本发明专利技术涉及一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置及方法，有一个及以上正方形模块组装连接而成，单个正方形模块由支撑架组件、浮体组件和发电组件构成。支撑架组件和浮体组件负责实现装置在海洋环境中的悬浮，发电组件通过压电片的变形实现发电。在工作时，由于浮体组件和支撑架组件的密度差异，在波浪起伏的作用下，浮体组件与支撑架组件出现相对位移，致使与两组件相连的压电片发生弯曲振动变形，从而产生电荷。同时，支撑架组件中的支撑立柱间存在柱群干涉，激励不同部位的压电片出现不同程度的变形响应，增强装置的发电效果。本装置充分利用了海洋的波浪能进行压电发电，可根据实际海洋情况拼装，扩大发电规模，适用性强。
【技术实现步骤摘要】
一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置及方法
本专利技术属于新能源开发与利用
，具体涉及一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置及方法。
技术介绍
随着经济的快速发展，能源需求持续增长。陆上已探明油气资源储量逐渐减少与环境污染问题白热化，是摆在人类社会发展面前的急迫问题。如何开发和利用新能源与可再生资源是人类社会可持续发展的突破口，海洋波浪能作为一种取之不竭的重要海洋能，具有重大的开发和利用价值。波浪能发电一般是利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。现有的装置主要有振荡水柱式波浪转化装置、振荡浮子式波浪能转换装置和越浪式波能转换装置。振荡水柱式波浪转化装置内部机械部分不与波浪接触，故障率低，但建造费用高昂；振荡浮子式波浪能转换装置单体占用面积小，对波浪场的影响小且形式灵活，但结构部件较多，锚固系统复杂；越浪式波能转换装置能克服波能发电过程中输出功率不稳定的问题。这些装置都能较好的利用波浪能，将其转换成机械能，再将机械能转换成电能，但转换过程较多，能量转换率低。利用压电材料的形变产生电荷，能量转化过程简洁，避免了由于机械传动、摩擦带来的能量损失，为海洋发电提供了一种可行的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决
技术介绍
中所阐述的缺陷和不足，提供一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置及其方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置，有一个及以上正方形模块组装连接而成，单个正方形模块由支撑架组件、浮体组件和发电组件构成。支撑架组件包含四根支撑立柱、十六个立柱卡环、四根空心横杆和四个载重底盘。四根支撑立柱垂直水面放置，每根支撑立柱底部装有一个载重底盘，载重底盘为空心舱室结构，通过调整载重底盘内部的压载水体积改变支撑立柱在水下的淹没深度。支撑立柱顶部为盲端，每根支撑立柱外壁沿支撑立柱轴线方向等距套装有四个立柱卡环，用于固定压电片。每个立柱卡环周向均匀开设四个供压电片端部插入式固定的压电片端部卡槽，且压电片端部卡槽中心开有导线孔。在与每个导线孔重合的支撑立柱外壁均相应开有立柱通孔。相邻两根支撑立柱顶部通过空心横杆焊接固定，空心横杆与支撑立柱垂直。单个正方形模块的支撑架组件的四根空心横杆围成一个正方形，使四根支撑立柱位于该正方形的四个顶点。浮体组件包含一个浮球、一根浮球立轴和四个立轴固定环。浮球立轴位于浮球下端，浮球与浮球立轴刚性连接，浮球布置于正方形模块的中心。浮球立轴上沿轴线方向等距安装有四个立轴固定环，每个立轴固定环由内圈和外圈组成，内圈与外圈之间通过四根固定环支撑杆刚性连接固定，内圈通过螺栓连接固定在浮球立轴上，外圈外壁面上周向均匀开设有四个供压电片插入的压电片端部卡槽。发电组件包含四组压电片、绝缘导线和一个电能储集器。每组压电片由四块压电片组成，四块压电片位于正方形模块对角线位置，一端卡扣在立柱卡环压电片端部卡槽内，另一端卡扣在立轴固定环压电片端部卡槽内。沿浮球立轴轴线方向等间距布置有四组压电片，每一组压电片与对应的立轴固定环和立柱卡环位于同一平面内。正方形模块的一个支撑立柱顶部安装有电能储集器。四组压电片端部连接的绝缘导线穿过导线孔和立柱通孔进入支撑立柱内部，顶部无电能储集器的支撑立柱内部的绝缘导线通过空心横杆汇集于安有电能储集器的支撑立柱内部，并连接至电能储集器。电能储集器储集的电能通过输出导线输出。所述空心横杆和支撑立柱连接处、压电片与压电片端部卡槽连接处、立柱通孔、导线孔周围均进行防水密封处理。所述支撑立柱与载重底盘同轴设置，浮球立轴与浮球同轴设置。实际使用时，将两个以上的正方形模块相互连接形成更大规模的撬装式波浪能发电装置，相邻两个正方形模块间共用两根支撑立柱和一根空心横杆。所述的2～4个正方形模块共用一个电能储集器。利用所述的基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置提供一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电方法。将整个装置放置于海洋波浪中，浮球受到海水的浮力位于海面之上，调节载重底盘空腔内的压载水体积使整个装置悬浮于海水中。浮球在海洋波浪的作用下随波浪起伏，垂直方向起伏的幅度大、频率高；而载重底盘相对于浮球密度大，使得支撑架组件随波浪起伏的幅度小、频率低；因而在海水起伏波浪的作用下，浮体组件与支撑架组件在垂直方向上出现相对位移，致使两端分别连接在浮球立轴与支撑立柱的压电片发生弯曲振动变形，从而产生电荷，电荷由绝缘导线引出，最终汇集到电能储集器中储存。因单个正方形模块具有四根支撑立柱，在波浪的作用下四根支撑立柱间存在柱群干涉，激励不同部位的压电片出现不同程度的变形响应，且在多个支撑立柱尾流干涉的作用下，压电片出现多模态屈曲变形，增强了整个装置的发电效果。本专利技术由于采取以上方案，与现有技术相比具有以下技术效果：1.充分利用水面波浪涌动的巨大动能，将其转换成电能，实现了清洁能源的利用与开发，符合人类清洁、高效电能的发展趋势。2.本专利技术采用撬装结构，可根据实际海洋情况装拼，扩大发电规模，便于安装实施，适用性强。附图说明图1是本专利技术装置单个正方形模块示意图图2是本专利技术支撑立柱与压电片的连接示意图图3是本专利技术浮球立轴与压电片的连接示意图图4是本专利技术压电片端部水平面剖面图图5是本专利技术电能储集部分剖面示意图图6是本专利技术多个撬装组合应用示意图图中，1.支撑立柱；2.立柱卡环；3.载重底盘；4.空心横杆；5.浮球；6.压电片；7.立轴固定环；8.浮球立轴；9.绝缘导线；10.压电片端部卡槽；11.立柱通孔；12.导线孔；13.固定环支撑杆；14.电能储集器；15.输出导线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步描述。一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置，如图1所示，有一个及以上正方形模块组装连接而成，单个正方形模块由支撑架组件、浮体组件和发电组件构成。支撑架组件包含四根支撑立柱1、十六个立柱卡环2、四个载重底盘3和四根空心横杆4。四根支撑立柱1垂直水面放置，每根支撑立柱1底部装有一个载重底盘3，载重底盘3为空心舱室结构，通过调整载重底盘3内部的压载水体积改变支撑立柱1在水下的淹没深度。如图2所示，支撑立柱1顶部为盲端，每根支撑立柱外壁沿支撑立柱轴线方向等距套装有四个立柱卡环2，用于固定压电片6。每个立柱卡环2周向均匀开设四个供压电片6端部插入式固定的压电片端部卡槽10，且压电片端部卡槽10中心开有导线孔12。在与每个导线孔重合的支撑立柱1外壁均相应开有立柱通孔11。相邻两根支撑立柱1顶部通过空心横杆4焊接固定，空心横杆4与支撑立柱1垂直。单个正方形模块的支撑架组件的四根空心横杆4围成一个正方形，使四根支撑立柱1位于该正方形的四个顶点。浮体组件包含一个浮球5、一根浮球立轴8和四个立轴固定环7。如图3所示，浮球立轴8位于浮球5下端，浮球5与浮球立轴8刚性连接，浮球5布置于正方形模块的中心。浮球立轴8上沿轴线方向等距安装有四个立轴固定环7，每个立轴固定环7由内圈和外圈组成，内圈与外圈之间通过四根固定环支撑杆13刚性连接固定，内圈通过螺栓连接固定在浮球立轴8上，外圈外壁面上周向均匀开设有四个供压电片插入的压电片端部卡槽10。发电组件包含四组压电片6、绝缘导线9和一个本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置，有一个及以上正方形模块组装连接而成，单个正方形模块由支撑架组件、浮体组件和发电组件构成，支撑架组件包含四根支撑立柱（1）、十六个立柱卡环（2）、四个载重底盘（3）和四根空心横杆（4）；四根支撑立柱（1）垂直水面放置，每根支撑立柱（1）底部装有一个载重底盘（3）；支撑立柱（1）顶部为盲端，每根支撑立柱外壁沿支撑立柱轴线方向等距套装有四个立柱卡环（2），用于固定压电片（6）；相邻两根支撑立柱（1）顶部通过空心横杆（4）焊接固定，空心横杆（4）与支撑立柱（1）垂直；浮体组件包含一个浮球（5）、一根浮球立轴（8）和四个立轴固定环（7）；浮球立轴（8）位于浮球（5）下端，浮球（5）与浮球立轴（8）刚性连接；立轴固定环（7）由内圈和外圈组成，内圈与外圈之间通过四根固定环支撑杆（13）刚性连接固定，内圈通过螺栓连接固定在浮球立轴（8）上；发电组件包含四组压电片（6）、绝缘导线（9）和一个电能储集器（14）；每组压电片由四块压电片（6）组成；正方形模块的一个支撑立柱（1）顶部安装有电能储集器（14），电能储集器（14）储集的电能通过输出导线（15）输出；其特征在于：支撑架组件中所述的载重底盘（3）为空心舱室结构，通过调整载重底盘（3）内部的压载水体积改变支撑立柱（1）在水下的淹没深度；每个立柱卡环（2）周向均匀开设四个供压电片（6）端部插入式固定的压电片端部卡槽（10），且压电片端部卡槽（10）中心开有导线孔（12）；在与每个导线孔重合的支撑立柱（1）外壁均相应开有立柱通孔（11）；单个正方形模块的支撑架组件的四根空心横杆（4）围成一个正方形，使四根支撑立柱（1）位于该正方形的四个顶点；浮球（5）布置于正方形模块的中心；浮体组件中所述的浮球立轴（8）上沿轴线方向等距安装有四个立轴固定环（7），外圈外壁面上周向均匀开设有四个供压电片插入的压电片端部卡槽（10）；发电组件中所述的每组压电片（6）位于正方形模块对角线位置，一端卡扣在立柱卡环（2）压电片端部卡槽（10）内，另一端卡扣在立轴固定环（7）压电片端部卡槽（10）内；沿浮球立轴（8）轴线方向等间距布置有四组压电片（6），每一组压电片（6）与对应的立轴固定环（7）和立柱卡环（2）位于同一平面内；四组压电片（6）端部连接的绝缘导线（9）穿过导线孔（12）和立柱通孔（11）进入支撑立柱（1）内部，顶部无电能储集器（14）的支撑立柱（1）内部的绝缘导线（9）通过空心横杆（4）汇集于安有电能储集器（14）的支撑立柱（1）内部，并连接至电能储集器（14）。...
【技术特征摘要】
1.一种基于压电效应的海上撬装式波浪能发电装置，有一个及以上正方形模块组装连接而成，单个正方形模块由支撑架组件、浮体组件和发电组件构成，支撑架组件包含四根支撑立柱（1）、十六个立柱卡环（2）、四个载重底盘（3）和四根空心横杆（4）；四根支撑立柱（1）垂直水面放置，每根支撑立柱（1）底部装有一个载重底盘（3）；支撑立柱（1）顶部为盲端，每根支撑立柱外壁沿支撑立柱轴线方向等距套装有四个立柱卡环（2），用于固定压电片（6）；相邻两根支撑立柱（1）顶部通过空心横杆（4）焊接固定，空心横杆（4）与支撑立柱（1）垂直；浮体组件包含一个浮球（5）、一根浮球立轴（8）和四个立轴固定环（7）；浮球立轴（8）位于浮球（5）下端，浮球（5）与浮球立轴（8）刚性连接；立轴固定环（7）由内圈和外圈组成，内圈与外圈之间通过四根固定环支撑杆（13）刚性连接固定，内圈通过螺栓连接固定在浮球立轴（8）上；发电组件包含四组压电片（6）、绝缘导线（9）和一个电能储集器（14）；每组压电片由四块压电片（6）组成；正方形模块的一个支撑立柱（1）顶部安装有电能储集器（14），电能储集器（14）储集的电能通过输出导线（15）输出；其特征在于：支撑架组件中所述的载重底盘（3）为空心舱室结构，通过调整载重底盘（3）内部的压载水体积改变支撑立柱（1）在水下的淹没深度；每个立柱卡环（2）周向均匀开设四个供压电片（6）端部插入式固定的压电片端部卡槽（10），且压电片端部卡槽（10）中心开有导线孔（12）；在与每个导线孔重合的支撑立柱（1）外壁均相应开有立柱通孔（11）；单个正方形模块的支撑架组件的四根空心横杆（4）围成一个正方形，使四根支撑立柱（1）位于该正方形的四个顶点；浮球（5）布置于正方形模块的中心；浮体组件中所述的浮球立轴（8）上沿轴...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱红钧，王珂楠，唐涛，李国民，胡昊，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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