CN107448351B - 带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置，属于微能量收集和海洋发电技术领域。包括防波浮筒、固定支座体和压电发电箱，其中压电发电箱由盖板、箱体、密封圈、压电发电组件组成，压电发电组件中的质量块3‑3、悬臂梁3‑4、压电体3‑5构成压电悬臂梁。压电悬臂梁随着压电发电箱的上下摆动而产生振动，因为压电悬臂梁为线性阵列式分布，所以压电悬臂梁之间产生共振，从而实现了对多个频率波浪能的同时捕获，并且也增加了压电悬臂梁之间的振动频率，提高了波浪能的利用率。本装置将波浪与浮筒之间的动能差转化为电能，具有结构简单，安装方便，维修成本低，实用性强的特点，能够为海洋监测及照明设施持续提供电能。
Description
技术领域
本发明属于微能量收集和海洋发电技术领域，具体涉及带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置。
背景技术
海洋中的海水受气候及大风的作用，经常产生起伏的波浪，这些海浪是可再生的能源，同时，也携带着巨大的冲击力，为了防止海浪对海上设施及船体造成不好的影响，削减波浪波幅，减小冲击力，人们建造了防波装置，这些防波装置的形式多种多样，但是工作原理都是通过特有的结构吸收或者耗散掉入射波的能量，从而达到降低波幅，削波防波的目的。
现有的防波装置大多数以防波堤的形式存在，分为重型和轻型两种。而防波堤的体积往往十分庞大，在建造及维修方面都存在难度。另外，现阶段能够实现消波作用并将波浪能转换为电能的装置，大部分都是使用纯机械结构，发电效率低，且使用寿命不长，需要经常维修和更换，鉴于海上发电装置维修困难的情况，这种发电结构的使用前景不明朗。
现有的防波装置大多数以防波堤的形式存在，分为重型和轻型两种。而防波堤的体积往往十分庞大，在建造及维修方面都存在难度，如魏东泽在专利(公开号为CN204041339U)中提到了设于防波堤上的波浪发电装置，虽然能进行海浪波浪能的削减和转换，但是装置复杂、庞大，不利于实际的操作和维修，现阶段能够实现消波作用并将波浪能转换为电能的装置，大部分都是使用纯机械结构，发电效率低，且使用寿命不长，需要经常维修和更换，鉴于海上发电装置维修困难的情况，这种发电结构的使用前景不明朗。
一方面，海洋上的防波结构建造困难，且消波结构消散的波浪能未能得到充分利用，另一方面，目前使用的波浪能压电发电装置普遍存在结构复杂，密封性差，稳定性不强的缺陷，因此，针对以上问题，本发明中提供了一种解决方案。
我们知道，在有些具有电介质特性的材料的特定方向上施加一定的外力，就会使其材料中产生极化，并导致相对表面上分别聚集正电荷和负电荷，显示带电性。在把施加的外力取消之后，恢复原始的形态，其电性也随之消失，我们将这种现象叫做正压电效应。而具有这种特性的材料称为压电材料。利用压电材料的压电特性，可以巧妙的将动能、势能等转化为电能。
结合压电材料的这一特性，我们提供了一种结构简单、发电效率高、稳定性好且功率输出稳定的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置，能够最大限度利用圆柱浮筒的结构削减波浪波幅，又能够利用浮筒和波浪之间的波幅差进行波浪能与电能的转化，提供给海岸用电设施，达到紧急供电或自主供电的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置，以解决目前消波结构对波浪能转换效率较低、压电波浪能发电结构复杂，密封性和稳定性差等问题。
本发明的目的是这样实现的：
防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,包括防波浮筒1、固定支座体2和压电发电箱3，所述的防波浮筒1为实心圆柱体；在防波浮筒1的侧面母线处有一个平面，在该平面上有固定支座体2，固定支座体2的一面与防波浮筒1固定连接，另一面与压电发电箱3铰接连接；压电发电箱3相对于防波浮筒1随着海浪只上下摆动而不移动，最终将海浪的波浪能转换为电能。
所述的压电发电箱3由箱体3-1、盖板3-2、密封圈3-8、压电发电组件组成。
所述的箱体3-1为中空立方体结构，箱体3-1和盖板3-2之间安装有密封圈3-8，箱体3-1和盖板3-2之间固定连接，盖板3-2的长和宽分别等于箱体3-1的长和宽。
所述的压电发电组件包括质量块3-3、悬臂梁3-4、压电体3-5、悬臂梁固定架3-6、压板3-7，其中质量块3-3、悬臂梁3-4、压电体3-5构成压电悬臂梁。
所述的质量块3-3和压电体3-5均和悬臂梁3-4固定连接，压电体3-5分别固定在悬臂梁3-4的上、下表面或其中一个表面上且靠近悬臂梁3-4的根部位置即远离固定支座体2方向，质量块3-3固定在悬臂梁3-4上的靠近固定支座体2方向的某一位置，质量块3-3和压电体3-5的宽度等于悬臂梁3-4的宽度，质量块3-3和压电体3-5的长度小于悬臂梁3-4的长度，每个悬臂梁3-4上的质量块3-3的大小、形状、质量相同，每个悬臂梁3-4上的压电体3-5的大小、形状、质量相同。
所述的悬臂梁固定架3-6的一端固定连接在箱体3-1内壁上，另一端与悬臂梁3-4固定连接。
所述的压电悬臂梁的数量至少一个，压电悬臂梁的排列方式为线性阵列式分布。
本发明的有益效果在于：本发明未采用传统结构中锚块与系泊线的组合，而是利用浮筒结构的特点，使整个装置能够自主浮在海面，稳定性高，又让整个装置可移动、安装不受海域限制；采用防波浮筒1与压电悬臂梁发电装置结合的方式，既起到了削减波浪的作用，又达到了将对防波装置造成冲击的能量再利用，进行波浪能发电的效果；采用线性阵列式的压电悬臂梁结构，实现了对多个频率波浪能同时捕获，并且增加压电悬臂梁之间的振动频率，提高了波浪能的利用率；将防波装置模块化，简化建造流程，降低建造成本，并提高了整个装置的可维修性，延长使用寿命，降低维修成本。
附图说明
图1为带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置的整体结构立体图。
图2为带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置中压电发电箱的立体图。
图3为带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置的内部结构示意图。
图4为带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置的整体结构正视图。
图5为带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置中压电悬臂梁的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
本发明涉及一种带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置，如图1-5所示，装置包括防波浮筒1、固定支座体2和压电发电箱3，其中压电发电箱3由箱体3-1、盖板3-2、密封圈3-8、压电发电组件组成，其中压电发电组件由质量块3-3、悬臂梁3-4、压电体3-5、悬臂梁固定架3-6、压板3-7组成，且质量块3-3、悬臂梁3-4、压电体3-5构成压电悬臂梁。
防波浮筒1为实心圆柱体，本实施例中防波浮筒1为长15米，半径4米的实心圆柱体，防波浮筒1的材料为铝合金，圆柱体表面涂有防锈漆，起到防腐蚀和警示的作用，而且当波浪打到防波浮筒1上时，由于浮筒结构自身的稳定特性，经过浮筒的波浪波幅得到很大程度的削减，起到了防波的作用。
在防波浮筒1的侧面母线处有一个平面，在该平面上有固定支座体2，固定支座体2一面与防波浮筒1固定连接，另一面与压电发电箱3铰接连接。固定支座体2为薄板件，上面钻有六个螺栓孔，以及两个铰接孔，固定支座体2的一面通过螺栓与防波浮筒1固定连接，另一面与压电发电箱3通过耳板5与销轴4铰接连接，使压电发电箱3相对于防波浮筒1能够上下摆动而不移动。本实施例中的耳板5为“L”型零件，耳板5的一端加工有铰接孔，铰接孔端与固定支座体2通过销轴4连接，耳板5的无铰接孔的一端用螺栓固定在压电发电箱3中箱体3-1的侧面。
压电发电箱3浮在海面与海浪一起运动，利用防波浮筒1和波浪之间的动能及势能差，使得压电发电箱3上下摆动，引起发电箱内部的压电悬臂梁的振动，压电悬臂梁随着压电发电箱3的上下摆动而振动，将海浪的波浪能转换为电能。
压电发电箱3的箱体3-1为中空立方体结构，箱体3-1和盖板3-2之间安装有密封圈3-8，箱体3-1和盖板3-2之间采用焊接连接，盖板3-2是与箱体3-1结构相对应的薄板，盖板3-2的长和宽分别等于箱体3-1的长和宽，箱体3-1和盖板3-2的材料为铝，不仅减轻了装置整体的重量，并且也便于焊接。盖板3-2为长方形板件，内部有长方形凹槽，这样设计的原因是为了固定密封圈3-8和减轻装置重量。箱体3-1为中空长方体薄壁件，与盖板3-2中间安装密封圈3-8，并通过焊接方式让箱体3-1与盖板3-2固定在一起。
压电发电箱3中的质量块3-3和压电体3-5均和悬臂梁3-4固定连接，压电体3-5为长方形薄片，压电体3-5所用材料为压电陶瓷和聚偏氟乙烯活环氧树脂的两相复合材料，具有很好的柔韧性、加工性能和机械耦合系数，压电体3-5分别固定在悬臂梁3-4的上、下表面或其中一个表面上且远离固定支座体2，在压电体3-5弯曲变形的同时产生周期性的应力，因为压电效应在每一个压电体3-5的上下表面产生电荷，经过导线将产生的电荷导入储能元件或用电器，达到既防波又合理利用波浪能的效果。质量块3-3的形状为长方体、材料为铁，质量块3-3焊接在悬臂梁3-4上且所在位置靠近固定支座体2，质量块3-3、悬臂梁3-4和压电体3-5之间组成了压电悬臂梁，通过调整质量块3-3的大小和位置来改变压电悬臂梁的固有频率，质量块3-3和压电体3-5的宽度等于悬臂梁3-4的宽度，质量块3-3和压电体3-5的长度小于悬臂梁3-4的长度，每个悬臂梁3-4上的质量块3-3的大小、形状、质量相同，每个悬臂梁3-4上的压电体3-5的大小、形状、质量相同。
压电发电箱3中的悬臂梁固定架3-6是铁材质，悬臂梁固定架3-6的一端通过螺栓固定连接在箱体3-1内壁上，另一端通过螺栓与压板3-7固定连接，悬臂梁固定架3-6和压板3-7的组合可以夹紧悬臂梁3-4未焊接质量块3-3的一端。压电悬臂梁的数量至少一个，压电悬臂梁的排列方式为线性阵列式分布，线性阵列分布的好处是通过引起压电悬臂梁之间的共振，不仅实现对多个频率波浪能的同时捕获，并且增加了压电悬臂梁之间的振动频率，提高了波浪能的利用率。
本发明中，防波浮筒1漂浮在海面上，通过螺栓与固定支座板2连接，固定支座板2上有铰接孔，销轴4将其与压电发电箱3连接在一起，压电发电箱3内安装有压电发电组件，用于将波浪能转换为电能。其中，防波浮筒1为实心圆柱体，当波浪打到防波浮筒1上时，由于浮筒结构自身的稳定特性，经过浮筒的波浪波幅得到很大程度的削减，起到了防波的作用。而压电发电箱3浮在海面与海浪一起运动，利用防波浮筒1和波浪之间的动能及势能差，使得压电发电箱3上下摆动，引起发电箱内部的压电悬臂梁的振动。另外，压电悬臂梁的线性阵列排列方式，能够引起压电悬臂梁之间的共振。压电体3-5因为弯曲变形而产生周期性的应力，因压电效应在压电体3-5的上下表面产生电荷，经过导线将产生的电荷导入储能元件或用电器，达到既防波又合理利用波浪能的效果。
Claims (7)
1.带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置，包括防波浮筒(1)、固定支座体(2)和压电发电箱(3)，其特征在于：所述的防波浮筒(1)为实心圆柱体；在防波浮筒(1)的侧面母线处有一个平面，在该平面上有固定支座体(2)，固定支座体(2)的一面与防波浮筒(1)固定连接，另一面与压电发电箱(3)铰接连接；压电发电箱(3)相对于防波浮筒(1)随着海浪只上下摆动而不移动，最终将海浪的波浪能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,其特征在于：所述的压电发电箱(3)由箱体(3-1)、盖板(3-2)、密封圈(3-8)、压电发电组件组成。
3.根据权利要求2所述的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,其特征在于：所述的箱体(3-1)为中空立方体结构，箱体(3-1)和盖板(3-2)之间安装有密封圈(3-8)，箱体(3-1)和盖板(3-2)之间固定连接，盖板(3-2)的长和宽分别等于箱体(3-1)的长和宽。
4.根据权利要求2所述的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,其特征在于：所述的压电发电组件包括质量块(3-3)、悬臂梁(3-4)、压电体(3-5)、悬臂梁固定架(3-6)、压板(3-7)，其中质量块(3-3)、悬臂梁(3-4)、压电体(3-5)构成压电悬臂梁。
5.根据权利要求4所述的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,其特征在于：所述的质量块(3-3)和压电体(3-5)均和悬臂梁(3-4)固定连接，压电体(3-5)分别固定在悬臂梁(3-4)的上、下表面或压电体(3-5) 固定在悬臂梁(3-4)的其中一个表面上且靠近悬臂梁(3-4)的根部位置即远离固定支座体(2)方向，质量块(3-3)固定在悬臂梁(3-4)上的靠近固定支座体(2)方向的某一位置，质量块(3-3)和压电体(3-5)的宽度等于悬臂梁(3-4)的宽度，质量块(3-3)和压电体(3-5)的长度小于悬臂梁(3-4)的长度，每个悬臂梁(3-4)上的质量块(3-3)的大小、形状、质量相同，悬臂梁(3-4)上的每个压电体(3-5)的大小、形状、质量相同。
6.根据权利要求4所述的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,其特征在于：所述的悬臂梁固定架(3-6)的一端固定连接在箱体(3-1)内壁上，另一端与悬臂梁(3-4)固定连接。
7.根据权利要求4所述的带防波浮筒的阵列式压电悬臂梁波能转换装置,其特征在于：所述的压电悬臂梁的数量至少一个，压电悬臂梁的排列方式为线性阵列式分布。
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