專利名稱：船上壓電發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及壓電振動發(fā)電裝置，可以將水面波浪的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能， 加以存儲和利用。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展和現(xiàn)代化進程的加快，人類對能源的需求與日俱增，造成一 次能源消耗直線上升并且在不久的將來被用盡。因此人們把目光紛紛投向地球上最大的能 源庫之一-海洋，海洋能源是不污染環(huán)境的清潔能源，而且是可再生能源，取之不盡、用之 不竭。利用海洋中的波浪發(fā)電可以為邊遠海島和海上設施等提供清潔能源，此外，還可以利 用海洋中的波浪發(fā)電提供的動力進行海水淡化、從深海提取低溫海水進行空調(diào)制冷以及制 氫等。隨著海洋中的波浪發(fā)電技術的日漸成熟還可以代替部分常規(guī)能源，對于緩解世界所 面臨的能源緊缺、溫室效應和環(huán)境污染等都將有著重要的經(jīng)濟社會意義。波浪能發(fā)電的關鍵技術在于裝置系對波浪能的有效吸收，目前研究最多、最有前 途的三種裝置為振蕩水柱波能裝置、擺式波能裝置、聚波水庫波能裝置。振蕩水柱波能裝置以空氣作為轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，利用壓縮氣流帶動發(fā)電機發(fā)電。這種 裝置的優(yōu)點是轉(zhuǎn)動機構不與海水接觸，避免了海水對裝置的腐蝕。缺點是二級轉(zhuǎn)換效率低， 發(fā)電不穩(wěn)定。擺式波能裝置是通過擺體在波浪力的作用下發(fā)生的前后或上下擺動，將波浪能轉(zhuǎn) 換為擺軸的動能，帶動發(fā)電機發(fā)電。這種裝置的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高，可以方便地與相位控制 技術相結合，使波能裝置能吸收到裝置迎波寬度以外的波浪能。缺點是機械的維護較為困難。聚波水庫波能裝置的關鍵技術是一個喇叭形的聚波器和逐漸變窄的楔形導槽，利 用水庫和外海間的水頭落差驅(qū)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。聚波水庫波能裝置的優(yōu)點是波能的轉(zhuǎn) 換沒有活動部件，可靠性好且穩(wěn)定。不足之處是建造這種電站對地形要求嚴格，不易推廣。壓電發(fā)電裝置利用壓電材料，將周圍環(huán)境的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，是一種新型 的發(fā)電技術。中國專利CN 1696499A提出了以波浪為能源動力的壓電發(fā)電系統(tǒng)，壓電元件 固定于殼體，碰撞機構作為運轉(zhuǎn)振子(主動)，波動時產(chǎn)生變形，產(chǎn)生脈沖電能。這種壓電發(fā) 電系統(tǒng)發(fā)電量較小，壓電元件長期碰撞后，容易損壞。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是將船只的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，儲存在儲能裝置中，為負 載供電。由于在廣闊的湖面或海面上，船只的振動隨處可得，且振動導致壓電材料的彎曲變 形量較大，本實用新型的發(fā)電方法及其系統(tǒng)發(fā)電量大、應用范圍廣。一種船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于包括至少一個發(fā)電箱體、船體、工作平臺； 上述發(fā)電箱體、工作平臺固定安裝在船體上；上述發(fā)電箱體和工作平臺電路之間用電纜連 接；上述發(fā)電箱體包括外殼、固定于外殼內(nèi)側的支架、安裝于外殼內(nèi)側的若干懸臂板和質(zhì)量塊；上述懸壁板一端固定在支架上，另一端搭在質(zhì)量塊上并使該端與質(zhì)量塊共同作為懸臂 端；多個平行的懸壁板組成一列，至少一列懸臂板共用一個質(zhì)量塊；上述懸壁板兩面均粘 貼有至少一片壓電元件；上述壓電元件由第一電極、壓電材料、第二電極組成；上述發(fā)電壓 箱體內(nèi)還安裝有將所有壓電元件產(chǎn)生的交流電采集起來，并轉(zhuǎn)換成直流電的轉(zhuǎn)換電路；上 述工作平臺包括用于將發(fā)電箱體產(chǎn)生的直流電對儲能裝置充電，控制充電電壓和電流，并 防止儲能裝置對壓電元件和太陽能電池板反向充電的充電控制器、用于儲存電能并向外供 電的儲能裝置、用于將儲能裝置儲存的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器、工作平臺外殼。所述質(zhì)量塊通過彈性繩索或彈簧與外殼連接。可以起到防止質(zhì)量塊撞到外殼內(nèi) 壁。所述工作平臺中的儲能裝置為電池、或電容、或飛輪、或超導儲能裝置。所述各個發(fā)電箱體中的懸臂板和質(zhì)量塊的尺寸不相同，每個箱體中懸臂板的共振 頻率也不相同。所述發(fā)電箱體、工作平臺的中的壓電元件表面、電氣接頭部分經(jīng)過絕緣處理。所述粘貼在懸臂板上的每一列壓電元件中的各個壓電元件尺寸相同，粘貼在懸臂 板上的每一排壓電元件中的各個壓電元件尺寸各不相同。上述將所有壓電元件產(chǎn)生的交流電采集起來并轉(zhuǎn)換成直流電的轉(zhuǎn)換電路具體形 式如下發(fā)電箱體中同一懸臂板上的若干壓電元件或不同懸臂板上的若干壓電元件串聯(lián)， 形成串聯(lián)模塊；若干串聯(lián)模塊并聯(lián)后，串聯(lián)一個整流器，再并聯(lián)一個二極管，形成并聯(lián)模塊； 若干個并聯(lián)模塊串聯(lián)后，再和一個二極管串聯(lián)，形成分支電路；若干分支電路并聯(lián)后，組成 整個壓電發(fā)電箱體的轉(zhuǎn)換電路。當其中少數(shù)壓電元件產(chǎn)生短路、破裂故障時，該結構可以保 證整個發(fā)電裝置能正常工作；同時，該結構還能保證直流電路的單向流動，防止儲能裝置對 壓電元件反向充電。
圖1為本實用新型的裝置結構示意圖主視圖。圖2為本實用新型的第一種發(fā)電箱體主視圖剖面圖。圖3為本實用新型的第一種發(fā)電箱體俯視圖剖面圖。圖4為壓電元件結構示意圖。圖5為本實用新型的轉(zhuǎn)換電路原理示意圖。圖6為本實用新型的工作平臺結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實例例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。圖1示出了本實施例的裝置結構，本船上壓電發(fā)電裝置，包括若干個發(fā)電箱體1和 工作平臺4 ；發(fā)電箱體1和工作平臺4電路之間用電纜3連接。圖2 3描述了本實施例的發(fā)電箱體1的內(nèi)部結構，若干個兩面粘貼有多個壓電 元件104的平行懸臂板105組成一列，懸臂板的一端固定在支架103上，另一端搭在質(zhì)量 塊106上，至少一列懸臂板共用一個質(zhì)量塊106 ；支架103垂直安裝在發(fā)電箱體的外殼102 底部；質(zhì)量塊106的兩端通過彈性繩索或彈簧107連接到發(fā)電箱體的外殼102上，長度長于靜止狀態(tài)時質(zhì)量塊和發(fā)電箱體外殼間的距離，當發(fā)電箱體外殼的振幅過大時，可以抑制 質(zhì)量塊的振幅，避免壓電元件的損壞；轉(zhuǎn)換電路108安裝在外殼內(nèi)部；當發(fā)電箱體安裝在水 面漂浮平臺上，隨著波浪的振動，發(fā)電箱體1也發(fā)生上下或左右振動，在自身重量和質(zhì)量塊 106的共同作用下，懸臂板105發(fā)生交變的彎曲彈性變形，粘貼在懸臂板上下表面的壓電 元件104也發(fā)電交變的拉伸和壓縮變形，由于壓電效應，壓電元件將產(chǎn)生交變的電能，通過 轉(zhuǎn)換電路108，整個發(fā)電箱體內(nèi)所有壓電元件產(chǎn)生的電能匯集起來并轉(zhuǎn)換成直流電能；當 懸臂板振動時，距離支架相同距離處懸臂板表面的應變相同，所以一列110壓電元件的尺 寸相同，也能產(chǎn)生相同的電量；距離支架不同距離處懸臂板表面的應變也不相同，通過改變 一排109壓電元件的尺寸，可以使各個壓電元件產(chǎn)生相同的電量；懸臂板的彎曲共振頻率 主要由懸臂板的材料和結構尺寸共同決定，當波浪的振動頻率接近懸臂板的彎曲共振頻率 時，懸臂板的彎曲彈性變形達到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量也會達到極大值；由于各個發(fā) 電箱體中懸臂板的尺寸不同，其彎曲共振頻率也不相同，裝置可以有效吸收多個頻率的波 浪振動機械能，實現(xiàn)寬頻發(fā)電。圖4描述了壓電元件的結構，壓電元件包括壓電材料10402、第一電極10401和第 二電極10403。其中的第一電極10401和第二電極10403涂鍍在壓電材料10402的兩面， 壓電材料10402位于2個電極的中間，類似三明治結構；壓電材料的極化方向平行于厚度方 向。由于正壓電效應，當壓電元件受到應力應變時，將在電極上產(chǎn)生電荷和電壓。圖5描述了轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換原理，發(fā)電箱體中的若干壓電元件104串聯(lián)，形成 串聯(lián)模塊10801 ；若干串聯(lián)模塊10801并聯(lián)后，串聯(lián)一個整流器10803，再并聯(lián)一個二極 管10802，形成并聯(lián)模塊10805 ；若干個并聯(lián)模塊10805串聯(lián)后，再和一個二極管10804串 聯(lián)，形成分支電路10806 ；若干分支電路10806并聯(lián)后，組成整個壓電發(fā)電箱體的轉(zhuǎn)換電路 10807 ；通過轉(zhuǎn)換電路，裝置可以把波浪的振動機械能轉(zhuǎn)換成直流電能。圖6描述了工作平臺的結構，工作平臺由外殼402、充電控制器401、儲能裝置403 和逆變器404組成；壓電元件產(chǎn)生的交流電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流電能，通過充電控 制器401對儲能裝置403充電，充電控制器控制充電的電壓、電流；儲能裝置可以直接對直 流負載供電，也可以通過逆變器404，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，對交流負載供電，或輸入電 網(wǎng)。
權利要求1.一種船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于包括至少一個發(fā)電箱體(1)、船體(2)、工作平臺(4)；上述發(fā)電箱體(1)、工作平臺(4) 固定安裝在船體⑵上；上述發(fā)電箱體⑴和工作平臺⑷電路之間用電纜⑶連接；上述發(fā)電箱體包括外殼(102)、固定于外殼內(nèi)側的支架(103)、安裝于外殼內(nèi)側的若干 懸臂板(105)和質(zhì)量塊(106)；上述懸壁板一端固定在支架(103)上，另一端搭在質(zhì)量塊 (106)上并使該端與質(zhì)量塊共同作為懸臂端；多個平行的懸壁板(105)組成一列，至少一列 懸臂板共用一個質(zhì)量塊(106)；上述懸壁板兩面均粘貼有至少一片壓電元件(104)；上述壓電元件(104)由第一電極 (10401)、壓電材料(10402)、第二電極(0403)組成；上述發(fā)電壓箱體內(nèi)還安裝有將所有壓電元件產(chǎn)生的交流電采集起來，并轉(zhuǎn)換成直流電 的轉(zhuǎn)換電路(108)；上述工作平臺(4)包括用于將發(fā)電箱體產(chǎn)生的直流電對儲能裝置充電，控制充電電壓 和電流，并防止儲能裝置對壓電元件和太陽能電池板反向充電的充電控制器(401)、用于儲 存電能并向外供電的儲能裝置(403)、用于將儲能裝置儲存的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變 器(404)、工作平臺外殼(402)。
2.根據(jù)權利要求1所述的船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于上述質(zhì)量塊(106)通過彈 性繩索或彈簧(107)與外殼(102)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于工作平臺(4)中的儲能裝 置(403)為電池、或電容、或飛輪、或超導儲能裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于各個發(fā)電箱體中的懸臂板 和質(zhì)量塊的尺寸不相同，每個箱體中懸臂板的共振頻率也不相同。
5.根據(jù)權利要求1所述的船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于發(fā)電箱體(1)和工作平臺 (4)的壓電元件表面、電氣接頭部分經(jīng)過絕緣處理。
6.根據(jù)權利要求1所述的船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于粘貼在懸臂板(105)上的 每一列(110)壓電元件中的各個壓電元件尺寸相同，粘貼在懸臂板(105)上的每一排(109) 壓電元件中的各個壓電元件尺寸各不相同。
7.根據(jù)權利要求1所述的船上壓電發(fā)電裝置，其特征在于上述將所有壓電元件產(chǎn)生 的交流電采集起來并轉(zhuǎn)換成直流電的轉(zhuǎn)換電路(108)具體形式如下發(fā)電箱體中同一懸臂 板上的若干壓電元件或不同懸臂板上的若干壓電元件(104)串聯(lián)，形成串聯(lián)模塊(10801)； 若干串聯(lián)模塊(10801)并聯(lián)后，串聯(lián)一個整流器(10803)，再并聯(lián)一個二極管(10802)，形 成并聯(lián)模塊(10805)；若干個并聯(lián)模塊(10805)串聯(lián)后，再和一個二極管(10804)串聯(lián)，形 成分支電路(10806)；若干分支電路(10806)并聯(lián)后，組成整個壓電發(fā)電箱體的轉(zhuǎn)換電路 (10807)。
專利摘要本實用新型公開一種船上壓電發(fā)電裝置，涉及壓電振動發(fā)電技術領域。包括至少一個發(fā)電箱體(1)、船體(2)、工作平臺(4)；上述發(fā)電箱體包括外殼(102)、固定于外殼內(nèi)側的支架(103)、安裝于外殼內(nèi)側的若干懸臂板(105)和質(zhì)量塊(106)；上述懸壁板一端固定在支架(103)上，另一端搭在質(zhì)量塊(106)上并使該端與質(zhì)量塊共同作為懸臂端；多個平行的懸壁板(105)組成一列，至少一列懸臂板共用一個質(zhì)量塊(106)；上述懸壁板兩面均粘貼有至少一片壓電元件(104)；本實用新型可以將波浪振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，提供了一種新的綠色發(fā)電裝置。
文檔編號H02J15/00GK201781430SQ20102053513
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權日2010年9月16日
發(fā)明者邊義祥 申請人:邊義祥