本申請涉及一種波浪能發(fā)電設備。

背景技術：

目前，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)波浪能轉換系統(tǒng)由三級能量轉換機構組成。其中，一級能量轉換機構(波浪能采集裝置)將波浪能轉換成某個載體的機械能。根據(jù)波浪能采集裝置的結構機理，可將波浪能收集裝置分為點吸收式、振蕩水柱式、筏式以及振蕩搖擺式。二級能量轉換機構為傳動裝置，將一級能量轉換所得到的機械能傳遞到發(fā)電裝置中，其主要傳動類型有機械式、氣動式以及液壓式。針對不同的波浪能采集裝置，二級能量轉換機構的傳動環(huán)節(jié)并不是必備環(huán)節(jié)，該機構可忽略。三級能量轉換機構為發(fā)電裝置，將二級能量轉換所得到的機械能轉換為電能。根據(jù)發(fā)電裝置的機理，可將能量轉換裝置分為電磁型、壓電型和電磁聚合物型。

目前，可集成在海上設備平臺內收集波浪能的裝置相對較少?，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)電類型應用最多，一般采用彈簧振子結構。搭載平臺受海浪作用上下振動，使固定在彈簧活動端的磁體產生受迫上下振動，固定在能量收集器上的感應線圈切割磁感線產生電能輸出。由于海洋波浪振動具有頻率低的特點，這種電磁發(fā)電能量收集裝置的磁體振動頻率低，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計成懸臂梁結構，最終將波浪的低頻振動轉化為懸臂梁的高頻振動，從而輸出電能。然而，如何設計裝置將波浪的低頻振動高效地轉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。

申請內容

為解決上述技術問題，本申請的目的是提供一種波浪能發(fā)電設備。

本申請涉及一種波浪能發(fā)電設備，所述的波浪能發(fā)電設備包括機架、設置于所述的機架上的能夠隨波浪運動而繞轉軸上下擺動的擺動機構、設置在所述的擺動機構的上下兩側的壓電發(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，所述的擺動機構包括與所述的機架通過轉軸相轉動連接的擺桿、設置在所述的擺桿遠離轉軸的一端的用于在擺動時碰撞所述的彈性梁的質量塊。

優(yōu)選地，所述的波浪能發(fā)電設備還包括用于在沒有外力時將所述的擺桿維持在水平位置的扭簧，所述的扭簧的一端固定在機架上，扭簧的另一端固定在擺桿上，所述扭簧套設在所述轉軸上。

優(yōu)選地，所述的彈性梁沿水平方向固定設置在機架上，所述的彈性梁的上下兩側粘貼有壓電膜，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量塊相接觸的末端。

優(yōu)選地，所述的擺動機構的上下兩側的壓電發(fā)電裝置沿擺桿上下對稱的設置。

優(yōu)選地，所述的波浪能發(fā)電設備還包括電磁發(fā)電裝置，所述的電磁發(fā)電裝置包括設于機架上的靠近所述的擺桿的遠離所述的轉軸一端的線圈繞組、位于所述線圈繞組中心的硅鋼片、位于所述的擺桿的遠離所述的轉軸的一端的永磁鐵陣列。

優(yōu)選地，所述的質量塊包括位于上下兩側的用于撞擊是的彈性梁的側部，所述的上下兩側的側部之間形成容納空間，所述的永磁鐵陣列容納于所述的容納空間內。

優(yōu)選地，所述的彈性梁為彈性材料制成。

借由上述方案，本申請至少具有以下優(yōu)點：

本申請所述的波浪能發(fā)電設備，將海洋波浪的低頻上下振動通過擺動機構和壓電發(fā)電裝置，轉化為壓電彈性梁的高頻自由振動，進而同時進行壓電發(fā)電，最終實現(xiàn)波浪能的高功率密度輸出和較高的能量轉換效率。

上述說明僅是本申請技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本申請的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，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發(fā)電設備的結構示意圖；

圖2為本申請所述的波浪能發(fā)電設備安裝在搭載平臺上的結構示意圖，

其中：1、機架；2、壓電發(fā)電裝置；21、彈性梁；22、壓電膜；31、擺桿；32、質量塊；33、永磁鐵陣列；4、線圈繞組；5、轉軸；6、扭簧；100、波浪能發(fā)電設備；200、搭載平臺。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，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。

如圖所示，本申請涉及一種波浪能發(fā)電設備，所述的波浪能發(fā)電設備包括機架、設置于所述的機架上的能夠隨波浪運動而繞轉軸上下擺動的擺動機構、設置在所述的擺動機構的上下兩側的壓電發(fā)電裝置，所述的擺動機構的上下兩側的壓電發(fā)電裝置沿擺桿上下對稱的設置。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，所述的彈性梁為彈性材料制成，如硅基、金屬基、聚合物基等。所述的擺動機構包括與所述的機架通過轉軸相轉動連接的擺桿、設置在所述的擺桿遠離轉軸的一端的用于在擺動時碰撞所述的彈性梁的質量塊。所述的波浪能發(fā)電設備還包括用于在沒有外力時將所述的擺桿維持在水平位置的扭簧，所述的扭簧的一端固定在機架上，扭簧的另一端固定在擺桿上。所述的彈性梁沿水平方向固定設置在機架上，所述的彈性梁的上下兩側粘貼有壓電膜，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量塊相接觸的末端。本申請所述的波浪能發(fā)電設備，將海洋波浪的低頻上下振動通過擺動機構和壓電發(fā)電裝置，轉化為壓電彈性梁的高頻自由振動，進而同時進行壓電發(fā)電，最終實現(xiàn)波浪能的高功率密度輸出和較高的能量轉換效率。

所述的波浪能發(fā)電設備還包括電磁發(fā)電裝置，所述的電磁發(fā)電裝置包括設于機架上的靠近所述的擺桿的遠離所述的轉軸一端的線圈繞組、位于所述線圈繞組中心的硅鋼片、位于所述的擺桿的遠離所述的轉軸的一端的永磁鐵陣列。所述的質量塊包括位于上下兩側的用于撞擊是的彈性梁的側部，所述的上下兩側的側部之間形成容納空間，所述的永磁鐵陣列容納于所述的容納空間內。

本發(fā)電設備最終可安裝在搭載平臺內部。搭載平臺可以是海上的浮標、航行器等設備。搭載平臺在波浪的作用下，產生上下振動，本發(fā)電設備再將搭載平臺的上下振動的能量進行收集，間接的將波浪能轉化為電能。

本申請的工作原理如下：

本發(fā)電設備安裝在搭載平臺內部，在靜止時，通過設置扭簧的初始安裝角度位置，在擺桿末端的質量塊重力和永磁鐵陣列重力對轉軸的力矩和扭簧的扭矩作用下，使擺桿處于水平位置，即振動平衡位置。在海浪振動作用下，搭載平臺隨之上下振動，此時擺桿產生受迫振動，永磁鐵陣列繞轉軸擺動并與線圈繞組產生相對位移，通過法拉第電磁感應定律產生感應電動勢；同時，擺桿擺動時，擺桿末端質量塊將會與上下兩側的彈性梁末端接觸，使彈性梁產生撓曲變形，積累彈性勢能，再與彈性梁分離，使彈性梁產生高頻率的自由振動，彈性梁上的壓電膜按相應頻率伸長和壓縮，通過壓電效應產生電動勢，以較高效率輸出電能。這樣，本裝置同時利用電磁發(fā)電和壓電發(fā)電模塊，高效率地將波浪上下振動的能量間接轉化為電能。

在擺桿處于水平位置，即振動平衡位置時，rθ0＝mgl，其中，m為質量塊和永磁鐵陣列的質量和，g為重力加速度，l為質量塊重心到擺動回轉軸的距離，r為扭簧的扭轉彈性系數(shù)，θ0為扭簧在平衡位置時的初始扭轉角度。通過調整扭簧的初始安裝角度位置，使得擺桿在質量塊重力對轉軸的力矩和扭簧扭矩的共同作用下處于水平位置。

本申請所述的發(fā)電設備可以根據(jù)波浪振動的頻率，振幅等條件，通過改變質量塊的質量，擺桿的長度和扭簧的彈性系數(shù)，來實現(xiàn)工作性能的優(yōu)化。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)壓電膜材料壓電特性設計壓電彈性梁，使其的自由振動頻率滿足壓電膜的高效率壓電電能輸出。

電磁發(fā)電部分利用電磁感應原理，永磁鐵陣列在擺桿往復振動作用下發(fā)生往復擺動，磁力線切割繞組線圈，使繞組線圈的磁通量大小隨時間改變，從而產生感應電動勢。根據(jù)法拉第電磁感應定律，電能輸出與磁通量變化率有關。合理設置添加硅鋼片，達到聚磁效果，可增大磁通量變化率，最終增大電能輸出。

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，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本申請的保護范圍。