本申請(qǐng)涉及一種波浪能收集裝置。

背景技術(shù)：

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能與勢(shì)能，屬于清潔可再生能源。地球上70％的面積被海水所覆蓋，海洋波浪能資源巨大，有著廣闊的開發(fā)價(jià)值。由于人類對(duì)能源的需求日益增加與非可再生能源儲(chǔ)量有限，如今越來越多的科研工作者將目光投向了海洋波浪能，促進(jìn)了波浪能的發(fā)展研究。目前，絕大多數(shù)波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理，將波浪能收集器分為點(diǎn)吸收式、擺式、筏式、鴨式、振蕩水柱式以及收縮波道式。其中點(diǎn)吸收式裝置主要利用振蕩浮子在波浪力作用下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行波浪能收集，具有轉(zhuǎn)換效率高、投資成本小等特點(diǎn)，是研究最多、最具特色的一種波浪能發(fā)電技術(shù)。根據(jù)發(fā)電裝置的機(jī)理，又可將能量收集器分為電磁型、壓電型和電活性聚合物型。其中電磁型能量收集器主要以采用永磁發(fā)電機(jī)為主，通常多應(yīng)用于浮標(biāo)發(fā)電系統(tǒng)，壓電型和電活性聚合物型屬于較新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，特別是電活性聚合物型發(fā)電機(jī)的研究方興未艾。

目前，可集成在海上設(shè)備平臺(tái)內(nèi)收集波浪能的裝置相對(duì)較少，大多為點(diǎn)吸收式?，F(xiàn)有裝置一般可采用電磁發(fā)電和壓電發(fā)電兩種類型。電磁發(fā)電類型應(yīng)用最多，大多采用永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁發(fā)電。當(dāng)搭載平臺(tái)受海浪作用上下振動(dòng)時(shí)，搭載平臺(tái)內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將搭載平臺(tái)上下振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能并傳遞永磁發(fā)電機(jī)，最終永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電。如今隨著點(diǎn)吸收式波浪能收集器的深入研究發(fā)展，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)類型大致可分為機(jī)械式、液壓式、水壓式以及直驅(qū)式。由于存在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量損耗和海洋波浪振動(dòng)具有頻率低的特點(diǎn)，永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)的輸入軸轉(zhuǎn)速較低，使得磁通量的變化率較小，影響了發(fā)電輸出。壓電式波浪能收集裝置通常設(shè)計(jì)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，最終將波浪的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)化為懸臂梁的高頻振動(dòng)，從而輸出電能。然而，如何設(shè)計(jì)裝置將波浪的低頻振動(dòng)高效地轉(zhuǎn)化為懸臂梁的高頻振動(dòng)是壓電式波浪能收集裝置的一大難點(diǎn)，制約著壓電式波浪能收集裝置的發(fā)展。因此，壓電式波浪能收集裝置的研制較少。

由于存在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量損耗和海洋中海浪振動(dòng)具有頻率極低的特點(diǎn),現(xiàn)有的電磁發(fā)電類型的能量收集裝置的輸出功率很大程度上取決于振動(dòng)頻率的高低和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在壓電式能量收集裝置設(shè)計(jì)中，如何設(shè)計(jì)裝置將波浪的低頻振動(dòng)高效地轉(zhuǎn)化為懸臂梁的高頻振動(dòng)是其中一難點(diǎn)。

申請(qǐng)內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)的目的是提供一種波浪能收集裝置。

本申請(qǐng)的一種波浪能收集裝置，包括機(jī)架、設(shè)置于機(jī)架上的能夠隨波浪運(yùn)動(dòng)而繞轉(zhuǎn)軸左右擺動(dòng)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、設(shè)置在所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的壓電發(fā)電裝置，所述的壓電發(fā)電裝置包括固定在機(jī)架上的彈性梁、貼合在彈性梁上的壓電膜。

優(yōu)選地，所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括與所述的機(jī)架通過轉(zhuǎn)軸相轉(zhuǎn)動(dòng)連接的擺桿、設(shè)置在所述的擺桿下端的用于在擺動(dòng)時(shí)碰撞所述的彈性梁的質(zhì)量塊。

優(yōu)選地，所述的彈性梁沿上下方向固定設(shè)置在機(jī)架上，所述的彈性梁的左右兩側(cè)粘貼有壓電膜，所述的彈性梁具有未被所述的壓電膜覆蓋的用于與所述的質(zhì)量塊相接觸的末端。

優(yōu)選地，所述的波浪能收集裝置還包括將所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的電磁發(fā)電機(jī)。

優(yōu)選地，所述的波浪能收集裝置還包括齒輪增速機(jī)構(gòu)，所述的齒輪增速機(jī)構(gòu)包括相互嚙合的用于驅(qū)動(dòng)所述的電磁發(fā)電機(jī)的輸入軸的第一齒輪和固定在所述的擺桿上的第二齒輪，所述的轉(zhuǎn)軸所在的直線經(jīng)過所述的第二齒輪的圓心位置。

優(yōu)選地，所述的第一齒輪的角速度大于所述的第二齒輪的角速度。

優(yōu)選地，所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩側(cè)的壓電發(fā)電裝置沿?cái)[桿左右對(duì)稱的設(shè)置。

借由上述方案，本申請(qǐng)至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)所述的一種波浪能收集裝置，收集海洋波浪的低頻左右振動(dòng)能量，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)隨波浪的運(yùn)動(dòng)而左右擺動(dòng)，同時(shí)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)撞擊彈性梁，使壓電彈性梁的高頻自由振動(dòng)，進(jìn)行壓電發(fā)電，實(shí)現(xiàn)波浪能的高功率密度輸出。

上述說明僅是本申請(qǐng)技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本申請(qǐng)的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本申請(qǐng)的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1為本申請(qǐng)所述的一種波浪能收集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為本申請(qǐng)所述的波浪能收集裝置安裝在搭載平臺(tái)內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖，

其中：1、機(jī)架；21、彈性梁；22、壓電膜；3、電磁發(fā)電機(jī)；31、第一齒輪；41、質(zhì)量塊；42、擺桿；43、轉(zhuǎn)軸；44、第二齒輪；100、波浪能收集裝置；200、搭載平臺(tái)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本申請(qǐng)，但不用來限制本申請(qǐng)的范圍。

參見圖1和圖2，本申請(qǐng)一較佳實(shí)施例所述的一種波浪能收集裝置，包括機(jī)架1、設(shè)置于機(jī)架1上的能夠隨波浪運(yùn)動(dòng)而繞轉(zhuǎn)軸43左右擺動(dòng)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、設(shè)置在所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的壓電發(fā)電裝置，所述的壓電發(fā)電裝置包括固定在機(jī)架1上的彈性梁21、貼合在彈性梁21上的壓電膜22，所述的彈性梁21沿上下方向并相對(duì)擺桿左右對(duì)稱的設(shè)置在機(jī)架1上，所述的彈性梁21的左右兩側(cè)粘貼有壓電膜22。所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括與所述的機(jī)架1通過轉(zhuǎn)軸43相轉(zhuǎn)動(dòng)連接的擺桿42、設(shè)置在所述的擺桿42下端的用于在擺動(dòng)時(shí)碰撞所述的彈性梁21的質(zhì)量塊41。所述的彈性梁21具有未被所述的壓電膜22覆蓋的用于與所述的質(zhì)量塊41相接觸的末端。

所述的波浪能收集裝置還包括將所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的電磁發(fā)電機(jī)3。所述的波浪能收集裝置還包括齒輪增速機(jī)構(gòu)，所述的齒輪增速機(jī)構(gòu)包括相互嚙合的用于驅(qū)動(dòng)所述的電磁發(fā)電機(jī)3的輸入軸的第一齒輪31和固定在所述的擺桿42上的第二齒輪44，所述的轉(zhuǎn)軸43所在的直線經(jīng)過所述的第二齒輪44的圓心位置。所述的第一齒輪31的角速度大于所述的第二齒輪44的角速度。

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)在隨波浪運(yùn)動(dòng)而左右擺動(dòng)時(shí)，收集海洋波浪的低頻左右振動(dòng)能量，轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動(dòng)和壓電彈性梁21的高頻自由振動(dòng)，進(jìn)而同時(shí)進(jìn)行電磁發(fā)電和壓電發(fā)電，簡(jiǎn)化了裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)波浪能的高功率密度輸出和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

本申請(qǐng)的工作原理如下：

本申請(qǐng)所述的波浪能收集裝置通常可以安裝在搭載平臺(tái)內(nèi)部，搭載平臺(tái)可以是海上的浮標(biāo)、航行器等設(shè)備。在海浪振動(dòng)作用下，搭載平臺(tái)隨之左右擺動(dòng)，擺桿42圍繞回轉(zhuǎn)軸43擺動(dòng)，通過齒輪增速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電磁發(fā)電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電磁發(fā)電機(jī)3獲得更高轉(zhuǎn)速，并輸出電能；同時(shí)，擺桿42擺動(dòng)時(shí)，擺桿42末端的質(zhì)量塊41將會(huì)與左右兩側(cè)的彈性梁21末端接觸，使彈性梁21產(chǎn)生撓曲變形，積累彈性勢(shì)能，再與彈性梁21分離，使得彈性梁21產(chǎn)生高頻率的自由振動(dòng)，彈性梁21上的壓電膜22按相應(yīng)頻率伸長(zhǎng)和壓縮，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，以較高效率輸出電能。本裝置同時(shí)利用電磁發(fā)電和壓電發(fā)電模塊，高效率地將波浪左右振動(dòng)的能量間接轉(zhuǎn)化為電能。

在本申請(qǐng)中，可以根據(jù)波浪振動(dòng)的頻率，振幅等條件，通過改變質(zhì)量塊41的質(zhì)量，擺桿42的長(zhǎng)度和齒輪增速機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)工作性能的優(yōu)化。也可以通過改變第一齒輪31和第二齒輪44的齒輪數(shù)，增加電磁發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)速。彈性梁21的基體采用有一定彈性的材料(如硅基、金屬基、聚合物基等)，基體上表面附著壓電材料膜。在擺桿42往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，擺桿42末端的質(zhì)量塊41撞擊彈性梁21的自由末端，使彈性梁21產(chǎn)生撓曲變形，積累彈性勢(shì)能。根據(jù)壓電材料的壓電特性，施加外力的頻率對(duì)壓電材料輸出電能的效率有直接影響?？梢愿鶕?jù)壓電膜22材料壓電特性設(shè)計(jì)壓電彈性梁21，使其的自由振動(dòng)頻率滿足壓電膜22的高效率壓電電能輸出。在擺桿42往復(fù)擺動(dòng)過程中，質(zhì)量塊41依次與左右兩側(cè)的彈性梁21產(chǎn)生接觸-分離運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而不斷有電能輸出。

以上所述僅是本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本申請(qǐng)，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請(qǐng)技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。