CN110905714B - 一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置 - Google Patents

一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于新能源设备相关技术领域，其公开了一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，装置包括壳体及收容在壳体内的活动机构；活动机构包括上三角支架、两个侧面保持架、多个间隔设置的隔板、多个间隔设置且分别穿过隔板的压电片、下摇臂及振锤，上三角支架的一端转动地连接于壳体，另外两端分别固定连接于两个侧面保持架；压电片的两端分别连接于侧面保持架；下摇臂滑动地连接于侧面保持架；振锤转动地连接于下摇臂；壳体受到外力运动时带动活动机构运动，进而下摇臂沿侧面保持架滑动，下摇臂通过滑动来带动隔板朝向活动机构的几何中心运动或者朝远离活动机构的几何中心运动，使得压电片发生弯曲变形或恢复。本发明提高了适用性及灵活性。

Description

一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置
技术领域
本发明属于新能源设备相关技术领域，更具体地，涉及一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置。
背景技术
现有的水面发电设备主要有光电式和机械式，光电式即太阳能光伏发电，现在也应用得比较广泛，工作过程比较简单，在光照条件下，光伏发电板可对外输出一个电动势。
机械式按照发电原理又分为压电和电磁感应两种，若按能量捕获形式可以主要分为水面波浪式和水流旋涡式，主要工作过程为：1.捕获水面波浪具有的能量，并转化为浮体的机械能，在浮动浮体和固定浮体之间会产生一个相对位移，这个位移通过机械结构转化为压电片的形变，将机械能变为电能输出，或者转化为导线与磁体之间的相对运动，切割磁感线，将机械能转化为电能输出；2.装置利用现有的或是装置激发的漩涡，使得漩涡域内粘附有压电片的柔性的材料发生变形，即可得到压电片的电能输出。然后，现有的装置大都具有一个共性的缺点：发电设备的空间位置都近似固定，不可随用电设备移动，实现不了灵活供电，具体为：光伏发电：能量密度低，占地面积大，由于能量密度低，这就使得光伏发电的占用面积会很大；转换效率低，目前晶体硅光伏电池转换效率为13％～17％，非晶硅只有5％～8％；间歇性工作，在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上不能发电：气候因素影响大，空气中的颗粒物(如灰尘)等沉落在光伏板的表面或者生长出青苔等植物，阻挡光线；地域依赖性强，地理位置不同，气候不同，使得各个地区日照资源相差较大，光伏发电系统只有应用在太阳能资源丰富的地区，其效果才会好。至于水面波浪式：位置固定，现有的方案大都只能在近岸区发电，这是最大的一个问题；且机械复杂，效率低，如绳索的弹性及凸轮的滑动摩擦都将导致大量能量损失。对于水流漩涡式：应用条件苛刻，实际过程中，符合条件的漩涡很难稳定维持；装置可靠性差，水流过大可能会将装置破坏。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其基于现有水面发电装置的工作特点，研究及设计了一种适用性较好的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置。所述单壳体水面浮能装置的壳体捕获机械能，并使其活动机构产生相对位移，然后转化为压电片的形变，接着经过整流输出稳定的电压和电流。此外，所述单壳体水面浮能装置可以随用电装置一同远离岸边而完全脱离近岸固定，可以随波漂流，方便对海洋、江湖水域的侦察及为监测设备供电，解决了这类漂浮设备更换电池困难的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，所述单壳体水面浮能装置包括壳体及收容在所述壳体内的活动机构，所述壳体呈球形，其形成有密闭的收容腔；所述活动机构设置于所述收容腔内；
所述活动机构包括上三角支架、两个间隔设置的侧面保持架、多个间隔设置的隔板、多个间隔设置且分别穿过所述隔板的压电片、下摇臂及振锤，所述上三角支架的一端转动地连接于所述壳体，另外两端分别固定连接于两个所述侧面保持架；所述压电片的两端分别连接于所述侧面保持架，且位于两个所述侧面保持架之间；所述下摇臂滑动地连接于所述侧面保持架，且位于两个所述侧面保持架之间；所述振锤转动地连接于所述下摇臂；
所述壳体受到外力运动时带动所述活动机构运动，所述振锤上下移动，进而所述下摇臂沿所述侧面保持架滑动，所述下摇臂通过滑动来带动所述隔板朝向所述活动机构的几何中心运动或者朝远离所述活动机构的几何中心运动，使得所述压电片发生弯曲变形而产生电能或者恢复。
进一步地，所述单壳体水面浮能装置包括两个上转轴及两个下转轴，两个所述上转轴的两端分别固定连接于两个所述侧面保持架；所述上三角支架固定连接于所述上转轴；所述下摇臂固定连接于所述下转轴，所述下转轴的两端分别滑动地连接于两个所述侧面保持架。
进一步地，所述侧面保持架相背的两端分别开设有导向槽，两个所述侧面保持上的导向槽分别相对设置；所述下转轴的两端分别设置在相对的两个所述导向槽内；所述导向槽用于为所述下摇臂的移动提供导向，并对所述下摇臂的移动进行限位。
进一步地，每个所述上转轴转动地设置有主摇臂，所述主摇臂形成有斜面，其远离所述上转轴的一端与所述隔板相接触；所述下转轴上设置有转轮，所述转轮与所述斜面滑动连接，所述下摇臂通过沿所述斜面滑动来使所述主摇臂转动，进而所述主摇臂推动所述隔板运动。
进一步地，所述下转轴上设置有转轮，所述隔板沿所述导向槽的长度方向设置，所述转轮与所述隔板相接触，所述下摇臂带动所述转轮沿所述隔板滑动，使得所述转轮滑动的同时推动所述隔板移动。
进一步地，所述单壳体水面浮能装置还包括弹性件，所述弹性件连接相对的所述上转轴及所述下转轴。
进一步地，所述下摇臂呈凹字型，其底端设置有微型轴承，所述微型轴承内设置有金属轴，所述振锤通过拉杆固定连接于所述金属轴。
进一步地，所述侧面保持架开设有通槽，所述通槽相对的两个侧壁形成有多个间隔设置的卡槽，所述压电片相背的两端分别卡接在所述卡槽内，使得所述压电片与所述侧面保持架固定连接。
进一步地，所述单壳体水面浮能装置还包括保持扣件，所述保持扣件的两端分别连接两个所述侧面保持架。
进一步地，所述单壳体水面浮能装置还包括连接杆及外壳配重，所述连接杆的一端固定连接于所述壳体，另一端固定连接于所述外壳配重。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置主要具有以下有益效果：
1.所述壳体呈球形，其形成有密闭的收容腔；所述活动机构设置于所述收容腔内，如此不会受到环境因素的影响，大大延长了装置的使用寿命，不需要固定或近似固定在空间某处，通过随着水流自由漂浮，可以不断改变其空间位置，实现多区域的侦察与观测设备的长期供电，适用性较强。
2.所述壳体受到外力运动时带动所述活动机构运动，所述振锤上下移动，进而所述下摇臂沿所述侧面保持架滑动，所述下摇臂通过滑动来带动所述隔板朝向所述活动机构的几何中心运动或者朝远离所述活动机构的几何中心运动，使得所述压电片发生弯曲变形而产生电能或者恢复，通过推压压电片变形来产生电能，结构简单，提高了发电功率。
3.所述导向槽用于为所述下摇臂的移动提供导向，并对所述下摇臂的移动进行限位，如此可以防止过大的波浪或者相对流体的运动对压电片的破坏，提高了寿命。
4.所述单壳体水面浮能装置还包括连接杆及外壳配重，所述连接杆的一端固定连接于所述壳体，另一端固定连接于所述外壳配重，如此降低了装置整体的重心，使得装置在浪高较大的区域也能保持正常的发电姿态。
附图说明
图1是本发明提供的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置的剖视示意图；
图2是图1中的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置的局部示意图；
图3是图2中的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置沿另一个角度的局部示意图；
图4是图1中的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置处于运动上限的局部示意图；
图5是图1中的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置处于运动下限的局部示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，所述单壳体水面浮能装置利用相对位移转化为压电片的形变，以对外输出电能。
所述单壳体水面浮能装置包括壳体、主体结构、拉杆、振锤、连接杆及外壳配重，所述壳体呈球形，其用于收容所述主体结构、所述拉杆及所述振锤。所述主体结构的一端转动连接于所述壳体，另一端转动连接于所述拉杆，所述拉杆的另一端固定连接于所述振锤。所述连杆的两端分别连接于所述壳体的外表面及所述外壳配重。其中，所述主体结构、所述拉杆及所述振锤形成活动机构，所述活动机构转动地连接于所述壳体。
其中，所述单壳体水面浮能装置分为两个质量群，所述外壳、所述连接杆、所述外壳配重及所述主体结构组成第一质量群，所述拉杆及所述振锤组成第二质量群，所述第一质量群与所述第二质量群之间的弹性阻尼由压电片来承担。当所述外壳受到波浪或者外部湍流的作用，会存在一个随时间变化的位移函数Xf(t)，假设振锤的相对位移为x，则振动方程可以表示为：
Figure BDA0002281228870000051
采用数学方法将该方程进行求解，可以得到稳定的相对位移x的解：x＝Xei(ωt-θ)，其中：
Figure BDA0002281228870000061
Figure BDA0002281228870000062
在实际使用过程中，所述单壳体水面浮能装置不可能一直稳定在稳态解的这个状态，但可以利用这个相对位移，并将该相对位移转移为压电片的形变，以对外输出电能。
本实施方式中，所述连接杆为圆柱体，所述外壳配重为实心球；所述壳体形成有球形封闭腔，所述球形封闭腔用于收容所述主体结构、所述拉杆及所述振锤；所述壳体是采用聚醋酸脂制成的，其用于保护收容于其内部的结构，维持所述单壳体水面浮能装置的整体稳定；所述壳体配重是采用钢制成的。
所述主体结构包括两个上三角支架、两个上转轴、四个主摇臂、两个下转轴、两个下摇臂、多个压电片、两个隔板、两个侧面保持架、四个弹性连接件及六个保持扣件。
所述上三角支架的一端转动地连接于所述壳体，其他两端分别固定连接于两个所述上转轴，两个所述上三角支架间隔设置。本实施方式中，所述上三角支架是采用聚醋酸脂制成的。
所述侧面保持架基本呈矩型，其中一个所述侧面保持架的一端分别固定连接于两个所述上转轴的一端，另一个所述侧面保持架的一端分别连接于两个所述上转轴的另一端。所述侧面保持架开设有通槽，所述通槽沿竖直方向相对的两侧侧壁形成有卡槽，所述卡槽用于收容部分所述压电片。所述侧面保持架还开设有两个导向槽，两个所述导向槽分别位于所述通槽相背的两侧，其用于为所述下转轴的移动提供导向。
所述主摇臂呈梯形，其一侧形成有斜面。所述斜面朝向所述下转轴。所述主摇臂两端的宽度不同，其宽度小的一端开设有轴承孔，所述轴承孔内设置有微型轴承，所述上转轴穿过所述微型轴承，由此四个所述主摇臂两两分别转动地连接于两个所述上转轴。本实施方式中，两个所述上三角支架位于四个所述主摇臂之间，四个所述主摇臂位于两个所述侧面保持架之间；所述斜面与所述下转轴滑动连接。
所述保持扣件呈I字型，其用于连接两个所述侧面保持架；六个所述保持扣件平分为两组，两组所述保持扣件分别位于两个所述侧面保持架相背的两侧，且每组保持扣件中的三个保持扣件间隔设置。
所述下转轴的两端分别设置在相对的两个导向槽内，以与所述导向槽滑动连接。两个所述下转轴间隔设置，且同时与两个所述侧面保持架滑动连接。所述下转轴上分别设置有两个转轮，两个所述转轮分别与对应的两个所述斜面滑动接触。本实方式中，所述上转轴与所述下转轴位于所述主摇臂同一侧的端部通过一个弹性件相连接，由此四个所述弹性件分别将两个所述上转轴及两个所述下转轴相连接；优选地，所述弹性件为弹簧。
所述下摇臂呈凹字型，其两端分别固定连接于两个所述下转轴，且其位于所述转轮之间。所述下摇臂的底部还开设有收容孔，所述收容孔内设置有轴承。一个金属轴的两端分别通过该轴承连接于两个所述下摇臂。所述拉杆的一端套设在所述金属轴上，以与所述金属轴固定连接，所述振锤固定连接于所述拉杆的另一端。本实施方式中，所述下摇臂位于两个所述侧面保持架之间，且两个所述下摇臂间隔设置。
多个所述压电片的一端分别卡接在两个所述侧面保持架同一端的卡槽内，另一端分为两组以分别穿过两个所述隔板后卡接在对应的所述卡槽内，由此所述压电片与所述侧面保持架固定连接，两个所述隔板间隔设置。
请参阅图4及图5，其中，外壳受到波浪等驱动，所述第一质量群与所述第二质量群之间发生相对运动，所述振锤相对于所述上三角架上下震动，并带动所述拉杆一起运动，进而带动所述下摇臂沿所述导向槽移动，上下移动的同时，所述转轮沿所述斜面移动，进而使得所述主摇臂朝向所述压电片转动或者朝远离所述压电片的方向转动，由此推动所述隔板在朝向所述主体结构的几何中心移动或者朝远离所述主体结构的几何中心移动，所述压电片发生弯曲变形或者恢复变形，所述压电片发生弯曲变形的过程中产生电能，并通过电能收集组件将电能输出到电池或者其他储能装置或者用电设备。
所述振锤在最高位置时，所述拉杆及所述金属轴也在最高位置，此时所述下摇臂处于运动上限的位置。当所述振锤下移，一同下降的所述金属轴通过轴承推动所述下摇臂，所述下摇臂的下端推动所述隔板朝向所述主体结构的几何中心移动，此时，所述压电片发生弯曲变形，这个过程将产生电能。当所述振锤到达最低处时，所述金属轴也推动所述下摇臂到达运动下限的位置，此时所述压电片的形变达到最大。之后，所述振锤向上运动，所述隔板及所述下摇臂反向运动，向初始状态靠近，并进入下一次运动循环。本实施方式中，为了减轻结构的质量以得到更大的相对位移，整个的结构骨架都采用3D打印制造，从而进一步提高能量转化的效率。
所述单壳体水面浮能装置不需要固定或者近似固定在空间某处，通过随着水流自由漂浮，可以不断改变空间位置，实现多区域的侦察与观测设备的长期供电。本实施方式中，所述单壳体水面浮能装置采用的是运动部件驱动压电片变形发电，当然在其他实施方式中，也可以通过运动部件的相对运动，利用磁力线切割来转换机械能成电能。
本实施方式中，所述单壳体水面浮能装置具有完全浮动、全天候工作、结构简单、全时段工作、可靠性高及运动不易受到阻碍等优点，具体地，所述单壳体水面浮能装置可随用电装置一同远离岸边完全脱离近岸固定，可以随波漂流，方便对海洋、江湖水域的侦察与监测设备供电，解决了这类漂浮设备更换电池困难的问题；整个发电结构设置在壳体内，不会受到外界气候因素的干扰，相对的讲，恶劣天气反而能得到更多电能；通过主摇臂直接推动压电片形变，机械结构活动处采用微型轴承，提高了机械效率，利用主摇臂的斜面将振锤较大的竖直位移转化为较小的水平位移，增大了推力，提高了发电功率；只要有波浪或者物体与水的相对流动就会使得振锤和壳体发生相对位移，就能推动压电片发电，适用性较强；导向槽对下摇臂的运动进行了限位，可以防止过大的波浪或者相对流体的运动对压电片的破坏，同时，外壳配重降低了所述单壳体水面浮能装置整体的重心，使得所述单壳体水面浮能装置在浪高较大的区域也能保持正常的发电姿态；所述单壳体水面浮能装置采用球形壳体，在流水环境中不易受到复杂结构阻碍而限制了运动状态，提高了稳定性。
可以理解，在其他实施方式中，可以省略所述主摇臂，将所述导向槽倾斜设置且使用较大直径的转轮，隔板竖直设置，所述转轮与所述隔板滑动连接，所述下转轴沿所述导向槽移动的同时带动所述转轮推动所述隔板朝向所述主体结构的几何中心移动或者朝远离所述主体结构的几何中心移动，使得所述压电片发生弯曲变形或者恢复。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：
所述单壳体水面浮能装置包括壳体及收容在所述壳体内的活动机构，所述壳体呈球形，其形成有密闭的收容腔；所述活动机构设置于所述收容腔内；
所述活动机构包括上三角支架、下摇臂、振锤、两个间隔设置的侧面保持架、多个间隔设置的隔板、以及多个压电片，所述上三角支架的一端转动地连接于所述壳体，另外两端分别固定连接于两个所述侧面保持架；所述压电片的两端分别连接于所述侧面保持架，且位于两个所述侧面保持架之间；多个所述压电片间隔设置且分别穿过所述隔板；所述下摇臂滑动地连接于所述侧面保持架，且位于两个所述侧面保持架之间；所述振锤转动地连接于所述下摇臂；
所述壳体受到外力运动时带动所述活动机构运动，所述振锤上下移动，进而所述下摇臂沿所述侧面保持架滑动，所述下摇臂通过滑动来带动所述隔板朝向所述活动机构的几何中心运动或者朝远离所述活动机构的几何中心运动，使得所述压电片发生弯曲变形而产生电能或者恢复。
2.如权利要求1所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述单壳体水面浮能装置包括两个上转轴及两个下转轴，两个所述上转轴的两端分别固定连接于两个所述侧面保持架；所述上三角支架固定连接于所述上转轴；所述下摇臂固定连接于所述下转轴，所述下转轴的两端分别滑动地连接于两个所述侧面保持架。
3.如权利要求2所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述侧面保持架相背的两端分别开设有导向槽，两个所述侧面保持架上的导向槽分别相对设置；所述下转轴的两端分别设置在相对的两个所述导向槽内；所述导向槽用于为所述下摇臂的移动提供导向，并对所述下摇臂的移动进行限位。
4.如权利要求3所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：每个所述上转轴转动地设置有主摇臂，所述主摇臂形成有斜面，其远离所述上转轴的一端与所述隔板相接触；所述下转轴上设置有转轮，所述转轮与所述斜面滑动连接，所述下摇臂通过沿所述斜面滑动来使所述主摇臂转动，进而所述主摇臂推动所述隔板运动。
5.如权利要求3所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述下转轴上设置有转轮，所述隔板沿所述导向槽的长度方向设置，所述转轮与所述隔板相接触，所述下摇臂带动所述转轮沿所述隔板滑动，使得所述转轮滑动的同时推动所述隔板移动。
6.如权利要求2所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述单壳体水面浮能装置还包括弹性件，所述弹性件连接相对的所述上转轴及所述下转轴。
7.如权利要求1-6任一项所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述下摇臂呈凹字型，其底端设置有微型轴承，所述微型轴承内设置有金属轴，所述振锤通过拉杆固定连接于所述金属轴。
8.如权利要求1-6任一项所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述侧面保持架开设有通槽，所述通槽相对的两个侧壁形成有多个间隔设置的卡槽，所述压电片相背的两端分别卡接在所述卡槽内，使得所述压电片与所述侧面保持架固定连接。
9.如权利要求1-6任一项所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述单壳体水面浮能装置还包括保持扣件，所述保持扣件的两端分别连接两个所述侧面保持架。
10.如权利要求1-6任一项所述的自由漂浮式的单壳体水面浮能装置，其特征在于：所述单壳体水面浮能装置还包括连接杆及外壳配重，所述连接杆的一端固定连接于所述壳体，另一端固定连接于所述外壳配重。
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