CN114033605B

CN114033605B - 一种压电式波浪能发电机

Info

Publication number: CN114033605B
Application number: CN202111416848.9A
Authority: CN
Inventors: 孟凡许; 李哲; 孙爱西; 刘忠原; 吴鸣; 程光明; 王淑云; 曾平
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Changzhou Speed Stability Intelligent Machinery Co ltd
Priority date: 2021-11-26
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2041-11-26
Also published as: CN114033605A

Abstract

本发明涉及一种压电式波浪能发电机，属新能源技术领域；机体内壁是由多个壁面构成的棱柱面，各壁面上都设有座板；摆轴由轴头、棱柱和传动轮构成，棱柱为正多棱柱；机盖装在机体端口上，一组摆轴按圆周方向均布地安装在机体内，轴头置于机体的左壁和机盖上的轴承孔内；各摆轴上的传动轮沿圆周方向依次相互接触；一个摆轴装有惯性臂；惯性块装在惯性臂上且位置可调；惯性臂两侧经弹簧与机体内壁相连，弹簧与惯性臂垂直，弹簧在惯性臂上的安装位置可调；压电振子一端装在机体座板上、另一端顶靠在摆轴的棱柱上；海浪波动并使机体摇晃时，惯性块经惯性臂迫使各摆轴摆动，棱柱迫使压电振子产生弯曲变形并发电，电能经转换处理后存储或输出。

Description

一种压电式波浪能发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种压电式波浪能发电机。

背景技术

为满足微功率电子产品、远程传感及埋植监测系统等的供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、摩擦及压电等原理的微小型发电机或俘能器的研究已经成为国内外的前沿热点。在利用各种原理构造微型发电机方面，国内外均有较多专利申请，能量来源涉及环境中的振动能、流体能、旋转动能及人体运动能等多发面。相对而言，波浪能原动力存在广泛且能量密度高，作为一种清洁能源更具开发应用潜力。目前，波浪能收集技术大都采用电磁发电进行收集，其技术复杂、成本较高等限制，其中振动式电磁发电机在低频波浪激励下的能量转化效率较低，大规模推广应用受到了一定的制约。有鉴于此，人们逐渐提出了多种形式的压电波浪发电机，以适应低频波浪能的回收需求。实际应用中，由于结构原理或器件特性的原因，现有波浪发电机的系统固有频率都是固定且缺少必要的压电振子保护措施，故无法满足不同海域波浪拍击频率及浪高等激励条件下的应用需求。

发明内容

一种压电式波浪能发电机，主要包括机体、机盖、摆轴、惯性臂、惯性块、弹簧、电路板、USB接口及压电振子，电路板上设有能量转换处理及充电单元。

机体为右侧设有端口的长方形中空结构，机体的内壁是由多个壁面构成的棱柱面，各个壁面在机体的左壁上的投影构成正多边形，机体的内壁的宽度方向的中间处设有环槽，机体的内壁的宽度方向是指左右方向；各壁面上都设有座板，座板位于同一圆周上且均布，座板位于环槽的两侧；机体的内壁上安装有电路板和USB接口，电路板和USB接口位于机体的上壁上，电路板和USB接口位于环槽内。

摆轴由轴头、棱柱和传动轮构成，轴头的横截面为圆形且位于摆轴的两端；棱柱为正多棱柱，棱柱的横截面为正多边形，棱柱的单个柱平面称为棱面；传动轮为齿轮或摩擦轮；一个传动轮、两段棱柱时，棱柱位于传动轮两侧；两个传动轮、一段棱柱时，棱柱位于传动轮中间。

机盖经螺钉安装在机体的端口上，机体的左壁和机盖上均设有轴承孔，轴承孔为盲孔；一组摆轴按圆周方向均布地安装在机体的内部，摆轴的轴头分别置于机体的左壁和机盖上的轴承孔内；摆轴可自由摆动，各摆轴上的传动轮沿圆周方向依次相互接触并传递转矩；传动轮为摩擦轮时依靠摩擦力转递转矩，传动轮为齿轮时依靠轮齿啮合转递转矩。

一个摆轴的传动轮处经螺钉安装有惯性臂，惯性臂安装在最上或最下方的摆轴上，用于收集横向摆动激励能量；惯性臂安装在最左或最右侧的转轴上，用于收集纵向摆动激励能量；惯性块经螺钉安装在惯性臂上，惯性块在惯性臂上的位置可调；惯性臂的两侧经弹簧与机体的内壁相连，弹簧位于惯性臂沿着摆轴摆动的方向上，弹簧与惯性臂垂直；惯性臂安装在最上或最下方的摆轴上时两个弹簧到摆轴中心的距离相等，其它情况下各弹簧到摆轴中心的距离不相等。

压电振子的一端装在机体的座板上、另一端顶靠在摆轴的棱柱的棱面上，压电振子的自由端与棱面接触但无相互作用力；压电振子由基片和压电片粘接而成，压电振子的基片顶靠在摆轴的棱面上；各压电振子分别经独立的导线组及整流桥与电路板相连。

本发明中，摆轴、压电振子、弹簧、惯性臂及惯性块构成摇摆系统，其固有频率由摆轴、弹簧、惯性臂、惯性块及压电振子的结构尺寸、数量及空间位置参数等确定，摇摆系统的固有频率应与浪激频率及浪激强度相适应，进而使各摆轴产生足够大的摆角并激励压电振子弯曲变形发电；其它结构及参数确定后，摇摆系统的固有频率通过惯性臂上惯性块及弹簧的安装位置加以调节。

本发明中，摇摆系统的固有频率通过下式计算获得，，式中：ζ为阻尼比，k和K分别为压电振子和弹簧的刚度，j和n分别为摆轴和压电振子的数量，y0为棱面的宽度，y1和y2分别为两个弹簧到摆轴中心的距离，x1、x2和x3分别轴头的半径、棱柱横截面上内接圆的半径和传动轮的半径，x4和x5分别为惯性臂的长度和惯性块质心到摆轴的中心的距离，m1、m2、m3、m4和m5分别为轴头、棱柱、传动轮、惯性臂和惯性块的质量。

本发明中，摆轴和惯性臂为轻质材料时其质量可忽略不计，m1、m2、m3和m4远小于m5，摇摆系统的固有频率为，式中：ζ为阻尼比，k和K分别为压电振子和弹簧的刚度，n为压电振子的数量，y0为棱面的宽度，y1和y2分别为两个弹簧到摆轴中心的距离， m5和x5分别为惯性块的质量和惯性块质心到摆轴的中心的距离；本发明中，机架旋转90度安装时摆臂处于水平面内，两个弹簧到摆轴中心的距离不相等，即固有频率计算公式中的y1和y2不相等。

本发明中，机体经柔性带或弹簧固定并悬浮在海面上；非工作时，惯性臂处于铅垂面或水平面内且与弹簧垂直，压电振子处于无弯曲变形的自然状态，压电振子的自由端与棱面接触但无相互作用力；海浪波动并使机体摇晃时，惯性块经惯性臂迫使各摆轴摆动，惯性块的惯性力经惯性臂迫使各摆轴摆动，棱柱迫使压电振子产生弯曲变形，弹簧的功能是使惯性臂复位；压电振子往复弯曲变形过程中将机械能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

本发明中，摆轴一次往复摆动过程中压电振子承受多次的单向且量值可控的往复弯曲变形，压电片仅承受量值受控的压应力；具体地，摆轴摆动使Q=mq/2时y=y0<y*，Q=mq时y=0，N=2Q/q，其中，m=1、2、3、…，Q和q分别为摆轴的摆角和棱面所对应的圆心角，摆轴的摆角Q是指某一时刻惯性臂单向摆动离开平衡位置时所转过的角度，y、y0和y*分别为压电振子的变形量、最大变形量和许用变形量，N为摆轴往复摆动一次时压电振子的弯曲变形次数。

优势与特色：多组压电振子同步发电，动力传递过程简单可靠，单位体积能量密度大；一次大幅度激励可实现多次变形，压电振子最大激励幅值恒定、不随激励幅值增加而增加，输出电源稳定、可靠性高；激励系统固有频率易于通过弹簧刚度和惯性块质量设计获得，出厂后易通过改变惯性块位置调整固有频率，调频方法简单、适用范围广。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2图1的A-A视图；

图3图1的B-B视图；

图4是本发明一个较佳实施例中激励轴的结构示意图；

图5是图4的左视图；

图6是本发明一个较佳实施例中机体的结构示意图；

图7是图6的右视图。

具体实施方式

一种压电式波浪能发电机，主要包括机体a、机盖b、摆轴c、惯性臂d、惯性块e、弹簧g、电路板p、USB接口u及压电振子i，电路板p上设有能量转换处理及充电单元。

机体a为右侧设有端口的长方形中空结构，机体a的内壁是由多个壁面a0构成的棱柱面，各个壁面a0在机体a的左壁a1上的投影构成正多边形，机体a的内壁的宽度方向的中间处设有环槽a4，机体a的内壁的宽度方向是指左右方向；各壁面a0上都设有座板a6，座板a6位于同一圆周上且均布，座板a6位于环槽a4的两侧；机体a的内壁上安装有电路板p和USB接口u，电路板p和USB接口u位于机体a的上壁a2上，电路板p和USB接口u位于环槽a4内。

摆轴c由轴头c1、棱柱c2和传动轮c3构成，轴头c1的横截面为圆形且位于摆轴c的两端；棱柱c2为正多棱柱，棱柱c2的横截面为正多边形，棱柱c2的单个柱平面称为棱面c4；传动轮c3为齿轮或摩擦轮；一个传动轮c3、两段棱柱c2时，棱柱c2位于传动轮c3两侧；两个传动轮c3、一段棱柱c2时，棱柱c2位于传动轮c3中间。

机盖b经螺钉安装在机体a的端口上，机体a的左壁a1和机盖b上均设有轴承孔，轴承孔为盲孔；一组摆轴c按圆周方向均布地安装在机体a的内部，摆轴c的轴头c1分别置于机体a的左壁a1和机盖b上的轴承孔内；摆轴c可自由摆动，各摆轴c上的传动轮c3沿圆周方向依次相互接触并传递转矩；传动轮c3为摩擦轮时依靠摩擦力转递转矩，传动轮c3为齿轮时依靠轮齿啮合转递转矩。

一个摆轴c的传动轮c3处经螺钉安装有惯性臂d，惯性臂d安装在最上或最下方的摆轴c上，用于收集横向摆动激励能量；惯性臂d安装在最左或最右侧的转轴上，用于收集纵向摆动激励能量；惯性块e经螺钉安装在惯性臂d上，惯性块e在惯性臂d上的位置可调；惯性臂d的两侧经弹簧g与机体a的内壁相连，弹簧g位于惯性臂d沿着摆轴c摆动的方向上，弹簧g与惯性臂d垂直；惯性臂d安装在最上或最下方的摆轴c上时两个弹簧g到摆轴c中心的距离相等，其它情况下各弹簧g到摆轴c中心的距离不相等。

压电振子i的一端经压板f和螺钉安装在机体a的座板a6上，压电振子i的自由端顶靠在摆轴c的棱柱c2的棱面c4上，压电振子i的自由端与棱面c4接触但无相互作用力；压电振子i由基片和压电片粘接而成，压电振子i的基片顶靠在摆轴c的棱面上；各压电振子i分别经独立的导线组及整流桥与电路板p相连。

本发明中，摆轴c、压电振子i、弹簧g、惯性臂d及惯性块e构成摇摆系统，其固有频率由摆轴c、弹簧g、惯性臂d、惯性块e及压电振子i的结构尺寸、数量及空间位置参数等确定，摇摆系统的固有频率应与浪激频率及浪激强度相适应，进而使各摆轴c产生足够大的摆角并激励压电振子i弯曲变形发电；其它结构及参数确定后，摇摆系统的固有频率通过惯性臂d上惯性块e及弹簧g的安装位置加以调节。

本发明中，摇摆系统的固有频率通过下式计算获得，，式中：ζ为阻尼比，k和K分别为压电振子i和弹簧g的刚度，j和n分别为摆轴c和压电振子i的数量，y0为棱面c4的宽度，y1和y2分别为两个弹簧g到摆轴c中心的距离，x1、x2和x3分别轴头c1的半径、棱柱c2横截面上内接圆的半径和传动轮c3的半径，x4和x5分别为惯性臂d的长度和惯性块e质心到摆轴c的中心的距离，m1、m2、m3、m4和m5分别为轴头c1、棱柱c2、传动轮c3、惯性臂d和惯性块e的质量。

本发明中，摆轴c和惯性臂d为轻质材料时其质量可忽略不计，m1、m2、m3和m4远小于m5，摇摆系统的固有频率为，式中：ζ为阻尼比，k和K分别为压电振子i和弹簧g的刚度，n为压电振子i的数量，y0为棱面c4的宽度，y1和y2分别为两个弹簧g到摆轴c中心的距离， m5和x5分别为惯性块e的质量和惯性块e质心到摆轴c的中心的距离。

本发明中，机体a经柔性带或弹簧固定并悬浮在海面上；非工作时，惯性臂d处于铅垂面或水平面内且与弹簧g垂直，压电振子i处于无弯曲变形的自然状态，压电振子i的自由端与棱面c4接触但无相互作用力；海浪波动并使机体a摇晃时，惯性块e的惯性力迫使各摆轴c摆动，棱柱c2迫使压电振子i产生弯曲变形，弹簧g的功能是使惯性臂d复位；压电振子i往复弯曲变形过程中将机械能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

本发明中，摆轴c一次往复摆动过程中压电振子i承受多次的单向且量值可控的往复弯曲变形，压电片仅承受量值受控的压应力；具体地，摆轴c摆动使Q=mq/2时y=y0<y*，Q=mq时y=0，N=2Q/q，其中，m=1、2、3、…，Q和q分别为摆轴c的摆角和棱面c4所对应的圆心角，摆轴c的摆角Q是指某一时刻惯性臂d单向摆动离开平衡位置时所转过的角度，y、y0和y*分别为压电振子i的变形量、最大变形量和许用变形量，N为摆轴c往复摆动一次时压电振子i的弯曲变形次数。

Claims

1.一种压电式波浪能发电机，其特征在于：机体的内壁是由多个壁面构成的棱柱面，各壁面上都设有座板；摆轴由轴头、棱柱和传动轮构成，棱柱为正多棱柱；机盖装在机体端口上，一组摆轴按圆周方向均布地安装在机体内，摆轴的轴头分别置于机体的左壁和机盖上的轴承孔内；各摆轴上的传动轮沿圆周方向依次相互接触并传递转矩；一个摆轴装有惯性臂；惯性块装在惯性臂上且位置可调；惯性臂的两侧经弹簧与机体的内壁相连，弹簧与惯性臂垂直，弹簧在惯性臂上的安装位置可调；压电振子的一端装在机体的座板上、另一端顶靠在摆轴的棱柱的棱面上；摆轴、压电振子、弹簧、惯性臂及惯性块构成摇摆系统，其固有频率通过惯性臂上惯性块及弹簧的位置调节；惯性臂装在最上或最下方的摆轴上时两弹簧到摆轴中心距离相等，其它情况下两弹簧到摆轴中心的距离不相等；海浪波动并使机体摇晃时，惯性块经惯性臂迫使各摆轴摆动，棱柱迫使压电振子产生弯曲变形并发电，电能经转换处理后存储或输出。

2.根据权利要求1所述的一种压电式波浪能发电机，其特征在于：传动轮为齿轮或摩擦轮；传动轮为摩擦轮时依靠摩擦力转递转矩，传动轮为齿轮时依靠轮齿啮合转递转矩。