一种基于定频自振的波浪能压电发电装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于：包括：发电装置（1）和用于将所述发电装置固定于海面上的固定装置（2）；所述发电装置包括主轴（3），所述主轴（3）上设置有上挡水板（4）和下挡水板（5），所述上挡水板（4）和下挡水板（5）均穿过所述主轴（3）并分别通过上固定轴承（6）和下固定轴承（7）固定于所述主轴（3）上。本发明提供的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，简单有效地实现了波浪能的定频转换，环境与经济效益显著，结构简单，造价便宜，能够实现大规模批量生产，可广泛应用于波浪能发电产业和航标灯等产品生产领域中，实现商业化开发的目的。
【专利说明】一种基于定频自振的波浪能压电发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，属于新能源【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着传统能源的消耗殆尽和生态环境的日益脆弱，以及世界范围内的节能减排要求，开发利用清洁新能源成为了人类当今最为重要的前沿课题之一。蕴藏量大、分布范围广、利用程度低、清洁干净的波浪能成为了新能源开发利用的焦点之一。
[0003]波浪能难以得以充分利用的一个最为重要的限制因素是其混频的特性。波浪并非单一频率，而是由不同频率的波浪混合而成。我国东部沿海地区的波浪频率在0.Γ0.5Hz之间，传统波浪能发电装置的发电频率决定于波浪频率，而应用于实际生产生活中的电能频率是固定的，这就需要对波浪能发电得到的电能进行变频或者滤波。人们通过电学等物理手段实现了波浪能定频发电，但是变频或滤波仪器造价很高，不便于波浪能的产业化生产。如何简单、经济地实现波浪能定频发电成为了首要任务。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种不使用变频或滤波仪器，就能够将混合频率的波浪能发电方式转化为波浪能的定频发电方式，实现了波浪能的定频开发，有效降低波浪能发电过程中频率转换的成本；进一步地，本发明利用U型双压电片悬臂发电梁代替普通的一字型悬臂梁，能够有效地提高电能收集和发电效率，增大发电功率；更进一步地，本发明采用先进的U型压电陶瓷贴于悬臂发电梁外面，能够产生更多的电能，提高电能汇集效率。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:包括:发电装置和用于将所述发电装置固定于海面上的固定装置；所述发电装置包括主轴，所述主轴上设置有上挡水板和下挡水板，所述上挡水板和下挡水板均穿过所述主轴并分别通过上固定轴承和下固定轴承固定于所述主轴上，所述主轴包括内轴和长度小于所述内轴并包覆于所述内轴外的外轴，所述外轴下端与振动浮子固定连接，所述振动浮子的上表面紧贴设置下固定套环，所述下固定套环固定设置于所述外轴上，所述下固定轴承的两端对称设置有上固定套环和所述下固定套环，位于下固定套环上方的所述外轴上设置有永磁体，所述永磁体的周围设置有若干悬臂发电梁，所述悬臂发电梁的一端穿过内壳，所述内壳密闭固定于所述上挡水板和下挡水板的外面，所述内壳外设置有外壳，所述外壳的四周设置有若干固定浮子。
[0006]所述永磁体和上固定套环均设置于所述上挡水板和下挡水板之间。
[0007]所述外轴可带动所述下固定套环、上固定套环、永磁体和振动浮子在波浪的作用下，上下往复运动。
[0008]所述内轴、上挡水板和下挡水板均固定不动，所述下固定套环和上固定套环用于限定所述外轴的运动范围，当外轴向上运动时，由下固定套环限定外轴向上运动的幅度，当外轴向下运动时，由上固定套环限定外轴向下运动的幅度，所述振动浮子用于承受波浪的波动，带动外轴、下固定套环、上固定套环和永磁体随着波浪的运动而运动。
[0009]所述内轴限定了外轴的径向运动方向。
[0010]所述上挡水板固定于所述内轴上，所述下挡水板固定于所述外轴上，静止时，所述外轴的顶端与上固定轴承的下表面的距离大于所述下固定套环或上固定套环与所述下固定轴承之间的距离。
[0011]所述内壳和外壳的上下两端均密闭连接，所述外壳上方设置有防止进水的隔板。
[0012]所述内轴的顶端与所述隔板固定连接。
[0013]所述永磁体包括圆形永磁体。
[0014]所述圆形永磁体包括正N边形不锈钢体和N个第一方形磁铁，所述正N边形不锈钢体有N个第一插口，所述第一方形磁铁安装在所述第一插口处，所述圆形永磁体穿过并固定于所述外轴上。
[0015]所述悬臂发电梁包括U型双压电片悬臂发电梁，所述U型双压电片悬臂发电梁包括U型压电陶瓷、U型不锈钢体和第二方形磁铁，所述U型压电陶瓷贴在U型不锈钢体的外面，所述U型不锈钢体一端设置有第二插口，所述第二方形磁铁安装在所述第二插口处，所述U型压电陶瓷外连接有电线，所述电线连接到蓄电装置，将产生的电能汇集到所述蓄电装置，所述悬臂发电梁的个数为N个，所述第二方形磁铁与所述第一方形磁铁正对，所述第二方形磁铁的相对端穿过所述内壳并与所述内壳紧密连接。
[0016]所述N个为至少4个。
[0017]所述U型双压电片悬臂发电梁的U型槽位于下方，U型两端位于上方放置并与所述圆形永磁体位于同一水平面，即U型开口向上。
[0018]所述振动浮子包括一体连接的上部圆柱体和下部圆柱体，所述上部圆柱体上表面与下固定套环紧密连接，所述上部圆柱体的直径小于所述下部圆柱体的直径，所述下部圆柱体的直径小于等于所述内壳的内径。
[0019]所述固定浮子与所述外壳固定连接，所述固定浮子与所述固定装置相连，所述固定浮子的个数为至少3个。
[0020]所述固定装置包括锚链和固定锚索，所述固定浮子底端连接所述锚链，所述锚链另一端与所述固定锚索相连，所述固定锚索固定于海底，将所述发电装置固定在海面上。
[0021]本发明的工作原理为:本发明通过波浪的上下运动，带动振动浮子随波浪上下振动，振动浮子连接的外轴带动圆形永磁体上下运动，通过磁力给U型双压电片悬臂发电梁的自由端部(即未与内壳固定的一端，亦即第二方形磁铁端)初始荷载，U型双压电片悬臂发电梁按照自振频率(固定频率)振动，使U型双压电片悬臂发电梁整体发生应变。并将以自身的固定频率进行振动，即获自振频率，该频率在尺寸、横截面、材料一定的情况下，是一个定值，从而将变频发电转化为定频发电。根据压电原理，布在悬臂梁上的压电片利用悬臂梁上的定频应变就能够实现定频发电的目标。初始荷载使所述U型双压电片悬臂发电梁发生形变，该形变所产生的能量，通过贴在变形梁外侧的压电陶瓷进行收集，从而进行利用。
[0022]本发明提供的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，外轴带动永磁体随波浪上下往复运动，在波浪的上下往复运动时通过磁力使U型双压电片悬臂发电梁产生形变，具有能够间接使波能转化为电能的优点，又将不同频率的波浪能进行变频，得到固定频率的电能，大大降低了通过物理手段进行变频或滤波的高昂成本，提高发电装置的利用价值；本发明开创性的提出了波浪能压电发电装置的设想，将悬臂梁定频自振特性和压电发电技术有效结合，通过改变结构自身的属性，使混合频率的波浪能发电方式转化为波浪能的定频发电方式，实现了波浪能的定频开发，有效降低波浪能发电过程中频率转换的成本；利用U型双压电片悬臂发电梁代替普通的一字型悬臂梁，有效地提高了电能收集和发电效率，增大发电功率，并且得到的波浪能可再生，取之不及，用之不竭，价格低廉，在全球能源渐趋枯竭，环境压力日益沉重的时代背景下，充分利用波浪能是发展的新趋势；圆形永磁体和U型双压电片悬臂发电梁的设置，在振动浮子的带动下，通过圆形永磁体上下运动产生的磁力使悬臂梁发生形变，使混合频率的波浪能转化为波浪能的固定频率的电能，解决了波浪运动的间歇性造成的混合频率电能输出问题，故本发明能够输出固定频率的电能；本发明以压电陶瓷收集U型双压电片悬臂发电梁的变形能，该压电陶瓷技术成熟，能够有效提高收集电能的效率，又造价便宜，和普通陶瓷价格差异小，故十分适合于该发电装置。本发明提供的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，简单有效地实现了波浪能的定频转换，环境与经济效益显著，结构简单，造价便宜，能够实现大规模批量生产，可广泛应用于波浪能发电产业和航标灯等产品生产领域中，实现商业化开发的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明中发电装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明中U型双压电片悬臂发电梁的工作原理示意图；
图4为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025]如图广4所示，一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:包括:发电装置I和用于将所述发电装置固定于海面上的固定装置2 ;所述发电装置包括主轴3，所述主轴3上设置有上挡水板4和下挡水板5，所述上挡水板4和下挡水板5均穿过所述主轴3并分别通过上固定轴承6和下固定轴承7固定于所述主轴3上，所述主轴3包括内轴8和长度小于所述内轴8并包覆于所述内轴8外的外轴9，所述外轴9下端与振动浮子10固定连接，所述振动浮子10的上表面紧贴设置下固定套环11，所述下固定套环11固定设置于所述外轴9上，所述下固定轴承7的两端对称设置有上固定套环19和所述下固定套环11，位于上固定套环19上方的所述外轴9上设置有永磁体12，所述永磁体12的周围设置有若干悬臂发电梁13，所述悬臂发电梁13的一端穿过内壳14，所述内壳14密闭固定于所述上挡水板4和下挡水板5的外面,所述内壳14外设置有外壳15,所述外壳15的四周设置有若干固定浮子16。
[0026]所述上挡水板4固定于所述内轴8上，所述下挡水板5固定于所述外轴9上，静止时，所述外轴9的顶端与上固定轴承6的下表面的距离大于所述下固定套环11或上固定套环19与所述下固定轴承7之间的距离。
[0027]所述内壳14和外壳15的上下两端均密闭连接，所述外壳15上方设置有防止进水的隔板28。
[0028]所述内轴8的顶端与所述隔板28固定连接。
[0029]所述永磁体12包括圆形永磁体。
[0030]所述圆形永磁体包括正N边形不锈钢体17和N个第一方形磁铁18，所述正N边形不锈钢体17有N个第一插口，所述第一方形磁铁18安装在所述第一插口处，所述圆形永磁体穿过并固定于所述外轴9上。
[0031 ] 所述悬臂发电梁13包括U型双压电片悬臂发电梁，所述U型双压电片悬臂发电梁包括U型压电陶瓷20、U型不锈钢体21和第二方形磁铁22，所述U型压电陶瓷20贴在U型不锈钢体21的外面，所述U型不锈钢体21 —端设置有第二插口，所述第二方形磁铁22安装在所述第二插口处，所述U型压电陶瓷20外连接有电线23，所述电线23连接到蓄电装置，将产生的电能汇集到所述蓄电装置，所述U型双压电片悬臂发电梁13的个数为N个，所述第二方形磁铁22与所述第一方形磁铁18正对，所述第二方形磁铁22的相对端穿过所述内壳14并与所述内壳14紧密连接。
[0032]所述N个为8个。
[0033]所述振动浮子10包括一体连接的上部圆柱体24和下部圆柱体25，所述上部圆柱体24上表面与下固定套环11紧密连接，所述上部圆柱体24的直径小于所述下部圆柱体25的直径，所述下部圆柱体25的直径小于等于所述内壳14的内径。
[0034]所述固定浮子16与所述外壳15固定连接，所述固定浮子16与所述固定装置2相连，所述固定浮子16的个数为3个。
[0035]所述固定装置2包括锚链26和固定锚索27，所述固定浮子16底端连接所述锚链26，所述锚链26另一端与所述固定锚索27相连，所述固定锚索27固定于海底，将所述发电装置I固定在海面上。
[0036]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:包括:发电装置(I)和用于将所述发电装置固定于海面上的固定装置(2);所述发电装置包括主轴(3)，所述主轴(3)上设置有上挡水板(4)和下挡水板(5)，所述上挡水板(4)和下挡水板(5)均穿过所述主轴(3)并分别通过上固定轴承(6)和下固定轴承(7)固定于所述主轴(3)上，所述主轴(3)包括内轴(8 )和长度小于所述内轴(8 )并包覆于所述内轴(8 )外的外轴(9 )，所述外轴(9 )下端与振动浮子(10)固定连接，所述振动浮子(10)的上表面紧贴设置下固定套环(11 )，所述下固定套环(11)固定设置于所述外轴(9)上，所述下固定轴承(7)的两端对称设置有上固定套环(19)和所述下固定套环(11)，位于上固定套环(19)上方的所述外轴(9)上设置有永磁体(12)，所述永磁体(12)的周围设置有若干悬臂发电梁(13)，所述悬臂发电梁(13)的一端穿过内壳(14)，所述内壳(14)密闭固定于所述上挡水板(4)和下挡水板(5)的外面，所述内壳(14)外设置有外壳(15)，所述外壳(15)的四周设置有若干固定浮子(16)。
2.根据权利要求1所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述上挡水板(4)固定于所述内轴(8 )上，所述下挡水板(5 )固定于所述外轴(9 )上；静止时，所述外轴(9)的顶端与上固定轴承(6)的下表面的距离大于所述下固定套环(11)或上固定套环(19 )与所述下固定轴承(7 )之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述内壳(14)和外壳(15)的上下两端均密闭连接，所述外壳(15)上方设置有防止进水的隔板(28)。
4.根据权利要求3所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述内轴(8)的顶端与所述隔板(28)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述永磁体(12)包括圆形永磁体。
6.根据权利要求5所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述圆形永磁体包括正N边形不锈钢体(17)和N个第一方形磁铁(18)，所述正N边形不锈钢体(17)有N个第一插口，所述第一方形磁铁(18)安装在所述第一插口处，所述圆形永磁体穿过并固定于所述外轴(9)上。
7.根据权利要求6所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述悬臂发电梁(13)包括U型双压电片悬臂发电梁，所述U型双压电片悬臂发电梁包括U型压电陶瓷(20 )、U型不锈钢体(21)和第二方形磁铁(22 )，所述U型压电陶瓷(20 )贴在U型不锈钢体(21)的外面，所述U型不锈钢体(21)—端设置有第二插口，所述第二方形磁铁(22)安装在所述第二插口处，所述U型压电陶瓷(20)外连接有电线(23)，所述电线(23)连接到蓄电装置，将产生的电能汇集到所述蓄电装置，所述悬臂发电梁(13)的个数为N个，所述第二方形磁铁(22)与所述第一方形磁铁(18)正对，所述第二方形磁铁(22)的相对端穿过所述内壳(14)并与所述内壳(14)紧密连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述振动浮子(10)包括一体连接的上部圆柱体(24)和下部圆柱体(25)，所述上部圆柱体(24)上表面与下固定套环(11)紧密连接，所述上部圆柱体(24)的直径小于所述下部圆柱体(25)的直径，所述下部圆柱体(25)的直径小于等于所述内壳(14)的内径。
9.根据权利要求1所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述固定浮子(16)与所述外壳(15)固定连接，所述固定浮子(16)与所述固定装置(2)相连，所述固定浮子(16)的个数为至少3个。
10.根据权利要求1或9所述的一种基于定频自振的波浪能压电发电装置，其特征在于:所述固定装置(2)包括锚链(26)和固定锚索(27)，所述固定浮子(16)底端连接所述锚链(26)，所述锚链(26)另一端与所述固定锚索(27)相连，所述固定锚索(27)固定于海底，将所述发电装置(I)固定在海面上。
【文档编号】F03B13/14GK104362899SQ201410625565
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】朱泽, 罗晓丽, 徐伟, 郝梦茹, 蔡庆拟, 顾雯, 胡涛, 陈喜 申请人:河海大学