CN105846720B - 一种压电式换能器和应用该换能器的压电式波浪能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电式换能器和应用该换能器的压电式波浪能量收集装置，包括质量块、两组弹性元件、两个夹板A和两个夹板B，所述弹性元件是由至少三个弹性臂组成的弹簧片结构，且弹性臂一端交汇形成弹性元件的交叉端、另一端延伸形成弹性元件的自由端，每组弹性元件的交叉端安装在对应的夹板B上，两组弹性元件的自由端向同一侧的中心弯曲成笼形后分别通过对应的夹板A安装在质量块的上下两个端面，每个弹性臂的两侧表面均贴有压电片，弹性臂构成压电片的公共极，每个压电片的另一极与电能采集电路连接。本发明的换能器单体尺寸较小，既可以单独应用于小、微型海洋探测设备，也可以多个并联应用于大中型海洋探测设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种换能器和能量收集装置，尤其涉及一种压电式换能器和应用该换能器的压电式波浪能量收集装置。
背景技术
随着技术的进步，海洋探测设备逐步趋于小型化和低能耗化，探测范围的扩大也使其投放数量规模也越来越大。海洋探测设备一般是在无人值守的情况下长期工作，对于利用电池供能的设备其工作寿命受制于电池的电量，工作寿命大多不超过一到二年，而利用太阳能和风能的设备虽然可以无视寿命限制，但其发电装置尺寸较大，装置暴露在外，而且还受天气的影响。波浪能是海上一种丰富的可再生能源，将其转化为电能可以实现随时和不间断地为海洋探测设备提供能量，目前对波浪能量进行开发利用的研究已经有了很多。中国发明专利申请公布号CN101021200A所公开的一种“浪涌蓄能自发电浮标”是将波浪能量通过发条蓄积起来在经过齿轮传递给发电机，其不足之处在于将波浪能量转化为旋转机械能，又经过了多次能量的传递，效率降低，且机械部件会产生磨损，结构尺寸较大，难以应用于远海和小型海洋探测设备。中国发明专利授权公告号CN102900594 B所公布的“浮标用直线式磁极静止型波浪能发电装置”是将波浪能量转化为电枢的往复运动，与永磁铁相互作用而产生电能，其不足之处在于，装置要求磁极静止，需要一个相对稳定的平台，而小型海洋探测设备随波摆动幅度大，难以适用。中国发明专利授权公告号CN104079207 B所公布的“一种捕获处置方向波浪能的压电发电装置及方法”是通过浮子和杠杆将波浪的垂直运动传递给压电发电装置产生电能，其不足之处在于装置尺寸大，无法应用于远海。以上发明存在的共同不足是有暴露在外的运动部件、轴承、杠杆等，在海上高盐高湿度环境下容易被腐蚀，需要定期更换，因此只能在近海使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种压电式换能器和应用该换能器的压电式波浪能量收集装置。
本发明的目的是这样实现的：包括质量块、两组弹性元件、两个夹板A和两个夹板B，所述弹性元件是由至少三个弹性臂组成的弹簧片结构，且弹性臂一端交汇形成弹性元件的交叉端、另一端延伸形成弹性元件的自由端，每组弹性元件的交叉端安装在对应的夹板B上，两组弹性元件的自由端向同一侧的中心弯曲成笼形后分别通过对应的夹板A安装在质量块的上下两个端面，每个弹性臂的两侧表面均贴有压电片，弹性臂构成压电片的公共极，每个压电片的另一极与电能采集电路连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述弹性臂有四个，弹性元件是十字型弹簧片结构。
2.一种压电式波浪能量收集装置，包括由上端盖、下端盖和外壳组成的密封壳体，所述压电式换能器的两个夹板B分别与上端盖和下端盖连接，下端盖安装在海洋探测设备上，上端盖上表面设置有用于安装探测测设备通信天线的空心螺柱，所述上端盖和下端盖上还分别设置有用于穿导线的通孔，且通孔所在位置与空心螺柱所在位置相对应。
3.一种压电式波浪能量收集装置，包括由上球壳和下球壳组成的密封壳体，上球壳内安装有环形保持架，下球壳内安装有安装板，在环形保持架与安装板之间至少设置有三个所述的压电式换能器，且每个换能器的两个夹板B分别安装在环形保持架和安装板上，下壳体的底部设置有系孔，系孔通过线缆与吊装的海洋探测设备相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的换能器只有弹性振动部件，不含旋转部件、摩擦部件、齿轮等复杂的机械结构，结构相对简单，并且应用该换能器的能量收集装置可动部件密封在浮体内部，不必担心长时间海上工作的腐蚀失效问题；本发明不需要稳定基座，对海况的适应性好，一定程度的大风浪对能量转化有利；本发明的换能器及环能装置利用弯曲弹性臂的结构特点，对薄膜型压电片施加一个预应力，在振动时能够提高能量转化效率；本发明的换能器单体尺寸较小，既可以单独应用于小、微型海洋探测设备，也可以多个并联应用于大中型海洋探测设备。
附图说明
图1是本发明的换能器的结构示意图；
图2是本发明的弹性元件为十字形弹簧片时的结构示意图；
图3是本发明的实施例三的结构示意图；
图4是本发明的实施例四的结构示意图；
图5是本发明的实施例四与海洋探测设备连接后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一：结合图1和图2，本发明的压电式换能器包括外壳2，两块夹板A3，质量块4，弹性元件5，薄膜型压电片6，两块夹板B 7，弹性元件5是具有至少三个弹性臂的弹簧片结构，所有弹性臂的一端交汇、一端自由，也即本发明可以具有3个弹性臂、4个弹性臂、5个弹性臂等，均匀对称设置即可。薄膜型压电片6粘贴在弹性元件5的弹性臂的两侧表面上，具体说压电片是聚偏氟乙烯膜薄膜型压电片(PVDF)，将每个弹性元件的弹性臂向同一侧的中心弯曲成笼形，用夹板A 3将弹性臂的端部固定在质量块的一侧，以同样方式将薄膜型压电片6和弹性元件5的组合体固定在质量块的另一侧，以弹性臂作为压电片粘贴面的公共极，压电片的另一极通过导线连接到后续的电能采集电路中，如此便构成了波浪能量收集装置的换能器。所述质量块上有四个贯通的螺纹孔，实现夹板A、弹性臂与质量块的连接。
本发明的工作原理是：本发明使用的是一种柔性压电材料制成的薄膜型压电片6，利用压电片的正压电效应将机械能转化为电能，海洋探测设备在受到波浪作用时会产生垂直的升沉和侧向的摇摆运动，质量块4也随之发生振动，引起弹性元件5的弹性臂和压电片6的弯曲幅度发生周期性的改变，内外两侧的压电片6的应力状态也发生周期性变化，由于压电材料的压电效应，在压电片6表面发生周期性的电荷聚集和释放，因而产生周期性电压，由此，波浪能量转化成了交流电，当换能器的质量块2的谐振频率与波浪频率相等时能量转化效率最高。将电能通过导线引入到电能采集电路进行整流、存储和利用。
实施例二：基于实施例一，本发明的所述弹性臂有四个，弹性元件是十字型弹簧片结构。
实施例三：基于实施例一或实施例二，结合图1和图3，本发明提供一种压电式波浪能量收集装置，包括上端盖1，外壳2和下端盖8组成的密封壳体，也即所述外壳位于上端盖和下端盖之间，外壳与上端盖和下端盖连接，起到保护和密封的作用，通过两个夹板B 7分别将两组弹性元件的交叉端固定在上端盖1和下端盖8上，具体说是交叉端用夹板B和螺钉分别与上端盖和下端盖连接固定，使压电式换能器位于上端盖和下端盖之间，在此过程中，同时将外壳2连接在上端盖1和下端盖8的螺纹上，以便将换能器密封在内部。
将所述装有换能器的密封壳体安装于海洋探测设备的顶端，具体的说是本发明的上端盖1的向内一侧有一道带螺纹的环形圈，用于与外壳2连接，向外一侧有一段空心螺柱，用于安装海洋探测设备的通信天线；下端盖8的两侧均有带螺纹的环形圈，一侧用于与外壳2连接，另一侧用于与海洋探测设备的仪器载荷舱段连接，下端盖8与上端盖1的空心螺柱对应的位置有通孔，用于穿过导线，导线在安装时应尽量绷直，或者固定在外壳2的内壁上，以避免碰到弹性元件5的弹性臂；所有外露的接缝处都用防水密封胶严格密封。本实施例的能量收集装置可以应用于小型浮标式海洋探测设备，安装于浮标的水上部分，
实施例四：结合图4和图5，本发明提供一种压电式波浪能量收集装置，包括下球壳10、上球壳11组成的密封壳体，将能换能器密封在内部，同时作为浮体提供浮力；下球壳10的底部有系孔，通过线缆与吊装的海洋探测设备相连，上壳体内设置环形保持架9、下壳体内设置安装座，将多个压电式换能器均匀设置在环形保持架与安装座之间，也即换能器按环形分布，具体的说是将每个压电式换能器的两个夹板B分别安装在环形保持架和安装座上。
Claims (4)
1.一种压电式换能器，其特征在于：包括质量块、两组弹性元件、两个夹板A和两个夹板B，所述弹性元件是由至少三个弹性臂组成的弹簧片结构，且弹性臂一端交汇形成弹性元件的交叉端、另一端延伸形成弹性元件的自由端，每组弹性元件的交叉端安装在对应的夹板B上，两组弹性元件的自由端向同一侧的中心弯曲成笼形后分别通过对应的夹板A安装在质量块的上下两个端面，每个弹性臂的两侧表面均贴有压电片，弹性臂构成压电片的公共极，每个压电片的另一极与电能采集电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电式换能器，其特征在于：所述弹性臂有四个，弹性元件是十字型弹簧片结构。
3.应用权利要求1或2的一种压电式换能器的压电式波浪能量收集装置，其特征在于：包括由上端盖、下端盖和外壳组成的密封壳体，所述压电式换能器的两个夹板B分别与上端盖和下端盖连接，下端盖安装在海洋探测设备上，上端盖上表面设置有用于安装探测测设备通信天线的空心螺柱，所述上端盖和下端盖上还分别设置有用于穿导线的通孔，且通孔所在位置与空心螺柱所在位置相对应。
4.应用权利要求1或2的一种压电式换能器的压电式波浪能量收集装置，其特征在于：包括由上球壳和下球壳组成的密封壳体，上球壳内安装有环形保持架，下球壳内安装有安装板，在环形保持架与安装板之间至少设置有三个所述的压电式换能器，且每个换能器的两个夹板B分别安装在环形保持架和安装板上，下壳体的底部设置有系孔，系孔通过线缆与吊装的海洋探测设备相连。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171003 |
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