CN102345552B - 压电海浪发电*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电海浪发电***，利用双浮筒船随海浪起伏带动液压缸将液体泵入高压罐中形成液体的液压能，完成海浪发电***；利用液体的静压能驱动马达带动转轴活塞转动使液压缸中液体的压强产生变化，完成液压振动***功能；利用液体的压强变化形成准简谐振动带动活塞对压电叠堆产生准简谐振动的压应力从而由d33模式压电陶瓷的正压电效应将机械能转化为电能，并依次电性连接整流电桥和储能器，完成压电转换***功能。该发明利用了最高的压电常数，提高了施加作用力的频率，极大的提高了转换效率，避免了海浪周期性及幅度变化带来的不稳定性，对压电陶瓷施加的力为压力，保持了压电换能器固有的长寿命，易回收调整等优点。

Description

压电海浪发电***

技术领域

本发明涉及一种海浪发电***，尤其涉及一种采用d33模式压电陶瓷进行海浪发电的***。

背景技术

海洋蕴藏极大的能量，海洋占地球总面积的71％。1992年***把海浪发电列为开发海洋可再生能源的首位，英国将海浪发电的研究放在新能源开发的首位，甚至称其为“第三能源”。世界上有关海浪发电的相关专利有上千项之多，因此可以预见，海浪发电将不仅成为可再生能源的重要来源，还将成为今后人类的主要能源方式。

世界上第一个将压电转换应用在大规模海浪发电上的是美国普林斯顿海洋电力公司。第一台压电发电机缩写HPE，由悬挂在海洋里浮筒和锚之间的片状、卷状或带状的压电聚合物组件网络组成。当浮筒在浪中浮动时，聚合物被拉伸和放松，产生出高压低频电流，此电流被送入同聚合物相连的电极，并被固态电子器件调整成高压直流电，然后由海底电缆送往岸上。一旦上岸，又能将其转换为交流电馈入电网。波浪能是免费的，而压电聚合物几乎或完全无需维修。聚合物不受海水浸蚀，并可于其20年的设计寿命终了时予以回收再行调整。可以说压电转换应用到海浪发电是有其独特的优势。

压电转换器的输出功率正比于作用力、施加作用力的频率及压电常数。对于HPE来说，因为在使用浮筒直接作用在压电聚合物上则必然造成施加作用力的频率较低(仅数秒钟一次)；又因为是利用拉伸和弯曲即d31模式，其压电常数相对d33模式较低，更为关键的是压电陶瓷具有很好的抗压强度，但抗拉强度很低，所以在利用拉伸和弯曲力时不能使用压电陶瓷材料，虽然利用聚合物极大的提高了压电材料的韧性，增强了压电器件的寿命，但也同时大大降低了压电常数。整体的发电效率受这三个因素的制约使其发电功率目前仅有千瓦级，而且成本较高。

在各种关于海浪发电的专利中涉及到海浪能的转化大多数采用即时转化，很少有考虑海浪能的储存，而考虑到海浪能储存的其能量转换效率又比较低下。如中国专利申请号00228121.X提供的“一种波浪发电装置”，由浮板、油箱、蓄能器、回转液压缸、液压马达和发电机组成。回转液压缸与液压马达之间通过油管连接，其中高压管上设有蓄能器，低压油管上设有油箱；回转液压缸设在浮板处。在海浪的作用下，利用浮板所产生的摆动来带动回转液压缸工作，液压缸内产生高压油推动液压马达转动，从而带动发电机发电。

上述专利是将海浪能转化为线圈式发电转子的动能，其利用液压装置进行能量的储存，这就给电能的产生带来持续性，使得海浪的周期性以及幅度等影响减少到最小。但其使用液压马达来带动发电机发电方式，因为液压马达将静压能转换为转子动能的效率比较低，所以整体的发电效率必然降低。

还有的专利如集浪板，采用的是将海浪的冲击力转换为液压缸中液体的压应力从而带动涡轮的转动，再通过涡轮来带动转子使线圈式发电机组发电。缺点是很明显的，集浪板要求浮筒要在一定范围同时出力来产生巨大的推动力，“同时”性就要使***的复杂度提高。而且涡轮的能量转换效率在海洋环境中也比较低下。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种压电海浪发电***，该发电***结构简单、成本相对低廉、转化效率高，并且实用性强。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种压电海浪发电***，主要包括海浪动力***、液压振动***和压电转换***，其中：

所述海浪动力***包括双浮筒船、第一液压缸和高压罐，所述双浮筒船和第一液压缸固定连接，所述双浮筒船随海浪起伏能够带动第一液压缸将该第一液压缸内液体泵入高压罐内，从而使海浪的动能转化为液体的静压能，完成海浪动力***功能，该结构为：在所述第一液压缸和高压罐之间通过管道连通，并在该管道上设有仅能够使液体从所述第一液压缸流向高压罐的第一单向阀；在所述第一液压缸上设有第一活塞，该双浮筒船上固定设有第一定滑轮和第二定滑轮；第一缆索一端和第一活塞固连，第一缆索另一端通过第一定滑轮和锚固连，锚通过第一定滑轮拉紧第一活塞移动时能够使第一液压缸内的压强增大；第二缆索一端和第一活塞固连，第二缆索另一端通过第二定滑轮和重物固连，当重物通过第二定滑轮拉紧第一活塞移动时能够使第一液压缸内的压强减小。双浮筒船在海浪的作用下不仅上下起伏，而且还在海浪的推动下，向一个方向偏移。当双浮筒船远离锚时，第一缆索为拉力，并通过第一定滑轮拉动第一活塞移动，第一活塞通过第二缆索和第二定滑轮拉动重物上升并使重物势能增加，此时第一活塞产生垂直第一汽缸并向内的压力而使第一液压缸内压强增大，进而使第一液压缸通过第一单向阀将高压液体泵入高压罐中以静压能的形式储存；

所述液压振动***包括马达和第二液压缸，该马达的动力轴承一端延伸出来并与转轴活塞相接成一同心轴，该转轴活塞密封活动套设于第二液压缸内，所述马达能够带动转轴活塞转动而使第二活塞在第二液压缸内产生简谐振动，从而完成液压振动***功能，其结构为：所述马达为液压马达，所述高压罐和马达之间通过管道连通，并在该管道上设有仅能够使液体由高压罐流向马达的第二单向阀，从而实现驱动马达转动，当然马达如是直流或交流马达则无须液压驱动，交流马达则需用到减速机，这些都为等同替换，总而言之只要能带动转轴活塞转动，都为本例要求保护范围；所述第二液压缸由第二活塞隔离成一液压腔和一空腔，所述转轴活塞活动套设于该液压腔内；设有低压缸，所述第二液压缸的液压腔上设有高压入口和低压出口，该第二液压缸的高压入口和高压罐之间通过管道连通，该第二液压缸的低压出口和低压缸之间通过管道连通，所述转轴活塞上设有一对通孔，该对通孔与所述第二液压缸的液压腔连通，所述转轴活塞转动时仅能够使所述该对通孔中的一个通孔与所述高压入口和低压出口之一导通，从而使高压入口和低压出口之一处于开启或关闭状态；高压罐驱动液压马达带动转轴活塞转动，当转轴活塞上的通孔与高压入口接通时，低压出口关闭，液体从高压罐流向第二液压缸，从而使第二液压缸内压强增大，使第二活塞产生相应应力；当转轴活塞转动到通孔与高压入口断开而与低压出口连通时，第二液压缸内液体从低压出口流向低压缸，从而使第二液压缸内压强减小，第二活塞上的应力减小乃至消失；

所述压电转换***包括压电叠堆、整流电桥和储能器，所述液压振动***中第二液压缸中第二活塞的简谐振动能够对压电叠堆产生准简谐振动的压应力，从而使d33模式压电陶瓷的正压电效应将机械能转化为电能，在压电叠堆的每一层引出上下电极，相互形成串联、并联和串并联电路之一达到适宜的输出功率参数并依次电性连接整流电桥、储能器、转换电路和输出电路。经整流电桥的作用将每一周期内产生的正、负电荷均转化为要求的电荷性质存储在储能器里，经转换电路调整为高频交流信号并经输出电路调整电压以及相位进行输出属性匹配，完成压电转换***功能。

作为本发明的另一种实施方式，在所述第一液压缸外设有钢架结构，第一活塞固连钢架结构，钢架结构的相对两侧分别固定第一、二缆索，以此实现第一活塞固连第一、二缆索之功能。

作为本发明的进一步改进，所述第一液压缸和低压缸之间通过管道连接，并在该管道之间设有仅能够使液体从低压缸流向第一液压缸的单向阀。

作为本发明的进一步改进，所述液压振动***中第二液压缸中第二活塞的简谐振动能够对压电叠堆产生准简谐振动的压应力的结构为：在双浮筒船上固定一支架，在该支架上放置压电叠堆，并使第二活塞与压电叠堆之间形成一定的预压力。

作为本发明的进一步改进，所述压电叠堆是利用d33模式的正压电效应来转换能量的。

本发明的有益效果是：使用d33模式压电陶瓷作为能量转化主体进行海浪发电，利用液压装置，通过海浪能-静压能-振动能-电能的转化模式，利用了最高的压电常数，提高了施加作用力的频率，极大的提高了转换效率，避免了海浪周期性及幅度变化带来的不稳定性，对压电陶瓷施加的力为压力，保持了压电换能器固有的长寿命，易回收调整等优点。

附图说明

图1为本发明所述压电海浪发电***的主视图；

图2为本发明所述压电海浪发电***的侧视图。

结合附图，作以下说明：

1——重物              2——双浮筒船

3——锚                4——第一缆索

5——第一定滑轮        6——第一液压缸

7——钢架结构          8——高压罐

9——马达              10——第二活塞

11——压电叠堆         12——第二单向阀

13——转轴活塞         14——高压入口

15——低压出口         16——第二液压缸

17——低压缸           18——第二定滑轮

19——第一活塞         20——第一单向阀

21——支架             22——第二缆索

100——海平面

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为压电海浪发电***示意图，它包括了重物1、双浮筒船2、锚3、第一缆索4、第二缆索22、第一定滑轮5、第二定滑轮18、第一液压缸6、第二液压缸16、钢架结构7、高压罐8、液压马达9、第一活塞19、第二活塞10、压电叠堆11、第一单向阀20、第二单向阀12、转轴活塞13、高压入口14、低压出口15、低压缸17、支架21，双浮筒船漂2浮于海平面100上。

双浮筒船2在海浪的作用下不仅上下起伏，而且还在海浪的推动下，向一个方向偏移。当双浮筒船2远离锚3时，第一缆索4中为拉力，通过第一定滑轮5的作用，使得第一缆索4对钢架结构7产生垂直于第一液压缸6并向内的压力，这时第一液压缸6通过第一单向阀20将高压液体泵入高压罐8中以静压能的形式储存；第一缆索4中的拉力同时使重物1势能增加。

双浮筒船2在海浪作用下向锚3运动时，第一缆索4中无作用力，钢架结构7在重物1的作用下使得第一液压缸6受到向外的拉力，这时第一液压缸6通过单向阀将低压缸17中液体吸入。

通过海浪不断的作用力，从而使得第一液压缸6不断从低压缸17中吸入液体，并转化成高压液体泵入高压罐8储存。这样完成了海浪能量转化为高压罐中液体静压能的步骤。

高压罐8驱动液压马达9带动转轴活塞13使第二液压缸16中液体分别与高压罐8、低压缸17进行连通、断开的操作，使第二液压缸16中液体的压强产生变化，从而使得第二活塞10上产生相应压力作用而形成微位移、大压力的准简谐振动，专用活塞的振动作用在压电叠堆11上形成一种准静态的压应力。从而利用d33模式压电陶瓷的正压电效应将海浪的能量转换为电能。

压电叠堆11每一层都拥有上下两极，通过电极引出相互形成串联、并联或串并联电路以达到适宜的功率输出参数，利用整流电路将每一周期内产生的正、负电荷均转为要求的电荷性质储存在储能器中。

储能器中的电能由海底电缆送往岸上。一旦上岸，又将其转换为交流电馈入电网，从而完成达到海浪发电的目的。

Claims (5)

1.一种压电海浪发电***，主要包括海浪动力***、液压振动***和压电转换***，其特征在于：

所述海浪动力***包括双浮筒船(2)、第一液压缸(6)和高压罐(8)，所述双浮筒船(2)和第一液压缸(6)固定连接，在所述第一液压缸(6)和高压罐(8)之间通过管道连通，并在该管道上设有仅能够使液体从所述第一液压缸(6)流向高压罐(8)的第一单向阀(20)；在所述第一液压缸(6)上设有第一活塞(19)，该双浮筒船(2)上固定设有第一定滑轮(5)和第二定滑轮(18)；第一缆索(4)一端和第一活塞(19)固连，第一缆索(4)另一端通过第一定滑轮(5)和锚(3)固连，锚(3)通过第一定滑轮(5)拉紧第一活塞移动时能够使第一液压缸内的压强增大；第二缆索(22)一端和第一活塞(19)固连，第二缆索(22)另一端通过第二定滑轮(18)和重物(1)固连，重物通过第二定滑轮(18)拉紧第一活塞移动时能够使第一液压缸内的压强减小；

所述液压振动***包括马达(9)和第二液压缸(16)，该马达(9)的动力轴承一端延伸出来并与转轴活塞(13)相接成一同心轴，该转轴活塞(13)密封活动套设于第二液压缸(16)内；所述马达(9)为液压马达，所述高压罐(8)和马达(9)之间通过管道连通，并在该管道上设有仅能够使液体由高压罐(8)流向马达(9)的第二单向阀(12)；所述第二液压缸(16)由第二活塞(10)隔离成一液压腔和一空腔，所述转轴活塞(13)活动套设于该液压腔内；设有低压缸(17)，所述第二液压缸(16)的液压腔上设有高压入口(14)和低压出口(15)，该第二液压缸的高压入口和高压罐之间通过管道连通，该第二液压缸的低压出口和低压缸(17)之间通过管道连通，所述转轴活塞上设有一对通孔，该对通孔与所述第二液压缸(16)的液压腔连通，所述转轴活塞(13)转动时仅能够使所述该对通孔中的一个通孔与所述高压入口和低压出口之一导通；

所述压电转换***包括压电叠堆(11)、整流电桥和储能器，所述液压振动***中第二液压缸(16)中第二活塞的简谐振动能够对压电叠堆(11)产生准简谐振动的压应力，在压电叠堆(11)的每一层引出上下电极，相互形成串联、并联和串并联电路之一并依次电性连接整流电桥和储能器。

2.根据权利要求1所述的压电海浪发电***，其特征在于：在该第一液压缸(6)外设有钢架结构(7)，第一活塞(19)固连钢架结构(7)，钢架结构(7)的相对两侧分别固定第一、二缆索。

3.根据权利要求2所述的压电海浪发电***，其特征在于：所述第一液压缸(6)和低压缸(17)之间通过管道连接，并在该管道之间设有仅能够使液体从低压缸(17)流向第一液压缸(6)的单向阀。

4.根据权利要求1所述的压电海浪发电***，其特征在于：所述液压振动***中第二液压缸(16)中第二活塞的简谐振动能够对压电叠堆(11)产生准简谐振动的压应力的结构为：在双浮筒船上固定一支架(21)，在该支架(21)上放置压电叠堆(11)，并使第二活塞(10)与压电叠堆(11)之间形成一定的预压力。

5.根据权利要求1所述的压电海浪发电***，其特征在于：所述压电叠堆(11)是利用d33模式的正压电效应来转换能量的。 

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