一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置

1.本发明涉及波浪能发电技术领域，更具体地说，它涉及一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置。


背景技术：

2.海洋波浪能作为一种可再生清洁能源，且在海洋中蕴含量极大，有着很好的发展前景。各海洋国家非常重视波浪能发电技术的研究，但目前各种波浪能装置的总发电效率大都比较低，还存在制造成本昂贵、装置可靠稳定性差及并网困难等问题，提高装置各级能量转换结构转换效率问题亟待解决。此外，现有的波浪能发电装置大都是开放式的，机械装置与海洋波浪直接接触，海水容易对装置造成的损坏，不仅降低了设备的使用寿命，设备的防腐和后期维修成本较高。
3.波浪能次级能量转换类型主要有电磁感应发电机、永磁直线发电机与压电发电机。其中压电发电机为近几十年出现的波浪能次级转换技术，能够直接将初级能量转换结构吸收的波浪能量通过压电材料的机电耦合特性转换成为电能，能有效提高波能装置的总发电效率。压电发电装置具有结构简单、换能效率高、成本低等特点，广泛应用于收集环境能量发电。但压电发电装置的结构设计还有改善空间，压电悬臂梁的振动增频转换也是需要改进的关键技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种系统结构紧凑、便于装配、发电效率高且可调的胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明为一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，包括波能初级换能结构和压电发电系统，所述波能初级换能结构主要由不倒翁头部、固定上底座、支撑筒、导柱、浮柱、固定下底座和不倒翁底座组成。
7.所述固定上底座固定在不倒翁头部上，所述固定下底座固定在不倒翁底座上，所述浮柱两端分别刚性固定在固定上底座、固定下底座上，且所述浮柱垂直穿过所述压电发电系统，所述导柱两端刚性固定在固定上底座、固定下底座上。
8.所述压电发电系统由壳体、压电悬臂梁、弹簧和磁铁块组成，所述壳体中心被导柱、浮柱垂直贯穿；所述弹簧套在导柱外，所述磁铁块粘接在压电悬臂梁自由端以及浮柱侧面。
9.所述压电悬臂梁包括贯穿壳体的螺纹轴，所述螺纹轴位于壳体外部的两端均螺纹连接有六角法兰面螺母，所述螺纹轴位于壳体内部的一段外圆面上螺纹连接有两六角螺母，所述螺纹轴上且位于两六角螺母之间的位置设置有压电片，所述磁铁块粘接压电片远离螺纹轴的一端。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述壳体包括一端开口的圆筒状外壳，所述外
壳开口端固定有圆盘状支撑板，所述外壳底部和支撑板上开设有与导柱配合的通孔、与浮柱配合的中心孔，所述外壳底部和支撑板上开设有与螺纹轴配合的矩形调节槽。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述外壳内部设置有与外壳同轴线的磁极支撑环，所述磁极支撑环套设在浮柱外部，所述磁极支撑环顶端与外壳内底部刚性连接，所述磁极支撑环底端与支撑板顶部刚性连接，所述磁极支撑环外圆面上开设有与压电片配合的限位槽。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述浮柱外圆面上呈环形等距开设有若干与磁铁块配合的安装槽，所述浮柱上的磁铁块呈环形等距阵列布局，所述压电悬臂梁在壳体上呈环形等距布置且与浮柱上的磁铁块相对设置。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述压电片一端开设有与螺纹轴配合的通孔，所述压电片尺寸为60cm*20cm。
14.作为本发明的一种优选技术方案，套设所述导柱上的弹簧一端抵紧在壳体上，另一端分别抵紧在固定上底座、固定下底座上。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述不倒翁头部底部端面与支撑筒顶部端面固定连接，所述不倒翁底座顶部端面与支撑筒底部端面固定连接，所述不倒翁头部、不倒翁底座均为半球形结构。
16.本发明的优点是：
17.1、本发明通过采用不倒翁漂浮结构，在装置底座增加配重，使整个装置上轻下重，降低装置重心，使得发电装置在复杂多变的海洋环境中保持比较稳定工作环境。
18.2、本发明通过采用胶囊式密封结构，使得该发电装置具有更好的密封性能，有效避免机械装置与海洋波浪直接接触，避免了海水对装置的损坏，降低了设备的防腐和后期维修成本。
19.3、本发明通过将发电装置模块化设计，不仅便于装配，而且装置分为初级换能结构和压电发电机系统，初级换能结构整体采用刚性连接，便于制造和装配；压电发电机系统结构紧凑，采用悬臂梁悬臂端沿浮柱的径向延展，另外磁极轴向阵列在浮柱圆周上，有效地避免庞大的结构体系。
20.4、本发明通过采用支撑悬浮式压电结构设计，压电发电系统无固定支持结构，整体采用悬浮式，仅有弹簧支撑，依靠与初级换能机构的相对运动及上下弹簧的形变维持发电。可以通过调节螺母来调整悬臂梁的高度以及与浮柱之间的距离，来提高悬臂梁的振动频率，从而提高装置的整体发电效率。导柱加弹簧结构可使磁铁周期性地非接触冲击压电悬臂梁，保证了装置的持续工作，延长了装置的使用寿命。
附图说明
21.图1为本发明一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置的结构示意图。
22.图2为本发明的主视图。
23.图3为图2中a-a处的剖面结构示意图。
24.图4为本发明内部结构的结构示意图。
25.图5为浮柱、固定下底座、壳体、压电悬臂梁、弹簧的结构示意图。
26.图6为固定上底座、导柱、浮柱、固定下底座、不倒翁底座的结构示意图。
27.图7为壳体内部压电悬臂梁、浮柱、磁铁块、磁极支撑环相配合的结构示意图。
28.图8为浮柱、压电悬臂梁、磁铁块、磁极支撑环相配合的结构示意图。
29.图9为压电悬臂梁的结构示意图。
30.图10为浮柱的结构示意图。
31.图11为磁极支撑环的结构示意图。
32.图12为压电片的结构示意图。
33.图13为壳体的结构示意图。
34.图14为壳体另一视角的结构示意图。
35.附图中：1、不倒翁头部；2、固定上底座；3、支撑筒；4、导柱；5、浮柱；6、固定下底座；7、不倒翁底座；8、壳体；9、压电悬臂梁；10、弹簧；11、磁铁块；12、磁极支撑环；501、安装槽；801、圆筒状外壳；802、圆盘状支撑板；803、通孔；804、中心孔；805、矩形调节槽；901、螺纹轴；902、六角法兰面螺母；903、六角螺母；904、压电片。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
39.具体实施例一：
40.请参阅图1-14结构示意图，本发明提供以下技术方案：
41.具体地是指一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，包括波能初级换能结构和压电发电系统，波能初级换能结构主要由不倒翁头部1、固定上底座2、支撑筒3、导柱4、浮柱5、固定下底座6和不倒翁底座7组成；固定上底座2固定在不倒翁头部1上，固定下底座6固定在不倒翁底座7上，浮柱5两端分别刚性固定在固定上底座2、固定下底座6上，且浮柱5垂直穿过压电发电系统，导柱4两端刚性固定在固定上底座2、固定下底座6上；不倒翁头部1底部端面与支撑筒3顶部端面固定连接，不倒翁底座7顶部端面与支撑筒3底部端面固定连接，不倒翁头部1、不倒翁底座7均为半球形结构。
42.压电发电系统由壳体8、压电悬臂梁9、弹簧10和磁铁块11组成，壳体8中心被导柱4、浮柱5垂直贯穿；套设导柱4上的弹簧10一端抵紧在壳体8上，另一端分别抵紧在固定上底座2、固定下底座6上。
43.弹簧10套在导柱4外，磁铁块11粘接在压电悬臂梁9自由端以及浮柱5侧面；
44.压电悬臂梁9包括贯穿壳体8的螺纹轴901，螺纹轴901位于壳体8外部的两端均螺纹连接有六角法兰面螺母902，螺纹轴901位于壳体8内部的一段外圆面上螺纹连接有两六角螺母903，螺纹轴901上且位于两六角螺母903之间的位置设置有压电片904，磁铁块11粘接压电片904远离螺纹轴901的一端。压电片904一端开设有与螺纹轴901配合的通孔，压电
片904尺寸为60cm*20cm。根据实际情况，通过调节六角螺母来调整压电悬臂梁9中压电片904的高度以及通过调整螺纹轴901与浮柱5之间的距离，来提高压电悬臂梁9中压电片904的振动频率，从而提高装置的整体发电效率。
45.壳体8包括一端开口的圆筒状外壳801，外壳801开口端固定有圆盘状支撑板802，外壳8底部和支撑板802上开设有与导柱4配合的通孔803、与浮柱5配合的中心孔804，外壳801底部和支撑板802上开设有与螺纹轴901配合的矩形调节槽805。外壳801内部设置有与外壳801同轴线的磁极支撑环12，磁极支撑环12套设在浮柱5外部，磁极支撑环12顶端与外壳801内底部刚性连接，磁极支撑环12底端与支撑板802顶部刚性连接，磁极支撑环12外圆面上开设有与压电片904配合的限位槽。
46.本发明提供的胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置的工作原理如下：
47.工作原理：本装置中的波能初级换能结构系统利用装置中的不倒翁底座7直接与波浪接触并相互作用，将波能转换为机械能。随后利用压电发电系统与初级换能结构的相对运动，引起磁场势能变化，将初级换能结构的机械能通过压电发电机转换为电能。
48.初级能量转换：该发电装置中的不倒翁底座7底部通过绳索与水底处的系泊装置相连，从而固定在海面特定区域。装置中的不倒翁底座7与波浪直接接触，整个初级换能结构伴随波浪做起伏运动，从波谷运动至波峰过程中，装置中的不倒翁底座7受到波浪向上的作用力，整个初级换能结构向上运动，悬浮的压电发电系统与初级换能结构产生相对运动，此时上方弹簧10位于壳体8下方套设在导柱4上的弹簧10受到拉伸，下方弹簧10位于壳体8上方套设在导柱4上的弹簧10被压缩；反之，装置从波峰运动至波谷过程中，装置底座受波浪作用力很小，整个初级换能结构由于自身重力作用会向下回落，悬浮的压电发电系统与初级换能结构产生相对运动，同时上方弹簧10被压缩，下方弹簧10受到拉伸。从而实现将波浪能转换为初级换能结构的机械能，并且还有一部分能量转换为弹性势能存储在弹簧10中。当波浪间歇性地静止时，由于压缩弹簧10发生了形变，储存了一定的弹性势能，仍然能够维持发电装置工作一段时间。
49.次级能量转换：初级换能结构产生了周期性的运动，从装置结构示意图可知浮柱5与压电悬臂梁9也产生了相对运动，即粘接在浮柱5上的磁铁块11与压电悬臂梁9上自由端部的磁铁块11也产生了相对运动。浮柱5上的磁铁块11利用磁铁间的斥力周期性地非接触冲击压电悬臂梁9自由端部的磁铁块11，压电悬臂梁9产生自由振动，压电材料即压电片904在伴随压电悬臂梁9振动过程中产生机械应变，压电片904上下表面将积聚大量的自由电荷，可以通过整流等处理电路将压电材料产生的电能储存传输，最终可以为海洋无线传感器节点等供电。
50.具体实施例二：
51.在具体实施例一的基础上，本实施例的不同点在于：
52.如图8所示，浮柱5外圆面上呈环形等距开设有若干与磁铁块11配合的安装槽501，浮柱5上的磁铁块11呈环形等距阵列布局，压电悬臂梁9在壳体8上呈环形等距布置且与浮柱5上的磁铁块11相对设置。为了增大发电装置的输出功率，对压电悬臂梁9以及浮柱5、磁铁块11进行阵列布局，提高悬臂梁9的振动频率。
53.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
54.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
55.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
57.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，包括波能初级换能结构和压电发电系统，其特征在于：所述波能初级换能结构主要由不倒翁头部(1)、固定上底座(2)、支撑筒(3)、导柱(4)、浮柱(5)、固定下底座(6)和不倒翁底座(7)组成；所述固定上底座(2)固定在不倒翁头部(1)上，所述固定下底座(6)固定在不倒翁底座(7)上，所述浮柱(5)两端分别刚性固定在固定上底座(2)、固定下底座(6)上，且所述浮柱(5)垂直穿过所述压电发电系统，所述导柱(4)两端刚性固定在固定上底座(2)、固定下底座(6)上；所述压电发电系统由壳体(8)、压电悬臂梁(9)、弹簧(10)和磁铁块(11)组成，所述壳体(8)中心被导柱(4)、浮柱(5)垂直贯穿；所述弹簧(10)套在导柱(4)外，所述磁铁块(11)粘接在压电悬臂梁(9)自由端以及浮柱(5)侧面；所述压电悬臂梁(9)包括贯穿壳体(8)的螺纹轴(901)，所述螺纹轴(901)位于壳体(8)外部的两端均螺纹连接有六角法兰面螺母(902)，所述螺纹轴(901)位于壳体(8)内部的一段外圆面上螺纹连接有两六角螺母(903)，所述螺纹轴(901)上且位于两六角螺母(903)之间的位置设置有压电片(904)，所述磁铁块(11)粘接压电片(904)远离螺纹轴(901)的一端。2.根据权利要求1所述的一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述壳体(8)包括一端开口的圆筒状外壳(801)，所述外壳(801)开口端固定有圆盘状支撑板(802)，所述外壳(8)底部和支撑板(802)上开设有与导柱(4)配合的通孔(803)、与浮柱(5)配合的中心孔(804)，所述外壳(801)底部和支撑板(802)上开设有与螺纹轴(901)配合的矩形调节槽(805)。3.根据权利要求2所述的一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述外壳(801)内部设置有与外壳(801)同轴线的磁极支撑环(12)，所述磁极支撑环(12)套设在浮柱(5)外部，所述磁极支撑环(12)顶端与外壳(801)内底部刚性连接，所述磁极支撑环(12)底端与支撑板(802)顶部刚性连接，所述磁极支撑环(12)外圆面上开设有与压电片(904)配合的限位槽。4.根据权利要求1所述的一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述浮柱(5)外圆面上呈环形等距开设有若干与磁铁块(11)配合的安装槽(501)，所述浮柱(5)上的磁铁块(11)呈环形等距阵列布局，所述压电悬臂梁(9)在壳体(8)上呈环形等距布置且与浮柱(5)上的磁铁块(11)相对设置。5.根据权利要求1所述的一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述压电片(904)一端开设有与螺纹轴(901)配合的通孔，所述压电片(904)尺寸为60cm*20cm。6.根据权利要求1所述的一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，其特征在于，套设所述导柱(4)上的弹簧(10)一端抵紧在壳体(8)上，另一端分别抵紧在固定上底座(2)、固定下底座(6)上。7.根据权利要求1所述的一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述不倒翁头部(1)底部端面与支撑筒(3)顶部端面固定连接，所述不倒翁底座(7)顶部端面与支撑筒(3)底部端面固定连接，所述不倒翁头部(1)、不倒翁底座(7)均为半球形结构。

技术总结
本发明适用于波浪能发电技术领域，提供了一种胶囊不倒翁式波浪能压电发电装置，包括由不倒翁头部、固定上底座、支撑筒、导柱、浮柱、固定下底座和不倒翁底座组成的波能初级换能结构和由壳体、压电悬臂梁、弹簧和磁铁块组成的压电发电系统，壳体中心被导柱、浮柱垂直贯穿；弹簧套在导柱外，磁铁块粘接在压电悬臂梁自由端以及浮柱侧面，浮柱外圆面上有与磁铁块配合的安装槽，浮柱上的磁铁块呈环形等距阵列布局，压电悬臂梁在壳体上呈环形等距布置且与浮柱上的磁铁块相对设置。本发明解决了波浪能装置的总发电效率比较低、压电发电装置的结构不紧凑、不方便装配的技术问题，达到了延长使用寿命、便于装配、结构紧凑、整体发电效率高技术效果。效果。效果。


技术研发人员：罗祥 张传强 冯武卫
受保护的技术使用者：浙江海洋大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/4