CN111980845A - 一种波浪能转换装置及转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于波浪振动发电装置技术领域，具体涉及一种波浪能转换装置，包括传动摆杆、固定座以及安装于固定座之上的传动机构及能量收集机构，能量收集机构包括磁致伸缩片、感应线圈、永磁铁及导磁外壳，感应线圈缠绕于磁致伸缩片上，永磁铁设于感应线圈的两侧并固定于导磁外壳内；传动机构包括传动轴、激励轴及激励摆杆，激励摆杆固定于激励轴上，传动摆杆固定于传动轴上，传动轴与激励轴之间通过齿轮转动配合；当波浪带动传动摆杆摆动时，传动摆杆带动传动轴运动，并联动激励轴转动，以使激励摆杆下压磁致伸缩片，引起磁致伸缩片产生应变，在磁场的作用下，应力变化引起磁感应强度的变化，感应线圈产生电动势，以实现能量转换。

Description

一种波浪能转换装置及转换方法

技术领域

本发明属于波浪振动发电装置技术领域，具体涉及一种波浪能转换装置及转换方法。

背景技术

当今世界，随着化石能源等不可再生的传统型能源不断被开采利用，能源变得越来越紧缺，因此新能源的开发变得极为重要，但目前较为广泛的太阳能、风能等新型能源易受环境、天气以及地域等诸多方面的限制。波浪能作为海洋和江、河流域中广泛存在的一种绿色可再生能源，其储量大、分布广，而且不受自然条件的限制。在海洋和江、河流域中，不仅自然风的吹拂会产生波浪，而且通行来往的客船、货船，渡船等也会引起波浪，其会增加波浪产生的频率，因此波浪能是一种极具潜力的新型能源。

目前随着无线传感器技术的日益发展，无线传感器在海洋和江河流域上的应用呈上升趋势，由于无线传感器的传统供电以蓄电池为主，存在电池体积大、环境污染和持续供电时间短等问题。所以解决无线传感器的供能成为海洋和江河上传感器普及应用的重要问题，通过收集周围环境中的能量并转换成电能是一种替代传统供电方式的有效方式。

现有技术中波浪振动能量收集技术，主要方法可分为电磁式、压电式、机械式和磁致伸缩式。例如专利申请号为202010047356.6的专利文献公开了一种全向压电电磁复合式波浪能采集装置，在内部结构的底面放置线圈，四周安装环绕形立式压电片，通过摆锤全方向自由摆动作为激励方式的球形漂浮式能量采集装置。但是，该装置中的电磁式收集结构较大、输出电压不高，而且压电片自身较脆，摆锤的摆动幅度不受限制往往对装置产生强烈的冲击，在海平面这种复杂的环境中适应能力差，严重影响该装置的使用寿命。

又如专利申请号为201520838551.5的专利文献公开了一种近岸机械式波浪能量收集装置，通过浮水装置与齿轮、棘轮等传动机构的配合驱动发电机发电，环境适应能量较好，但是，该装置采用纯机械装置，总体结构较为复杂，对制造和安装精度有较高的要求，不适用与水平面较为平静的情况，限制了装置的应用。

磁致伸缩式是基于磁致伸缩材料的性能来实现的，即磁致伸缩材料在受力或者产生应变的情况下，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，故将机械能先转换成磁能，再将磁能转换为电能。磁致伸缩材料大多采用压电材料、Terfenol-D等，但是材料价格昂贵，抗拉强度差，而普通的压电材料具有硬脆性或者能量转化率较低。如果采用磁致伸缩材料Galfenol通过能量收集装置将波浪能转化为电能，将有助于解决传感器和指示灯远距离能量供给难、成本高等问题，并能节约能源，是能量收集技术的新的应用领域。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种波浪能转换装置，包括传动摆杆、固定座以及安装于固定座之上的传动机构及能量收集机构，所述能量收集机构包括磁致伸缩片、感应线圈、永磁铁及导磁外壳，感应线圈缠绕于磁致伸缩片上，永磁铁设于感应线圈的两侧并固定于导磁外壳内；磁致伸缩片固定连接线性弹簧，线性弹簧固定于固定座之上；传动机构包括传动轴、激励轴及激励摆杆，激励摆杆固定于激励轴上，传动摆杆固定于传动轴上，传动轴与激励轴之间通过齿轮转动配合；当波浪带动传动摆杆摆动时，传动摆杆带动传动轴运动，并联动激励轴转动，以使激励摆杆下压磁致伸缩片，引起磁致伸缩片产生应变，在磁场的作用下，应力变化引起磁感应强度的变化，感应线圈产生电动势，以实现能量转换。

作为优选方案，所述磁致伸缩片的一端固定于固定座的侧壁之上，另一端凸出于导磁外壳之外，以形成悬臂梁。

作为优选方案，所述固定座之上固定安装第一支架、第二支架及第三支架，传动轴安装于第一支架上，并与第一支架转动配合；激励轴安装于第二支架上，并与第二支架转动配合；导磁外壳固定于第三支架上，导磁外壳的端部与固定座的侧壁固定连接。

作为优选方案，所述传动轴的一端连接传动摆杆，另一端通过平键连接完全齿轮，激励轴通过平键连接不完全齿轮，不完全齿轮与完全齿轮相互啮合；当激励摆杆超过预设的摆动区间时，完全齿轮与不完全齿轮进入非啮合区，以对应激励摆杆允许的摆动区间。

作为优选方案，所述激励摆杆的一端与激励轴固定连接，另一端固定连接钢球，钢球与磁致伸缩片接触配合。

作为优选方案，所述固定座的侧壁及底壁设有凹槽，凹槽内插接配合密封壳，并安装密封条进行密封。

作为优选方案，所述传动轴凸出于密封壳之外，传动轴与密封壳通过轴承固定连接，并安装密封圈进行密封。

作为优选方案，所述磁致伸缩片为Galfenol薄片，Galfenol薄片的底面包覆有铍青铜片，并通过环氧树脂与Galfenol薄片相连接。

作为优选方案，所述固定座的侧壁固定连接支座。

如上述任一项方案所述的一种波浪能转换装置的转换方法，包括以下步骤：

S1、波浪带动传动摆杆运动，传动摆杆带动传动轴运动，并联动激励轴转动，激励轴联动激励摆杆摆动，以使激励摆杆下压磁致伸缩片，引起磁致伸缩片形变，并使线性弹簧被压缩；

S2、在线性弹簧恢复力作用下，磁致伸缩片恢复原状，磁致伸缩片内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转；

S3、永磁体为能量收集机构提供偏置磁场，偏置磁场与应力共同作用，使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向，磁致伸缩片内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，感应线圈的磁感应强度发生改变；

S4、变化的磁感应强度在感应线圈中产生感应电动势；

S5、电能通过导线传输至用电设备。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明通过将波浪能中的动能和势能转换为机械能，并将机械能转换为电能存储起来，为岸边的水文检测传感器和指示灯供能，这样节约外部电源的供给，将成为一个节能环保的新能源。

2、本发明采用不完全齿轮对激励摆杆的最大摆动幅度进行限制，避免了因波浪太大导致激励摆杆对能量收集机构的强冲击。

3、本发明稳定性好、环境适应能力强，采用密封的方式，在雨天、等恶劣环境均能正常工作，而且安装在岸边可以免受海水的腐蚀。

4、本发明可靠性高、寿命长、能量转换效率高，基于磁致伸缩式能量收集技术，其相比于压电式和电磁式具有良好的耐压性和抗疲劳性，机电耦合系数高。

5、本发明结构简单、易于加工、方便安装与回收、适用范围广。

附图说明

图1是本发明实施例一的波浪转换装置的内部装配示意图；

图2是本发明实施例一的波浪转换装置的整体安装结构示意图；

图3是本发明实施例一的波浪转换装置的能量收集机构整体剖面示意图；

图4是本发明实施例二的波浪转换装置与支座的安装示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例一：

如图1至图3所示，本实施例提供一种波浪能转换装置，包括传动摆杆3、固定座1以及固定安装于固定座1之上的传动机构及能量收集机构2。

能量收集机构2包括磁致伸缩片、感应线圈2-3、永磁体2-4及导磁外壳2-5，其中，磁致伸缩片为Galfenol薄片2-1，Galfenol薄片2-1的底面包覆有铍青铜片2-2，磁致伸缩片的一端固定于固定座1的侧壁之上，另一端凸出于导磁外壳2-5之外，以形成悬臂梁。Galfenol薄片2-1与铍青铜片2-2通过环氧树脂进行粘合连接，这样使磁致伸缩片悬臂梁能够承受较大弯曲幅度。感应线圈2-3缠绕于磁致伸缩片上，永磁铁2-4设于感应线圈2-3的两侧并固定于导磁外壳2-5内。感应线圈2-3直接缠绕在磁致伸缩片悬臂梁上，这样可以降低磁致伸缩片悬臂梁与感应线圈2-3间的空隙减少能量损失；永磁铁2-4通过磁力粘结的方式固定在导磁外壳2-5的上顶面和下顶面，偏置磁场采用的是永磁铁2-4上下摆放的形式。

传动机构包括传动轴4、激励轴5及激励摆杆6，激励摆杆6固定于激励轴5上，传动摆杆3固定于传动轴4上，传动轴4与激励轴5之间通过齿轮转动配合。传动轴4的两端分别固定连接传动摆杆3与完全齿轮41，激励轴5固定连接不完全齿轮51，不完全齿轮51与激励轴5之间通过平键连接；完全齿轮41与传动轴4之间通过平键连接。不完全齿轮51与完全齿轮41之间相互啮合。当风浪过大，超过激励摆杆6允许的摆动区间时，传动轴4的完全齿轮41与激励轴5的不完全齿轮51进入非啮合区，激励轴5与传动轴4发生打滑，以对应激励摆杆6允许的摆动范围。通过不完全齿轮51对激励摆杆6的最大摆动幅度进行限制，避免了因波浪太大导致激励摆杆6对能量收集机构的强冲击。

固定座1之上固定安装第一支架11、第二支架12及第三支架13，传动轴4安装于第一支架11上，第一支架与固定座1下端面通过螺纹进行连接固定；传动轴4与第一支架通过轴承进行连接固定。激励轴5安装于第二支架12上，并与第二支架12转动配合；第二支架与固定座1通过螺纹的方式进行连接固定；激励轴5与第二支架12通过轴承进行连接固定。导磁外壳2-5固定于第三支架13上，导磁外壳2-5的端部与固定座1的侧壁固定连接。第三支架13的上表面与导磁外壳2-5的下表面通过焊接的方式进行固定，第三支架13的下端与固定座1的下端面通过螺纹进行连接固定。

磁致伸缩片固定连接线性弹簧14，线性弹簧14固定于固定座1之上。将缠绕好感应线圈2-3的磁致伸缩片悬臂梁通过螺纹连接的方式固定于固定座1的侧壁；导磁外壳2-5穿过磁致伸缩片悬臂梁安装在固定座1侧壁的方形凹槽内，这样方便装置的拆卸。线形弹簧14的下端与固定座1的下端面通过凹槽孔进行旋进去固定，线性弹簧14的上端与磁致伸缩片悬臂梁通过线捆绑的方式进行固定，这样可以避免不可预测的冲击。

激励摆杆6的一端与激励轴5固定连接，另一端固定连接钢球61，钢球61与磁致伸缩片接触配合。激励摆杆6与钢球61通过焊接的方式进行连接固定；激励摆杆6与激励轴5通过螺栓螺母进行固定连接。

固定座1的侧壁及底壁设有凹槽，凹槽内插接配合密封壳7，并安装密封条进行密封。传动轴4凸出于密封壳7之外，传动轴4与密封壳7通过轴承固定连接，并安装密封圈进行密封。其中，密封壳7的右端面与传动轴4之间通过滚动轴承进行固定并使用滚动轴承密封圈进行密封；传动摆杆3与传动轴4通过螺栓和螺母进行连接固定。

本实施例的能量收集机构采用磁致伸缩式，材料选用Galfenol薄片，对海洋和江河流域岸边的波浪能进行转换收集，并将收集的能量储存起来为岸边的传感器和指示灯进行供能，此方式是一个节能环保的好方法。

Galfenol薄片为具有更加优异的性能，价格低廉，有着更好的延展性、高抗拉强度和耐压性，其良好的耐压性可以完美的克服PZT容易产生应力疲劳的缺点。Galfenol薄片材料的机电耦合系数K₃₃约为0.5，而普通的压电材料PVDF的机电耦合系数K₃₃约为0.1，Galfenol薄片材料的能量转化率高于PVDF材料，相对于压电材料也更灵敏，对小振幅的振动也可产生较高的电压。

工作原理：

当风吹拂水面和轮船经过时都会引起水平面产生波浪，波浪中的动能和势能会推动波浪能转换装置中的传动摆杆摆动，传动摆杆会带动传动轴转动，从而使完全齿轮与不完全齿轮发生啮合，激励轴上连接的激励摆杆通过齿轮之间的相互转动，会随激励轴的转动发生一定幅度的上下摆动，激励摆杆的上下摆动会使其上面的钢球击打能量收集机构中的磁致伸缩片悬臂梁，为了避免因激励摆杆摆动幅度过大而损坏悬臂梁，对激励摆杆上下摆动的幅度通过不完全齿轮进行限制，当摆动幅度超过限制范围时，不完全齿轮与完全齿轮之间将发生滑动。能量收集机构中的磁致伸缩片为Galfenol薄片，在Galfenol薄片下面增加一层铍青铜片弹性基底层，可以使磁致伸缩片悬臂梁承受较大的弯曲变形，从而可以很好的保护能量收集机构。当激励摆杆上的钢球击打磁致伸缩片时，会使磁致伸缩片弯曲变形，并使悬臂梁下方的线性弹簧产生压缩，钢球抬起离开时，在线性弹簧回复力作用下，磁致伸缩片回复原形，如此反复，磁致伸缩片不断弯曲形变。当水面平静没有波浪时，波浪能转换装置中激励摆杆上面的钢球会压在能量收集机构中的磁致伸缩片悬臂梁上，使磁致伸缩片产生一定的弯曲变形，磁致伸缩片内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转。永磁体为能量收集机构提供偏置磁场，磁致伸缩片悬臂梁在导磁外壳中的永久磁铁产生的偏置磁场的作用下，当受到应力自身发生弯曲变形时，根据磁致伸缩材料的Villari效应，材料应力状态的改变会引起材料感应强度的变化，偏置磁场使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向，磁致伸缩片内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，此时缠绕在磁致伸缩片上的感应线圈内的磁通量会发生改变，感应线圈的磁感应强度发生改变。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁感应强度会在感应线圈中会产生感应电动势，从而实现从波浪能到机械能再到电能的转换。转换的电能可以为无线传感器供电或其它的元件供能。

由于本实施例的波浪能转换装置体积较小，为了安装方便可以将其以螺纹的连接方式安装在海面上的浮标上，本实施例的波浪能转换装置通过对波浪能的转换与收集为岸边的水文监测传感器或岸边指示灯进行供能。

本实施例还提供一种波浪能转换装置的转换方法，包括以下步骤：

S1、波浪带动传动摆杆运动，传动摆杆带动传动轴运动，并联动激励轴转动，激励轴联动激励摆杆摆动，以使激励摆杆下压磁致伸缩片，引起磁致伸缩片形变，并使线性弹簧被压缩；

S2、在线性弹簧恢复力作用下，磁致伸缩片恢复原状，磁致伸缩片内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转；

S3、永磁体为能量收集机构提供偏置磁场，偏置磁场和应力共同作用，使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向，磁致伸缩片内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，感应线圈的磁感应强度发生改变；

S4、变化的磁感应强度在感应线圈中产生感应电动势；

S5、电能通过导线传输至用电设备。

实施例二：

本实施例提供的一种波浪能转换装置与实施例一的不同之处在于：

如图4所示，本实施例中固定座的侧壁固定连接支座8。将波浪能转换结构与支座通过螺栓、螺母连接固定，然后将其放置在岸边适当的水深处。这种对于没有堤壁的水流域，方便进行能量的转换与收集，而且安装方便、适用范围广。对于有堤壁的流域，将波浪能转换装置通过螺孔与堤壁上安装的膨胀栓通过螺母进行连接固定，安装高度可根据江河的实际环境情况而定。

其它具体结构及实施步骤可以参考实施例一。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种波浪能转换装置，其特征在于，包括传动摆杆、固定座以及安装于固定座之上的传动机构及能量收集机构，所述能量收集机构包括磁致伸缩片、感应线圈、永磁铁及导磁外壳，感应线圈缠绕于磁致伸缩片上，永磁铁设于感应线圈的两侧并固定于导磁外壳内；磁致伸缩片固定连接线性弹簧，线性弹簧固定于固定座之上；传动机构包括传动轴、激励轴及激励摆杆，激励摆杆固定于激励轴上，传动摆杆固定于传动轴上，传动轴与激励轴之间通过齿轮转动配合；当波浪带动传动摆杆摆动时，传动摆杆带动传动轴运动，并联动激励轴转动，以使激励摆杆下压磁致伸缩片，引起磁致伸缩片产生应变，在磁场的作用下，应力变化引起感应强度的变化，感应线圈产生电动势，以实现能量转换。

2.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述磁致伸缩片的一端固定于固定座的侧壁之上，另一端凸出于导磁外壳之外，以形成悬臂梁。

3.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述固定座之上固定安装第一支架、第二支架及第三支架，传动轴安装于第一支架上，并与第一支架转动配合；激励轴安装于第二支架上，并与第二支架转动配合；导磁外壳固定于第三支架上，导磁外壳的端部与固定座的侧壁固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述传动轴的一端连接传动摆杆，另一端通过平键连接完全齿轮，激励轴通过平键连接不完全齿轮，不完全齿轮与完全齿轮相互啮合；当激励摆杆超过预设的摆动区间时，完全齿轮与不完全齿轮进入非啮合区，以对应激励摆杆允许的摆动区间。

5.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述激励摆杆的一端与激励轴固定连接，另一端固定连接钢球，钢球与磁致伸缩片接触配合。

6.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述固定座的侧壁及底壁设有凹槽，凹槽内插接配合密封壳，并安装密封条进行密封。

7.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述传动轴凸出于密封壳之外，传动轴与密封壳通过轴承固定连接，并安装密封圈进行密封。

8.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述磁致伸缩片为Galfenol薄片，Galfenol薄片的底面包覆有铍青铜片，并通过环氧树脂与Galfenol薄片相连接。

9.根据权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述固定座的侧壁固定连接支座。

10.如权利要求1-9任一项所述的一种波浪能转换装置的转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、波浪带动传动摆杆运动，传动摆杆带动传动轴运动，并联动激励轴转动，激励轴联动激励摆杆摆动，以使激励摆杆下压磁致伸缩片，引起磁致伸缩片形变，并使线性弹簧被压缩；

S2、在线性弹簧回复力作用下，磁致伸缩片恢复原状，磁致伸缩片内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转；

S3、永磁体为能量收集机构提供偏置磁场，偏置磁场与应力共同作用，使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向，磁致伸缩片内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，感应线圈的磁感应强度发生改变；

S4、变化的磁感应强度在感应线圈中产生感应电动势；

S5、电能通过导线传输至用电设备。

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