用于捕获潮汐能的压电发电系统

技术领域

本发明属于发电装置领域，具体涉及一种用于捕获潮汐能的压电发电系统。

背景技术

为了实现捕获潮汐能用于漂浮式海洋监测装置的离网供电，国内外众多学者提出利用电磁感应定律、压电效应或摩擦电效应将潮汐能转化为电能，从而给无线传感器供电的方法，并设计出多种多样的发电装置，从而达到供电的效果。目前的发电装置大多是在发电机装置前端装配叶轮，叶轮在潮汐的作用下转动，从而带动发电机的转动，发电机内部的磁铁切割磁感线在线圈内产生感应电动势。这种发电装置在前置叶轮达到最大转速时，达到最大输出功率。

现有的漂浮式潮汐能发电装置后端发电机的尺寸很大，在海上工作不易装配，不利于长期在海上航行工作。此外，根据电磁感应定律，叶轮的转速将直接影响发电装置输出功率的大小。而传统潮汐发电的叶轮在正常工作时的转速普遍不高，导致发电机产生的感应电动势较低，且在潮汐涨落流速小的时候，传统发电装置只能转换极少的电能，不能为海上工作提供更多的电能支持，不利于漂浮式海上监测装置的使用。此外，理论公式表明，发电装置的输出功率与其工作频率的三次方成正比，且当其达到共振状态时产生最大输出功率。这就必然要求发电装置的固有频率要与环境激励频率相吻合，且尽可能地在高频状态下发电。然而，这个要求正是潮汐能所不能满足的，这是其低频的特性所决定的。即使是二者满足其一，即满足频率相吻合的条件，也会使得发电装置的尺寸过大，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、过分笨重、不适于为漂浮式海上监测装置供电等一系列问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于捕获潮汐能的压电发电系统，该系统的叶轮通过链条、链轮组合传动及多链轮联动将叶轮的低频转动(源于潮汐)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转动发电，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：

一种用于捕获潮汐能的压电发电系统，所述压电发电系统包括潮汐能捕获机构、压电发电箱和传动机构，所述压电发电箱包括至少两组压电发电装置、箱体、联动链条，所述压电发电装置设置于所述箱体内部；所述压电发电装置包括链轮、内圈、外圈和压电发电组；其中，

所述外圈为一端开放的圆筒状结构，另一端为封闭端且固定在所述箱体内部；所述外圈的封闭端内壁中心处设有内柱；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；

所述内圈呈圆筒状，所述内圈的一端固定于所述链轮且两者同心，另一端通过轴承与所述外圈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；

所述潮汐能捕获机构通过所述传动机构带动其中之一所述压电发电装置转动，各所述压电发电装置的所述链轮之间通过所述联动链条联动。

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，所述外圈上的每组磁铁包含三个磁铁。

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。

一具体实施例中，所述传动机构包括第一传动链轮、第二传动链轮和连接两者的传动链条以及联轴器，所述第一传动链轮连接于所述潮汐能捕获机构；位于所述箱体外侧的所述第二传动链轮通过所述联轴器延伸入所述箱体内部连接所述其中之一所述压电发电装置的所述链轮。

一具体实施例中，所述潮汐能捕获机构包括叶轮和支架，所述第一传动链轮的一端连接所述叶轮，另一端连接所述支架。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、利用潮汐推动叶轮转动，通过链条传动同时带动多个压电发电装置同时进行旋转运动。

2、在内圈上设置悬臂梁式的压电组件，在外圈的内壁以及内柱上均设置磁铁，提高了发电系统整体的输出功率密度。

3、在压电组件的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，提高能源利用率。

附图说明

图1为本发明实施例用于捕获潮汐能的压电发电系统的结构及工作原理图；

图2为压电发电装置的爆炸示意图；

图3为外圈的立体示意图(以N代表磁铁)；

图4为第二传动链轮、联轴器至压电发电装置端的爆炸示意图(外圈的磁铁未标示)；

图5为压电组件的结构图和爆炸示意图；

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潮汐能的压电发电系统，该压电发电系统包括潮汐能捕获机构、压电发电箱和传动机构，潮汐能捕获机构包括叶轮11和支架12，传动机构包括第一传动链轮21、第二传动链轮22和连接两者的传动链条23以及联轴器24。第一传动链轮21的一端连接叶轮11，另一端连接支架12(支架12可固定于其他漂浮装置)。位于箱体32外侧的第二传动链轮22通过联轴器24延伸入箱体32内部连接其中之一压电发电装置30(例如图1所示的最右侧的压电发电装置)的链轮31。

压电发电箱包括5组压电发电装置30、箱体32、联动链条33，压电发电装置30设置于箱体32内部。压电发电装置30包括链轮31、内圈4、外圈3和压电发电组。

外圈3为一端开放的圆筒状结构，另一端为封闭端且固定在箱体32内部，外圈3的封闭端内壁中心处设有内柱5。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60度圆心角均匀分布6组磁铁组，其中，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，内圈4的一端固定于链轮31且两者同心，另一端通过轴承34与外圈3相配合以使外圈3和内圈4能够相对转动。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。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。潮汐带动叶轮11旋转，叶轮11通过第一传动链轮21、传动链条23、第二传动链轮22、联轴器24(第二传动链轮22与联轴器24之间由楔键6装配)传递扭矩，使得图1所示位于最右侧的压电发电装置的链轮31旋转，进而带动联动链条33传动，联动链条33传动带动其他各压电发电装置30的链轮31旋转。最终使得各压电发电装置30的内圈4与外圈3发生相对转动。安装在内圈4上的压电发电组与外圈3的侧壁内表面、以及压电发电组和内柱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84相对压电组件8的磁铁83上下振动。当外圈3上的磁铁84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。叶轮11的旋转频率通常较低，但是叶轮11旋转的过程中，悬臂梁81每一次被外圈3上的磁铁84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叶轮旋转的频率。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，能高效地实现潮汐能-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。

本发明采用叶轮旋转带动链条进行传动，链条传动带动链轮的转动，从而达到扭矩的传递，链轮与内部发电单元轴向连接带动发电单元转动，压电发电箱内共设置多个发电单元，通过链条传动从而达到同时转动的效果。每个发电单元都主要由磁铁、压电悬臂梁组成，旋转的磁铁能够驱动压电悬臂梁高频振动，从而提高输出功率。这种升频机构的引入带来了两个最基本的优势：一是用于发电的输出功率得到了大幅度提升，使输出功率密度增大；二是发电装置总体尺寸减小，降低成本。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潮汐能并更加高效地完成电能的转化。故在叶轮转速相同的情况下，本发明能通过链条传动使多个发电单元同时工作，从而获得更大的输出功率。

本发明针对传统潮汐能发电装置输出功率不高的问题，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。