一种高效收集船舶砰击能的装置及其使用方法与流程

本发明涉及电力储能领域，具体地指一种高效收集船舶砰击能的装置及其使用方法。

背景技术：

船舶在汹涛中航行时，剧烈的摇摆运动会导致船舶底部出水，当船舶底部以超过临界速度阀值的速度再次入水时就会产生砰击现象。砰击现象轻者造成船体疲劳或使局部结构变形，重者引起结构的失效或崩溃。1994年在波罗地海的Estonia客滚船事故，在风浪中由于艏门被严重砰击打坏而导致舱内大量进水，造成沉没，最终900多人丧生。1980-1981年冬，66874吨散货船Onomichi.maria号由于恶劣海况发生砰击作用，导致整船强度崩溃船舶沉没。2013年6月，MOL Comfort号集装箱船在也门外海由于波浪中的砰击载荷作用导致船体中部发生断裂而沉没。随着船舶朝着高速，多体，大型化方向的发展，船艏和多体船的连接桥会发生激烈的砰击。砰击对船舶的结构强度安全性造成巨大威胁的同时，也蕴藏着巨大的能量。

1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时发现：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正、负电荷，电荷面密度与施加的力的大小有关，该现象称为压电现象。具有压电现象的介质为压电体。

在离子性的晶体中，正负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵，就形成固有电矩，在晶体表面出现极化电荷，由于晶体暴露在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落到晶面上的空气中的异号离子所中和，因此，极化面电荷和电矩都不会显现。但当晶体发生机械形变时，晶格就会发生变化。这样，电矩产生变化，表面极化电荷数值也发生改变。于是，表面上正电荷或负电荷都有了可以测量的增量，该增量是压电效应电量。

在无电场作用下，当沿着一定方向对压电体施力而使它产生机械变形时，其内部产生极化现象，相对的两个表面会出现异号电荷，外力与端面积大，出现的电荷就多。端面电荷的符号视外力而定。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象，称为正压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。若将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。具有压电效应的晶体称为压电晶体。

当在压电体的极化方向施加电场时，压电体就在一定方向上产生机械形变或机械压力，当外电场撤去时，这些形变或压力随之消失的现象称为逆压电效应。逆压电效应的产生，是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这种应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变。

因此，压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位移，从而使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否呈现压电性，由构成晶体的原子和离子排列方式决定的。具有对称中心的晶体不可能有压电性。凡是具有正压电效应的晶体，也一定有逆压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。

压电陶瓷发电装置的核心是压电振子，压电振子是在外界激励外力与端面积大，出现的电荷就多。端面电荷的符号视外力而定。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象，称为正压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。若将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。具有压电效应的晶体称为压电晶体。

当在压电体的极化方向施加电场时，压电体就在一定方向上产生机械形变或机械压力，当外电场撤去时，这些形变或压力随之消失的现象称为逆压电效应。逆压电效应的产生，是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这种应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变。

因此，压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位移，从而使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否呈现压电性，由构成晶体的原子和离子排列方式决定的。具有对称中心的晶体不可能有压电性。凡是具有正压电效应的晶体，也一定有逆压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。

压电陶瓷发电装置的核心是压电振子，压电振子是在外界激励作用下产生振动的压电材料和弹性材料的结合体，压电材料选用PZT系陶瓷。陶瓷材料很脆，所以一般不直接将压电材料作为压电振子来使用，而是将压电陶瓷和某种金属弹性材料粘合在一起共同构成压电振子。

目前，将压电效应利用在船舶上的技术很少，如何通过砰击压力与结构入水角，入水速度，位置，船舶载重量，与波浪间夹角等多种因素确定压电装置的方法更是鲜有研究。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种高效收集船舶砰击能的装置及其使用方法，该装置和方法结合船舶砰击压力的特点和船舶的结构及型线特点提供了一种可行的船舶砰击能高效收集方法，便于实施。

为实现上述目的，本发明所设计的一种高效收集船舶砰击能的装置，其包括压电材料安装模块，所述压电材料安装模块包括设置在内部的压电材料和用于固定压电材料的固定框架，多个所述压电材料安装模块连接成砰击能发电装置。

一种高效收集船舶砰击能装置的使用方法，包括砰击能发电装置安装位置确定方法、砰击能发电装置材料选择方法和砰击能发电装置安装方式确定方法。

进一步地，所述砰击能发电装置安装位置确定方法为：

对于船长小于80m的单体船，所述砰击能发电装置安装在船艏，所述安装在船艏的砰击能发电装置具体位置为船艏入水砰击位置处的横剖面上砰击点处剖线与水平线的夹角小于25～35°的位置；

对于船长大于80m的细长单体船，所述砰击能发电装置安装在船艏和船舯，所述安装在船舯的砰击能发电装置具体位置为船两舷侧浮心向船长方向首尾两侧各延伸0.05～0.15倍船长的位置，高度方向位置为船舷墙顶部至向下0.05～0.15倍船舶吃水线高度的位置；

对于双体船，砰击能发电装置安装在湿甲板。

更进一步地，所述砰击能发电装置材料选择方法为：

对于长度小于100m的船舶，所述砰击能发电装置的压电材料为压电陶瓷；

对于长度大于100m的船舶，所述砰击能发电装置的压电材料为压电橡胶。

作为优选项，所述砰击能发电装置安装方式确定方法，由砰击能发电装置安装位置和船舶结构形式确定：

对于船长小于80m的单体船，砰击能发电装置安装在船艏，所述砰击能发电装置的安装方式为网状型；

对于双体船，砰击能发电装置安装在双体船的湿甲板，所述砰击能发电装置的安装方式为网状型；

对于船长大于80m的细长单体船，砰击能发电装置安装在船艏和船舯，船艏处的砰击能发电装置的安装方式为网状型；船舯处发电装置的安装方式为条状型。

本发明的优点在于：其能有效利用压电陶瓷吸收砰击能发电，既能提高船舶的抗波浪冲击能力，又能给船舶的日常用电提供绿色能源。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为一种本发明的砰击能发电装置安装示意图。

图3为另一种本发明的砰击能发电装置安装示意图。

图中：压电材料安装模块1(其中：压电材料1.1、固定框架1.2)、砰击能发电装置2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1～3所示的一种高效收集船舶砰击能的装置，包括压电材料安装模块1，所述压电材料安装模块1包括设置在内部的压电材料1.1和用于固定压电材料1.1的固定框架1.2，多个所述压电材料安装模块1连接成砰击能发电装置2。

一种高效收集船舶砰击能装置的使用方法，包括砰击能发电装置2安装位置确定方法、砰击能发电装置2材料选择方法和砰击能发电装置2安装方式确定方法。

所述砰击能发电装置2安装位置确定方法为：

对于船长小于80m的单体船，所述砰击能发电装置2安装在船艏，所述安装在船艏的砰击能发电装置2具体位置为船艏入水砰击位置处的横剖面上砰击点处剖线与水平线的夹角小于30°的位置；对于船长大于80m的细长单体船，所述砰击能发电装置2安装在船艏和船舯，所述安装在船舯的砰击能发电装置2具体位置为船两舷侧浮心向船长方向首尾两侧各延伸0.10倍船长的位置，高度方向位置为船舷墙顶部至向下0.10倍船舶吃水线高度的位置；对于双体船，砰击能发电装置2安装在湿甲板。

所述砰击能发电装置2材料选择方法为：

对于长度小于100m的船舶，所述砰击能发电装置2的压电材料1.1为压电陶瓷；对于长度大于100m的船舶，所述砰击能发电装置2的压电材料1.1为压电橡胶。

所述砰击能发电装置安装方式确定方法，由砰击能发电装置安装位置和船舶结构形式确定：

对于船长小于80m的单体船，砰击能发电装置2安装在船艏，所述砰击能发电装置2的安装方式为网状型；

对于双体船，砰击能发电装置2安装在双体船的湿甲板，所述砰击能发电装置2的安装方式为网状型；

对于船长大于80m的细长单体船，砰击能发电装置2安装在船艏和船舯，船艏处的砰击能发电装置2的安装方式为网状型；船舯处发电装置2的安装方式为条状型。

实际使用时：

先根据砰击能发电装置2安装位置确定方法确定砰击能发电装置2的安装位置，然后根据砰击能发电装置2材料选择方法选择砰击能发电装置2的材料，最后根据砰击能发电装置2安装方式确定方法确定砰击能发电装置2的安装方式。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。