电池正极相连，负极输出端均与电池负极相连。电流传感器串联在电池正极与整流器的正极输出端之间。电压传感器的两个接线端与整流器的正极输出端、负极输出端分别相连。

该频率可调的海浪能发电装置的发电方法具体如下：

将封装外壳1横置漂浮在海中，并通过锚和绳索与海底固定。当封装外壳1随海浪进行晃动时，振子管17带动各推力单元持续往复运动。各推力单元上的多个第一永磁铁19依次经过并推动对应第二永磁铁6；第二永磁铁6推动杠杆9转动。杠杆9挤压压电发电单元11，压电发电单元11中的各压电片13在两块弓形拉伸板12的变形下受拉，从而使得各压电片13输出电能。每隔T时间进行一次充气量调节，1h≤T≤2h。

充气量调节的方法如下：

步骤一、设置伸缩气囊20的充气量范围，并将伸缩气囊20到充气量范围的下限。

步骤二、微型充气泵21启动，对伸缩气囊20进行充气，使得伸缩气囊20伸长，相邻两个第一永磁铁的间距增大。伸缩气囊20从充气量范围的下限充气至充气量范围的上限的时间设定为3min。充气过程中，电流传感器、电压传感器分别持续检测输入电池的电压和电流，并对所得电压和电流求积，生成发电功率变化曲线。

步骤三、在发电功率变化曲线中确定发电功率最高点对应的伸缩气囊充气量。将该充气量作为目标充气量。

步骤四、微型排气泵22启动，将伸缩气囊内的气体抽出，直到伸缩气囊内的充气量达到目标充气量。

Claims (7)

1.一种频率可调的海浪能发电装置，包括内部壳体、壳体端盖、振子系统和振荡发电机构；其特征在于：两个壳体端盖与内部壳体内侧壁的两端分别固定；振子系统设置在内部壳体内；所述的振子系统包括振荡弹簧、振子管、振子端盖、伸缩气囊和推力单元；振子管的内腔中装有伸缩气囊；振子管的侧壁上开设有m个沟槽组；m个沟槽组与m个推力单元分别对应；推力单元由沿振子管轴向依次排列的多个第一永磁铁组成；各第一永磁铁均与伸缩气囊的侧面固定；两个振子端盖的内侧面与振子管的两端分别固定；两个振荡弹簧的一端与两个壳体端盖的内侧面分别固定，另一端与两个振子端盖的外侧面分别固定；

所述内部壳体的侧壁上开设有m个让位孔，振荡发电机构共有m个；m个振荡发电机构与m个推力单元分别对应；振荡发电机构包括第二永磁铁、滑块、缓冲弹簧、杠杆和压电发电单元；滑块穿过让位孔；滑块的内侧面固定有第二永磁铁；第二永磁铁朝向对应推力单元的磁极与第一永磁铁朝向对应第二永磁铁的磁极极性相同；

所述的压电发电单元包括弓形拉伸板、柔性板、矩形垫块和压电片；两块弓形拉伸板的内凹侧相对设置；两块弓形拉伸板之间设置有柔性板；柔性板上设置有压电片；其中一块弓形拉伸板与内部壳体的外侧面固定；杠杆的中部与内部壳体铰接；杠杆的一端与滑块的外侧面通过缓冲弹簧连接，另一端与远离内部壳体的那块弓形拉伸板固定。

2.根据权利要求1所述的一种频率可调的海浪能发电装置，其特征在于：还包括充气泵、排气泵和储气罐；充气泵、排气泵及储气罐均设置在封装外壳和内部壳体之间；伸缩气囊上设置有两个气口；充气泵的输入口与储气罐的出气口连接，输出口与伸缩气囊的第一个气口通过软管连接；排气泵的输入口与伸缩气囊的第二个气口通过软管连接，输出口与储气罐的进气口连接。

3.根据权利要求1所述的一种频率可调的海浪能发电装置，其特征在于：还包括能量收集电路；能量收集电路包括整流器、电流传感器、电压传感器和电池；每张压电片均对应一个整流器；整流器的两个输入接线端与对应压电片的两个接线端分别连接；所有整流器的正极输出端均与电池正极相连，负极输出端均与电池负极相连；电流传感器串联在电池正极与整流器的正极输出端之间；电压传感器的两个接线端与整流器的正极输出端、负极输出端分别相连。

4.根据权利要求1所述的一种频率可调的海浪能发电装置，其特征在于：所述的伸缩气囊由依次排列相连的2n+1个碟形气囊单元组成；沟槽组包括沿振子管的轴向依次排列的第一滑槽、中间槽和第二滑槽；第一滑槽及第二滑槽的长度方向平行于振子管的轴线；一个推力单元内共有2n+1个第一永磁铁；2n+1个第一永磁铁与伸缩气囊上的2n+1个碟形气囊单元边缘处分别固定；位于中间的第一永磁铁穿过对应沟槽组的中间槽；位于中间的第一永磁铁一侧的n个第一永磁铁设置在第一滑槽内；位于中间的第一永磁铁另一侧的n个第一永磁铁设置在第二滑槽内。

5.根据权利要求1所述的一种频率可调的海浪能发电装置，其特征在于：两块弓形拉伸板之间设置有多块柔性板；各柔性板依次间隔排列设置；任意两块相邻的柔性板之间均设置有两块矩形垫块；该两块矩形垫块分别位于柔性板的两端。

6.根据权利要求1所述的一种频率可调的海浪能发电装置，其特征在于：还包括封装外壳和封装端盖；封装外壳内壁的两端与两个封装端盖分别固定；内部壳体设置在封装外壳内。

7.如权利要求1所述的一种频率可调的海浪能发电装置的发电方法，其特征在于：当海浪推动振子管持续晃动，带动各推力单元持续往复运动；各推力单元上的多个第一永磁铁依次经过并推动对应第二永磁铁；第二永磁铁推动杠杆转动；杠杆挤压压电发电单元，压电发电单元中的各压电片在两块弓形拉伸板的变形下受拉，从而使得各压电片输出电能；每隔T时间进行一次充气量调节；

充气量调节的方法如下：

步骤一、设置伸缩气囊的充气量范围，并将伸缩气囊到充气量范围的下限；

步骤二、微型充气泵启动，对伸缩气囊进行充气，使得伸缩气囊伸长，相邻两个第一永磁铁的间距增大；充气过程中，电流传感器、电压传感器分别持续检测输入电池的电压和电流，并对所得电压和电流求积，生成发电功率变化曲线；

步骤三、在发电功率变化曲线中确定发电功率最高点对应的伸缩气囊充气量；将该充气量作为目标充气量；

步骤四、微型排气泵启动，将伸缩气囊内的气体抽出，直到伸缩气囊内的充气量达到目标充气量。

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