用于捕获波浪能的压电发电系统

本发明属于发电装置领域，具体涉及一种用于捕获波浪能的压电发电系统。

背景技术：

为了实现用于海上环境监测的无线传感器的自供电，国内外众多学者提出利用电磁感应定律、压电效应和摩擦电效应将波浪能转化为电能，从而给无线传感器供电的方法，并设计出多种多样的小型发电装置。这类装置大都采用共振式的机械结构，以电磁发电装置为例，磁铁在波浪的驱动下往复振动，切割磁感线从而在线圈内产生感应电动势。这种共振式发电装置在外部激励频率等于其自身的固有频率时，达到最大输出功率。

现有的共振式发电装置虽然在外部激励频率等于其自身固有频率，即达到共振状态时，能产生较大的输出功率。但其工作的频率范围非常狭小，仅仅在固有频率附近很窄的一段频率范围内，这种共振式的发电装置才能正常工作。而对于大部分基于环境振动的发电装置来说，其本身的固有频率是远远大于环境振动的频率的。根据理论公式，发电装置的输出功率与其工作频率的三次方成正比。这就意味着，当外部环境的激励频率降低时，发电装置的输出功率将急剧下降。为了使输出功率尽可能地大，就必须使发电装置的固有频率与环境振动频率相接近。环境振动是低频振动，其频率范围一般为1-20hz，波浪的频率小于5hz，欲使发电装置的固有频率在其附近，就必须把发电装置的整体尺寸增大，因为一般来说，发电装置的固有频率与其总体尺寸成反比。然而，发电装置的体积增大会使得其输出功率密度(输出功率与其工作体积之比)大大降低，也会带来制造成本的提高、安装难度的提高等一系列问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于捕获波浪能的压电发电系统，该系统的浮子通过摇杆将低频振动(源于波浪)传递至压电发电装置，压电发电装置使用内圈上的多组压电组件与外圈的多组磁铁的配合，实现压电组件的高频振动发电，以提高发电效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于捕获波浪能的压电发电系统，包括压电发电装置、浮子、立柱和底座，所述压电发电装置包括外圈、内圈和压电发电组；其中，

所述外圈为一端开放的圆筒状结构，所述外圈的底部内壁上设有转动沟槽以及设于底部内壁中心处的内柱；所述外圈的侧壁内表面上沿周向均匀设有至少两组磁铁，所述内柱的表面上沿周向均匀设有至少两组磁铁；所述外圈的侧壁上沿周向设有通透的摇杆活动槽；

所述内圈上设有摇杆，所述摇杆由所述内圈经所述摇杆活动槽延伸出所述外圈；所述内圈的边缘设有矩形凸边，所述矩形凸边于所述外圈的所述转动沟槽相配合以使所述外圈和所述内圈能够相对转动；

所述内圈沿周向设有至少两组压电发电组，所述压电发电组包括压电组件，所述压电组件固定连接于所述内圈，所述压电组件的一端朝向所述外圈的侧壁内表面，另一端朝向所述内柱；

所述浮子通过所述摇杆连接于所述内圈，所述外圈通过所述立柱连接于所述底座。

一具体实施例中，所述压电组件包括悬臂梁、压电片和两个磁铁，所述压电片贴附于所述悬臂梁，两个磁铁分别固定在所述悬臂梁的两端。

一具体实施例中，所述内圈上设有矩形槽，所述压电组件的悬臂梁的中间位置固定连接于所述内圈的矩形槽。

一具体实施例中，所述压电组件的压电片的数量是4个，4个所述压电片沿所述悬臂梁的中间位置对称贴附于所述悬臂梁的上下表面。

一具体实施例中，所述压电组件的磁铁与所述外圈的磁铁相对的端面的极性相同。

一具体实施例中，每组所述压电发电组包含三个所述压电组件，三个所述压电组件沿所述内圈的径向设置。

一具体实施例中，所述外圈上位于所述摇杆活动槽处的每组磁铁包含两个磁铁，其他每组磁铁包含三个磁铁。

一具体实施例中，所述摇杆活动槽的周向角为90度。

一具体实施例中，所述外圈的侧壁内表面上的磁铁为三组，所述内柱的表面上的磁铁为三组。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、利用浮子和摇杆将波浪的上下运动转化为内圈(转子)的旋转运动。

2、在内圈(转子)的内侧和外侧均设置有悬臂梁和压电片，提高输出功率密度。

3、内圈上的多组压电组件与外圈的多组磁铁的配合，构成升频机构，利用磁铁之间的相互作用力驱动悬臂梁自由震荡，再利用悬臂梁较高频率的振动进行发电。

4、在悬臂梁的上下表面均布置有压电片，根据压电效应充分利用悬臂梁的形变来发电。

附图说明

图1为本发明实施例一种压电发电系统示意图；

图2为本发明实施例压电发电装置示意图；

图3为压电发电装置的爆炸图；

图4为压电组件的结构图和爆炸图；

图5为压电发电装置的工作原理图；

图6为压电组件的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1至图6，本发明公开了一种用于捕获波浪能的压电发电系统，该系统包括浮子1、压电发电装置30、立柱和底座40，浮子1通过摇杆2连接于压电发电装置30，压电发电装置30通过立柱固定于底座4。

压电发电装置30包括外圈3、内圈4和压电发电组6，外圈3沿周向开设有一条圆心角为90度的矩形的摇杆活动槽31，摇杆2可沿摇杆活动槽31上下摆动，且摇杆2穿过外圈3延伸至内圈4并与其固连。当摇杆2上下摆动时，内圈4与外圈3则会发生相对旋转运动。

外圈3底部的内壁上开有转动沟槽32，该转动沟槽32与内圈4边缘上设置的若干锯形凸边41相互配合形成一个转动副，以使外圈3和内圈4可以相对转动。外圈3底部的内壁正中心设有内柱5，该内柱5与外圈3的底部内壁固定连接。

外圈3呈圆筒状，外圈3的侧壁内表面和内柱5的表面上均镶嵌有磁铁组。一具体实施例中，外圈3的侧壁内表面沿着圆周方向间隔30度圆心角均匀分布12组磁铁组，其中，除了摇杆活动槽31处的每组磁铁组只有两个磁铁以外，其余每组磁铁组均设有三个磁铁。内柱5表面上沿着周向间隔60度圆心角均匀分布6组磁铁组，每组磁铁组均有3个磁铁。

内圈4呈薄壁圆筒状，沿内圈4周向均匀(间隔圆心角60度)开设了6组矩形槽7，每一组有3个矩形槽7沿内圈4的径向布置，相应的，径向设置的3个压电组件8构成一个压电发电组6。一个压电组件8通过矩形槽7与内圈4形成固连配合，即发电组件8的中部与矩形槽7形成过盈配合。压电组件8与矩形槽7一一对应，共有6组即18个压电组件8安装在内圈4上。

压电组件8包括悬臂梁81(可使用黄铜薄片)、4片压电片82和两个磁铁83。悬臂梁81是一个厚度为0.4mm的黄铜薄片，悬臂梁81的中部固连在内圈4的矩形槽7，在悬臂梁81的两个自由端上分别安装一个磁铁83，悬臂梁81的上下表面沿中间位置对称粘贴有4片压电片82。

本发明所记载的压电发电系统的工作原理，如下所述。当浮子1随着波浪上下振动时会带着摇杆2上下摆动，从而导致内圈4与外圈3发生相对转动。安装在内圈4上的压电发电组6与外圈3的侧壁内表面、以及压电发电组6和内柱5表面之间均有一个很小的间隙。当内圈4和外圈3相对转动时，悬臂梁81两端的磁铁83分别与外圈3的侧壁内表面上的磁铁和内柱5上的磁铁发生相互作用。在磁力作用下，悬臂梁81会发生形变，从而使贴附于悬臂梁81表面上的压电片82也跟着发生形变。根据正压电效应，受压(或受拉)的压电片将输出电能。

压电组件8的具体振动发电过程如下所述。当内圈4和外圈3发生相对转动时，外圈3上的磁铁33相对压电组件8的磁铁83上下振动。当外圈3上的磁铁33靠近悬臂梁81上的磁铁83时，磁铁之间产生相互作用力，这个作用力驱使悬臂梁81发生弯曲。当磁铁83继续相对运动逐渐远离悬臂梁时，作用力减弱，悬臂梁81被释放。被释放之后的悬臂梁81会以其固有频率自由振动。摇杆2摆动的频率是等于波浪运动的频率，这个频率通常很低(<5hz)，但是在摇杆2摆动的过程中，悬臂梁81每一次被外圈3上的磁铁33拨动以后，都会以其固有频率自由振动，这个固有频率远远高于波浪的频率，能达到上百赫兹。这就实现了频率的提升，最终能实现压电发电装置输出功率和能量转换效率的提升。

本发明所述的压电发电系统，能高效地实现波浪能-电能的转化，可以取代用于海洋环境监测的无线传感器的电池，避免了电池更换和再次充电的麻烦，为海上物联网的建立提供了巨大帮助。

本发明所述的用于捕获波浪能的压电发电系统，可理解为串联的两个振动系统，一个是低频振动系统(浮子端)，另一个是高频振动系统(压电发电装置端)。低频振动系统能够将低频的环境(波浪)振动传递给高频振动系统，高频振动系统利用机电转换机制再把该振动能量转化为电能。这种升频结构的引入带来了两个最基本的优势：一是用于发电的振动频率得到了大幅度提升，直接导致输出功率密度的增加；二是在不增加发电装置总体尺寸的情况下也能使其固有频率与环境振动频率相接近。

此外，本发明所采用的机电转换机制为压电效应(当压电片发生形变时，内部会发生极化现象，从而产生电动势)，这种压电发电装置相比于传统的电磁发电装置能更充分地利用波浪能低频率大振幅的特点并更加高效地完成电能的转化。因为根据法拉第电磁感应定律，电磁发电装置的输出功率与线圈内部磁感线的变化速率成正比，即与磁铁的运动速度成正比，故波浪的频率对其影响大而波浪的振幅对其影响小，这不能发挥出波浪的大振幅优势。而本发明为压电发电装置，波浪的大振幅将直接导致压电片的振动次数增加，因此波浪的频率和振幅都影响发电装置的电能输出。

本发明针对低频大振幅的波浪能发电困难的问题，将升频机构与基于压电效应的机电转换机制相结合，提高了电能的转换效率，也提高了输出功率密度。在为用于海洋环境监测的无线传感器等海洋电子器件实现自供电，本发明具有极大的应用潜力。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。