用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，该装置外形为圆柱体结构，由传动轴组件、上端盖、连接板、支撑板、压板、被压板、底板、下端盖、舱体、储能单元和水密连接器组成，采用传动轴传递波浪和海流等海水运动产生的能量，并通过压电换能片将这些能量转化为电能。压电换能片安装在被压板上，该装置通过多个压电换能片的串并联来提高电能输出功率。该装置输出的电能存储在储能单元内并通过水密连接器原位供电给海底仪器。该装置适用于海底到海面的整个海洋环境，应用范围广、可靠性高。
【专利说明】
用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置
技术领域
[0001]本发明属于海底观测技术领域，涉及一种用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，主要利用波浪和海流等海水运动引起的振动作用于压电材料，进而实现压电能量的原位收集。
【背景技术】
[0002]传统的海洋观测方式主要是船基考察。通过船只布放的自容式或锚系式着底器只能支持少量海底设备的短期供电，需要较为频繁的定期维护。各类水下机器人也是依靠自带的电池供电，无法长期蹲守深海。而海底观测网可实现海底仪器的长期供电。然而，海底观测网输送到海底的电能总是有限的。在海底观测网的生命周期里，随着海底仪器的种类和数量不断增加，观测网的海底负荷将会越来越重。为了维持观测网运行稳定，当海底负荷过重时，某些仪器必须被暂时切除；当观测网上的某些水密缆损坏而接海短路时，相关仪器必须暂时断电并等待维修；当观测网接口不足或观测点距离较远时，所需仪器暂时无法直接连接至观测网。
[0003]实际上，海洋本身蕴含着极为丰富的清洁无污染、可循环再生的能量来源，特别是波浪和海流等海水活动引起的振动无处不在，可利用压电换能装置实现振动能量的收集。若能利用这些无处不在的海水振动能量实现海底仪器的自供电，就能大大增强整个海底观测网在生命周期内的实际观测能力。现有国内外海水振动能量收集装置的缺点是:仅能收集海水表面的波浪能，因此其使用场合局限于海水表面;装置体积大，对布放要求高，可靠性低，使用不便;难以应用于海底仪器的供电。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，利用海水活动引起的振动带动压电材料形变，利用正压电效应产生电能，实现海底仪器的自供电。
[0005]本发明的技术方案是:
用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，包括传动轴组件110、上端盖120、第二连接板130、支撑板140、压板150、被压板160、底板170、下端盖180、舱体190和储能单元200;舱体190两端分别固定有上端盖120和下端盖180;
所述传动轴组件110由传动轴111、第一连接板112、直线轴承113和能量传递板114组成，传动轴为圆柱体结构，若干个第一连接板112穿过传动轴111，第一连接板112与传动轴111之间为焊接连接;支撑板140通过若干个第二连接板130与底板170连接，构成装置的基本框架;所述装置的基本框架位于舱体190内，传动轴111穿过上端盖120，其一端上固定有能量传递板114;若干个第一连接板112位于装置的基本框架内；传动轴111与上端盖120连接处设有直线轴承113，所述直线轴承113用于保证传动轴111直线运动;若干组压板150和被压板160穿过传动轴111，被压板160的端部通过第二连接板130连接支撑板140，压板150与第一连接板112采用螺栓连接;压板150上设有压杆固定孔151，用于固定压杆，所述压杆位于压板150与被压板160之间；所述支撑板140固定于上端盖120上，所述下端盖180固定于底板170上;所述被压板160上固定有压电换能片；
所述储能单元200由直流变换器和蓄电池连接而成，储能单元200固定于上端盖120，所述直流变换器的输出端连接水密连接器，输入端连接压电换能片；
海水振动作用在能量传递板114上，能量传递板114将海水振动的能量转换为传动轴111的直线运动，带动压板挤压被压板上的压电材料，使其形变，利用正压电效应产生电能，产生的电能存储在储能单元内，通过水密连接器实现外部海底仪器的原位供电。
[0006]本发明中，所述压板150和被压板160的数量相同。
[0007]本发明中，所述被压板160上设有压电换能片固定孔161，用于固定压电换能片，所述压板150上设有压杆固定孔151，用于固定压杆，所述压电换能片与压杆的数量相同。
[0008]本发明中，传动轴组件110、上端盖120、第二连接板130、支撑板140、压板150、底板170、下端盖180以及舱体190使用钛合金材料。
[0009]本发明中，被压板160采用绝缘材料。
[0010]本发明中，所述传动轴组件110与上端盖120之间采用动密封。
[0011]本发明中，所述船体190分别与上端盖120和下端盖180之间采用螺栓连接，并通过密封圈实现静密封。
[0012]本发明的原理是:
海水振动作用在传动轴组件上，带动压板挤压被压板上的压电材料，使其形变，利用正压电效应产生电能。产生的电能存储在储能单元内，通过水密连接器实现外部海底仪器的原位供电。所谓的正压电效应，是由于形变而产生电极化的现象，实质上是机械能转化为电能的过程:对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗该变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷。
[0013]本发明的有益效果是:
本发明采用传动轴传递波浪和海流等海水运动产生的能量，适用于海底到海面的整个海洋环境，可在浅海及深海使用，应用范围广。采用简单可靠的压电换能片，多个压电换能片采用串并联组合方式进行连接，提高了整个装置的发电功率，且整个装置体积紧凑、可靠性高。通过储能单元存储不稳定的压电能量，提高了海底仪器供电的可靠性。
【附图说明】
[0014]图1是本发明用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置的内部结构示意图。
[0015]图2是本发明传动轴部分组件的示意图。
[0016]图3是本发明传动轴连接板的示意图。
[0017]图4是本发明上端盖的示意图4为侧视图^为主视图。
[0018]图5是本发明连接板的示意图。
[0019]图6是本发明支撑板的示意图。
[0020]图7是本发明压板的示意图。
[0021]图8是本发明被压板的示意图。
[0022]图9是本发明底板的不意图。
[0023]图10是本发明下端盖的示意图，A为侧视图，B为主视图。
[0024]图11是本发明舱体示意图。
[0025]图中标注:110转动轴组件，111传动轴，112第一连接板，113直线轴承，114能量传递板，120上端盖，121舱体固定孔，122第一连接板固定孔，123直线轴承固定孔，124传动轴通过孔，125湿插拔连接器通过孔，130第二连接板，131连接孔，132支撑板连接孔，140支撑板，141连接板连接孔，150压板，151压杆固定孔，152第一连接板固定孔，153传动轴通过孔，160被压板，161压电换能片固定孔，162传动轴通过孔，163连接板连接孔，170底板，171连接板连接孔，180下端盖，181舱体固定孔，182底板固定孔，183直线轴承固定孔，190舱体，191舱体固定孔，200储能单元。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。
[0027]实施例1:图1表示所述用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置的内部结构，该装置的机械结构部分由传动轴组件110、上端盖120、第二连接板130、支撑板140、压板150、被压板160、底板170、下端盖180和舱体190组成。该装置的传动轴组件110、上端盖120、第二连接板130、支撑板140、压板150、底板170、下端盖180以及舱体190采用相同规格的钛合金材料，被压板160采用绝缘材料。储能单元200固定于上端盖120，由直流变换器和蓄电池组成，直流变换器将压电换能片输出的不稳定的电能稳压后存储至蓄电池中，再通过水密连接器供电给海底仪器。支撑板140利用第二连接板130连接至底板170，构成本发明的基本框架。压板150、被压板160放置于支撑板140构成的基本框架内，被压板160与支撑板140通过第二连接板130进行连接。传动轴组件110利用压板150、被压板160中心通孔依次通过各个压板、被压板，利用螺栓、螺母可将压板150固定在传动轴组件110上。储能单元200安装至上端盖120。舱体190分别与上端盖120和下端盖180通过螺栓进行连接。
[0028]图1至图3表示传动轴组件110是由传动轴111、第一连接板112、直线轴承113和能量传递板114组成。传动轴111和第一连接板112通过焊接连接。直线轴承113用于保证传动轴直线运动。能量传递板114用于将波浪振动的能量转换为传动轴的直线运动。
[0029]图4表示上端盖120上设有舱体固定孔121、第二连接板固定孔122、直线轴承固定孔123、传动轴通过孔124和湿插拔连接器通过孔125。上端盖120与舱体190通过舱体固定孔121利用螺栓连接。上端盖120与第二连接板130通过第二连接板固定孔122利用螺栓连接。上端盖120的传动轴通过孔124可以使传动轴111通过。直线轴承固定孔123用于固定直线轴承113。传动轴组件110与上端盖120之间采用动密封。
[0030]图5表示第二连接板130。第二连接板130上设有连接孔131和支撑板连接孔132。所述连接孔131用于相应的第二连接板130与分别上端盖120、被压板160和底板170的连接，支撑板连接孔132用于第二连接板130与支撑板140的连接。连接均采用螺栓和螺母。
[0031]图6表示支撑板140。支撑板140上有连接板连接孔141，用于第二连接板130与支撑板140的连接。
[0032]图7表示压板150上设有压杆固定孔151、第二连接板固定孔152和传动轴通过孔153。螺栓固定在压杆固定孔151内，作为将传动轴的运动传递至压电材料使其发生形变的媒介。传动轴通过孔153使传动轴的第一连接板112可以通过压板150，在压板150底部利用第一连接板固定孔152与第一连接板112连接。
[0033]图8表示被压板160有压电换能片固定孔161、传动轴通过孔162、连接板连接孔163。压电换能片安装在压电换能片固定孔161上，压电换能片固定孔161为压电换能片受压产生形变留下充足空间。传动轴通过孔162使传动轴的第一连接板112可以通过被压板160。连接板连接孔163用于第二连接板130与被压板160的连接，连接采用螺栓和螺母。
[0034]图9表示底板170，其上连接板连接孔171用于第二连接板130与底板170的连接，连接采用螺栓。
[0035]图10表示下端盖180上设有舱体固定孔181、底板固定孔182和直线轴承固定孔183。下端盖180与舱体190通过舱体固定孔181利用螺栓连接。下端盖180、底板170与第二连接板130通过底板固定孔182、连接板连接孔171利用螺栓连接。直线轴承固定孔123用于固定直线轴承，直线轴承用于保证传动轴组件110的直线运动。
[0036]图11表示舱体190。舱体190上有舱体固定孔191，用于与上端盖120、下端盖180的固定连接，连接采用螺栓。
[0037]所述储能单元200安装于舱体上端盖120，由直流变换器和蓄电池组成，直流变换器将输入电压稳定后存储至蓄电池中。
[0038]使用时需将该装置置于海底。波浪、海流振动作用在传动轴111的能量传递板114上，带动传动轴111及固定在传动轴111上的压板150产生运动;压板150运动使得其上压杆对被压板160上固定的压电换能片产生挤压，使压电材料产生形变，进而产生电能。压电换能片串并联后的获得的总的电能输入到储能单元200。储能单元200通过水密连接器实现电能输出。
[0039]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，包括传动轴组件(110)、上端盖(120)、第二连接板(130)、支撑板(140)、压板(150)、被压板(160)、底板(170)、下端盖(180)、舱体(190)和储能单元(200);舱体(190)两端分别固定有上端盖(120)和下端盖(180);其特征在于: 所述传动轴组件(I 10)由传动轴(I 11)、第一连接板(I 12 )、直线轴承(I 13)和能量传递板(I 14)组成，传动轴为圆柱体结构，若干个第一连接板(I 12)穿过传动轴(I 11)，第一连接板(112)与传动轴(111)之间为焊接连接;支撑板(140)通过若干个第二连接板(130)与底板(170)连接，构成装置的基本框架;所述装置的基本框架位于舱体(190)内，传动轴(111)依次穿过上端盖(120)，其一端上固定有能量传递板(114);若干个第一连接板(112)位于装置的基本框架内；传动轴(111)与上端盖(120)连接处设有直线轴承(113)，所述直线轴承(113)用于保证传动轴(111)直线运动;若干组压板(150)和被压板(160)穿过传动轴(111)，被压板(160)的端部通过第二连接板(130)连接支撑板(140)，压板(150)与第一连接板(112)采用螺栓连接;压板(150)上设有压杆固定孔(151)，用于固定压杆，所述压杆位于压板(150)与被压板(160)之间；所述支撑板(140)固定于上端盖(120)上，所述下端盖(180)固定于底板(170)上;所述被压板(160)上固定有压电换能片； 所述储能单元(200)由直流变换器和蓄电池连接而成，储能单元(200)固定于上端盖(120)，所述直流变换器的输出端连接水密连接器，输入端连接压电换能片； 海水振动作用在能量传递板(I 14)上，能量传递板(114)将海水振动的能量转换为传动轴(111)的直线运动，带动压板挤压被压板上的压电材料，使其形变，利用正压电效应产生电能，产生的电能存储在储能单元内，通过水密连接器实现外部海底仪器的原位供电。2.根据权利要求1所述的用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，其特征在于所述压板(150)和被压板(160)的数量相同。3.根据权利要求1所述的用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，其特征在于所述被压板(160)上设有压电换能片固定孔(161)，用于固定压电换能片，所述压板(150)上设有压杆固定孔(151)，用于固定压杆，所述压电换能片与压杆的数量相同。4.根据权利要求1所述的用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，其特征在于传动轴组件(110)、上端盖(120)、第二连接板(130)、支撑板(140)、压板(150)、底板(170)、下端盖(180)以及舱体(190)使用钛合金材料。5.根据权利要求1所述的用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，其特征在于被压板(160)采用绝缘材料。6.根据权利要求1所述的用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，其特征在于所述传动轴组件(110)与上端盖(120)之间采用动密封。7.根据权利要求1所述的用于海底仪器的微型压电能量原位收集装置，其特征在于所述船体(190)分别与上端盖(120)和下端盖(180)之间采用螺栓连接，并通过密封圈实现静密封。
【文档编号】H02N2/18GK106050541SQ201610555566
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】吕枫, 杨帆, 李 杰, 吴正伟, 朱嘉宇, 姜雅梅, 周怀阳
【申请人】同济大学