一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置.pdf

本发明公开了一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，包括基座、悬臂梁、支撑杆和外壳，基座和外壳均为立方体，基座位于外壳的中心，通过八个支撑杆刚性支撑，基座每个面的中心分别向外垂直安装一个悬臂梁，基座左右面的悬臂梁与基座上下面平行，基座前后面的悬臂梁与基座左右面平行，基座上下面的悬臂梁与基座前后面平行，悬臂梁的端部区域单侧或两侧贴设有质量块，悬臂梁与基座接近的根部区域单侧或两侧贴设有压电陶瓷片。本发明外壳漂浮在海面上随波浪运动，三对悬臂梁分别在三个方向的惯性作用下弯曲振动，通过压电陶瓷片回收三个方向的波浪运动能量。

1.  一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：包括均为立方体状的基座和外壳，其中基座设置在外壳内中心处，基座的八个外侧顶点与外壳的八个内侧顶点一一对应，且基座的八个外侧顶点与对应的外壳内侧顶点分别通过支撑杆刚性连接，基座每个面中心分别向外垂直安装有悬臂梁，其中基座左、右侧面悬臂梁梁面分别与基座上下面平行，基座前、后侧面的悬臂梁梁面分别与基座左右面平行，基座上、下侧面的悬臂梁梁面分别与基座前后面平行，每个悬臂梁单侧或两侧梁面端部位置贴设有质量块，每个悬臂梁与基座接近的单侧或两侧梁面根部位置贴设有压电陶瓷片。

2.  根据权利要求1所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述基座和外壳材料为不锈钢或有机玻璃，外壳为薄壁空心，基座为实心，所述支撑杆材料为不锈钢棒，支撑杆两端通过焊接或粘结分别与基座的外侧顶点、外壳的内侧顶点固结。

3.  根据权利要求1所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述基座每个面的中心开设有矩形槽，悬臂梁根部安装于矩形槽内，通过环氧树脂胶与基座固结，所述悬臂梁的宽度小于基座的边长，悬臂梁的长度小于基座与外壳之间的间距，以保证悬臂梁自由弯曲运动。

4.  根据权利要求1所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘贴于悬臂梁根部区域的单侧或两侧，所述质量块通过螺钉或环氧树脂胶固定于悬臂梁端部区域的单侧或两侧，压电陶瓷片和质量块与悬臂梁的宽度相等。

5.  根据权利要求1所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述悬臂梁材料为不锈钢片，所述压电陶瓷片材料为PZT，压电陶瓷片上下表面镀银电极，厚度方向极化，所述的质量块材料为铁块。

一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及微型化能量回收技术领域，具体是一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置。
背景技术
能量回收技术即是收集周围的太阳能、热能、风能、水能、振动能等环境能，转化并存储为电能，以替代传统的电池，用于低功耗电子设备的自主持续供电。这种清洁、可靠、免费的能源供给形式适用于偏远地带的无线传感网络，提高设备工作寿命的同时，亦可节约成本、避免污染，在环境监测、科学探测、搜寻救灾、军事侦察等领域有着广阔的应用前景。
广阔的海洋在资源、运输、科学、军事等多方面具有重要的战略地位，分布于海洋中的自主无线传感网络可满足诸多领域的应用需求，而供电成为其可靠工作的关键问题。海洋为我们提供了丰富的能量形式，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海岸风能、海水温差能、盐差能等，通过大型发电装置已实现上述形式海洋能量的并网发电，而利用微型发电装置回收这些能量并转化存储为电能，可实现海洋低功耗无线传感设备的自主供电。相比于太阳能、风能、振动能等能量回收技术，应用于波浪能、水流能的小型海洋能量回收装置的研究较少，仍处于起步阶段。
目前，回收海洋水流能量的微型发电装置主要基于卡门漩涡原理，利用压电纤维复合物、聚偏氟乙烯聚合物、离子聚合物等机电转换材料将卡门漩涡产生的梁或带振动转化为电能，回收海洋波浪能量的微型发电装置主要基于惯性运动和冲击作用，利用浮标在波浪作用的上下运动，通过电磁、压电等机电转换效应将惯性运动和冲击作用转化为电能。现有的原理样机都存在很多不完善的地方，如输出功率较低、转化效率不高、制造成本较高等，实际应用中仍存在一些难以克服的问题。
发明内容    本发明的目的是提供一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，以解决现有技术海洋波浪能发电装置微型化过程中存在的输出功率低、转化效率低、制造成本高等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：包括均为立方体状的基座和外壳，其中基座设置在外壳内中心处，基座的八个外侧顶点与外壳的八个内侧顶点一一对应，且基座的八个外侧顶点与对应的外壳内侧顶点分别通过支撑杆刚性连接，基座每个面中心分别向外垂直安装有悬臂梁，其中基座左、右侧面悬臂梁梁面分别与基座上下面平行，基座前、后侧面的悬臂梁梁面分别与基座左右面平行，基座上、下侧面的悬臂梁梁面分别与基座前后面平行，每个悬臂梁单侧或两侧梁面端部位置贴设有质量块，每个悬臂梁与基座接近的单侧或两侧梁面根部位置贴设有压电陶瓷片。
所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述基座和外壳材料为不锈钢或有机玻璃，外壳为薄壁空心，基座为实心，所述支撑杆材料为不锈钢棒，支撑杆两端通过焊接或粘结分别与基座的外侧顶点、外壳的内侧顶点固结。
所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述基座每个面的中心开设有矩形槽，悬臂梁根部安装于矩形槽内，通过环氧树脂胶与基座固结，所述悬臂梁的宽度小于基座的边长，悬臂梁的长度小于基座与外壳之间的间距，以保证悬臂梁自由弯曲运动。
所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘贴于悬臂梁根部区域的单侧或两侧，所述质量块通过螺钉或环氧树脂胶固定于悬臂梁端部区域的单侧或两侧，压电陶瓷片和质量块与悬臂梁的宽度相等。
所述的一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，其特征在于：所述悬臂梁材料为不锈钢片，所述压电陶瓷片材料为PZT，压电陶瓷片上下表面镀银电极，厚度方向极化，所述的质量块材料为铁块。
本发明提供了一种成本低廉、制造方便、功率输出稳定、使用寿命长的漂浮式压电海洋波浪能发电装置，替代传统的电池供电，以适应海洋环境监测、科学探测、搜寻救灾、军事侦察等领域低功耗无线设备自主供电的应用需求。
与已有技术相比，本发明的优点是：
采用密封正方体外壳结构，可以任意姿态漂浮于海面，基座通过支撑杆稳固固定于外壳中心，多对悬臂梁充分利用外壳内部空间。
采用三对相互垂直的悬臂梁结构，可回收三个方向的波浪运动能量，提高了波浪能回收的效率。
该装置结构稳固，制造方便，成本低廉，使用寿命长，易于微型化。
附图说明
图1是本发明轴测示意图。
图2是本发明主剖视示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置，包括基座1、悬臂梁2、支撑杆3和外壳4。基座1和外壳4均为立方体，基座1位于外壳4的中心，基座1的八个外侧顶点与外壳4的八个内侧顶点一一对应，并通过八个支撑杆3刚性连接；基座1每个面的中心分别向外垂直安装一个悬臂梁2，基座1左右面的悬臂梁2与基座1上下面平行，基座1前后面的悬臂梁2与基座1左右面平行，基座1上下面的悬臂梁2与基座1前后面平行；悬臂梁2的端部区域单侧或两侧贴设有质量块5，悬臂梁2与基座1接近的根部区域单侧或两侧贴设有压电陶瓷片6。
基座1和外壳4材料为不锈钢或有机玻璃，外壳4为薄壁空心，基座1为实心，支撑杆3材料为不锈钢棒，支撑杆3两端通过焊接或粘结分别与基座1的外侧顶点和外壳4的内侧顶点固结。
基座1每个面的中心开设有矩形槽7，悬臂梁2根部安装于矩形槽7内，通过环氧树脂胶与基座固结，悬臂梁2的宽度小于基座1的边长，悬臂梁2的长度小于基座1与外壳4之间的间距，以保证悬臂梁2自由弯曲运动。
压电陶瓷片6通过环氧树脂胶粘贴于悬臂梁2根部区域的单侧或两侧，金属块5通过螺钉或环氧树脂胶固定于悬臂梁2端部区域的单侧或两侧，压电陶瓷片6和质量块5与悬臂梁2的宽度相等。
悬臂梁2材料为不锈钢片，压电陶瓷片6材料为PZT，压电陶瓷片上下表面镀银电极，厚度方向极化，质量块5材料为铁块。
本发明根据悬臂梁振动能回收原理，将悬臂梁和浮标相结合，立方体外壳随波浪运动，悬臂梁在惯性作用下弯曲振动，发电部件为压电陶瓷片，粘接在悬臂梁根部回收悬臂梁的振动能，整体结构构成了一个微型漂浮式压电海洋波浪能发电装置。
具体的工作过程及原理：
本发明中，密封立方体外壳4漂浮在海面上随着波浪运动，主要包括波浪起伏的上下运动、波浪冲击的前后和左右运动，基座1与外壳4刚性连接而同步运动，由于悬臂梁2前端质量块5的惯性作用，基座1左右面的悬臂梁2会随着外壳4的上下来回运动而上下弯曲振动，基座1前后面的悬臂梁2会随着外壳4的左右来回运动而左右弯曲振动，基座1上下面的悬臂梁2会随着外壳4的前后来回运动而前后弯曲振动。压电陶瓷片6粘接在悬臂梁2的根部，悬臂梁2弯曲振动产生周期性的变形，使得压电陶瓷片6产生周期性的应力，由于压电效应，压电陶瓷片6上下表面电极上产生电荷，电荷经过导线连接电能存储元件或负载，就会将产生的交流电能存储起来或用于驱动负载。