CN111140422A - 一种基于压电效应的波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于压电效应的波浪能发电装置，包括布设在近海海底的压电俘能装置及电源控制箱，所述的压电俘能装置包括单层压电俘能板，所述单层压电俘能板包括若干能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料板，所述单层压电俘能板内部安装有多个能够随刚性有机材料板的弯曲变形而伸缩的压电薄膜，所述的压电俘能装置通过海底电缆连接至电源控制箱，所述电源控制箱与用电设备连接。利用本发明，不仅结构简易，比传统复杂的波浪能发电装置要节约成本，提高发电效率，也为无人值守、长期工作、受限于电池电量的海洋探测设备提供一种能源补充，延长其工作寿命，获得巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及俘能领域，具体涉及一种基于压电效应的波浪能发电装置。
背景技术
能源对国家建设、科技发展至关重要。作为一个发展中的大国，我国对能源的需求与日俱增。传统的不可再生能源在开发使用过程中，伴随着严重的环境污染问题，制约了经济社会的进一步发展。绿色新型能源以其节能环保可再生等优点，得到了广泛的关注和研究，其终将取代传统能源的统治地位，成为新的主流能源。
绿色清洁的海洋波浪能具有巨大的开发利用潜力。波浪能是一种最易于直接利用、取之不竭的可再生清洁能源，我国万里海岸线蕴藏着7000万千瓦的波浪能，具有广阔的开发利用前景。目前，利用波浪能发电的技术数以千计，按能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类。但大多数波浪能发电装置都存在着结构复杂、成本高、能量转换效率低等诸多问题，大规模波浪能发电的成本还难与常规能源发电竞争，特殊用途的小功率波浪能发电，已在导航灯浮标、灯桩、灯塔等上获得推广应用。
压电材料作为一种力电耦合材料，可以将环境中的机械能转换成电能，用于发电，这一特性即为压电效应。近年来，压电材料得到了广泛研究和长足的发展，已成为绿色新能源的重点研究方向。目前压电技术在很多领域已经得到应用，如充电器、人行道发电、海洋潮汐发电、轮胎检测等。在俘获波浪能的技术领域中，传统波浪能发电装置结构复杂，制备成本高，发电效率较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明设计了一种结构简易、成本低、能量转换效率高，可为海洋探测设备、水文检测设备、导航浮标等设备供电的基于压电效应的波浪能发电装置。
一种基于压电效应的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电装置包括布设在近海海底的压电俘能装置及电源控制箱，所述的压电俘能装置包括压电俘能板以及连接所述的压电俘能板的能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料板，所述压电俘能板内部安装有多个能够随刚性有机材料板的弯曲变形而伸缩的压电薄膜，所述的压电俘能装置连接至电源控制箱；
当压电薄膜层受到波浪荷载作用时，将随着刚性有机材料板一起发生变形，压电薄膜层内部发生极化现象，两个相对表面上会出现正负相反的电荷，电荷通过电极层输出形成电流，从而利用压电效应，将海洋波浪能转换成电能。
进一步地，所述的压电俘能板为多个。
进一步地，压电俘能装置包括一根竖向的圆柱形钢管，多个所述的压电俘能板平行固定连接在所述的圆柱形钢管上。
进一步地，所述的压电俘能板呈正多边形，中心为圆柱形刚性套筒，套筒内侧带有螺纹，所述的压电俘能板通过圆柱形刚性套筒固定在所述的圆柱形钢管上。
进一步地，压电俘能板包括若干个形状相同的沿径向延伸的梯形压电结构单元，压电结构单元等距分布，均匀环绕在圆柱刚性套筒的周向，相邻的压电结构单元间采用高弹性材料层连接，使得有机材料板能在一定范围内沿水平向、竖直方向随波浪摆动。
进一步地，压电结构单元由上到下分为五层，依次是：刚性有机材料板-电极层-压电薄膜层-电极层-柔性防水有机材料层。
进一步地，电极层通过绝缘导线串联，绝缘导线通过刚性套筒预留的孔洞，引入到圆柱形钢管管壁内，汇聚在一起，连接至海底的电源检测装置。
进一步地，所述电源控制箱包括稳压整流装置、储能设备以及变压输出装置，电源检测装置通过海底电缆与稳压整流装置连接，之后通过变压输出装置将可用的电能传输至用电设备，多余的电能则通过变压输出装置传输至电能存储设备进行存储。
本发明的有益效果是：
本发明在近海岸海底，安装了采集海洋波浪能的压电俘能装置，利用压电效应，将波浪能作用在压电结构单元表面的机械能转换成电能，并进行收集和利用，为海洋探测设备、水文检测设备、导航浮标等提供绿色能源；本发明所采用的能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料板和柔性的压电薄膜能够随着波浪的涌动而摆动，极大增加了能量搜集的效率。利用本发明一种基于压电效应的波浪能发电装置，不仅结构简单、易于加工制作、节能环保，比传统复杂的波浪能发电装置要节约成本，提高发电效率，也为无人值守、长期工作、受限于电池电量的海洋探测设备提供一种能源补充，延长其工作寿命，获得巨大的经济效益。
附图说明
图1为波浪能发电装置剖面示意图。
图2为压电结构单元剖面示意图。
图3为单层压电俘能板立体示意图。
图4为多层压电俘能板立体示意图。
图5为波浪能发电装置立体示意图。
图6为电源控制箱示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-6所示，本发明的基于压电效应的波浪能发电装置，要包括两个部分：布设在近海海底的压电俘能装置18及电源控制箱12。压电俘能装置18包括一根安装在近海海底的竖向圆柱形钢管8，单层压电俘能板13中心有一圆柱刚性套筒9，圆柱刚性套筒9内壁上有螺纹19，多个单层压电俘能板13通过圆柱刚性套筒9固定在圆柱形钢管8上，各层压电俘能板13平行于近海海平面，等间距布置，压电俘能板13直接与波浪荷载相接触，承受波浪荷载冲击力的作用。
压电俘能板13呈正多边形，包括若干个形状相同的压电结构单元1，压电结构单元1等距分布，均匀环绕在圆柱刚性套筒9四周，相邻的压电结构单元1间采用高弹性EVA层6连接，使得有机材料板13能在一定范围内沿水平向、竖直方向随波浪摆动。
本实施案例中，压电俘能装置18采用3-4层的压电俘能板13，压电俘能板13呈正24边形，单层压电俘能板13包括了12个压电结构单元1，在其他实施例中，压电俘能装置18的层数和单层压电俘能板13的压电结构单元1的数量取决于实际用电设备的供电需求。
所述的压电结构单元1可分为五层，依次是：刚性有机材料板3-电极层4-PVDF压电薄膜层2-电极层4-柔性防水有机材料层5。本实施案例中，刚性有机材料板3采用能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料，电极层4采用磷铜。PVDF压电薄膜层2的为圆片状，厚度为2mm，直径5mm，呈阵列式排布在压电结构单元1内；电极层4的厚度为1mm，全覆盖于PVDF压电薄膜层2上下两个侧面；性防水有机材料层5厚5mm，将PVDF压电薄膜层2及电极层4完全包裹在刚性有机材料板3之间，形成一个密封的防水空间；刚性有机材料板3厚3mm，各层材料间采用强力胶粘结。PVDF压电薄膜层2能够随刚性有机材料板3的弯曲变形而伸缩。
所述的电极层4通过绝缘导线20串联，绝缘导线20通过刚性套筒9预留的孔洞，引入到圆柱形钢管8的管壁7内，各层压电俘能板13引出的绝缘导线20，通过管壁7汇聚在一起，连接至海底的电源检测装置10。绝缘导线20包覆在柔性有机材料膜之内，防海水侵蚀。
当所述的PVDF压电薄膜层2，受到波浪荷载作用时，将随着刚性有机材料板3一起发生变形，PVDF压电薄膜层2内部会发生极化现象，两个相对表面上会出现正负相反的电荷，电荷通过电极层4输形成电流，通过绝缘导线20传输至海底的电源检测装置10，电源检测装置10通过海底电缆11将电能传输至电源控制箱12，电源控制箱12与用电设备17连接，从而实现了利用压电效应，将海洋波浪能转换成电能，为用电设备17供电的效果。用电设备17可以是海洋探测设备、水文检测设备、导航浮标等相关用电设备。
所述的电源控制箱12包括稳压整流装置14、变压输出装置15以及储能设备16，其中变压输出装置15与用电设备17连接。稳压整流装置14采用通常的稳压整流电路，对压电俘能装置18产生的电能进行稳压整流；变压输出装置15采用通常的变压器，用于与用电设备17的额定电压匹配；储能设备16可以采用一定容量的蓄电装置，将多余的电能存储起来，已备发电量不足时使用。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于压电效应的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电装置包括布设在近海海底的压电俘能装置及电源控制箱，所述的压电俘能装置包括压电俘能板以及连接所述的压电俘能板的能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料板，所述压电俘能板内部安装有多个能够随刚性有机材料板的弯曲变形而伸缩的压电薄膜，所述的压电俘能装置连接至电源控制箱；
当压电薄膜层受到波浪荷载作用时，将随着刚性有机材料板一起发生变形，压电薄膜层内部发生极化现象，两个相对表面上会出现正负相反的电荷，电荷通过电极层输出形成电流，从而利用压电效应，将海洋波浪能转换成电能。
2.根据权利要求1所述的基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，所述的压电俘能板为多个。
3.根据权利要求2所述的基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，压电俘能装置包括一根竖向的圆柱形钢管，多个所述的压电俘能板平行固定连接在所述的圆柱形钢管上。
4.根据权利要求3所述的基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，所述的压电俘能板呈正多边形，中心为圆柱形刚性套筒，套筒内侧带有螺纹，所述的压电俘能板通过圆柱形刚性套筒固定在所述的圆柱形钢管上。
5.根据权利要求1所述的基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，压电俘能板包括若干个形状相同的沿径向延伸的梯形压电结构单元，压电结构单元等距分布，均匀环绕在圆柱刚性套筒的周向，相邻的压电结构单元间采用高弹性材料层连接，使得有机材料板能在一定范围内沿水平向、竖直方向随波浪摆动。
6.根据权利要求1所述的基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，压电结构单元由上到下分为五层，依次是：刚性有机材料板-电极层-压电薄膜层-电极层-柔性防水有机材料层。
7.根据权利要求1所述的基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，电极层通过绝缘导线串联，绝缘导线通过刚性套筒预留的孔洞，引入到圆柱形钢管管壁内，汇聚在一起，连接至海底的电源检测装置。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的波浪发电装置，其特征在于，所述电源控制箱包括稳压整流装置、储能设备以及变压输出装置，电源检测装置通过海底电缆与稳压整流装置连接，之后通过变压输出装置将可用的电能传输至用电设备，多余的电能则通过变压输出装置传输至电能存储设备进行存储。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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