CN108092550A - 一种利用压电进行发电的浮子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用压电进行发电的浮子，包括密封的壳体、设置在壳体内的边缘与壳体内壁连接的具有弹性的压电盘和设置在压电盘上的质量块。
Description
技术领域
本发明涉及海洋波浪能发电领域，更具体地，涉及一种利用压电进行发电的浮子。
背景技术
海洋波浪能是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。人类一直在尝试利用海洋波浪能，最早可以追溯到Girard 父子在1799年申请的一个关于利用波浪能的专利。
在石油危机之后，越来越多的研究者投身于对海洋波浪能的研究中，在1983年，爱丁堡大学的Stephen Hugh Salter发明了一种名为Salter's Duck的装置，该装置能够将90%的波浪能转化成为电能，向世人展示了波浪能的广阔应用前景。
随着科技的发展，学者们提出了多种类型的海洋波浪能发电装置，主要包含振荡水柱式、漂浮发电式、点头鸭式、海蛇式、摆式以及收缩坡道式等。传统类型的发电装置多采用复杂的、机械式的发电机构，过于复杂的发电机理限制了能量的利用效率，也限制了发电装置的应用场合。
随着人类对海洋资源的进一步开发，越发需要在海洋中布置无线传感器网络用以实现海洋数据采集、污染预测、海洋检测等功能。而随着压电材料技术的发展，压电材料的各种性能得到大幅改善，压电材料将机械能转化为电能的效率越来越高，因此，人们越来越青睐于利用压电材料的压电效应将海洋此起彼伏的波动转化为电能，相比机械式的发电机构，压电式的发电机构的结构更加简单，造价也更为低廉。
发明内容
本发明为解决现有技术提供的波浪能发电装置存在的转换效率不高、结构复杂的技术缺陷，提供了一种利用压电进行发电的浮子。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种利用压电进行发电的浮子，包括密封的壳体、设置在壳体内的边缘与壳体内壁连接的具有弹性的压电盘和设置在压电盘上的质量块。
本发明提供的浮子应用于海洋场景中时，在海浪的波动下，浮子中的质量块会因为惯性而与壳体发生相对运动，导致压电盘产生弯曲振动，从而使压电盘沿厚度方向的表面产生电荷，实现压电发电。
优选地，为了避免浮子会在海浪的波动下发生倒伏，影响发电效果，所述壳体内设置有配重块。增设配重块，可以使得浮子形成类似于不倒翁的设计，在波浪的推动下，浮子也不会发生较大的倒伏，保证发电效果。
优选地，为了优化发电效果，使得压电盘在海浪的波动下发生较大的弯曲振动，增大发电量，本发明将所述质量块设置在压电盘的中部。
进一步地，为了避免压电盘会由于海洋波动发生幅度过大的形变而导致压电盘损坏破裂，所述壳体内压电盘的上方和下方均设置有限位机构。设置限位机构，能够避免压电盘会因为海洋波动而发生过大幅度的形变，对压电盘形成保护。
优选地，所述限位机构包括限位片，压电盘上方和下方的限位片的边缘与壳体内壁连接。
优选地，所述压电盘上方和下方的限位片的设置平面与压电盘的设置平面平行。
优选地，所述压电盘包括压电片和承载基片，压电片设置在承载基片上，质量块设置在承载基片/压电片上，承载基片的边缘与壳体的内壁连接；承载基片采用具有弹性的材料制成。
优选地，所述压电盘包括的压电片的数量为多片，多片压电片层叠地设置在承载基片上。多片压电片中，压电片之间的连接方式可以为串联的方式或者是并联的方式，其极化方向均沿厚度方向。
优选地，所述承载基片的顶面和底面均设置有压电片。
优选地，所述壳体呈球形或圆柱形，或者是其它任何有几何对称中心的形状。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
1）本发明的浮子的发电机理简单，其利用质量块与壳体之间的相对运动使得压电盘产生弯曲振动，从而使压电盘沿厚度方向的表面产生电荷，实现压电发电；
2）本发明的浮子的结构简单，其制造成本低廉，使用到的材料均为应用广泛、造价便宜的材料；
3）本发明提供的浮子的抗腐蚀能力强，压电盘的机构均位于密封的壳体内部，不与海水发生直接接触，能够抵抗海水的腐蚀。
附图说明
图1为浮子的结构示意图。 图2为压电盘的结构示意图。
图3为压电片的连接关系示意图。
图4为浮子的工作过程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明是如何实施的。
实施例1
如图1所示，本发明提供的浮子1包括有密封的呈球形的壳体11、设置在壳体11内的边缘与壳体11内壁连接的具有弹性的压电盘2和设置在压电盘2中部的质量块22。
将本发明提供的浮子1投放于海洋时，其工作流程分为四个阶段；如图4所示，假设压电盘2静止时其所在的平面为中性面，在第一阶段，质量块22处于中性面中，压电盘2不发生弯曲振动，不输出电流；在第二阶段，浮子1处于波浪的波谷位置，由于质量块22的惯性，导致质量块22与壳体11产生相对运动，迫使压电盘2向上弯曲，输出电流；在第三阶段，浮子1随着波浪缓缓抬升，质量块22逐渐返回壳体11的中性面，此时，压电圆盘不发生弯曲，不输出电流；在第四阶段，浮子1处于波浪的波峰位置，由于质量块22的惯性，导致质量块22与壳体11产生相对运动，迫使压电盘2向下弯曲，输出电流；然后浮子1随着波浪缓缓下降，质量块22逐渐返回壳体11的中性面，此时，压电盘2不发生弯曲，不输出电流，重新返回第一阶段。总的而言，在上下起伏的波浪的激励下，由于质量块22的惯性，质量块22的运动会滞后于壳体11的运动，因此，质量块22会与壳体11产生相对运动，导致压电盘2产生周而复始的弯曲振动，从而将海洋波浪上下起伏的机械能转化为电能。
在具体使用的时候，可以在壳体11内设置能量收集电路，比如全桥式整流电路，同步电感提取电路等，电路可以向可充电电池或者超级电容等储能元件充电，又或者向无线传感器等器件直接供电。同时，壳体11下部可以与锚具4连接，锚具4的另一端与海底相连，用以稳定浮子1的位置，不让其随着波浪漂流。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，做了进一步的优化设置，如图1所示，具体表现在所述的壳体11内设置有配重块12。增设配重块12，可以使得浮子1形成类似于不倒翁的设计，在波浪的推动下，浮子1也不会发生较大的倒伏，保证发电效果。
本实施例中，壳体11是密封腔体，由抗腐蚀、坚韧的、轻质的、不影响电磁波传输的有机材料制成，因此将其应用于无线传感网络时，无线传感器可以设置在壳体11内。同时，配重块12使用金属材料或者其他密度较大的材料制成，通过较大的重量来降低浮子1的重心，防止浮子1在水面上的倒伏。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，做了进一步的优化设置，如图1所示，具体表现在所述壳体11内压电盘2的上方和下方均设置有限位机构3。设置限位机构3，能够避免压电盘2会因为海洋波动而发生过大幅度的形变，对压电盘2形成保护。
本实施例中，限位机构3包括限位片31、32，压电盘2上方和下方的限位片31、32的边缘与壳体11内壁连接，压电盘2上方和下方的限位片31、32的设置平面与压电盘2的设置平面平行。其中，限位片31、32的整体形状为圆状，其采用金属或非金属材料制成，压电盘2上方的限位片31、32与压电盘2之间的设置间距，及压电盘2下方的限位片31、32与压电盘2之间的设置间距为一固定的常数。通过选取合适的距离可以限制压电盘2的弯曲幅度。
实施例4
本实施例对实施例3提供的压电盘2做了进一步的设置，本实施例中，如图1所示，压电盘2由圆形的承载基片213和设置在承载基片213上的圆形的压电片212构成，承载基片213的直径稍大于压电片212的直径；质量块22设置在压电片212上，或者设置在承载基片213上，承载基片213的边缘与壳体11的内壁连接；承载基片213采用具有弹性的材料制成。本实施例中，压电盘2包括的压电片212的数量为多片，多片压电片212层叠地设置在承载基片213上，或者承载基片213的顶面和底面均设置有压电片212，构成类似于三文治的结构。多片压电片212中，压电片212之间的连接方式可以为串联的方式或者是并联的方式，其极化方向均沿厚度方向。如图3所示，压电片212之间的连接方式为串联的方式。
最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用压电进行发电的浮子，其特征在于：包括密封的壳体、设置在壳体内的边缘与壳体内壁连接的具有弹性的压电盘和设置在压电盘上的质量块。
2.根据权利要求1所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述壳体内设置有配重块。
3.根据权利要求2所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述质量块设置在压电盘的中部。
4.根据权利要求1~3任一项所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述壳体内压电盘的上方和下方均设置有限位机构。
5.根据权利要求4所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述限位机构包括限位片，压电盘上方和下方的限位片的边缘与壳体内壁连接。
6.根据权利要求5所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述压电盘上方和下方的限位片的设置平面与压电盘的设置平面平行。
7.根据权利要求4所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述压电盘包括压电片和承载基片，压电片设置在承载基片上，质量块设置在承载基片/压电片上，承载基片的边缘与壳体的内壁连接；承载基片采用具有弹性的材料制成。
8.根据权利要求7所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述压电盘包括的压电片的数量为多片，多片压电片层叠地设置在承载基片上。
9.根据权利要求8所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述承载基片的顶面和底面均设置有压电片。
10.根据权利要求7所述的利用压电进行发电的浮子，其特征在于：所述壳体呈球形或圆柱形。
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