CN201781430U - 船上压电发电装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种船上压电发电装置，涉及压电振动发电技术领域。包括至少一个发电箱体(1)、船体(2)、工作平台(4)；上述发电箱体包括外壳(102)、固定于外壳内侧的支架(103)、安装于外壳内侧的若干悬臂板(105)和质量块(106)；上述悬壁板一端固定在支架(103)上，另一端搭在质量块(106)上并使该端与质量块共同作为悬臂端；多个平行的悬壁板(105)组成一列，至少一列悬臂板共用一个质量块(106)；上述悬壁板两面均粘贴有至少一片压电元件(104)；本实用新型可以将波浪振动机械能转换成电能，提供了一种新的绿色发电装置。

Description

船上压电发电装置
技术领域
本实用新型涉及压电振动发电装置，可以将水面波浪的振动机械能转换成电能，加以存储和利用。
背景技术
随着科学技术的发展和现代化进程的加快，人类对能源的需求与日俱增，造成一次能源消耗直线上升并且在不久的将来被用尽。因此人们把目光纷纷投向地球上最大的能源库之一-海洋，海洋能源是不污染环境的清洁能源，而且是可再生能源，取之不尽、用之不竭。利用海洋中的波浪发电可以为边远海岛和海上设施等提供清洁能源，此外，还可以利用海洋中的波浪发电提供的动力进行海水淡化、从深海提取低温海水进行空调制冷以及制氢等。随着海洋中的波浪发电技术的日渐成熟还可以代替部分常规能源，对于缓解世界所面临的能源紧缺、温室效应和环境污染等都将有着重要的经济社会意义。
波浪能发电的关键技术在于装置系对波浪能的有效吸收，目前研究最多、最有前途的三种装置为：振荡水柱波能装置、摆式波能装置、聚波水库波能装置。
振荡水柱波能装置以空气作为转换的介质，利用压缩气流带动发电机发电。这种装置的优点是转动机构不与海水接触，避免了海水对装置的腐蚀。缺点是二级转换效率低，发电不稳定。
摆式波能装置是通过摆体在波浪力的作用下发生的前后或上下摆动，将波浪能转换为摆轴的动能，带动发电机发电。这种装置的优点是转换效率高，可以方便地与相位控制技术相结合，使波能装置能吸收到装置迎波宽度以外的波浪能。缺点是机械的维护较为困难。
聚波水库波能装置的关键技术是一个喇叭形的聚波器和逐渐变窄的楔形导槽，利用水库和外海间的水头落差驱动水轮发电机组发电。聚波水库波能装置的优点是波能的转换没有活动部件，可靠性好且稳定。不足之处是建造这种电站对地形要求严格，不易推广。
压电发电装置利用压电材料，将周围环境的振动机械能转换成电能，是一种新型的发电技术。中国专利CN 1696499A提出了以波浪为能源动力的压电发电***，压电元件固定于壳体，碰撞机构作为运转振子(主动)，波动时产生变形，产生脉冲电能。这种压电发电***发电量较小，压电元件长期碰撞后，容易损坏。
实用新型内容
本实用新型的目的是将船只的振动机械能转换成电能，储存在储能装置中，为负载供电。由于在广阔的湖面或海面上，船只的振动随处可得，且振动导致压电材料的弯曲变形量较大，本实用新型的发电方法及其***发电量大、应用范围广。
一种船上压电发电装置，其特征在于：包括至少一个发电箱体、船体、工作平台；上述发电箱体、工作平台固定安装在船体上；上述发电箱体和工作平台电路之间用电缆连接；上述发电箱体包括外壳、固定于外壳内侧的支架、安装于外壳内侧的若干悬臂板和质量块；上述悬壁板一端固定在支架上，另一端搭在质量块上并使该端与质量块共同作为悬臂端；多个平行的悬壁板组成一列，至少一列悬臂板共用一个质量块；上述悬壁板两面均粘贴有至少一片压电元件；上述压电元件由第一电极、压电材料、第二电极组成；上述发电压箱体内还安装有将所有压电元件产生的交流电采集起来，并转换成直流电的转换电路；上述工作平台包括用于将发电箱体产生的直流电对储能装置充电，控制充电电压和电流，并防止储能装置对压电元件和太阳能电池板反向充电的充电控制器、用于储存电能并向外供电的储能装置、用于将储能装置储存的直流电转换成交流电的逆变器、工作平台外壳。
所述质量块通过弹性绳索或弹簧与外壳连接。可以起到防止质量块撞到外壳内壁。
所述工作平台中的储能装置为电池、或电容、或飞轮、或超导储能装置。
所述各个发电箱体中的悬臂板和质量块的尺寸不相同，每个箱体中悬臂板的共振频率也不相同。
所述发电箱体、工作平台的中的压电元件表面、电气接头部分经过绝缘处理。
所述粘贴在悬臂板上的每一列压电元件中的各个压电元件尺寸相同，粘贴在悬臂板上的每一排压电元件中的各个压电元件尺寸各不相同。
上述将所有压电元件产生的交流电采集起来并转换成直流电的转换电路具体形式如下：发电箱体中同一悬臂板上的若干压电元件或不同悬臂板上的若干压电元件串联，形成串联模块；若干串联模块并联后，串联一个整流器，再并联一个二极管，形成并联模块；若干个并联模块串联后，再和一个二极管串联，形成分支电路；若干分支电路并联后，组成整个压电发电箱体的转换电路。当其中少数压电元件产生短路、破裂故障时，该结构可以保证整个发电装置能正常工作；同时，该结构还能保证直流电路的单向流动，防止储能装置对压电元件反向充电。
附图说明
图1为本实用新型的装置结构示意图主视图。
图2为本实用新型的第一种发电箱体主视图剖面图。
图3为本实用新型的第一种发电箱体俯视图剖面图。
图4为压电元件结构示意图。
图5为本实用新型的转换电路原理示意图。
图6为本实用新型的工作平台结构示意图。
具体实施方式
下面结合实例例及附图对本实用新型作进一步详细的描述。
图1示出了本实施例的装置结构，本船上压电发电装置，包括若干个发电箱体1和工作平台4；发电箱体1和工作平台4电路之间用电缆3连接。
图2～3描述了本实施例的发电箱体1的内部结构，若干个两面粘贴有多个压电元件104的平行悬臂板105组成一列，悬臂板的一端固定在支架103上，另一端搭在质量块106上，至少一列悬臂板共用一个质量块106；支架103垂直安装在发电箱体的外壳102底部；质量块106的两端通过弹性绳索或弹簧107连接到发电箱体的外壳102上，长度长于静止状态时质量块和发电箱体外壳间的距离，当发电箱体外壳的振幅过大时，可以抑制质量块的振幅，避免压电元件的损坏；转换电路108安装在外壳内部；当发电箱体安装在水面漂浮平台上，随着波浪的振动，发电箱体1也发生上下或左右振动，在自身重量和质量块106的共同作用下，悬臂板105发生交变的弯曲弹性变形，粘贴在悬臂板上下表面的压电元件104也发电交变的拉伸和压缩变形，由于压电效应，压电元件将产生交变的电能，通过转换电路108，整个发电箱体内所有压电元件产生的电能汇集起来并转换成直流电能；当悬臂板振动时，距离支架相同距离处悬臂板表面的应变相同，所以一列110压电元件的尺寸相同，也能产生相同的电量；距离支架不同距离处悬臂板表面的应变也不相同，通过改变一排109压电元件的尺寸，可以使各个压电元件产生相同的电量；悬臂板的弯曲共振频率主要由悬臂板的材料和结构尺寸共同决定，当波浪的振动频率接近悬臂板的弯曲共振频率时，悬臂板的弯曲弹性变形达到极大值，压电元件产生的电量也会达到极大值；由于各个发电箱体中悬臂板的尺寸不同，其弯曲共振频率也不相同，装置可以有效吸收多个频率的波浪振动机械能，实现宽频发电。
图4描述了压电元件的结构，压电元件包括压电材料10402、第一电极10401和第二电极10403。其中的第一电极10401和第二电极10403涂镀在压电材料10402的两面，压电材料10402位于2个电极的中间，类似三明治结构；压电材料的极化方向平行于厚度方向。由于正压电效应，当压电元件受到应力应变时，将在电极上产生电荷和电压。
图5描述了转换电路的转换原理，发电箱体中的若干压电元件104串联，形成串联模块10801；若干串联模块10801并联后，串联一个整流器10803，再并联一个二极管10802，形成并联模块10805；若干个并联模块10805串联后，再和一个二极管10804串联，形成分支电路10806；若干分支电路10806并联后，组成整个压电发电箱体的转换电路10807；通过转换电路，装置可以把波浪的振动机械能转换成直流电能。
图6描述了工作平台的结构，工作平台由外壳402、充电控制器401、储能装置403和逆变器404组成；压电元件产生的交流电能经过转换电路转换成直流电能，通过充电控制器401对储能装置403充电，充电控制器控制充电的电压、电流；储能装置可以直接对直流负载供电，也可以通过逆变器404，把直流电转换成交流电，对交流负载供电，或输入电网。

Claims (7)

1.一种船上压电发电装置，其特征在于：
包括至少一个发电箱体(1)、船体(2)、工作平台(4)；上述发电箱体(1)、工作平台(4)固定安装在船体(2)上；上述发电箱体(1)和工作平台(4)电路之间用电缆(3)连接；
上述发电箱体包括外壳(102)、固定于外壳内侧的支架(103)、安装于外壳内侧的若干悬臂板(105)和质量块(106)；上述悬壁板一端固定在支架(103)上，另一端搭在质量块(106)上并使该端与质量块共同作为悬臂端；多个平行的悬壁板(105)组成一列，至少一列悬臂板共用一个质量块(106)；
上述悬壁板两面均粘贴有至少一片压电元件(104)；上述压电元件(104)由第一电极(10401)、压电材料(10402)、第二电极(0403)组成；
上述发电压箱体内还安装有将所有压电元件产生的交流电采集起来，并转换成直流电的转换电路(108)；
上述工作平台(4)包括用于将发电箱体产生的直流电对储能装置充电，控制充电电压和电流，并防止储能装置对压电元件和太阳能电池板反向充电的充电控制器(401)、用于储存电能并向外供电的储能装置(403)、用于将储能装置储存的直流电转换成交流电的逆变器(404)、工作平台外壳(402)。
2.根据权利要求1所述的船上压电发电装置，其特征在于：上述质量块(106)通过弹性绳索或弹簧(107)与外壳(102)连接。
3.根据权利要求1所述的船上压电发电装置，其特征在于：工作平台(4)中的储能装置(403)为电池、或电容、或飞轮、或超导储能装置。
4.根据权利要求1所述的船上压电发电装置，其特征在于：各个发电箱体中的悬臂板和质量块的尺寸不相同，每个箱体中悬臂板的共振频率也不相同。
5.根据权利要求1所述的船上压电发电装置，其特征在于：发电箱体(1)和工作平台(4)的压电元件表面、电气接头部分经过绝缘处理。
6.根据权利要求1所述的船上压电发电装置，其特征在于：粘贴在悬臂板(105)上的每一列(110)压电元件中的各个压电元件尺寸相同，粘贴在悬臂板(105)上的每一排(109)压电元件中的各个压电元件尺寸各不相同。
7.根据权利要求1所述的船上压电发电装置，其特征在于上述将所有压电元件产生的交流电采集起来并转换成直流电的转换电路(108)具体形式如下：发电箱体中同一悬臂板上的若干压电元件或不同悬臂板上的若干压电元件(104)串联，形成串联模块(10801)；若干串联模块(10801)并联后，串联一个整流器(10803)，再并联一个二极管(10802)，形成并联模块(10805)；若干个并联模块(10805)串联后，再和一个二极管(10804)串联，形成分支电路(10806)；若干分支电路(10806)并联后，组成整个压电发电箱体的转换电路(10807)。
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