一种交替阵列式波浪能压电发电装置

1.本发明属于发电装置领域，具体涉及一种交替阵列式波浪能压电发电装置。


背景技术：

2.海洋经济的快速发展为沿海地区带来了巨大的经济红利。与此同时，它也造 成了渔业资源的减少和海洋环境的恶化等环境问题。对此需要进行一定的干预， 以改造和提升海洋产业。现代海洋牧场是一种新的商业模式，它在实现海洋环境 保护的同时，也实现了高效的渔业资源生产。2015 年，中国农业部公布了第一批 国家海洋牧场示范区，到 2019 年底，已有 110 个示范区。与此相对应的是，国 家出台了各种与海洋牧场有关的政策，包括计划、方案和补贴。国家资源的投入 已经重塑了中国水产业的发展格局。目前正在运行的海洋牧场已经取得了经济、 生态和社会效益。同时我国作为拥有近 300 万平方千米海洋面积的大国[1]，其中 蕴含了巨大的波浪能及风能等绿色能源、如何合理的使用波浪能、风能是海洋牧 场前进路上的一大问题。而在海洋可再生能源这一开发热点下，振荡水柱式波浪能综合发电装置是其中实现率及实用性较好的装置之一。波浪能发电则是通过波浪能装置将其转换为机械能，再将机械能输出为电能。早在20 世纪70年代，以美、英、日等为代表的国家就开始了波浪能设备的研发，其中包括了振荡水柱式、振荡浮子式、摆动式等，现有专利文献cn202110238819.1公开了一种用于捕获波浪能的阵列式压电发电设备，收集波浪能采用的是摇杆机构，发电箱开槽120
°
，摇杆不能做整周运动，并且摇杆上磁铁经过后压电发电组件将不会受到激励，大大降低了发电组件的发电效率，发电组件采用的传统的悬臂梁结构进行发电容易造成发电组件疲劳，发生损坏，进而使压电发电装置停止工作，对其进行维修，这样会大大降低工作效率，有待改进。


技术实现要素：

[0003]
为了解决上述问题，本发明公开了一种交替阵列式波浪能压电发电装置，对比现有技术，采用的齿条齿轮传动、间歇机构和新结构的压电发电机构，通过杠杆原理，带动永磁铁的交替磁吸力和质量块升升降降，形成对压电发电机构上的压电片(83)发生高频振动发电，来实现对波浪能的高效收集，大大提高了整个装置的工作效率。
[0004]
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种交替阵列式波浪能压电发电装置，所述发电装置包括浮球、发电箱、支撑底座、六角杆、旋转施力机构、压电发电机构和间歇机构，所述发电箱安装在所述支撑底座上，所述旋转施力机构固接在所述发电箱内壁上，所述六角杆可拆卸式安装在所述旋转施力机构上方中心部位，压电发电机构一端联接所述六角杆，另一端联接所述旋转施力机构端部，所述间歇机构一端联接于所述发电箱内壁上，一端和所述旋转施力机构端部磁吸式联接，且压住位于所述旋转施力机构端部的所述压电发电机构，所述浮球可拆卸式安装在所述旋转施力机构下方，随着波浪流动，可以带动所述旋转施力机构旋转，从而带动所述间歇机构和所述旋转施力机构产生周期性磁力作用，导致所述压电发电机构发生变形，产生电能。
[0005]
作为本发明的进一步改进，所述发电装置还包括固定连杆，所述发电箱包括上箱体、导轨、下箱体、矩形口和第一滑槽，所述矩形口开设于所述下箱体底部，所述滑槽形成于所述矩形口周边， 所述旋转施力机构包括齿条、第一齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮、轴承底座、底轴、第一滚动轴承、键、转盘、第一永磁铁和齿轮固定轴，所述齿条安装于所述滑槽内，并可在所述滑槽内来回滑动，所述固定连杆一端联接所述浮球，另一端穿过所述通过矩形口与所述齿条底部联接，所述齿条和第一齿轮啮合，所述第一锥齿轮和第一齿轮同轴联接后，安装于所述齿轮固定轴一端，所述齿轮固定轴固接于所述下箱体内壁上，所述第二锥齿轮和轴承底座同轴联接后，安装于所述底轴下端，穿过所述转盘中心孔后第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，所述底轴与所述转盘中心孔通过所述键联接，所述六角杆通过所述第一滚动轴承安装于所述轴承底座上，从而联接于所述底轴上端，第一永磁铁为多个，均匀且等间距的分布在所述转盘外圆周上表面，所述压电发电机构和所述间歇机构的数量和所述第一永磁铁的数量相等，且一一对应，所述间歇机构包括固定铰支座、第一杠杆、第二杠杆、第二滚动轴承、第一连杆、第二连杆、碶型块、质量块、固定滑轮、第二永磁铁、铆钉、两个套筒和第二滑槽，每个所述套筒内壁上均开设有第二滑槽，所述质量块和第二永磁铁两侧均安装有所述固定滑轮，所述质量块放入一安装于所述六角杆外壁上的套筒内并可通过固定滑轮在所述第二滑槽内滑动，第二永磁铁放入另一安装于所述上箱体内壁上的套筒内并可通过固定滑轮在所述第二滑槽内滑动，第一杠杆一端通过固定铰支座和铆钉与第二杠杆一端联接，所述第一连杆一端和所述第一杠杆另一端铆钉联接，另一端联接质量块顶部，所述第二杠杆和第二滚动轴承通过铆钉联接，第二连杆底端和所述第二永磁铁顶部联接，顶端和所述碶型块底端固接，所述碶型块另一端和所述第二滚动轴承搭接，所述压电发电机构包括回折型梁、折型梁、压电片和夹板，所述回折型梁和折型梁成套设置，且上下位置一一对应，所述回折型梁和折型梁表面贴有多个压电片，所述回折型梁一端可拆卸式联接于所述六角杆外壁上，另一端置于放置所述质量块的所述套筒的正下方，所述折型梁一端可拆卸式联接于所述六角杆外壁上，且位于所述回折型梁正下方，另一端置于放置所述第二永磁铁的所述套筒的正下方，并置于所述第一永磁铁的正上方，所述导轨设于所述上箱体内壁上，用于对所述碶型块进行垂直轴向定位，支撑底座安装于下箱体底部，用于支撑整个发电装置。波浪不断的给予所述浮球冲击力，通过固定连杆带动安装在所述滑槽内的齿条滑动，从而驱动第一齿轮转动，依次带动第一锥齿轮、第二锥齿轮，继而带动转盘转动，使得转盘上分布的第一永磁铁和第二永磁铁产生周期性交替的磁力，通过杠杆原理，第二永磁铁和质量块在回折型梁和折型梁的末端进行周期性的升降，导致从而导致回折型梁和折型梁发生弯曲振动，使得粘贴在回折型梁和折型梁上的压电片会发生变形，根据压电效应，受到外力作用而发生形变的压电片产生极化现象，继而产生电能。
[0006]
作为本发明的进一步改进，所述可拆卸式联接均为螺栓联接。螺栓联接，方便拆卸和安装。
[0007]
作为本发明的进一步改进，所述第一滑槽与所述下箱体底面角度为30
°
。根据波浪的波形，30度的角度，可以使得浮球受到波浪各个方向的冲击力，使得波浪能收集利用最大化。
[0008]
作为本发明的进一步改进，所述回折型梁和折型梁均为直线型梁，厚度是0.3mm的铍青铜片，所述压电片均为厚度0.2mm的pzt-5。
[0009]
本发明的有益效果有如下几点： 1、利用浮球与固定连杆将波浪运动转化为机构中的齿条运动，齿条带动第一齿轮转动，带动第一锥齿轮、第二锥齿轮，继而带动转盘旋转运动，利用一一对应的第一永磁铁、第二永磁铁将转盘的旋转运动转换为杠杆的上下移动，以及利用间歇机构上第二永磁铁和质量块上下交替运动转换为回折型梁和折型梁的上下振动，回折型梁和折型梁都是由多个直线型梁构成，受力后将分散到各个直线梁上，这样不容易发生疲劳损坏，大大提高了压电发电组件俘能效率；2、齿条可以水平放置，也可斜置，并与水平方向成一定角度，即可实现收集一个平面内多个方向的外力，利用浮球受波浪能的不规则运动均可以使斜置的齿条在滑槽内进行移动，提高了齿条的传动效率；3、六角杆上的多个压电发电机构与转盘和间歇机构的多个永磁体配合，构成了升频机构，永磁铁之间的相互作用力转化为间歇机构中连接的永磁体和质量块的上下交替运动，利用永磁体和质量块的交替运动驱动回折型梁、折型梁自由震荡，进行发电，结构简单，易制造，结合升频机构、间歇机构和压电发电机构大大提高了输出功率和输出密度。
[0010]
总之，本发明的交替阵列式波浪能压电发电装置，采用的齿条齿轮传动、间歇机构和新结构的压电发电机构，通过杠杆原理，带动永磁铁的交替磁吸力和质量块升升降降，形成对压电发电机构上的压电片发生高频振动发电，提高了电能的转换效率，也提高了输出功率密度，整个装置的工作效率得到了很大的改善，应用前景广泛。
附图说明
[0011]
图1为本发明一种交替阵列式波浪能压电发电装置的结构原理图；图2为本发明一种交替阵列式波浪能压电发电装置的结构示意图；图3为本发明下箱体与旋转施力机构连接方式的爆炸示意图；图4为本发明间歇机构的结构示意图；图5为图2中压电发电机构的回折型梁的安装爆炸示意图；图6为图2中压电发电机构的弯折型梁的安装爆炸示意图；附图标识列表： 1、浮球;2、固定连杆;3、发电箱;31、上箱体;311、螺纹孔;312、导轨;32、下箱体;4、矩形口;41、第一滑槽;5、支撑底座;6、六角杆;7、旋转施力机构;71、齿条;72、第一齿轮;731、第一锥齿轮;732、第二锥齿轮;733、轴承底座;74、底轴;741、第一滚动轴承;742、键;75、转盘;76、第一永磁铁;77、齿轮固定轴;8、压电发电机构;81、回折型梁;82、折型梁;83、压电片;84、螺栓;85、螺母;86、夹板;9、间歇机构。
实施方式
[0012]
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0013]
如图1-2所示，本发明的交替阵列式波浪能压电发电装置，包括浮球1、发电箱3、支撑底座5、六角杆6、旋转施力机构7、压电发电机构8和间歇机构9，所述发电箱3安装在所述支撑底座5上，所述旋转施力机构7固接在所述发电箱3内壁上，所述六角杆6可拆卸式安装
在所述旋转施力机构7上方中心部位，压电发电机构8一端联接所述六角杆6，另一端联接所述旋转施力机构7端部，所述间歇机构9一端联接于所述发电箱3内壁上，一端和所述旋转施力机构7端部磁吸式联接，且压住位于所述旋转施力机构7端部的所述压电发电机构8，所述浮球1可拆卸式安装在所述旋转施力机构7下方，随着波浪流动，可以带动所述旋转施力机构7旋转，从而带动所述间歇机构9和所述旋转施力机构7产生周期性磁力作用，导致所述压电发电机构8发生变形，产生电能。
[0014]
所述发电装置还包括固定连杆2，所述发电箱3包括上箱体31、导轨312、下箱体32、矩形口4和第一滑槽41，所述矩形口4开设于所述下箱体32底部，所述滑槽41形成于所述矩形口4周边，如图3所示，所述旋转施力机构7包括齿条71、第一齿轮72、第一锥齿轮731、第二锥齿轮732、轴承底座733、底轴74、第一滚动轴承741、键742、转盘75、第一永磁铁76和齿轮固定轴77， 所述齿条71安装于所述滑槽41内，并可在所述滑槽41内来回滑动，所述固定连杆2一端联接所述浮球1，另一端穿过所述通过矩形口4与所述齿条71底部联接，固定连杆2可通过铰接的方式连接于所述浮球1下方，以便所述浮球1受到波浪的冲击时，可以摇摆，从而可以带动所述齿条71顺畅的在所述滑槽41内滑动。
[0015]
所述齿条71和第一齿轮72啮合，所述第一锥齿轮731和第一齿轮72同轴联接后，安装于所述齿轮固定轴77一端，所述齿轮固定轴77固接于所述下箱体32内壁上，所述第二锥齿轮732和轴承底座733同轴联接后，安装于所述底轴74下端，穿过所述转盘75中心孔后第一锥齿轮731和第二锥齿轮732啮合，所述底轴74与所述转盘75中心孔通过所述键742联接，所述六角杆6通过所述第一滚动轴承741安装于所述轴承底座733上，从而联接于所述底轴74上端，第一永磁铁76为多个，均匀且等间距的分布在所述转盘75外圆周上表面，所述压电发电机构8和所述间歇机构9的数量和所述第一永磁铁76的数量相等，且一一对应，如图4所示，所述间歇机构9包括固定铰支座91、第一杠杆921、第二杠杆922、第二滚动轴承93、第一连杆941、第二连杆942、碶型块95、质量块96、固定滑轮961、第二永磁铁97、铆钉98、两个套筒99和第二滑槽991，每个所述套筒99内壁上均开设有第二滑槽991，所述质量块96和第二永磁铁97两侧均安装有所述固定滑轮961，所述质量块96放入一安装于所述六角杆6外壁上的套筒99内并可通过固定滑轮961在所述第二滑槽991内滑动，第二永磁铁97放入另一安装于所述上箱体31内壁上的套筒99内并可通过固定滑轮961在所述第二滑槽991内滑动，第一杠杆921一端通过固定铰支座91和铆钉98与第二杠杆922一端联接，所述第一连杆941一端和所述第一杠杆921另一端铆钉98联接，另一端联接质量块96顶部，所述第二杠杆922和第二滚动轴承93通过铆钉98联接，第二连杆942底端和所述第二永磁铁97顶部联接，顶端和所述碶型块95底端固接，所述碶型块95另一端和所述第二滚动轴承93搭接，如图5-6所示，所述压电发电机构8为多个，最佳为六个，呈60度间隔绕六角杆6为轴心的圆周方向向外发散设置，所述压电发电机构8包括回折型梁81、折型梁82、压电片83和夹板86，所述回折型梁81和折型梁82成套设置，且上下位置一一对应，所述回折型梁81和折型梁82表面贴有多个压电片83，所述回折型梁81一端可拆卸式联接于所述六角杆6外壁上，另一端置于放置所述质量块96的所述套筒99的正下方，所述折型梁82一端可拆卸式联接于所述六角杆6外壁上，且位于所述回折型梁81正下方，另一端置于放置所述第二永磁铁97的所述套筒99的正下方，并置于所述第一永磁铁76的正上方，所述导轨312设于所述上箱
体31内壁上，用于对所述碶型块95进行垂直轴向定位，支撑底座5安装于下箱体32底部，用于支撑整个发电装置。通过所述浮球1带动安装在所述滑槽41内的齿条71滑动，从而驱动第一齿轮72转动，依次带动第一锥齿轮731、第二锥齿轮732，继而带动转盘75转动，使得转盘75上分布的第一永磁铁76和第二永磁铁97产生周期性的磁力，通过杠杆原理，第二永磁铁97和质量块96在回折型梁81和折型梁82的末端进行周期性的升降，导致从而导致回折型梁81和折型梁82发生弯曲振动，使得粘贴在回折型梁81和折型梁82上的压电片83会发生变形，根据压电效应，受到外力作用而发生形变的压电片产生极化现象，继而产生电能。
[0016]
所述可拆卸式联接均为螺栓联接。螺栓联接，方便拆卸和安装。所述套筒99侧壁、上箱体31内壁、六角杆6外周壁上均开设有螺纹孔311，回折型梁端部和折型梁82的端部均设有与螺纹孔311适配安装的螺栓84、螺母85，通过l型的夹板86将所述回折型梁端部和折型梁82的端部分别固接到所述六角杆6外周壁上，放置所述质量块96的所述套筒99和放置所述第二永磁铁97的所述套筒99均通过螺纹孔311、螺栓84、螺母85分别固接于所述上箱体31的顶盖和/或内壁上。
[0017]
所述第一滑槽41与所述下箱体32底面角度为30
°
。根据波浪的波形，30度的角度，可以使得浮球1受到波浪各个方向的冲击力，使得波浪能收集利用最大化。
[0018]
所述回折型梁81和折型梁82均为直线型梁，厚度是0.3mm的铍青铜片，所述压电片83均为厚度0.2mm的pzt-5。
[0019]
本发明的有益效果有如下几点：利用浮球1与固定连杆2将波浪运动转化为机构中的齿条运动，齿条71带动第一齿轮72转动，带动第一锥齿轮731、第二锥齿轮732，继而带动转盘75旋转运动，利用一一对应的第一永磁铁76、第二永磁铁97将转盘75的旋转运动转换为杠杆的上下移动，以及利用间歇机构上第二永磁铁97和质量块96上下交替运动转换为回折型梁81和折型梁82的上下振动，回折型梁81和折型梁82都是由多个直线型梁构成，受力后将分散到各个直线梁上，这样不容易发生疲劳损坏，大大提高了压电发电组件俘能效率；齿条71可以水平放置，也可斜置，并与水平方向成一定角度，即可实现收集一个平面内多个方向的外力，利用浮球1受波浪能的不规则运动均可以使斜置的齿条71在滑槽内进行移动，提高了齿条71的传动效率；六角杆6上的多个压电发电机构8与转盘75和间歇机构9的多个永磁体配合，构成了升频机构，永磁铁之间的相互作用力转化为间歇机构9中连接的永磁体和质量块的上下交替运动，利用永磁体和质量块的交替运动驱动回折型梁81、折型梁82自由震荡，进行发电，结构简单，易制造，结合升频机构、间歇机构9和压电发电机构8大大提高了输出功率和输出密度。
[0020]
总之，本发明的交替阵列式波浪能压电发电装置，采用的齿条齿轮传动、间歇机构和新结构的压电发电机构，通过杠杆原理，带动永磁铁的交替磁吸力和质量块升升降降，形成对压电发电机构上的压电片83发生高频振动发电，提高了电能的转换效率，也提高了输出功率密度，整个装置的工作效率得到了很大的改善，应用前景广泛。
[0021]
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种交替阵列式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述发电装置包括浮球(1)、发电箱(3)、支撑底座(5)、六角杆(6)、旋转施力机构(7)、压电发电机构(8)和间歇机构(9)，所述发电箱(3)安装在所述支撑底座(5)上，所述旋转施力机构(7)固接在所述发电箱(3)内壁上，所述六角杆(6)可拆卸式安装在所述旋转施力机构(7)上方中心部位，压电发电机构(8)一端联接所述六角杆(6)，另一端联接所述旋转施力机构(7)端部，所述间歇机构(9)一端联接于所述发电箱(3)内壁上，一端和所述旋转施力机构(7)端部磁吸式联接，且压住位于所述旋转施力机构(7)端部的所述压电发电机构(8)，所述浮球(1)可拆卸式安装在所述旋转施力机构(7)下方，随着波浪流动，可以带动所述旋转施力机构(7)旋转，从而带动所述间歇机构(9)和所述旋转施力机构(7)产生周期性磁力作用，导致所述压电发电机构(8)发生变形，产生电能。2.根据权利要求1所述的一种交替阵列式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述发电装置还包括固定连杆(2)，所述发电箱(3)包括上箱体(31)、导轨(312)、下箱体(32)、矩形口(4)和第一滑槽(41)，所述矩形口(4)开设于所述下箱体(32)底部，所述滑槽(41)形成于所述矩形口(4)周边， 所述旋转施力机构(7)包括齿条(71)、第一齿轮(72)、第一锥齿轮(731)、第二锥齿轮(732)、轴承底座(733)、底轴(74)、第一滚动轴承(741)、键(742)、转盘(75)、第一永磁铁(76)和齿轮固定轴(77)，所述齿条(71)安装于所述滑槽(41)内，并可在所述滑槽(41)内来回滑动，所述固定连杆(2)一端联接所述浮球(1)，另一端穿过所述通过矩形口(4)与所述齿条(71)底部联接，所述齿条(71)和第一齿轮(72)啮合，所述第一锥齿轮(731)和第一齿轮(72)同轴联接后，安装于所述齿轮固定轴(77)一端，所述齿轮固定轴(77)固接于所述下箱体(32)内壁上，所述第二锥齿轮(732)和轴承底座(733)同轴联接后，安装于所述底轴(74)下端，穿过所述转盘(75)中心孔后第一锥齿轮(731)和第二锥齿轮(732)啮合，所述底轴(74)与所述转盘(75)中心孔通过所述键(742)联接，所述六角杆(6)通过所述第一滚动轴承(741)安装于所述轴承底座(733)上，从而联接于所述底轴(74)上端，第一永磁铁(76)为多个，均匀且等间距的分布在所述转盘(75)外圆周上表面，所述压电发电机构(8)和所述间歇机构(9)的数量和所述第一永磁铁(76)的数量相等，且一一对应，所述间歇机构(9)包括固定铰支座(91)、第一杠杆(921)、第二杠杆(922)、第二滚动轴承(93)、第一连杆(941)、第二连杆(942)、碶型块(95)、质量块(96)、固定滑轮(961)、第二永磁铁(97)、铆钉(98)、两个套筒(99)和第二滑槽(991)，每个所述套筒(99)内壁上均开设有第二滑槽(991)，所述质量块(96)和第二永磁铁(97)两侧均安装有所述固定滑轮(961)，所述质量块(96)放入一安装于所述六角杆(6)外壁上的套筒(99)内并可通过固定滑轮(961)在所述第二滑槽(991)内滑动，第二永磁铁(97)放入另一安装于所述上箱体(31)内壁上的套筒(99)内并可通过固定滑轮(961)在所述第二滑槽(991)内滑动，第一杠杆(921)一端通过固定铰支座(91)和铆钉(98)与第二杠杆(922)一端联接，所述第一连杆(941)一端和所述第一杠杆(921)另一端铆钉(98)联接，另一端联接质量块(96)顶部，所述第二杠杆(922)和第二滚动轴承(93)通过铆钉(98)联接，第二连杆(942)底端和所述第二永磁铁(97)顶部联接，顶端和所述碶型块(95)底端固接，所述碶型块(95)另一端和所述第二滚动轴承(93)搭接，所述压电发电机构(8)包括回折型梁(81)、折型梁(82)、压电片(83)和夹板(86)，所述回折型梁(81)和折型梁(82)成套设置，且上下位置一一对应，所述回折型梁(81)和折型梁(82)表面贴有多个压电片(83)，所述回折型梁(81)一端可拆卸式联接于所述六角杆(6)外
壁上，另一端置于放置所述质量块(96)的所述套筒(99)的正下方，所述折型梁(82)一端可拆卸式联接于所述六角杆(6)外壁上，且位于所述回折型梁(81)正下方，另一端置于放置所述第二永磁铁(97)的所述套筒(99)的正下方，并置于所述第一永磁铁(76)的正上方，所述导轨(312)设于所述上箱体(31)内壁上，用于对所述碶型块(95)进行垂直轴向定位，支撑底座(5)安装于下箱体(32)底部，用于支撑整个发电装置。3.根据权利要求2所述的一种交替阵列式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述可拆卸式联接均为螺栓联接。4.根据权利要求3所述的一种交替阵列式波浪能压电发电装置，其特征在于，所述第一滑槽(41)与所述下箱体(32)底面角度为30
°
。5.根据权利要求4所述的一种交替阵列式波浪能压电发电装置，其特征在于，回折型梁(81)和折型梁(82)均为直线型梁，厚度是0.3mm的铍青铜片，所述压电片(83)均为厚度0.2mm的pzt-5。

技术总结
本发明公开了一种交替阵列式波浪能压电发电装置，属于发电技术领域，本发明公开的交替阵列式波浪能压电发电装置，采用的齿条齿轮传动、间歇机构和新结构的压电发电机构，通过杠杆原理，带动永磁铁的交替磁吸力和质量块升升降降，形成对压电发电机构上的压电片83发生高频振动发电，提高了电能的转换效率，也提高了输出功率密度，整个装置的工作效率得到了很大的改善，应用前景广泛。应用前景广泛。应用前景广泛。


技术研发人员：王思情 刘祥建 朱奇
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/16