CN106555727A - 一种海洋波浪能压电发电装置及其工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋波浪能压电发电装置及其工作方式，海洋波浪能压电发电装置包含浮子、配重装置和连接杆。所述的浮子的内部设置了压电发电装置，所述压电发电装置通过弹性梁的端部与球形浮子的内壁连接，若干压电陶瓷片设置在弹性梁的上下表面，所述连接杆的上端通过密封装置与压电发电装置的弹性梁连接，所述连接杆的下端与所述配重装置固定。工作时，浮子、配重装置和连接杆构成了二自由度谐振系统，在海洋波浪的激励下产生相对运动，通过压电发电装置的周期性振动将机械能转换为电能输出。本发明充分利用了海洋的波浪能进行压电发电，具有结构简单紧凑，便于安装实施的特点，有利于推广应用。

Description

一种海洋波浪能压电发电装置及其工作方式

技术领域

本发明涉及一种海洋波浪能发电装置，尤其涉及一种海洋波浪能压电发电装置及其工作方式。

背景技术

海洋波浪能作为一种重要的海洋能源，具有重大的开发和利用价值。随着现代科技的快速发展，各种利用海洋波浪能的方式被提出。主要包含浮漂式发电方式、振荡水柱式发电方式和摆式波浪发电方式。而传统的浮漂式发电方式多采用复杂的浮漂和发电机构，同时发电机理复杂，能量利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种海洋波浪能压电发电装置及其工作方式。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种海洋波浪能压电发电装置，包含浮子、配重装置和连接杆；

所述浮子设有密封空腔，所述空腔中设有压电发电装置；

所述连接杆包含上连接杆、下连接杆和弹性装置，所述上连接杆一端通过所述弹性装置和所述下连接杆的一端相连，另一端伸入所述浮子和所述压电发电装置固定连接，所述下连接杆的另一端和所述配重装置固定相连；

所述浮子浮在水面上、所述配重装置沉入水底，浮子、配重装置和连接杆形成二自由度谐振系统，能够在海洋波浪的激励下产生相对运动。

作为本发明一种海洋波浪能压电发电装置进一步的优化方案，所述弹性装置采用弹簧。

作为本发明一种海洋波浪能压电发电装置进一步的优化方案，所述压电发电装置包含连接板和若干个压电发电单元；

所述压电发电单元包含弹性梁和若干设置在于弹性梁上下表面上的压电陶瓷片，所述弹性梁的一端和所述连接板固定相连、另一端和所述浮子的空腔壁固定相连；

所述各个压电发电单元的弹性梁位于同一平面；

所述上连接杆伸入所述浮子和所述连接板固定相连。

作为本发明一种海洋波浪能压电发电装置进一步的优化方案，所述上连接杆和所述浮子的底部结合处设有用于防水的密封装置。

作为本发明一种海洋波浪能压电发电装置进一步的优化方案，所述连接板上设有供所述上连接杆穿过的通孔，所述上连接杆穿过所述连接板上通孔的一端设有用于限位的球形结构。

作为本发明一种海洋波浪能压电发电装置进一步的优化方案，所述压电发电单元的个数为8个，且各个压电发电单元弹性梁之间的夹角均相等。

作为本发明一种海洋波浪能压电发电装置进一步的优化方案，所述压电陶瓷片均沿着厚度方向极化。

本发明还公开了一种基于该海洋波浪能压电发电装置的工作方式，包含以下步骤：

步骤1），所述浮子受到海洋波浪的冲击与配重装置的相对位置产生变化，导致连接杆产生振动；

步骤2），上连接杆上端的轴向产生位移，驱动各个压电发电单元的弹性梁和压电陶瓷片产生弯曲振动；

步骤3），压电陶瓷片沿厚度方向的表面产生电荷，实现压电发电；

步骤4），弹性装置存储海洋波浪冲击的能量；

步骤5），弹性装置并将能量传递至上连接杆驱动各个压电发电单元的弹性梁和压电陶瓷片弯曲振动，实现压电发电。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明充分利用水面的波浪涌动的巨大的动能并转换为电能，将波浪涌动的自然能量开发为提供给本发明自身的卫星定位设备、无线通讯系统、水文监测和声纳探测装置使用的电能，有利于清洁能源的利用与开发，符合人类清洁、高效电能的发展趋势。本发明的结构简单紧凑，便于安装实施，同时有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明的海洋波浪能压电发电装置的结构原理示意图；

图2是本发明的浮子的压电发电单元的阵列式弹性梁的结构示意图；

图3是浮子的压电发电单元与连接杆连接的示意图；

图4是配重装置与连接杆连接的示意图；

图5是浮子的压电发电单元的发电原理图；

图6是浮子内设置卫星定位系统和通讯系统的示意图；

图7是配重装置内设置探测系统和通讯系统的示意图；

图8是一种在配重装置内也放置发电装置的应用形式；

图9是一种采用浮子阵列的应用形式。

图中，1-浮子，11-密封装置，2-配重装置，3-连接杆，31-弹簧，32-上连接杆，33-下连接杆，34-连接板，4-压电发电装置，41-弹性梁，42-压电陶瓷片，5-探测装置，6-通信装置，7-定位装置，8-声纳探测装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1，本发明的海洋波浪能压电发电装置应用于海洋中的海面或产生波动、浪涌、潮汐能量的水域，充分利用波浪涌动产生的能量并将其转换为电能。本发明的海面浮子压电发电装置包含浮子1、配重装置2，以及连接浮子1和配重装置2的连接杆3。本发明的浮子1、配重装置2采用密封结构。

浮子1设有密封空腔，空腔中设有压电发电装置4；连接杆3包含上连接杆32、下连接杆33和弹性装置31，上连接杆32一端通过弹性装置31和下连接杆33的一端相连，另一端伸入浮子1和压电发电装置4固定连接，下连接杆33的另一端和配重装置2固定相连；浮子1浮在水面上、配重装置2沉入水底，浮子1、配重装置2和连接杆3形成二自由度谐振系统，能够在海洋波浪的激励下产生相对运动。

弹性装置31优先采用弹簧。

浮子1的内部设置的压电发电装置4包含连接板34和若干个压电发电单元，压电发电单元包含弹性梁41和若干设置在于弹性梁41上下表面上的压电陶瓷片42，弹性梁41的一端和连接板34固定相连、另一端和浮子1的空腔壁固定相连；所述各个压电发电单元的弹性梁41位于同一平面；上连接杆32伸入所述浮子1和所述连接板34固定相连。所述上连接杆32和所述浮子1的底部结合处设有用于防水的密封装置11。浮子1在本实施例中采用密封的球状结构，也可以采用其他例如圆台、锥形圆台等。

如图2，在具体实施例中，压电发电装置4设置了8个压电发电单元4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h，且各个压电发电单元弹性梁41之间的夹角均相等。其中，压电发电单元4a、4b是对称的结构，压电发电单元4c、4d是对称的结构，压电发电单元4e、4f是对称的结构，压电发电单元4g、4h是对称的结构。多组压电发电单元在机构上可以采用一体成型的结构，从而便于与连接杆3的固定连接配合时，在压电发电装置的中心位置设置贯穿的通孔等结构即可。在本发明的压电发电装置工作时，外部的冲击力对压电发电装置产生的作用力可以充分且均匀的转换成为有效率的压电效应的电荷能量。

在具体实施例中，多个压电发电单元形成的阵列式的弹性梁41，其中，弹性梁41采用弹性材料，压电陶瓷片42均沿着厚度方向极化。

参阅图3，连接杆3包含上连接杆32、下连接杆33和连接上、下连接杆32、33的中间的弹簧31。上连接杆32穿过密封装置11伸入浮子1的内部，连接板34上设有供上连接杆32穿过的通孔，上连接杆32穿过连接板34上通孔的一端设有用于限位的球形结构。

参阅图4，连接装置的下连接杆33与配重装置2固定连接。

为了配合压电发电装置，压电发电装置还包含电压转换电路装置，电压转换电路装置包含整流电路、稳压充电电路、蓄电装置、控制装置和输出装置。

在具体实施例中，本发明的连接杆3的上、下连接杆32、33可以采用耐腐蚀的材料制成的连接杆，增加在水中的使用寿命，弹簧31可以进行耐腐蚀处理，增加使用寿命。

该海洋波浪能压电发电装置的工作方式，包含以下步骤：

步骤1，所述浮子1受到海洋波浪的冲击与配重装置2的相对位置产生变化，导致连接杆3产生振动；

步骤2，上连接杆32上端的轴向产生位移，驱动各个压电发电单元的弹性梁41和压电陶瓷片42产生弯曲振动；

步骤3，压电陶瓷片42沿厚度方向的表面产生电荷，实现压电发电；

步骤4，弹性装置31存储海洋波浪冲击的能量；

步骤5，弹性装置31并将能量传递至上连接杆32驱动各个压电发电单元的弹性梁41和压电陶瓷片42弯曲振动，实现压电发电。

如图5，为便于理解本发明的发电装置的发电工作过程，作如下的简明描述：

本发明的浮子1在海面的海浪的向上的涌动推动作用下，连接杆3的上连接杆32传递海浪的作用力至压电发电装置4后，压电发电装置4上的压电陶瓷片产生形变而产生和蓄积电能，在受到海浪的第一周期的作用力下，弹性梁41从第一初始期t=nT产生向上的形变，带动压电陶瓷片42也向上弯曲产生形变进而产生电荷变化并在第1/4周期t=T/4+nT状态时蓄积电能，当连接杆3的上连接杆32不再受到海浪的作用力后，弹性梁41和压电陶瓷片42在第1/2周期t=T/2+nT状态时恢复正常的状态呈水平，海浪的3/4周期的向下波动的涌动作用力推动连接杆3的上连接杆32作用于弹性梁41，弹性梁41带动压电陶瓷片42在第3/4周期t=3T/4+nT状态时向下弯曲产生形变进而产生电荷变化并蓄积电能，当海浪不再作用于连接杆3的上连接杆32，定义弹性梁41和压电陶瓷片42又恢复至初始周期t=nT的水平。如此反复，连接杆3的上连接杆32在受到海浪的涌动的作用力推动弹性梁41和压电陶瓷片42产生形变进而蓄积电能，在不受到海浪的涌动的作用力时弹性梁41和压电陶瓷片42回复水平状态，弹性梁41带动压电陶瓷片42周期性地不断蓄积电能，从而实现电能蓄积并通过发电压电装置4转换位电能以供应给用电设备。

本实施例中的浮子1采用了密封的球形的结构，在其他实施例中，也可以采用其他的比如椭球形、柱形、或锥底平台等。

本实施例中的配重装置2采用了密封的球形的结构，在其他实施例中，也可以采用其他的比如椭球形、柱形、或锥底平台等。

本发明的一个实施例的海洋波浪能压电发电装置的工作原理简要描述如下：

本发明的海洋波浪能压电发电装置放置于产生波浪涌动的海面或其他水域的水面时，球形浮子1漂浮在海面上，所述配重装置2位于海面下，浮子1、连接杆3、配重装置2形成二自由度的振动系统，在海洋波浪的激励下产生相对运动。一部分能量通过连接杆3使浮子的压电发电装置的压电陶瓷片产生弯曲形变形成电荷，通过将阵列分布的压电陶瓷片表面的电荷收集起来并转换处理实现压电发电，另一部分能量储存于振动系统中，在后续振动中逐渐释放。

如图6，在具体实施例中，浮子1内部还设置连接至压电发电装置4的探测装置5、通信装置6和定位装置78，探测装置5接收压电发电装置4的电源供应从而实现海面的探测，定位装置7用于实现本发明的海上位置定位，通信装置6连接至其他通信设备例如通信卫星、地面通信基站或海面通信基站实现数据通信。

如图7，在具体实施例中，在配重装置内还可以水文监测和声纳探测装置8，可以进行水下探测，并将数据通过浮子内的无线通讯装置7将数据发给远程基站。

在实际应用中，如图8所示，为了提高发电效率，可以在配重装置内也设置发电装置，该发电装置的发电原理与浮子内的发电装置原理相同，可以为配重装置中的电子设备提供电能。

在实际应用中，为了提高发电效率，也可以采用图9所示的方式，使用若干个结构相同的浮子，组成阵列，最大可能地利用波浪能。

综上所述，本发明充分利用了海洋的波浪涌动产生的潮汐动能激励由浮子、配重和连接杆组成的二自由度谐振系统产生相对运动，通过发电装置的压电陶瓷片将机械能转换为电能。本发明的结构简单紧凑，便于安装实施，有利于推广应用。同时，可以在浮子中设置卫星定位系统、探测系统、无线通讯系统，在配重装置中设置探测系统，可以将探测数据和位置信息通过无线通讯系统上传至远程基站，并接收远程基站的控制指令，实现海面监测发电一体化功能。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包含技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，包含浮子（1）、配重装置（2）和连接杆（3）；

所述浮子（1）设有密封空腔，所述空腔中设有压电发电装置（4）；

所述连接杆（3）包含上连接杆（32）、下连接杆（33）和弹性装置（31），所述上连接杆（32）一端通过所述弹性装置（31）和所述下连接杆（33）的一端相连，另一端伸入所述浮子（1）和所述压电发电装置（4）固定连接，所述下连接杆（33）的另一端和所述配重装置（2）固定相连；

所述浮子（1）浮在水面上、所述配重装置（2）沉入水底，浮子（1）、配重装置（2）和连接杆（3）形成二自由度谐振系统，能够在海洋波浪的激励下产生相对运动。

2.根据权利要求1所述的海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，所述弹性装置（31）采用弹簧。

3.根据权利要求1所述的海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，所述压电发电装置（4）包含连接板（34）和若干个压电发电单元；

所述压电发电单元包含弹性梁（41）和若干设置在于弹性梁（41）上下表面上的压电陶瓷片（42），所述弹性梁（41）的一端和所述连接板（34）固定相连、另一端和所述浮子（1）的空腔壁固定相连；

所述各个压电发电单元的弹性梁（41）位于同一平面；

所述上连接杆（32）伸入所述浮子（1）和所述连接板（34）固定相连。

4.根据权利要求1所述的海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，所述上连接杆（32）和所述浮子（1）的底部结合处设有用于防水的密封装置（11）。

5.根据权利要求3所述的海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，所述连接板（34）上设有供所述上连接杆（32）穿过的通孔，所述上连接杆（32）穿过所述连接板（34）上通孔的一端设有用于限位的球形结构。

6.根据权利要求3所述的海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，所述压电发电单元的个数为8个，且各个压电发电单元弹性梁之间的夹角均相等。

7.根据权利要求3所述的海洋波浪能压电发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷片（42）均沿着厚度方向极化。

8.基于权利要求1所述的海洋波浪能压电发电装置的工作方式，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），所述浮子（1）受到海洋波浪的冲击与配重装置（2）的相对位置产生变化，导致连接杆（3）产生振动；

步骤2），上连接杆（32）上端的轴向产生位移，驱动各个压电发电单元的弹性梁（41）和压电陶瓷片（42）产生弯曲振动；

步骤3），压电陶瓷片（42）沿厚度方向的表面产生电荷，实现压电发电；

步骤4），弹性装置（31）存储海洋波浪冲击的能量；

步骤5），弹性装置（31）将能量传递至上连接杆（32）驱动各个压电发电单元的弹性梁（41）和压电陶瓷片（42）弯曲振动，实现压电发电。