CN203225644U - 海浪发电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海浪发电设备，其特征在于：包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体，所述的微发电结构体由弹簧、压电材料、永磁铁和线圈组成；所述的微发电结构体固定在腔体的内壁上，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态；所述的腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；所述的压电材料固定在弹簧外表面；所述的弹簧同时驱动两个发电单元对外输出电能，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。

Description

海浪发电设备

技术领域

本发明涉及新能源设施领域，特别涉及一种海浪发电设备。 

背景技术

当今世界能源紧张，寻找新的能源问题是世人最为迫切的渴求，特别是寻找地球上再生能源更是人们所追求的目标。地球上海洋的波浪是一种蕴藏着巨大的能量，人们不断努力寻找各种各样的方法，去开发这一巨大的再生能源而实践探索，开发出多种类型的发电装置。 

国内外学者提出了多种海浪发电方式，大多利用各类机械装置将海浪的往复直线运动转换成旋转运动，进而由旋转电机进行能量转换，或者使用直线电机将进行能量转换。但不管是采用旋转电机还是直线电机，由于海浪运动速度较慢，发电机体积和质量一般较大，制造成本较高，若使用传统齿轮箱进行增速，增加发电机动子速度，必然会带来系统效率降低，需要定期维护等问题。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种使用海浪、风力发电的装置，该装置还可以用做水力、振动能等可再生能源发电装置。 

本发明的目的可以通过以下技术方案实现： 

一种海浪发电设备，包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体；所述的微发电结构体固定在腔体内壁上，其中三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态；所述腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；所述的微发电结构体由弹簧、压电材料、永磁铁和线圈组成；所述弹簧的一端为固定端，另一 端为自由端，自由端产生与弹簧伸缩方向一致的运动；所述的压电材料固定在弹簧外表面；所述的弹簧同时驱动两个发电单元对外输出电能，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。 

可以是永磁铁与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述线圈位置固定，位于永磁铁的磁场范围之内；永磁铁随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。 

也可以是线圈与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述永磁铁位置固定；所述的线圈位于永磁铁的磁场范围之内；线圈随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。 

永磁铁可以是条形磁铁，从线圈中央穿过。 

永磁铁也可以是U型磁铁，线圈的一部分位于磁铁的U型空隙中。 

进一步的，微发电结构体还包括两个整流电路，压电材料的电能输出端和线圈的电能输出端分别连接在整流电路的输入端。 

本发明创造与现有技术相比，具有如下特征： 

1、本发明可用作海浪发电，整体使用漂浮结构，对海水深度不做要求，既可以部署在近海岸边，又可以部署在远离海岸线的区域。不受海浪强度限制，转换效率高。 

2、本发明可作为风力发电装置使用，可以与波浪发电同时进行，也可以将本装置添加固定叶片后悬挂在风口，单独进行风力发电。 

3、本发明可以作为水力发电装置使用。不需要拦河造坝抬高水位，不受地势、水量等因素的限制。 

4、本发明可用作振动能发电，如直接放置在车船上，获取振动能发电。 

5、装置内每个微发电结构体都能对捕获的能量，同时通过正压电效应和电磁感应原理两种方式转化为电能，可发挥两种能量转化方式的优势，克服各自的不足，结构设计巧妙，能量转化效率高。 

6、装置的腔体外壳，具备一定的抗冲击和抗腐蚀老化能力，可以抵御高强度风浪的冲击。主要部件位于封闭腔内，不受海水腐蚀危害，寿命长、建设和运行成本低，且系统组成简单、维护方便、能量转化率高。 

7、本发明可靠性高，装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。 

附图说明

图1为海浪发电设备结构示意图。 

图2为永磁铁固定的微发电结构体结构示意图。 

图3为线圈固定的微发电结构体结构示意图。 

图4为一种并联方式汇聚的电路结构示意图。 

图5为弹簧及压电材料部位放大效果图。 

图6为截取弹簧及压电材料部位的一个片段放大后效果图。 

图7为单个发电单元整流后波形效果示意图。 

图8为多个发电单元整流后汇聚效果示意图。 

其中(1)封闭的腔体(2)微发电结构体 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 

如图1所示，一种海浪发电设备，包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体。微发电结构体由弹簧、压电材料、永磁铁和线圈组成。微发电结构体固定在腔体的内壁上，其中的三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态，不论振动能量方向如何，其中至少两个发电结构可以最大限度的吸收该能量。 

腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；压电材料固定在弹簧外表面。每个微发电结构体均包含两个微发电单元，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。 

当装置受到外力作用时，各个微发电结构体将吸收相应方向上的能量。这些能量以势能的形式储存在各个弹簧中，进而引起个弹簧发生谐振，弹簧的形变将带动与之固定在一起的压电材料发生形变，通过正压电效应输出电能。弹簧的谐振同时也会使得线圈和永磁铁做相对运动，引起穿过线圈的磁通量发生变化，通过电磁感应原理输出电能。 

所述腔体的外壳应是刚性材质，外壳有一定的韧度，不易变形，具备一定的抗冲击和抗腐蚀老化能力，以抵御高强度风浪的冲击。腔体内部为一个封闭的空间，以防止海水的渗入，导致腐蚀，腔体还要具备防止外界温度变化导致的热胀冷缩的破坏。 

本发明整体使用漂浮结构，腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；故而对海水深度不做要求，既可以部署在近海岸边，又可以部署在远离海岸线的区域，施工容易、对环境破坏小。不受海浪强度限制，可充分地利用小、中、大海浪的波能发电。 

弹簧的一端为固定端，另一端为自由端，所述自由端产生与弹簧伸缩方向一致的运动。外界产生的与弹簧伸缩方向一致的振动将被弹簧捕获，传递到弹簧结构的振动能发电系统。 

可以是永磁铁与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述线圈位置固定，位于永磁铁的磁场范围之内；永磁铁随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。 

也可以是线圈与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述永磁铁位置固定；所述的线圈位于永磁铁的磁场范围之内；线圈随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。 

永磁铁也可以有不同的形状，永磁铁可以是条形磁铁，从线圈中央穿过。永磁铁也可以是U型磁铁，线圈的一部分位于磁铁的U型空隙中。 

如图2、3所示，为微发电结构体实施例。弹簧通常是由形状规则的弹性材料构成，形状可以与普通弹簧相同，弹簧采用高弹性模量的材料，要求具有很好的弹性振动效果和较低的阻尼内耗，同时还要求许用应变较大，塑性小，机械品质因素高。 

弹簧结构发电装置包括压电式和电磁感应式两个发电单元，压电式发电单元利用压电材料的正压电效应，将弹簧振动动能转化成电能，电磁感应式发电单元利用线圈和永磁铁的相对运动实现电磁感应发电输出；所述的压电材料涂覆在弹簧上下表面；电源管理单元分别连接压电材料或者线圈的电能输出端。 

压电式发电单元利用压电材料的正压电效应，将弹簧振动动能转化成电能。如图2、3所示，所述的压电材料涂覆在弹簧上下表面，图5、6分别是弹簧部位的两个不同放大级别的示意图。 

当外界因素引起弹簧振动时，压电材料随弹簧做伸缩运动，压电材料体内的电偶极矩会随之发生变化，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应的存在实现了振动的机械能到电能转化。 

所述压电材料上下外表面可以安装一对电极，电极上的导线将压电材料转换得到的电能输出。 

所述的电磁感应式发电单元利用线圈和永磁铁的相对运动实现电磁感应发电输出，具体实现又分为两种方案：一种是线圈固定，另一种是永磁铁固定。所述的永磁铁有U型和条形等形式。 

图2中，永磁铁与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述线圈位置固定(如图下方的虚线所示)，位于永磁铁的磁场范围之内；永磁铁随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。图3中，线圈与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述永磁铁位置固定(如图下方的虚线所示)；所述的线圈位于永磁铁的磁场范围之内；线圈随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。 

对于图3所示实施例，还可以在弹簧的自由端添加一个质量块，以改善弹簧的频率特征。图2，与弹簧的自由端相连的永磁铁充当了质量块的作用。 

微发电结构体，还包括一个滑杆，引入滑杆可以使得本发明在使用时，既可以如图所示沿垂直方向安装，也可以沿水平等其他方向安装，从而可以扩大应用范围。具体实现如下： 

滑杆位于弹簧固定端以一侧固定，为不产生轴向、垂直位移和转动固定。滑杆沿弹簧螺旋体轴向穿过，弹簧及固定弹簧自由端的物体沿滑杆方向自由滑动。图2的线圈以及图3的永磁铁可以直接固定在滑杆的末端。 

装置内每个微发电结构体都能对捕获的能量，同时通过正压电效应和电磁感应原理两种方式转化为电能，压电材料可获得较高的脉冲电压，但电流较小，线圈中获得的电压较低而电流大，压电材料和线圈中获得的电能相互补充，克 服各自的不足，结构设计巧妙，能量转化效率高。 

装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。 

弹簧的固定端可以直接安装在封闭腔体的内壁，压电材料固定在弹簧外表面；线圈和永磁铁中的一个与在弹簧的自由端相连，另一个通过固定支架固定在封闭腔体的内壁。 

微发电结构还可以包含一个固定座，弹簧的固定端安装在固定座上，固定座安装在封闭腔体的内壁上，压电材料固定在弹簧外表面；线圈和永磁铁中的一个与在弹簧的自由端相连，另一个通过固定支架固定在微发电结构的固定座上。这样微发电结构就成为一个独立的整体，可以方便进行批量化生产，也有利于安装部署。 

每个微发电结构体还包括两个整流电路，压电材料的电能输出端和线圈的电能输出端分别连接在整流电路的输入端。各个整流电路的输出的电能以并联方式、或者串联方式、或者混联方式进行汇聚，具体采用哪一种连接方式可根据对输出电能的电压和电流大小等要求来决定。 

如图4所示，该电路片段中发电单元以并联方式联接，图中的二极管为防反充肖特基二极管，能有效防止电池组对前向电路反充电。 

可使用桥式整流电路进行整流，可使用RC滤波电路进行滤波，必要时还可以进行电压变化，这些都是公知的技术。 

图7是单个发电单元输出电能，经过整流后的波形效果图。由于各个线圈所处的磁场环境等诸多因素并不完全相同，故而各个发电单元输出的电能信号的相位并不完全同步，幅值也会各有不同。若直接使用交流方式汇聚，同步问 题难以处理。转化为直流信号以后，汇聚将变得十分简单。图8是多个发电单元输出电能整流后进行汇聚的波形效果图。 

本发明可用作海浪发电装置，让本装置通过自身浮力漂浮在海面上。本发明装置随海浪做摇摆，带动内部的微发电结构体对外输出电能。本发明不受海浪强度限制，转换效率高，可充分地利用小、中、大海浪的波能发电。本发明的外壳可以充当保护外壳，起到抗风浪冲击的作用。 

本发明还可作为水力发电装置使用。可以将本装置的通过绳子牵引潜浮在河流中，水流直接冲击在外壳上，因为受力不平衡，装置将在牵引绳的尾端做不规则运动，从而带动内部的微发电结构体对外输出电能。 

相对于传统的水轮式水力发电装置，本装置作为水力发电装置使用时不需要拦河造坝抬高水位，建设成本低，不受地势、水量等因素的限制。 

本发明还可作为风力发电装置使用，在外壳上固定一个到多个风叶，用以提高风阻，风力作用在风叶，由于受力不平衡，装置将产生摆动，带动内部的微发电结构体对外输出电能。本装置作为风力发电装置使用时建设成本低，不受风速大小等因素的限制。本发明可用作振动能发电，如直接放置在车船上，获取振动能发电。 

本发明可靠性高。装置内部包含多个独立的微发电结构体，既可以充分吸收能量，提高转化效率，也同时增强中装置的整体的可靠性，即便其中部分损坏，整个装置仍能进行电能转化。 

以上所述的仅是本发明的实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种海浪发电设备，其特征在于：包括一个封闭的腔体、至少三个微发电结构体；所述的微发电结构体固定在腔体内壁上，其中三个微发电结构所在轴向线成三维正交状态；所述腔体的内空间大小应能支持本装置漂浮在水面上；所述的微发电结构体由弹簧、压电材料、永磁铁和线圈组成；所述弹簧的一端为固定端，另一端为自由端，自由端产生与弹簧伸缩方向一致的运动；所述的压电材料固定在弹簧外表面；所述的弹簧同时驱动两个发电单元对外输出电能，一个利用压电材料的正压电效应输出电能，另一个利用电磁感应原理输出电能。

2.如权利要求1所述的海浪发电设备，其特征在于，所述的永磁铁与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述线圈位置固定，位于永磁铁的磁场范围之内；永磁铁随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

3.如权利要求1所述的海浪发电设备，其特征在于，所述的线圈与弹簧的自由端相连，随自由端一起做与弹簧伸缩方向一致的运动；所述永磁铁位置固定；所述的线圈位于永磁铁的磁场范围之内；线圈随弹簧自由端一起运动时，线圈中的磁感应强度发生变化，从而输出电能。

4.如权利要求1所述的海浪发电设备，其特征在于，所述的永磁铁是条形磁铁，从线圈中央穿过。

5.如权利要求1所述的海浪发电设备，其特征在于，所述的永磁铁是U型磁铁，线圈的一部分位于磁铁的U型空隙中。

6.如权利要求1所述的海浪发电设备，其特征在于，所述的微发电结构体还包括两个整流电路，压电材料的电能输出端和线圈的电能输出端分别连接在整流电路的输入端。

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