CN110700987B - 一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器，所述采集器包括：外壳、调谐液柱波能采集模块、系泊缆线模块、变流储能模块以及介电弹性体模块；所述调谐液柱波能采集模块设置于所述外壳内部边缘，所述介电弹性体模块设置于所述调谐液柱波能采集模块顶部；所述系泊缆线模块设置于所述外壳外部下方，所述变流储能模块设置于所述外壳内部中央，且所述变流储能模块由所述调谐液柱波能采集模块包围。

Description

一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器
技术领域
本发明实施例涉及波能采集技术领域，尤其涉及一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器。
背景技术
目前，波浪能采集利用技术主要包括振荡水柱式、收缩波道式、振荡浮子式(点吸收式)、摆式等。对于振荡水柱式的振荡水柱波浪能装置，其优点是：转动机构与海水非接触，防腐性能比较好，安全可靠，维护方便，然而其缺点是：二级能量转换效率比较低，施工难度很大，发电成本比较高，适用于大风浪域。对于收缩波道式的收缩波道式波浪能转换装置，其优点是：一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定，然而其缺点是：装置建造对地形有要求，不易推广。对于振荡浮子式的振荡浮子式波能采集装置，其优点是：装置建造难度和成本较低，施工容易，吸收波浪能的效率较高，然而其缺点是：浮子受过多的波浪冲击，容易损坏，安全性差。对于摆式的摆式波浪能采集装置，适用于建造在防波堤上，其优点是：转换效率高，可以方便地与相位控制技术相结合，使波浪能采集装置能吸收到装置迎波宽度以外的波浪能，其缺点是：维护较为困难，成本高。
发明内容
鉴于此，为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器，所述采集器包括：
外壳、调谐液柱波能采集模块、系泊缆线模块、变流储能模块以及介电弹性体模块；
所述调谐液柱波能采集模块设置于所述外壳内部边缘，所述介电弹性体模块设置于所述调谐液柱波能采集模块顶部；
所述系泊缆线模块设置于所述外壳外部下方，所述变流储能模块设置于所述外壳内部中央，且所述变流储能模块由所述调谐液柱波能采集模块包围。
在一个可能的实施方式中，所述外壳的形状包括空心圆柱状。
在一个可能的实施方式中，所述外壳底部设置开孔、液体注入管道，所述开孔用于所述调谐液柱波能采集模块通过所述液体注入管道从外界补充液体。
在一个可能的实施方式中，所述采集器还包括压载水舱模块，设置于所述外壳底部。
在一个可能的实施方式中，所述调谐液柱波能采集模块包括可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器。
在一个可能的实施方式中，所述可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器底部形状为圆环状，截面形状为矩形。
在一个可能的实施方式中，所述可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器上部包括三个空心柱，任一空心柱的截面形状为扇形。
在一个可能的实施方式中，所述空心柱中设置封闭气室，所述封闭气室底部为所述调谐液柱波能采集模块内部液体自由液面，所述封闭气室顶部为所述介电弹性体模块。
在一个可能的实施方式中，所述介电弹性体模块包括可变电容器，用于将变形中使用的机械能转换为直流电。
在一个可能的实施方式中，所述介电弹性体模块通过形变产生的直流电通过所述变流储能模块转变为交流电，存储于所述变流储能模块。
本发明实施例提供的基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器，将工程结构减振控制中采用的动力吸振装置与介电弹性体相结合，优化波能转化路径，安全性较好。
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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器的三维立体结构示意图；
图2为本发明实施例的一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器的主视、侧视示意图；
图3为本发明实施例的一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器的剖面示意图；
图4为本发明实施例的一种介电弹性体工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
调谐液体柱型阻尼器(简称TLCD)是一种较为有效的被动控制减振装置。主体为U型水槽，其中可容纳液体做振荡运动。调谐液柱装置的工作原理为：当主结构振动时，主结构的部分能量会传递给液柱，引起液柱的晃荡运动从而改善主结构的动力状态。介电弹性体(DEG)是一类新兴的能量捕获装置。DEG是固态静电转换器，由一片或片柔顺高度可变形的介电材料制成，涂有可拉伸的导电电极。在工作原理方面，DEG是可变电容器，可以将变形中使用的机械功转换成直流电。与传统的电磁发电机相比，介电弹性体无疑拥有更简单的结构，更低的质量密度，更少的部件数量，更高的可靠性和更低的成本。当调谐液柱装置被安装在柱形浮体之中，柱形浮体从周围得到的波浪能的一部分传递给调谐液柱装置。通过调谐液柱装置中液体振荡对密闭空间气体产生挤压促使介电弹性体发生弹性形变从而实现发电。
基于上述原理，如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器的三维立体结构示意图，该采集器具体可以包括：
外壳1、调谐液柱波能采集模块2、系泊缆线模块3、变流储能模块4以及介电弹性体模块5。
对于外壳1属于采集器外部结构，主体形状包括空心圆柱状，如图2所示，有利于吸收各向波浪能量，外壳1未完全封闭，外壳1底部设置开孔、液体注入管道6，所述开孔用于所述调谐液柱波能采集模块2通过所述液体注入管道6从外界补充液体。
外壳1会在海平面处漂浮，且随波浪振荡。为此，在外壳1底部设置压载水舱模块，如图2所示。
对于调谐液柱波能采集模块2，设置于所述外壳1内部边缘，如图3所示。针对调谐液柱波能采集模块2，可以是可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器。
可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器底部形状为圆环状，截面形状为矩形，如图3所示。
可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器上部包括三个空心柱，任一空心柱的截面形状为扇形，如图3所示。
对于调谐液柱波能采集模块2，内部装有液体，其液体高度可以达到空心柱高度1/2，无需装满。
针对空心柱，空心柱中设置封闭气室，所述封闭气室底部为所述调谐液柱波能采集模块2内部液体自由液面，所述封闭气室顶部为所述介电弹性体模块5，如图3所示。随着外壳1的振荡，调谐液柱波能采集模块2同样发生振荡，导致其内部液体的振荡。
针对系泊缆线模块3，设置于所述外壳1外部下方，为了能够使调谐液柱波能采集模块2内部液体产生较好的振荡效果，根据结构固有周期设置需求，采用的是多点系泊的方式，如图1所示。
针对变流储能模块4，设置于所述外壳1内部中央，且所述变流储能模块4由所述调谐液柱波能采集模块2包围，如图3所示。其中，介电弹性体模块5通过形变产生的直流电通过所述变流储能模块4转变为交流电，存储于所述变流储能模块4。
针对介电弹性体模块5，设置于空心柱顶部，即封闭气室顶部为所述介电弹性体模块5，可以将封闭气室进行封闭。随着调谐液柱波能采集模块2内部液体的振荡，封闭气室随着液体的上升或下降而产生体积变小或变大的变化，封闭气室中的气体的总质量不变，封闭气室体积的变小或变大会引起封闭气室内气压的变大或变小，封闭气室内的压力与大气压形成落差，二者的合力推动介电弹性体模块5发生变形，进而介电弹性体模块5通过形变产生的直流电通过所述变流储能模块4转变为交流电，存储于所述变流储能模块4。
其中，对于介电弹性体模块5可以是可变电容器，用于将变形中使用的机械能转换为直流电。
本发明实施例提供的基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器，将工程结构减振控制中采用的动力吸振装置与介电弹性体相结合，具有以下有益效果：
1、本发明实施例提供的基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器可以安装在沿海或海洋中的风机，浮式平台均可，应用广泛；
2、本发明实施例中采用调谐液柱波能采集模块，是为了改善大型结构对外部干扰的响应最经济有效的解决方案。调谐液柱波能采集模块内部的液体由于结构的运动而振荡，液体的能量通过位于水平部分的限制器消散，抑制结构的固有频率；
3、与传统的电磁发电机相比，采用介电弹性体无疑拥有更简单的方案，更低的质量，更少的部件数量，更高的可靠性和更低的成本。
为了对本发明实施例提供的基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器进行详细说明，提供下列实施例：
1、本发明实施例提供的基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器可预先在陆地上安装，在外壳1内部设置调谐液柱波能采集模块2、系泊缆线模块3、变流储能模块4以及介电弹性体模块5。调谐液柱波能采集模块2设置于外壳1内部底部，变流储能模块4固定于外壳1内部中央位置，且放置于调谐液柱波能采集模块2底部结构的顶部，介电弹性体模块5设置于调谐液柱波能采集模块2垂直段(空心柱)上方，可以将调谐液柱波能采集模块2垂直段(空心柱)内部的气室封闭，介电弹性体模块5与变流储能模块4之间通过电缆7相连接。
2、将调谐液柱波能采集模块2水平段底部位置的注水管道6打开，通过外壳底部位置注水管道6往调谐液柱波能采集模块2内注水，直至水面高度达到调谐液柱波能采集模块2垂直段高度的1/2。
3、将已装配好的采集器置于海洋中，并用系泊缆线模块3锚固。
4、在波浪的作用下，外壳1开始发生振荡，从而导致基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器内部元件的振荡。
5、调谐液柱波能采集模块2振荡导致了调谐液柱波能采集模块2内部的液体开始振荡，从而挤压液体与介电弹性体模块5之间的空气，压强的变化导致了介电弹性体模块5的形变，当压强变大时介电弹性体模块5向外鼓起，当压强变小时介电弹性体模块5向内凹陷，如图4所示。
6、介电弹性体模块5将变形中产生的机械能转换成直流电，通过电缆7存储至变流储能模块4。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
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而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (7)

1.一种基于介电弹性体的调谐液柱波能采集器，其特征在于，所述采集器包括：外壳、调谐液柱波能采集模块、系泊缆线模块、变流储能模块以及介电弹性体模块；
所述调谐液柱波能采集模块设置于所述外壳内部边缘，所述介电弹性体模块设置于所述调谐液柱波能采集模块顶部；
所述系泊缆线模块设置于所述外壳外部下方，所述变流储能模块设置于所述外壳内部中央，且所述变流储能模块由所述调谐液柱波能采集模块包围；
所述调谐液柱波能采集模块包括可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器；
所述可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器底部形状为圆环状，截面形状为矩形；
所述可用于多浪向的环形三垂直液柱的调谐液柱阻尼器上部包括三个空心柱，所述空心柱的截面形状为扇形。
2.根据权利要求1所述的采集器，其特征在于，所述外壳的形状包括空心圆柱状。
3.根据权利要求2所述的采集器，其特征在于，所述外壳底部设置开孔、液体注入管道，所述开孔用于所述调谐液柱波能采集模块通过所述液体注入管道从外界补充液体。
4.根据权利要求1至3任一项所述的采集器，其特征在于，所述采集器还包括压载水舱模块，设置于所述外壳底部。
5.根据权利要求1所述的采集器，其特征在于，所述空心柱中设置封闭气室，所述封闭气室底部为所述调谐液柱波能采集模块内部液体自由液面，所述封闭气室顶部为所述介电弹性体模块。
6.根据权利要求1所述的采集器，其特征在于，所述介电弹性体模块包括可变电容器，用于将变形中使用的机械能转换为直流电。
7.根据权利要求6所述的采集器，其特征在于，所述介电弹性体模块通过形变产生的直流电通过所述变流储能模块转变为交流电，存储于所述变流储能模块。
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