CN208858495U - 一种海浪发电机 - Google Patents

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邓文基
叶晓靖
赵鼎
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Abstract

本实用新型公开了一种海浪发电机，包括浮漂外壳、传动部分、压电片；所述传动部分包括中心轴、传动轴、套管以及万向转动节；所述压电片包括压电换能片、导电片；所述浮漂外壳和中心轴间通过弹簧连接并相对固定，传动轴末端插入套管内，从而将中心轴的中心偏移作用转移到压电片上，浮漂外壳受到海浪作用倾斜的时候，中心轴倾斜并经过套管的限制施加正压力到压电片，发出电能。本实用新型基于压电效应将波浪能转化为电能，可漂浮在海面工作，无需通过锚或固定于岸边进行基座固定，并具有成本低廉、输出直流电压稳定的优点。

Description

一种海浪发电机
技术领域
本实用新型涉及可再生能源技术及海洋装备领域，特别涉及一种压电式漂浮型的海浪发电机。
背景技术
现今人类对海洋的探索越来越广，在海面上有着很多的水文仪器、探照灯、GPS定位器和探测仪器等，这些设备有很大一部分都是放置后自行工作。但是，在海洋上运行的各种仪器往往在耗尽电源后需要重新充电或者更换电池，十分麻烦，甚至成本会超过仪器本身。利用太阳能进行持续供电又需要面积较大的太阳能聚能板且海面上的环境往往对太阳能聚能板有害，因此直接利用海洋能源进行供电成为了一种比较好的解决办法。
波浪能作为海洋能源的一种，具有能量密度高、不受地域及时间限制的特点。随着能源问题加剧，波浪能的发电技术变得越来越重要。现有的海上发电方式大多还是采用电磁感应原理进行发电，这要求电机需要有基座固定，或是要固定在岸边，或是要有锚进行固定。这使得发电机不能够随着海浪移动，大大缩小了海上发电技术的应用领域。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种海浪发电机，其可实现在海面工作，给难以更换电源的小功率水文仪器供电。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：一种海浪发电机，包括浮漂外壳、传动部分、压电片；
所述传动部分包括中心轴、传动轴、套管以及万向转动节，传动轴将运动能量传导给压电片，套管固定在浮漂外壳侧壁，传动轴与中心轴之间、传动轴与传动轴之间均通过万向转动节连接；
所述压电片包括压电换能片、导电片，用于能量转换，压电换能片、导电片位于套管内部并有导线引出，连接用电设备；
所述浮漂外壳和中心轴间通过弹簧连接并相对固定，传动轴末端插入套管内。从而将中心轴的中心偏移作用转移到压电片上，浮漂外壳受到海浪作用倾斜的时候，中心轴倾斜并经过套管的限制施加正压力到压电片，发出电能。
优选的，所述浮漂外壳、中心轴和传动轴由PVC材料制成，万向转动节由不锈钢制成，以防海水的腐蚀。
优选的，所述压电片上下粘有缓冲胶，起到与传动轴的缓冲作用。
更进一步的，所述导电片为黄铜片，以获得最优的导电性，并降低成本。
更进一步的，所述压电换能片为锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，以得到优良的压电和介电性能。
更进一步的，所述压电换能片、导电片均为圆形，以便于生产。
优选的，所述套管贯穿固定于浮漂外壳上，以防松动。
优选的，所述海浪发电机还包括整流稳压电路，整流稳压电路包括整流电桥、分压电阻、稳压管、缓冲电容，缓冲电容与整流电桥并联，稳压管与分压电阻串联后与整流电桥并联，外接用电设备与稳压管并联以接入整流稳压电路，整流稳压电路将交流电压整成直流电压，其中，稳压管用以稳定电压，缓冲电容用以稳定功率，同时在发电功率较大时剩余电能储存于缓冲电容中，功率不足时缓冲电容和发电机可共同供电。
本实用新型的工作原理为：
在浮漂外壳受到海浪作用倾斜时，中心轴的重心也会倾斜，浮漂外壳和中心轴间通过弹簧连接并相对固定，传动轴对套管内的压电片施加正压力，压电片发出电能。
在浮漂外壳受到海浪作用抬升或者下降时，与中心轴连接的弹簧受到压迫或者拉伸产生振动，竖直振动通过传动轴尤其是其上的万向转动节传递到传动轴末端并经套管限制成为施加在压电片上的正压力发出电能。
其中，正压力与中心轴的质量满足：
m＝aM
其中，F为施加在全部压电片上的力；M为中心轴的质量；a为小于1的系数，m为中心轴质量等效计算后的质量；t0是作用时间，不会随着m的改变而改变。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型基于压电效应将波浪能转化为电能，可漂浮在海面工作，无需通过锚或固定于岸边进行基座固定。
2、本实用新型具有成本低廉、对工作要求极低、输出稳定直流电压的特点，可以应用在海浪波形杂乱无章的海面上的小功率发电。
附图说明
图1为本实用新型一种海浪发电机的整体示意图。
图2为本实用新型一种海浪发电机局部剖视图。
图3为本实用新型一种海浪发电机套管内部结构示意图。
图4为本实用新型整流稳压电路设计示意图。
图5为本实用新型的压电陶瓷在正压电状态时等效电路。
图6为本实用新型一种海浪发电机中心轴与弹簧的连接示意图。
其中：1—浮漂外壳、2—中心轴、3—传动轴、4—万向转动节、5—套管、6—压电换能片、7—导电片、8—缓冲胶、9—整流电桥、10—缓冲电容、11—稳压管、12—分压电阻、13—弹簧。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图详细描述本实用新型提供的实施例，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1—6所示，一种海浪发电机，包括浮漂外壳1、中心轴2、传动轴3、万向转动节4、套管5、压电换能片6、导电片7、缓冲胶8、整流电桥9、缓冲电容10、稳压管11、分压电阻12；所述浮漂外壳和中心轴间通过弹簧13连接并相对固定，所述套管贯穿固定于浮漂外壳上。
本实施例包括一层传动部分，具体包括8个万向转动节，8截传动轴，其中4个万向转动节一端固定于中心轴上，另一端连接一截传动轴，传动轴与传动轴间以剩余的万向转动节连接，传动轴末端插入套管内；可根据不同的发电需要沿中心轴轴向增加多层传动部分，也可增加每一层传动部分的传动轴、万向转动节，并配置相应的套管。
压电换能片选锗钛酸铅压电陶瓷片；基于导电性和成本综合考虑，导电片选黄铜片，压电换能片与导电片共同组成供电系统的压电片；为了便于实际生产，所述压电换能片、黄铜片均选为圆形，位于套管内部并有导线引出接到整流电桥上。所述缓冲电容与整流电桥并联，稳压管与分压电阻串联后与整流电桥并联，构成整流稳压电路，外接用电设备并联稳压管接入整流稳压电路。
电能经整流电桥整成单向电流而后输送到缓冲电容、稳压管和用电器并联的电路中。
本实施例给额定电压5V、额定功率20mW的海上电子仪器供电。
每个套管内部堆叠4片压电片(总共有四个套管，16片压电片)，压电片彼此间采用并联连接，四个套管引出的导线采用串联连接并连接到整流电桥。中心轴内部重物质量调整为4.8kg。
压电效应原理简述：
压电陶瓷在正压电状态时等效电路可用图5表示。
由压电第二类方程可得：
T1＝cE 11S1-e31E3
D2＝e31S1+εs 33E3
其中：T表示压电陶瓷受到的应力，c表示短路弹性刚度系数，S表示应变，E表示电场强度，e表示压电应力系数，ε表示恒应变条件下压电换能片的应变系数。
设装置的位移为u，输出的电压和电流分别为V和I，由上式可得：
F＝Ku+aV
其中：F表示作用于压电陶瓷上的力，Ku表示弹性系数为K的弹簧弹性力，aV表示电压V控制的力，a为一个常系数，Ca为描述压电换能片电容性大小的一个参数。
我们可以知道：作用在压电陶瓷上的力F可以分解为一个弹性系数为K的弹簧弹性力和一个电压控制的力aV。外力F所做的功分别被转换成系统的弹性势能、动能、机械损耗能，还有一部分被压电陶瓷转换成电能，而被转换的电能又分为储存在Ca的电能和输出给Ra的电能两部分，Ra表示负载大小。
正压电效应发电时单片压电片发出的功率和电压主要由压电片受力、压电片形状和压电频率共同决定，压电片形状为统一规格，在一般海浪频率和平均正压力6N条件下每片压电片发出功率为1.5mW，每次受到压力发出电压为5-6V。安装压电片的数量控制为刚好能够发出超过用电仪器额定功率1.1倍的平均功率。
本实施例中，整流后稳压管采用5V稳压管，缓冲电容用4F的超级电容。最终输出的电压为恒定的5V，减去损耗后最大功率输出约为22mW，刚好能够发出超过用电仪器额定功率1.1倍的平均功率，满足发电需要。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海浪发电机，其特征在于：包括浮漂外壳、传动部分、压电片；所述传动部分包括中心轴、传动轴、套管以及万向转动节，套管固定于浮漂外壳侧壁，传动轴与中心轴之间、传动轴与传动轴之间均通过万向转动节连接；所述压电片包括压电换能片、导电片，压电片位于套管内部并有导线引出，连接用电设备；所述浮漂外壳和中心轴间通过弹簧连接并相对固定，传动轴末端插入套管内。
2.根据权利要求1所述的海浪发电机，其特征在于：所述浮漂外壳、中心轴和传动轴由PVC材料制成，万向转动节由不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的海浪发电机，其特征在于：所述压电片上下粘有缓冲胶。
4.根据权利要求3所述的海浪发电机，其特征在于：所述导电片为黄铜片。
5.根据权利要求3所述的海浪发电机，其特征在于：所述压电换能片为锗钛酸铅压电陶瓷片。
6.根据权利要求3所述的海浪发电机，其特征在于：所述压电换能片、导电片均为圆形。
7.根据权利要求1所述的海浪发电机，其特征在于：所述套管贯穿固定于浮漂外壳上。
8.根据权利要求1所述的海浪发电机，其特征在于：所述海浪发电机还包括整流稳压电路，整流稳压电路包括整流电桥、分压电阻、稳压管、缓冲电容，缓冲电容与整流电桥并联，稳压管与分压电阻串联后与整流电桥并联，外接用电设备与稳压管并联以接入整流稳压电路。
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