CN112134490B - 一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法，旨在解决现有技术中水下发电装置效率低、结构复杂，不适宜深海探测的技术问题。其包括：至少一组上发电单元和下发电单元、电能转换单元；上发电单元与所述下发电单元的结构一致，且通过弹性部件连接；上发电单元包括固定座、挠曲电悬臂梁、绝缘刚性基体、挠曲电板、电极铜片和绝缘薄膜，挠曲电悬臂梁和绝缘刚性基体均竖直安装在固定座上，挠曲电板安装在挠曲电悬臂梁和绝缘刚性基体之间。本发明能够充分利用水下的水流动能，将动能快速、高效的转换成电能，满足水下探测器等设备的自供电需求，为深海远航探测提供电力基础。

Description

一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法，属于水下发电技术领域。

背景技术

海洋是国家可持续发展的重要支撑，走向深海迫在眉睫，然而我国对有着巨大战略资源的深远海的探测能力还相当有限。无人水下探测航行器是一种能够自主航行到指定区域进行信息收集、环境监视、情报侦查、遥控作战等军事或民用任务的小型智能装备，由于探测航行器的体积有限，其常规能源模式为电池供电，携带的电池难以长时间连续供给探测，需要定期进行充电或更换电池组，所以现有的探测航行器不能满足长航时、远航程的工作需求。

海洋探测航行器锚系于水下时难免会受到海流、潮汐、波浪等海洋环境的影响，并时刻处于摇摆晃动状态。这种由于海流、潮汐、波浪、涌浪等海洋环境引起的晃动能量简称海洋动能。为了克服电池供电的缺点，延长水下航行器的续航时间，发展海洋水流动能向电能的转化技术得到众多学者的广泛关注。

目前动能转换为电能主要有三种方式：静电式、电磁式和压电式。静电式转换主要利用存储一定电荷量的电容极板在外界激励下产生相对位移，实现电荷的流动，但是转换装置需外加电压，结构复杂，输出能量密度相对于压电式转换小。基于电磁式转换的海洋动能发电系统结构设备体积大、结构复杂、输出能量密度小，且噪音较大、抗电磁干扰能力弱，一般只适用于大型系统。压电式转换主要利用压电效应，压电材料在外界激励下产生变形，内部产生极化引起电荷的流动，从而在表面产生正、负电荷。然而压电效应只能存在于无对称中心的材料中，并且压电材料普遍需要经历较为苛刻的极化过程，一定程度上限制了材料的使用寿命。

挠曲电效应是一种与压电效应平行的物理现象，与压电效应不同的是，挠曲电效应是由应变梯度诱导的电极化现象，可以存在于所有电介质材料中而不受材料对称性的限制。当材料尺寸减小且应变不变时，应变梯度与材料尺寸成反比，因此挠曲电效应在微纳米尺度有望超越压电效应而占据主导地位，为能量收集技术提供新的途径。因此，将挠曲电效应运用到海洋探测航行器中，开发更优秀的动能电能转换方式，对深海探测具有重大意义。

发明内容

为了解决现有技术中水下发电装置效率低、结构复杂，不适宜深海探测的问题，本发明提出了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法，利用水流动能引起挠曲材料形变，在材料内部发生应变梯度和极化现象，形成电势差，进而输出电能，实现高效率的水下发电。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，包括至少一组上发电单元和下发电单元、电能转换单元，其中，所述下发电单元固定在水下；所述上发电单元通过弹性部件连接所述下发电单元，上发电单元在水中处于悬浮状态；所述上发电单元和下发电单元分别通过导线连接所述电能转换单元的一端，电能转换单元的另一端连接用电设备。

结合第一方面，进一步的，所述上发电单元与所述下发电单元的结构一致，上发电单元与下发电单元以弹性部件为中心呈对称分布。

结合第一方面，进一步的，所述上发电单元包括固定座、挠曲电悬臂梁、绝缘刚性基体、挠曲电板、电极铜片和绝缘薄膜，其中，所述挠曲电悬臂梁竖直安装在固定座的中心位置，挠曲电悬臂梁的顶端连接所述弹性部件；所述绝缘刚性基体竖直安装在固定座上，且与挠曲电悬臂梁之间间隔固定距离；所述挠曲电板呈弯曲状，挠曲电板安装在挠曲电悬臂梁和绝缘刚性基体之间；所述电极铜片覆盖在挠曲电悬臂梁和挠曲电板的表面；所述绝缘薄膜覆盖在挠曲电悬臂梁的电极铜片外侧，将挠曲电悬臂梁的电极铜片与挠曲电板的电极铜片隔开。

结合第一方面，进一步的，所述上发电单元中的绝缘刚性基体和挠曲电板均有两个，两个绝缘刚性基体以挠曲电悬臂梁为中垂线呈对称分布，两个挠曲电板分别安装在挠曲电悬臂梁与两个绝缘刚性基体之间。

结合第一方面，进一步的，上发电单元还包括两个防水波纹管，两个防水波纹管的一端分别固定在两个绝缘刚性基体顶部，两个防水波纹管的另一端分别固定在挠曲电悬臂梁上端的两侧。

结合第一方面，进一步的，所述上发电单元的固定座与水箱相连，所述水箱中装有液体和空气，通过调节水箱中液体和空气的比例来调整上发电单元在水中的位置；所述下发电单元的固定座固定安装在水下指定位置。

结合第一方面，进一步的，所述电能转换单元包括电检测设备、能量收集电路、变压输出设备、电能存储设备，其中，所述电检测设备用于检测上发电单元和下发电单元的电信号输出情况，所述能量收集电路用于对上发电单元和下发电单元输出的电信号进行稳压整流；所述变压输出设备用于对整流后的电信号进行变压处理，使其满足电压要求；所述电能存储设备用于存储变压后的电能，并给用电设备供电。

第二方面，本发明提出了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电方法，包括如下步骤：

利用弹性部件将固定在水下的下发电单元与上发电单元连接，并通过调节上发电单元的水箱中的液体和空气比例，令上发电单元悬浮在水中；

基于水流动能作用和弹性部件的阻力作用，令上发电单元与下发电单元中的挠曲电板和挠曲电悬臂梁发生弯曲，进而在电极铜片上形成电势差；

通过导线采集上发电单元与下发电单元输出的电能，对电能进行整流、变压、存储处理，完成水下发电。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法，利用挠曲电材料进行动能到电能的转换，具有输出能量密度高、结构简单、无电磁干扰、性能稳定等优点，本发明发电装置的上、下发电单元的数量和长度不是固定的，可以根据具体供电需求进行调节，满足不同设备的要求，适用于多种水下探测设备，而且将发电单元设置为不同的长度大小可以改变每个发电单元的基频共振频率，进而对不同环境频率的水下水流运动进行能量收集，有效提高水下发电装置的发电效率。

本发明能够充分利用水下的水流动能，将动能快速、高效的转换成电能，满足水下探测器等设备的自供电需求，为深海远航探测提供电力基础。

附图说明

图1为本发明一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中上发电单元的结构示意图。

图3为本发明实施例中电能转换单元的结构示意图。

图4为本发明实施例中能量收集电路的电路原理图。

图5为本发明一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电方法的步骤流程图。

图中，1是上发电单元，2是下发电单元，3是弹性部件，4是固定座，5是挠曲电悬臂梁，6是绝缘刚性基体，7是挠曲电板，8是电极铜片，9是绝缘薄膜，10是防水波纹管，11是电检测设备，12是能量收集电路，13是变压输出设备，14是电能存储设备，15是水箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，如图1所示，水下发电装置包括至少一组上发电单元1和下发电单元2、弹性部件3和电能转换单元，其中弹性部件可以选用弹簧。上发电单元与下发电单元的硬件结构一致，上发电单元的顶端通过弹性部件连接下发电单元的顶端，上、下发电单元以弹性部件为中心呈对称分布。在具体使用过程中，下发电单元固定在水下指定位置或设备上，上发电单元通过弹性部件悬浮在水中，位于下发电单元上方；上发电单元和下发电单元分别通过导线连接电能转换单元的一端，电能转换单元的另一端连接用电设备，电能转换单元将上、下发电单元输出的电能转换后用来给用电设备供电。

如图2所示，上发电单元主要包括固定座4、挠曲电悬臂梁5、绝缘刚性基体6、挠曲电板7、电极铜片8和绝缘薄膜9，挠曲电悬臂梁竖直安装在固定座的中心位置，挠曲电悬臂梁的顶端与弹性部件连接；两个绝缘刚性基体分别竖直安装在固定座上，以挠曲电悬臂梁为中垂线呈对称分布，绝缘刚性基体与挠曲电悬臂梁之间间隔固定距离，固定距离的取值取决于挠曲电板的横向宽度；挠曲电板呈弯曲状，挠曲电板安装在挠曲电悬臂梁和绝缘刚性基体之间，挠曲电板的弯曲点与挠曲电悬臂梁或绝缘刚性基体固定在一起；为了导电，在挠曲电悬臂梁和挠曲电板的表面都覆盖有电极铜片；为了避免挠曲电悬臂梁与挠曲电板直接接触，在挠曲电悬臂梁的电极铜片外侧覆盖有绝缘薄膜，绝缘薄膜将挠曲电悬臂梁的电极铜片与挠曲电板的电极铜片隔开。

本发明中的挠曲电板和挠曲电悬臂梁采用微纳米级柔性挠曲电材料，在发电装置振动过程中，挠曲电材料内部可以产生应变梯度和极化现象，进而在电极铜片上形成挠曲电电势差。

为了防止水流直接冲击发电装置内部的挠曲电材料，影响发电效果，在上发电单元和下发电单元中设置有两个防水波纹管10，两个防水波纹管的一端分别固定在两个绝缘刚性基体顶部，两个防水波纹管的另一端分别固定在挠曲电悬臂梁上端的两侧。

在本发明实施例中，下发电单元的固定座用来将水下发电装置固定安装在水/海底、水下探测航行器、水下传感器和钻井平台等水下位置。上发电单元的固定座实际位于整个水下发电装置的顶部，其与水箱15相连，水箱中预先装有适量的液体和空气，通过调节水箱中液体和空气的比例可以调整上发电单元在水中的位置，使上发电单元保持悬浮状态。

上、下发电单元中负责产生电流的挠曲电板和挠曲电悬臂梁通过电极铜片由导线连接至电能转换单元，电能转换单元可以直接安装在上、下发电单元上，也可以固定在用电设备上，如图3所示，电能转换单元包括电检测设备11、能量收集电路12、变压输出设备13、电能存储设备14，其中，电检测设备的一端通过导线直接连接上发电单元和下发电单元，电检测设备的另一端连接能量收集电路的一端，能量收集电路的另一端连接变压输出设备的一端，变压输出设备的另一端连接电能存储设备的一端，电能存储设备的另一端连接用电设备。

在电能转换单元中，电检测设备主要用于检测上发电单元和下发电单元的电信号输出情况，比如是否输出电流、电流大小等，电检测设备可以直接采用常规的通电检测装置。本发明实施例中能量收集电路采用经典的电路结构，如图4所示，能量收集电路可以对上发电单元和下发电单元输出的电信号进行稳压整流处理。变压输出设备主要用于对能量收集电路整流后的电信号进行变压处理，使其满足用电设备的电压要求。电能存储设备用于存储变压后的电能，当用电设备需要电能时，电能存储设备直接给用电设备供电。

本发明水下发电装置的工作原理为：处于水下悬浮状态的上发电单元受水流动能作用发生摇摆晃动，由于挠曲电悬臂梁自由端的弹簧阻力作用，使得上、下发电单元中的挠曲电板和挠曲电悬臂梁均发生弯曲，挠曲电材料内部产生应变梯度和极化现象，在装置中的电极铜片上形成电势差，进而经导线采集并输出电能。

根据具体的供电需求，本发明水下发电装置的上、下发电单元的数量和长度可以进行适应性的调整，发电单元设置为不同的长度大小，改变每个发电单元的基频共振频率，进而对不同环境频率的水下水流运动进行能量收集，有效提高水下发电装置的发电效率。

本发明还提出了一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电方法，如图5所示，具体包括如下步骤：

利用弹性部件将固定在水下的下发电单元与上发电单元连接，并通过调节上发电单元的水箱中的液体和空气比例，令上发电单元悬浮在水中。

基于水流动能作用和弹性部件的阻力作用，利用水流带动悬浮状态的上发电单元摇摆晃动，再利用弹簧阻力的作用带动下发电单元，令上发电单元与下发电单元中的挠曲电板和挠曲电悬臂梁发生弯曲，进而在挠曲电材料内部产生应变梯度和极化现象，进而在电极铜片上形成电势差。

通过导线采集上发电单元与下发电单元的电极铜片输出的电能，对电能进行整流、变压、存储处理，完成水下发电。

相比于现有技术，本发明装置和方法具有输出能量密度高、结构简单、无电磁干扰、性能稳定等优点，能够充分利用水下的水流动能，将动能快速、高效的转换成电能，满足水下探测器等设备的自供电需求，为深海远航探测提供电力基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，其特征在于，包括至少一组上发电单元和下发电单元、电能转换单元，其中，所述下发电单元固定在水下；所述上发电单元通过弹性部件连接所述下发电单元，上发电单元在水中处于悬浮状态；所述上发电单元和下发电单元分别通过导线连接所述电能转换单元的一端，电能转换单元的另一端连接用电设备；

所述上发电单元与所述下发电单元的结构一致，上发电单元与下发电单元以弹性部件为中心呈对称分布；

所述上发电单元包括固定座、挠曲电悬臂梁、绝缘刚性基体、挠曲电板、电极铜片和绝缘薄膜，其中，所述挠曲电悬臂梁竖直安装在固定座的中心位置，挠曲电悬臂梁的顶端连接所述弹性部件；所述绝缘刚性基体竖直安装在固定座上，且与挠曲电悬臂梁之间间隔固定距离；所述挠曲电板呈弯曲状，挠曲电板安装在挠曲电悬臂梁和绝缘刚性基体之间；所述电极铜片覆盖在挠曲电悬臂梁和挠曲电板的表面；所述绝缘薄膜覆盖在挠曲电悬臂梁的电极铜片外侧，将挠曲电悬臂梁的电极铜片与挠曲电板的电极铜片隔开。

2.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，其特征在于，所述上发电单元中的绝缘刚性基体和挠曲电板均有两个，两个绝缘刚性基体以挠曲电悬臂梁为中垂线呈对称分布，两个挠曲电板分别安装在挠曲电悬臂梁与两个绝缘刚性基体之间。

3.根据权利要求2所述的一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，其特征在于，上发电单元还包括两个防水波纹管，两个防水波纹管的一端分别固定在两个绝缘刚性基体顶部，两个防水波纹管的另一端分别固定在挠曲电悬臂梁上端的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，其特征在于，所述上发电单元的固定座与水箱相连，所述水箱中装有液体和空气，通过调节水箱中液体和空气的比例来调整上发电单元在水中的位置；所述下发电单元的固定座固定安装在水下指定位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，其特征在于，所述电能转换单元包括电检测设备、能量收集电路、变压输出设备、电能存储设备，其中，所述电检测设备用于检测上发电单元和下发电单元的电信号输出情况，所述能量收集电路用于对上发电单元和下发电单元输出的电信号进行稳压整流；所述变压输出设备用于对整流后的电信号进行变压处理，使其满足电压要求；所述电能存储设备用于存储变压后的电能，并给用电设备供电。

6.一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电方法，其特征在于，所述方法适用于权利要求4所述的基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置，所述方法包括如下步骤：

利用弹性部件将固定在水下的下发电单元与上发电单元连接，并通过调节上发电单元的水箱中的液体和空气比例，令上发电单元悬浮在水中；

基于水流动能作用和弹性部件的阻力作用，令上发电单元与下发电单元中的挠曲电板和挠曲电悬臂梁发生弯曲，进而在电极铜片上形成电势差；

通过导线采集上发电单元与下发电单元输出的电能，对电能进行整流、变压、存储处理，完成水下发电。

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