本申請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能與勢能，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)價值。由于人類對能源的需求日益增加與非可再生能源儲量有限，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吸收式、擺式、筏式、鴨式、振蕩水柱式以及收縮波道式。其中點吸收式裝置主要利用振蕩浮子在波浪力作用下的運動進行波浪能收集，具有轉(zhuǎn)換效率高、投資成本小等特點，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)電機為主，通常多應(yīng)用于浮標發(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)電機的研究方興未艾。

目前，可集成在海上設(shè)備平臺內(nèi)收集波浪能的裝置相對較少，大多為點吸收式?，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)電機進行電磁發(fā)電。當搭載平臺受海浪作用上下振動時，搭載平臺內(nèi)的傳動機構(gòu)將搭載平臺上下振動的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能并傳遞永磁發(fā)電機，最終永磁發(fā)電機發(fā)電。如今隨著點吸收式波浪能收集器的深入研究發(fā)展，傳動結(jié)構(gòu)類型大致可分為機械式、液壓式、水壓式以及直驅(qū)式。由于存在傳動機構(gòu)的能量損耗和海洋波浪振動具有頻率低的特點，永磁發(fā)電機內(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)計成懸臂梁結(jié)構(gòu)，最終將波浪的低頻振動轉(zhuǎn)化為懸臂梁的高頻振動，從而輸出電能。然而，如何設(shè)計裝置將波浪的低頻振動高效地轉(zhuǎn)化為懸臂梁的高頻振動是壓電式波浪能收集裝置的一大難點，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。

由于存在傳動機構(gòu)的能量損耗和海洋中海浪振動具有頻率極低的特點,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頻率的高低和傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在壓電式能量收集裝置設(shè)計中，如何設(shè)計裝置將波浪的低頻振動高效地轉(zhuǎn)化為懸臂梁的高頻振動是其中一難點。

申請內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本申請的目的是提供一種波浪能收集裝置。

本申請的一種波浪能收集裝置，包括機架、設(shè)置于機架上的能夠隨波浪運動而繞轉(zhuǎn)軸左右擺動的擺動機構(gòu)、設(shè)置在所述的擺動機構(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，所述的擺動機構(gòu)包括與所述的機架通過轉(zhuǎn)軸相轉(zhuǎn)動連接的擺桿、設(shè)置在所述的擺桿下端的用于在擺動時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機構(gòu)的動能轉(zhuǎn)化為電能的電磁發(fā)電機。

優(yōu)選地，所述的波浪能收集裝置還包括齒輪增速機構(gòu)，所述的齒輪增速機構(gòu)包括相互嚙合的用于驅(qū)動所述的電磁發(fā)電機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，所述的擺動機構(gòu)的兩側(cè)的壓電發(fā)電裝置沿擺桿左右對稱的設(shè)置。

借由上述方案，本申請至少具有以下優(yōu)點：

本申請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能量，擺動機構(gòu)隨波浪的運動而左右擺動，同時擺動機構(gòu)撞擊彈性梁，使壓電彈性梁的高頻自由振動，進行壓電發(fā)電，實現(xiàn)波浪能的高功率密度輸出。

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

附圖說明

圖1為本申請所述的一種波浪能收集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，

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

其中：1、機架；21、彈性梁；22、壓電膜；3、電磁發(fā)電機；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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本申請的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本申請，但不用來限制本申請的范圍。

參見圖1和圖2，本申請一較佳實施例所述的一種波浪能收集裝置，包括機架1、設(shè)置于機架1上的能夠隨波浪運動而繞轉(zhuǎn)軸43左右擺動的擺動機構(gòu)、設(shè)置在所述的擺動機構(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沿上下方向并相對擺桿左右對稱的設(shè)置在機架1上，所述的彈性梁21的左右兩側(cè)粘貼有壓電膜22。所述的擺動機構(gòu)包括與所述的機架1通過轉(zhuǎn)軸43相轉(zhuǎn)動連接的擺桿42、設(shè)置在所述的擺桿42下端的用于在擺動時碰撞所述的彈性梁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機構(gòu)的動能轉(zhuǎn)化為電能的電磁發(fā)電機3。所述的波浪能收集裝置還包括齒輪增速機構(gòu)，所述的齒輪增速機構(gòu)包括相互嚙合的用于驅(qū)動所述的電磁發(fā)電機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。

擺動機構(gòu)在隨波浪運動而左右擺動時，收集海洋波浪的低頻左右振動能量，轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動和壓電彈性梁21的高頻自由振動，進而同時進行電磁發(fā)電和壓電發(fā)電，簡化了裝置的傳動機構(gòu)，最終實現(xiàn)波浪能的高功率密度輸出和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

本申請的工作原理如下：

本申請所述的波浪能收集裝置通常可以安裝在搭載平臺內(nèi)部，搭載平臺可以是海上的浮標、航行器等設(shè)備。在海浪振動作用下，搭載平臺隨之左右擺動，擺桿42圍繞回轉(zhuǎn)軸43擺動，通過齒輪增速機構(gòu)帶動電磁發(fā)電機3轉(zhuǎn)動，使得電磁發(fā)電機3獲得更高轉(zhuǎn)速，并輸出電能；同時，擺桿42擺動時，擺桿42末端的質(zhì)量塊41將會與左右兩側(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，彈性梁21上的壓電膜22按相應(yīng)頻率伸長和壓縮，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電動勢，以較高效率輸出電能。本裝置同時利用電磁發(fā)電和壓電發(fā)電模塊，高效率地將波浪左右振動的能量間接轉(zhuǎn)化為電能。

在本申請中，可以根據(jù)波浪振動的頻率，振幅等條件，通過改變質(zhì)量塊41的質(zhì)量，擺桿42的長度和齒輪增速機構(gòu)，來實現(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)擺動時，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，積累彈性勢能。根據(jù)壓電材料的壓電特性，施加外力的頻率對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)計壓電彈性梁21，使其的自由振動頻率滿足壓電膜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-分離運動，進而不斷有電能輸出。

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