用于捕获波浪能的阵列式压电发电设备

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波浪能的阵列式压电发电设备。

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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于捕获波浪能的阵列式压电发电设备，外部环境(例如波浪)通过摇杆将低频振动传递至发电箱，发电箱使用振片盘上的多个压电发电组件与转盘的多组磁铁相配合，实现压电发电组件的高频振动发电(压电效应)，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阵列式压电发电设备，所述阵列式压电发电设备包括悬挂臂、支撑架和并列安装于支撑架上的至少两个压电发电装置；所述压电发电装置包括浮子、摆杆和发电箱，所述摆杆由所述发电箱延伸出且其伸出的一端与所述浮子铰接；其中，

所述发电箱包括箱体，所述箱体包括两个一端开放的圆柱形半箱体，所述半箱体的侧壁上边缘设有弧形缺口，两个所述半箱体的弧形缺口组合成弧形槽；沿所述箱体的中轴线设有支撑于所述半箱体内壁的中心轴，所述中心轴上套设有转盘和沿转盘对称设置的两个振片盘；所述振片盘沿圆周方向设有至少两个压电发电组件，所述压电发电组件包括悬臂梁和贴附于悬臂梁上下表面沿径向依次设置的压电片和磁铁；所述转盘沿周向设有至少两个贯穿所述转盘的磁铁；

设于每个所述半箱体内部空间的所述压电发电组件的个数和所述转盘上的磁铁的个数相同，相对应的所述压电发电组件的磁铁和所述转盘的磁铁的中心线在一条直线上；

所述摆杆与所述转盘为一体式结构，所述摆杆由所述弧形槽延伸出所述箱体。

一具体实施例中，所述转盘与所述中心轴之间设有滚动轴承。

一具体实施例中，所述滚动轴承和两个所述振片盘之间以及所述振片盘和所述半箱体之间设有套筒以进行轴向定位。

一具体实施例中，所述振片盘与所述中心轴之间通过键连接进行周向定位。

一具体实施例中，所述转盘沿周向设有弧形通孔和/或圆形通孔。

一具体实施例中，所述压电发电组件的磁铁和所述转盘的磁铁均为圆柱形。

一具体实施例中，所述压电发电组件的悬臂梁为黄铜薄片。

一具体实施例中，所述弧形槽的圆心角为100度。

一具体实施例中，所述支撑架上设有固定扣，所述发电箱的箱体通过固定扣固定于所述支撑架上。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、利用浮子与摆杆将波浪运动转换为转盘的旋转运动，以及利用多个磁铁将转盘的旋转运动转换为悬臂梁的上下振动。

2、振片盘上的多个压电发电组件与转盘的多个磁铁的配合，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。

3、结合升频机构和压电发电机制提高输出功率及功率密度。

附图说明

图1为本发明用于捕获波浪能的阵列式压电发电设备的结构原理图；

图2为发电箱的部分结构剖视图；

图3为发电箱的爆炸示意图；

图4为振片盘结构图及其部分结构示意图；

图5为振片盘和中心轴的装配结构爆炸示意图；

图6为本发明发电过程工作原理图。

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阵列式压电发电设备，包括悬挂臂20、支撑架21和并列安装于支撑架21上的至少两个压电发电装置，图1中示出的实施例中有三个压电发电装置，三个压电发电装置的箱体分别由固定扣5固定于支撑架21。压电发电装置包括浮子1、摆杆2和发电箱3，发电箱3的箱体上开有圆心角为100度的弧形槽4，摆杆2由发电箱3的箱体延伸出且其伸出的一端与浮子1以铰接方式连接。正常工作时，悬挂臂20可以悬挂于海上平台边缘的立柱上。

发电箱3的箱体由两个一端开放的圆柱形半箱体31装配而成(可采用螺栓或螺钉连接)，半箱体31的侧壁上边缘设有弧形缺口，两个半箱体31的弧形缺口组合成弧形槽4。

沿箱体的中轴线设有支撑于半箱体31内壁的中心轴8，中心轴8上套设有转盘6和沿转盘6对称设置的两个振片盘7。振片盘7沿圆周方向设有多个压电发电组件10，压电发电组件10包括悬臂梁11(可以为厚度为0.4mm的黄铜薄片，其尾部固定安装)和贴附于悬臂梁11上下表面沿径向依次设置的压电片12和磁铁13。转盘6沿周向设有多个贯穿转盘6的磁铁61，摆杆2与转盘6为一体式结构。其中，设于每个半箱体31内部空间的压电发电组件10的个数和转盘6上的磁铁61的个数相同，配合发电时相对应的压电发电组件10的磁铁13以及转盘6的磁铁61的中心线在一条直线上。

转盘6上的磁铁61可以安装在开设于转盘6上的通孔内，磁铁61通过磁耦合的方式将摆杆2的动能传递给压电发电组件10。转盘6沿周向可开设弧形或圆形孔，以减轻质量和减小转动惯量。转盘6通过滚动轴承81安装于中心轴8上，分隔开运动部件(转盘6)与固定部件(中心轴8)，以使转盘6相对中心轴8、振片盘7转动。滚动轴承81和两个振片盘7之间以及振片盘7和半箱体31之间设有套筒82以进行轴向定位，振片盘7与中心轴8之间通过键83连接进行周向定位。

本发明所述的压电发电装置的发电过程如图6所示，其原理为：当浮子1随着波浪上下摆动时，摆杆2跟着上下摆动，从而导致转盘6以一定频率来回转动。当转盘6与振片盘7发生相对转动时，悬臂梁11上的磁铁13会受到转盘6上的磁铁61的周期性磁力作用，使得悬臂梁11发生弯曲振动。粘贴在悬臂梁11上的压电片12会发生形变，根据压电效应，受外力作用而发生形变的压电片会产生极化现象，继而产生电能。

上述过程中，悬臂梁11以其固有频率自由振动，形成高频振动。摇杆2摆动的频率是等于波浪运动的频率的，这个频率通常很低(<5Hz)，但是在摇杆2摆动的过程中，悬臂梁11每一次被磁铁拨动以后，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，预计可达100～500HZ。这就实现了频率的提升，最终能实现发电装置输出功率和能量转换效率的提升。

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方面，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。