CN113864103A - 一种基于波浪能的能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波浪能的能量采集装置，涉及海洋波浪能利用工程技术领域，包括箱体；摇摆杆，摇摆杆铰接于箱体，其中，第一传动杆的一端伸入箱体的内部，另一端固定有浮漂；基础层，基础层设于箱体的内部，且基础层沿长度方向上布置有若干片压电片；以及能量传动组件，能量传动组件固定于箱体的内部且位于摇摆杆和基础层之间，能量传动组件的一侧连接摇摆杆伸入箱体的一端，能量传动组件的另一侧传动连接基础层，其中，能量传动组件将摇摆杆的摆动转化为对基础层的挤压，以使基础层产生弹性变形，从而带动压电片产生压电效应以输出电压，有效并最大化将波浪能转化为电能，本装置结构简单、易于制作，且成本较低、具有极大的经济效应。

Description

一种基于波浪能的能量采集装置

技术领域

本发明涉及海洋波浪能利用工程技术领域，特别涉及一种基于波浪能的能量采集装置。

背景技术

随着世界能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显，海洋波浪能作为一种清洁、可再生能源而备受重视。波浪能的能量密度大、可持续性强、分布范围广，是一种简单机械能，是海洋中质量最好最常见的能源。另外，悬臂梁压电能量采集器的工作带宽太低，能量获取的频率范围小，不能有效利用海洋中的波浪能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种基于波浪能的能量采集装置，能够最大化利用海洋中的波浪能并将其转化为能用的电能。

根据本发明实施例的基于波浪能的能量采集装置，包括箱体；摇摆杆，所述摇摆杆铰接于所述箱体，其中，所述第一传动杆的一端伸入所述箱体的内部，另一端固定有浮漂；基础层，所述基础层设于所述箱体的内部，且所述基础层沿长度方向上布置有若干片压电片；以及能量传动组件，所述能量传动组件固定于所述箱体的内部且位于所述摇摆杆和所述基础层之间，所述能量传动组件的一侧连接所述摇摆杆伸入所述箱体的一端，所述能量传动组件的另一侧传动连接所述基础层，其中，所述能量传动组件将所述摇摆杆的摆动转化为对所述基础层的挤压，以使所述基础层产生弹性变形，从而带动所述压电片产生压电效应以输出电压。

作为上述方案的进一步改进，所述能量传动组件包括第一连杆、第二连杆、第一齿轮以及第二齿轮，所述第一齿轮转动连接于所述箱体，所述第二齿轮转动连接所述箱体且与所述第一齿轮传动连接，所述第一连杆的一端铰接所述摇摆杆，所述第一连杆的另一端铰接所述第一齿轮，所述第二连杆的一端铰接所述第二齿轮，所述第二连杆的另一端铰接所述基础层。

作为上述方案的进一步改进，所述第一齿轮通过第三齿轮传动连接所述第二齿轮，且所述第二齿轮的齿数和所述第三齿轮的齿数均小于所述第一齿轮的齿数。

作为上述方案的进一步改进，所述第一齿轮为内齿轮，所述第二齿轮和所述第三齿轮均为外齿轮，所述第二齿轮位于所述第一齿轮的中心，其中，第一齿轮和所述第二齿轮均啮合所述第三齿轮，从而形成行星齿轮机构。

作为上述方案的进一步改进，所述第一齿轮、所述第二齿轮和所述第三齿轮三者的齿数比为2:1:1、3:1:1、4:1:2的其中一种。

作为上述方案的进一步改进，所述基础层的中部隆起以形成圆弧形的拱式结构，所述压电片分布在所述拱式结构的内侧和外侧，若干片所述压电片依次串联在一起。

作为上述方案的进一步改进，所述基于波浪能的能量采集装置还包括设于所述箱体内部的能量转换组件和弹簧组件，所述能量转换组件包括处于磁化状态的磁致伸缩棒以及闭合线圈，所述闭合线圈套设在所述磁致伸缩棒，所述弹簧组件固定于所述磁致伸缩棒的端部，通过所述弹簧组件以将所述摇摆杆的机械能转化为对所述磁致伸缩棒的压力。

作为上述方案的进一步改进，所述弹簧组件包括固定圆盘、导向件、弹簧以及滑块，通过所述固定圆盘以将所述导向件固定在所述磁致伸缩棒的端部，所述导向件上设有可供所述滑块滑动的滑道，所述弹簧设于所述滑道，且所述弹簧的两端分别连接所述固定圆盘和所述滑块，所述滑块位于所述滑道的端部且位于所述摇摆杆的端部的摆动路径上。

作为上述方案的进一步改进，所述能量转换组件还包括轭铁以及若干件磁体，所述轭铁固定在所述箱体的内部，所述磁致伸缩棒设于所述轭铁内部且一端伸出所述轭铁外，所述磁体设于所述轭铁的内部且分布在所述磁致伸缩棒的两侧。

作为上述方案的进一步改进，所述磁致伸缩棒的制作材料为Terfenol-D、Galfenol、Metglas的其中一种。

基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案中，摇摆杆铰接于箱体上，且摇摆杆的一端伸入箱体的内部，另一端位于箱体外且端部固定有浮漂，浮漂在海浪的作用下能够带动摇摆杆进行一定幅度的摆动，对于设于箱体内部的基础层，基础层上沿长度方向布置有若干片压电片，压电片受到变形会产生压电效应并产生电压，而固定于箱体内部的能量传动组件则位于摇摆杆和基础层之间，且摇摆杆和基础层均连接能量传动组件，工作时，将本方案的能量采集装置放置于海洋上或江河上，浮漂在波浪的作用下带动摇摆杆摆动，通过能量传动组件将摇摆杆产生的摆动转换为对基础层的挤压，以使基础层产生弹性形变，从而带动设置在基础层上的压电片产生压电效应以输出电压，有效并最大化将波浪能转化为电能，此外，本发明的能量采集装置结构简单、易于制作，且成本较低、具有极大的经济效应。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中A处的放大示意图；

图3是本发明实施例中能量转换组件的结构示意图；

图4是本发明实施例中弹簧组件的结构示意图；

图5是图1中B处的放大示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图2，本发明实施例中的基于波浪能的能量采集装置包括箱体100、摇摆杆220、基础层410以及能量传动组件。

对于摇摆杆220，摇摆杆220铰接于箱体100，其中，第一传动杆220的一端伸入箱体100的内部，另一端固定有浮漂210，具体的，如图5所示，箱体100的一面上开设有供摇摆杆220伸入的槽孔，槽孔的两侧布置有可转动的滚轮110，相对应的，摇摆杆220上设有与滚轮100配合的凹槽，从而使摇摆杆220与箱体100形成铰接结构，并能使摇摆杆220进行一定幅度的摆动。

对于基础层410，基础层410设于箱体100的内部，且基础层410沿长度方向上布置有若干片压电片420，具体的，基础层410，基础层410的中部隆起以形成圆弧形的拱式结构，压电片420分布在拱式结构的内侧和外侧，若干片压电片420依次串联在一起，这里的压电片420如发生变形可产生压电效应并能输出电压，而基础层410在外里的作用下则可产生弹性形变。

对于能量传动组件300，能量传动组件300固定于箱体100的内部且位于摇摆杆220和基础层410之间，能量传动组件300的一侧连接摇摆杆220伸入箱体100的一端，能量传动组件300的另一侧传动连接基础层410，工作时，将组装好的能量采集装置放置于海洋上或江河上，浮漂210的截面为椭圆形，且能半潜于江河或海面上，用于承受波浪的冲击，在波浪的冲击下，浮漂210带动摇摆杆220做周期性摆动，通过能量传动组件300将摇摆杆220的摆动转化为对基础层410的挤压，以使基础层410产生弹性变形，基础层410产生弹性变形进而带动布置在基础层410的变形面上的压电片420产生变形，从而使压电片420产生压电效应以输出电压，有效并最大化将波浪能转化为电能。

如图2所示，能量传动组件300包括第一连杆340、第二连杆350、第一齿轮310以及第二齿轮320，第一齿轮310转动连接于箱体100，第二齿轮320转动连接于箱体100且与第一齿轮310传动连接，第一连杆340的一端铰接摇摆杆220，第一连杆340的另一端铰接第一齿轮310，具体的，第一连杆340与第一齿轮310的铰接点不处于第一齿轮310的转动中心，以使摇摆杆220带动第一连杆340运动时，第一齿轮310做周期性的往复转动；对于第二连杆350，第二连杆350的一端铰接第二齿轮320，第二连杆350的另一端铰接基础层410，因第二连杆350与第二齿轮320的铰接点不处于第二齿轮320的转动中心，第一齿轮310带动第二齿轮320进行周期性转动的同时，第二连杆350与第二齿轮320铰接的一端可绕第二齿轮320的转动中心转动，从而带动第二连杆350的另一端往复挤压基础层410，以使基础层410产生周期性的弹性变形，进而带动压电片420产生压电效应。

进一步的，第一齿轮310通过第三齿轮330传动连接第二齿轮320，且第二齿轮320的齿数和第三齿轮330的齿数均小于第一齿轮310的齿数。即使在波浪很小的情况下，摇摆杆220的摆动幅度很小，进而第一齿轮310的周期性转动幅度较小，但是由于第二齿轮320的齿数和第三齿轮330的齿数均小于第一齿轮310的齿数，在此情况下也能带动第二齿轮320以一定的速率转动，使基础层410进行一定频率的弹性变形。

进一步的，第一齿轮310为内齿轮，第二齿轮320和第三齿轮330均为外齿轮，第二齿轮320位于第一齿轮310的中心，其中，第一齿轮310和第二齿轮320均啮合第三齿轮330，从而形成行星齿轮机构，第一齿轮310在摇摆杆220通过第一连杆340的传动作用下产生转动，进而带动作为行星齿轮的第三齿轮330转动，第三齿轮330转动的同时带动第二齿轮320转动，第三齿轮330的中心轴则绕第二齿轮320转动，以使铰接于第二齿轮320的第二连杆350的一端绕第二齿轮320的转动中心做圆周运动，进而带动二连杆350另一端做往复升降运动。

优选的，第一齿轮310、第二齿轮320和第三齿轮330三者的齿数比为2:1:1、3:1:1、4:1:2的其中一种。本实例中，设第一齿轮310共有36齿，第二齿轮320和第三齿轮330均有9齿，在摇摆杆220位于箱体100的一端由左端的最高点或右端的最高点摆动至最低点时，第一连杆340带动第一齿轮310转动9齿，则第二齿轮320和第三齿轮330也转动9齿，也即第二齿轮320和第三齿轮330转动一个周期，基础层410最高点在第二连杆350的作用下经历一个周期的正弦函数载荷，使压电片420变形呈周期性，产生电流有规律，易于整流储存电能或使用。

此外，基于波浪能的能量采集装置还包括设于箱体100内部的能量转换组件和弹簧组件540，能量转换组件包括处于磁化状态的磁致伸缩棒530以及闭合线圈550，闭合线圈550套设在磁致伸缩棒530，弹簧组件540固定于磁致伸缩棒530的端部，通过弹簧组件540以将摇摆杆220的机械能转化为对磁致伸缩棒530的压力，从而使磁致伸缩棒530产生磁致伸缩效应，磁致伸缩棒530产生机械变形导致磁化状态发生改变，进而引起闭合线圈550内的磁通量发生改变，从而使闭合线圈550产生感生电流。如图1所示，能量转换组件共设两个，分别分布在摇摆杆220摆动路径两端，相对应的，弹簧组件540也设置两个。

具体的，如图4所示，弹簧组件540包括固定圆盘541、导向件542、弹簧543以及滑块544，通过固定圆盘541以将导向件542固定在磁致伸缩棒530的端部，导向件542上设有可供滑块544滑动的滑道，弹簧543设于滑道，且弹簧543的两端分别连接固定圆盘541和滑块544，滑块544位于滑道的端部且位于摇摆杆220的端部的摆动路径上。需说明的是，本实施例的滑块544的位置处于摇摆杆220端部的摆动最高高度的四分之三处，当摇摆杆220的端部摆动至最高处的过程中会使滑块544朝向固定圆盘541移动，使弹簧543蓄能，在弹簧543蓄能完毕后，将能量通过固定圆盘541传导至磁致伸缩棒530的端部，使磁致伸缩棒530产生机械变形，同时，磁致伸缩棒530还会在本身的复位动作下带动滑块544复位，进而通过滑块544给与摇摆杆220的端部一个力，助力摇摆杆220的端部朝向最低点摆动，加强摇摆杆220的摆动响应，有效提高了波浪能的采集效果。

其中，如图3所示，能量转换组件还包括轭铁510以及若干件磁体520，轭铁510固定在箱体100的内部，磁致伸缩棒530设于轭铁510内部且一端伸出轭铁510外，磁体520设于轭铁510的内部且分布在磁致伸缩棒530的两侧，这里的磁体520为优选为永磁铁，轭铁510用来增强闭合线圈550与磁致伸缩棒530之间的吸合力，将闭合线圈550产生的磁力线封闭在内部，提高感应效率。优选的，磁致伸缩棒530的制作材料为Terfenol-D、Galfenol、Metglas三种中的其中一种。

综合上述，可知本发明的工作原理为：浮漂210在海浪的冲击下摆动，配合摇摆杆220通过能量传动组件300将波浪能转化为机械能，并将机械能作用在基础层410上，此外，还通过弹簧组件540，将机械能作用在磁致伸缩棒530上，因此，使得基础层410上的压电片420产生机械变形引起电荷的变化产生电流，而弹簧组件540在产生变形蓄能后作用在磁致伸缩棒530上，磁致伸缩棒530产生的机械变形引起自身磁感应强度发生变化，使得套设在磁致伸缩棒530上的闭合线圈550的磁通量发生变化进而产生感应电流。需说明的是，弹簧组件540不仅起到传递机械能的作用，还起到加强摇摆杆220摆动响应的作用，而压电片420和闭合线圈550产生的电流均通过采集电路收集储存起来，有效提高了波浪能的利用效率。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：包括

箱体(100)；

摇摆杆(220)，所述摇摆杆(220)铰接于所述箱体(100)，其中，所述第一传动杆(220)的一端伸入所述箱体(100)的内部，另一端固定有浮漂(210)；

基础层(410)，所述基础层(410)设于所述箱体(100)的内部，且所述基础层(410)沿长度方向上布置有若干片压电片(420)；以及

能量传动组件(300)，所述能量传动组件(300)固定于所述箱体(100)的内部且位于所述摇摆杆(220)和所述基础层(410)之间，所述能量传动组件(300)的一侧连接所述摇摆杆(220)伸入所述箱体(100)的一端，所述能量传动组件(300)的另一侧传动连接所述基础层(410)，其中，所述能量传动组件(300)将所述摇摆杆(220)的摆动转化为对所述基础层(410)的挤压，以使所述基础层(410)产生弹性变形，从而带动所述压电片(420)产生压电效应以输出电压。

2.根据权利要求1所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述能量传动组件(300)包括第一连杆(340)、第二连杆(350)、第一齿轮(310)以及第二齿轮(320)，所述第一齿轮(310)转动连接于所述箱体(100)，所述第二齿轮(320)转动连接所述箱体(100)且与所述第一齿轮(310)传动连接，所述第一连杆(340)的一端铰接所述摇摆杆(220)，所述第一连杆(340)的另一端铰接所述第一齿轮(310)，所述第二连杆(350)的一端铰接所述第二齿轮(320)，所述第二连杆(350)的另一端铰接所述基础层(410)。

3.根据权利要求2所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述第一齿轮(310)通过第三齿轮(330)传动连接所述第二齿轮(320)，且所述第二齿轮(320)的齿数和所述第三齿轮(330)的齿数均小于所述第一齿轮(310)的齿数。

4.根据权利要求3所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述第一齿轮(310)为内齿轮，所述第二齿轮(320)和所述第三齿轮(330)均为外齿轮，所述第二齿轮(320)位于所述第一齿轮(310)的中心，其中，第一齿轮(310)和所述第二齿轮(320)均啮合所述第三齿轮(330)，从而形成行星齿轮机构。

5.根据权利要求4所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述第一齿轮(310)、所述第二齿轮(320)和所述第三齿轮(330)三者的齿数比为2:1:1、3:1:1、4:1:2的其中一种。

6.根据权利要求1至5中任一所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述基础层(410)的中部隆起以形成圆弧形的拱式结构，所述压电片(420)分布在所述拱式结构的内侧和外侧，若干片所述压电片(420)依次串联在一起。

7.根据权利要求1所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述基于波浪能的能量采集装置还包括设于所述箱体(100)内部的能量转换组件和弹簧组件(540)，所述能量转换组件包括处于磁化状态的磁致伸缩棒(530)以及闭合线圈(550)，所述闭合线圈(550)套设在所述磁致伸缩棒(530)，所述弹簧组件(540)固定于所述磁致伸缩棒(530)的端部，通过所述弹簧组件(540)以将所述摇摆杆(220)的机械能转化为对所述磁致伸缩棒(530)的压力。

8.根据权利要求7所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述弹簧组件(540)包括固定圆盘(541)、导向件(542)、弹簧(543)以及滑块(544)，通过所述固定圆盘(541)以将所述导向件(542)固定在所述磁致伸缩棒(530)的端部，所述导向件(542)上设有可供所述滑块(544)滑动的滑道，所述弹簧(543)设于所述滑道，且所述弹簧(543)的两端分别连接所述固定圆盘(541)和所述滑块(544)，所述滑块(544)位于所述滑道的端部且位于所述摇摆杆(220)的端部的摆动路径上。

9.根据权利要求7所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述能量转换组件还包括轭铁(510)以及若干件磁体(520)，所述轭铁(510)固定在所述箱体(100)的内部，所述磁致伸缩棒(530)设于所述轭铁(510)内部且一端伸出所述轭铁(510)外，所述磁体(520)设于所述轭铁(510)的内部且分布在所述磁致伸缩棒(530)的两侧。

10.根据权利要求7至9中任一所述的基于波浪能的能量采集装置，其特征在于：所述磁致伸缩棒(530)的制作材料为Terfenol-D、Galfenol、Metglas的其中一种。

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