CN114411622A - 一种基于压电效应的浮波堤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于压电效应的浮波堤，包括浮波堤外框架、圆柱形浮波堤以及浮标组件，浮波堤外框架由环形支架和直板支架连接而成，环形支架以三角形阵列分布，分别设置在三角形顶点及中心位置处，圆柱形浮波堤和浮标组件的排列方式与环形支架一致，圆柱形浮波堤设置在环形支架中，中心位置的圆柱形浮波堤质量稍重，浮标组件设置在圆柱形浮波堤内部。本发明通过在近海岸布置浮式压电防波堤一定程度上减弱海浪对近海岸的磨损；基于压电效应的发电模式将海浪的动能和势能转换为电能，结构简单，发电效率高，节约了能源保护了环境；采用磁铁相斥的效应代替压电拨片的使用，避免了拨片与压电片的直接接触，提高压电片的使用寿命。

Description

一种基于压电效应的浮波堤

技术领域

本发明属于海洋防波堤技术领域，涉及一种基于压电效应的浮波堤，具体涉及一种消浪和新型发电相结合的浮式防波堤。

背景技术

随着现在的能源，以煤炭、石油为主的化石燃料的逐渐消耗，这些不可再生能源日益短缺。并且这些燃料在提供能量的同时，还会造成环境污染，所以开发新能源、可再生能源已经成为刻不容缓的事情。相对于传统太阳能能源相比，由于太阳能依赖天气条件，在连续阴雨天及海上恶劣天气下产能十分不足，而压电由波浪能的形式产出，产能稳定；而对比传统机械结构波浪发电，压电发电形式更加简单，符合海上施工防波堤建造条件，因此采用以压电发电的形式，对海浪的机械能能进行有效的利用。此外现阶段发电发电方式多采用直接接触式的方式，这种压电发电方式使得压电材料的使用寿命大大减小。由于压电转化能源的能量密度高，结构简单，易于微型化兼容性好使得对海浪能源的利用更加高效。因此现阶段开发一种非接触式的压电发电方式可以大大提高压电材料的使用寿命，具有重要的现实意义。

发明内容

针对上述问题情况，本发明提出一种基于压电效应的浮波堤，实现消浪和新型发电相结合，解决传统能源产能不稳定以及现有接触式压电发电方式使得压电材料使用寿命降低等技术问题。

本发明采用如下的技术方案：

一种基于压电效应的浮波堤，包括浮波堤外框架、圆柱形浮波堤以及浮标组件，所述浮波堤外框架由环形支架和直板支架连接而成，环形支架之间通过直板支架连接，环形支架以三角形阵列分布，分别设置在三角形的顶点及中心位置处，圆柱形浮波堤和浮标组件的排列方式与环形支架一致，圆柱形浮波堤设置在环形支架中，环形支架与圆柱形浮波堤外壳紧密镶嵌，位于中心位置的圆柱形浮波堤质量大于其他位置的圆柱形浮波堤，浮标组件密封设置在圆柱形浮波堤内部，浮标组件的质量小于圆柱形浮波堤的质量。

进一步的，在环形支架和直板支架的连接处内部设置有阵列分布的长条形压电片，随着海浪的上下频率起伏，以压电片悬臂梁式结构进行受力发电，长条形压电片之间通过夹板连接，长条形压电片两侧为直板外壳。

进一步的，所述圆柱形浮波堤包括浮波堤外壳以及设置在浮波堤外壳内部的环形双层压电片和第一环形磁铁，所述环形双层压电片紧密设置在第一环形磁铁的两侧。

进一步的，所述浮波堤外壳上部安装有环形灯托盘，LED灯均匀阵列在灯托盘上，托盘内设置有防水材料制成的电线。

进一步的，所述浮标组件包括中心杆、拨盘、圆形托盘以及浮标底座，拨盘由中心杆穿过并竖向阵列方式固定在中心杆上，中心杆内由弹簧相互连接，圆形托盘由中心杆穿过并设置在中心杆上端部。

进一步的，所述拨盘包括位于内圈的橡胶圆板以及橡胶圆板外侧的第二环形磁铁，在橡胶圆板的中央设置有供中心杆穿过的中心孔。

进一步的，所述第二环形磁铁和第一环形磁铁具有相同的极性。

再进一步的，所述圆形托盘上设置有环形整流器、环柱形蓄电池以及滤波器，所述滤波器为4个，围绕中心杆设置。

更进一步的，所述长条形压电片和环形双层压电片采用并联方式连接。

优选的，所述浮波堤外框架数量为3个，平行设置。

相对于现有技术，本发明的有益效果：

1、圆柱形浮波堤采用三角阵列排布，用浮波堤外框架将四者紧密连接，既增加浮波堤的稳定性，保证在海浪中正常工作，又具有一定的消浪能力，保护近海岸岸堤的磨损，保护近海岸人民的生命安全。

2、基于压电效应的发电模式将海浪的动能和势能转换为电能，一定程度对近岸岸堤起到一个保护作用。并且，利用压电效应更加简单的结构进行发电，节约了能源保护了环境。

3、在圆柱形浮波堤内部采用同性磁铁相斥的效应代替压电拨片的使用，在弹簧和海浪推动下，浮标组件相对于浮波堤外壳进行上下运动。中心杆上的拨盘外圈为第二环形磁铁，在浮力推动的作用下第一环形磁铁和第二环形磁铁，依据同极性磁铁相斥的原理发生力的作用，磁铁受压，从而使双层压电片受到力的作用，使双层压电片产生形变，发生压电效应，由于拨盘没有对压电片进行一个直接的相互接触，延长了压电材料的寿命，是一种有效的产生压电效应的方式。

附图说明

图1为本发明一种基于压电效应的浮波堤的结构示意图；

图2为本发明的圆柱形浮波堤结构示意图；

图3为本发明的浮波堤外框架结构示意图；

图4为本发明的浮波堤外框架直板支架与环形支架连接处内部结构示意图；

图5为本发明的浮标结构示意图；

图6为本发明的圆柱形浮波堤外壳结构示意图；

图7为本发明的浮标拨盘结构俯视图；

图8为本发明的压电片并联电路示意图；

图9为本发明的浮波堤上下运动示意图；

图10为本发明的圆柱形浮波堤内部局部剖面图。

图中：1、浮波堤外框架；2、圆柱形浮波堤；3、浮标组件；4、灯托盘；5、LED灯；6、中心杆；7、拨盘；8、第一环形磁铁；9、环形双层压电片；10、浮波堤外壳；11、弹簧；12、浮标底座；13、第二环形磁铁；14、橡胶圆板；15、中心孔；16、环形支架；17、直板支架；18、长条形压电片；19、夹板；20、直板外壳；21、环形整流器；22、环柱形蓄电池；23、滤波器；24、圆形托盘。

具体实施方式

下面结合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仅仅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。

如图1-3所示，一种基于压电效应的浮波堤，包括三部分：浮波堤外框架1、圆柱形浮波堤2以及浮标组件3，三个圆柱形浮波堤2呈三角形阵列排布，其中，位于中心位置的圆柱形浮波堤2质量稍重，浮波堤外框架1由环形支架16和直板支架17连接而成，环形支架16以三角形阵列分布，分别设置在三角形的顶点和中心位置上，圆柱形浮波堤2设置在环形支架16中，环形支架16与圆柱形浮波堤2的外壳紧密镶嵌；如图4所示，本发明的浮波堤外框架1中，在环形支架16和直板支架17的连接处内部设置有阵列分布的长条形压电片18，长条形压电片18之间通过夹板19连接，长条形压电片18两侧为直板外壳20，随着海浪的上下频率起伏，以压电片悬臂梁式结构进行受力发电。作为优选的技术方案，本实施例中浮波堤外框架1数量为3个，平行设置。

如图2和图9所示，本发明的圆柱形浮波堤2包括浮波堤外壳10以及设置在浮波堤外壳10内部的环形双层压电片9和第一环形磁铁8，其中环形双层压电片9紧密设置在第一环形磁铁8的两侧，与第一环形磁铁8紧密贴合；如图6所示，所述浮波堤外壳10上部安装有环形灯托盘4，LED灯5均匀阵列在灯托盘4上，灯托盘4内设置有防水材料制成的电线。

本发明的浮标组件3设置在圆柱形浮波堤内部，其质量小于圆柱形浮波堤的质量，如图2和图5所示，所述浮标组件3包括中心杆6、拨盘7、圆形托盘24以及浮标底座12，拨盘7由中心杆6穿过并竖向阵列方式固定在中心杆6上，中心杆6内由弹簧11相互连接，圆形托盘24由中心杆6穿过并设置在中心杆6上端部。由于浮标组件的质量较四个圆柱形浮波堤中最轻，随海浪的上下波动将势能和动能积聚在弹簧11中。

如图7所示，拨盘7为圆盘状结构，包括位于内圈的橡胶圆板14以及橡胶圆板14外侧的第二环形磁铁13，在橡胶圆板14的中央设置有供中心杆6穿过的中心孔15。

其中，第二环形磁铁13和第一环形磁铁8具有相同的极性。且浮标组件3的质量较圆柱形浮波堤2的质量轻。在弹簧11和海浪推动下，浮标组件3相对于浮波堤外壳10进行上下运动，如图10所示。中心杆6上的拨盘7外圈为第二环形磁铁13，在浮力推动的作用下第一环形磁铁8和第二环形磁铁13，依据同极性磁铁相斥的原理发生力的作用，磁铁受压，从而使环形双层压电片9受到力的作用，使环形双层压电片9产生形变，发生压电效应，由于拨盘7没有对环形双层压电片9进行一个直接的相互接触，从而延长了压电材料的寿命，是一种有效的产生压电效应的方式。

如图2和图5所示，圆形托盘24上设置有环形整流器21、环柱形蓄电池22以及滤波器23，其中滤波器23为4个，围绕中心杆6设置在圆形托盘24上。

本发明实施例的长条形压电片18和环形双层压电片9采用并联方式连接，并联电路示意图如图8所示。压电片可以看作是一个个电源，挤压压电片发生形变产生电压，相当于一个个电源进行并联连接。

本发明的一种基于压电效应的浮波堤，具体在工作时：

随着海水的波浪上下起伏带动浮标组件3上下往复运动，中心杆6的内部弹簧11俘获海浪能量。

由于四个阵列的圆柱形浮波堤中位于中心位置的圆柱形浮波堤质量相对较大，因此镶嵌在圆柱形浮波堤2外壳的外部环形支架16和外部直板支架17的连接处会在海浪的作用下产生相对运动，使得各个连接处的长条形压电片18受力产生相对位移，形成自由移动电荷形成，形成电流，最后通过环形整流器和滤波器储存到环形蓄电池内。

在圆柱形浮波堤2内部，原理同上，浮标组件3的中心杆6上布有环形拨盘7，拨盘7外层为第二环形磁铁13，内层为橡胶圆板14，第一环形磁铁8内置于圆柱体外壳内部，环形双层压电片9分别在第一环形磁铁8两侧紧贴安置，并且与浮波堤外壳10相互契合。第一环形磁铁8和第二环形磁铁13极性相同，在弹簧11和海浪推动浮标组件3进行上下运动的作用下，依据磁铁相斥的作用发生力的作用，从而使环形双层压电片9产生形变，发生压电效应，产生电流，最后通过环形整流器21和滤波器23储存到环柱形蓄电池22内，用于照明系统和无线电节点等微型用电器供电。

这种全新的浮式防波堤压电发电系统可以在多种情境中使用，比如在稍远海岸可以在系统中增加警示灯用来警示船只同时也可以充当灯塔的作用。在近海的范围内在机组上铺设平板来作为一个小型“浮岛”；与浮式码头相结合，改造成承载能力更大的、且能提供照明的更好的浮式码头。一些海上的工程需要施工平台，全新的浮式防波堤压电发电系统一方面可以有效的减少波浪对建造工程的影响，另一方面可以给施工团体提供部分的照明电源以及施工的平台。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，包括浮波堤外框架（1）、圆柱形浮波堤（2）以及浮标组件（3），所述浮波堤外框架（1）由环形支架（16）和直板支架（17）连接而成，环形支架（16）之间通过直板支架（17）连接，环形支架（16）以三角形阵列分布，分别设置在三角形的顶点及中心位置处，圆柱形浮波堤（2）和浮标组件（3）的排列方式与环形支架（16）一致，圆柱形浮波堤（2）设置在环形支架（16）中，环形支架（16）与圆柱形浮波堤（2）外壳紧密镶嵌，位于中心位置的圆柱形浮波堤（2）质量大于其他位置的圆柱形浮波堤，浮标组件（3）密封设置在圆柱形浮波堤（2）内部，浮标组件（3）的质量小于圆柱形浮波堤（2）的质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，在环形支架（16）和直板支架（17）的连接处内部设置有阵列分布的长条形压电片（18），随着海浪的上下频率起伏，以压电片悬臂梁式结构进行受力发电，长条形压电片（18）之间通过夹板（19）连接，长条形压电片（18）两侧为直板外壳（20）。

3.根据权利要求2所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述圆柱形浮波堤（2）包括浮波堤外壳（10）以及设置在浮波堤外壳（10）内部的环形双层压电片（9）和第一环形磁铁（8），所述环形双层压电片（9）紧密设置在第一环形磁铁（8）的两侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述浮波堤外壳（10）上部安装有环形灯托盘（4），LED灯（5）均匀阵列在灯托盘（4）上，灯托盘（4）内设置有防水材料制成的电线。

5.根据权利要求3所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述浮标组件（3）包括中心杆（6）、拨盘（7）、圆形托盘（24）以及浮标底座（12），拨盘（7）由中心杆（6）穿过并竖向阵列方式固定在中心杆（6）上，中心杆（6）内设置有弹簧（11），圆形托盘（24）由中心杆（6）穿过并设置在中心杆（6）上端部。

6.根据权利要求5所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述拨盘（7）包括位于内圈的橡胶圆板（14）以及橡胶圆板（14）外侧的第二环形磁铁（13），在橡胶圆板（14）的中央设置有供中心杆（6）穿过的中心孔（15）。

7.根据权利要求6所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述第二环形磁铁（13）和第一环形磁铁（8）具有相同的极性。

8.根据权利要求5所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述圆形托盘（24）上设置有环形整流器（21）、环柱形蓄电池（22）以及滤波器（23），所述滤波器（23）围绕中心杆（6）设置。

9.根据权利要求3所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述长条形压电片（18）和环形双层压电片（9）采用并联方式连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的浮波堤，其特征在于，所述浮波堤外框架（1）数量为3个，平行设置。

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