一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置

本发明涉及一种波浪能采集系统，具体涉及一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置。

背景技术：

1、为了满足社会日益增长的生产需求，探索新能源、利用环境能源已成为时代的主流。特别是可再生机械能，由于其涉及多个领域，如自然风和人体运动、声波、车辆振动等，一直受到广泛关注。除此之外，海浪能被格外关注，海浪能是一种可以随时利用并且能量巨大的能源类型，几乎不受天气等外部因素的干扰，因此它具有相当大的利用潜力。

2、跨海大桥是一种横跨海峡或海湾的通道，作为交通枢纽重要组成部分，可以促进区域交通发展，推动地区经济合作。相比传统海上运输方式，它具有更安全、更便捷、更经济等特点。跨海大桥投入使用不仅能缓解交通压力，同时也能促进区域交通网络发展，推动地区经济合作，有利于城市旅游业繁荣和国防建设，对国家交通、经济、政治和军事发展具有重要现实意义。跨海大桥跨度较大，需要承受各种交通工具压力，同时处于恶劣海洋环境中，生命周期内面临多种损伤威胁，如自然环境、建造缺陷、外部腐蚀、建材老化以及车辆经过引起的疲劳损伤等。这些威胁会严重影响到桥梁结构完整性和安全性，甚至造成更为严重后果。为了保证跨海大桥在使用期间内具有良好健康状态，对跨海大桥进行结构健康监测非常有必要。跨海大桥和普通桥梁相比，主要表现为规模巨大，结构复杂，所处环境恶劣，监测管理难度大，因此，结构监测问题成为困扰桥梁管理运营的重大难题。

3、传统桥梁结构监测方式以人工巡检监测为主，监测成本较高，无法实时、连续、精准了解结构健康状态，因此已经无法满足跨海大桥结构安全监测需要。随着传感器技术发展，大量低功耗无线传感器被用来代替人工对桥梁结构健康状态进行监测。但使用电网或电池来为跨海桥梁的监测传感器供电可能会导致长距离输电电力损耗和电化学污染。因此，开发一种利用波浪能收集技术来解决跨海桥梁监测传感器供电问题具有重要意义。目前，一些新技术已经出现，包括电磁技术、压电技术和摩擦电技术，它们可以有效地收集海浪能。

4、电磁式波浪能采集装置就是利用电磁感应原理，将波浪能转化为电能的装置。它通常将机械运动传动机构和电磁发生器结合起来，产生相当大的输出。choi设计了一种50kw级液压波浪能采集系统，在43kw电力输出时，连杆的效率为91.6％，整体效率为72.7％。margheritini提出一种槽锥波浪能采集装置，目前该装置的装机容量可以达到163kw，年发电量可以达到320mwh。一般来说，电磁式波浪能采集装置适用于深海作业和大型系统，可以提供大量电力。

5、压电式波浪能采集装置基于压电效应，通过不同方式使压电片受力变形，产生电能。由于压电悬臂梁结构简单，压电发电机得到了研究人员广泛研究。例如，hwang提出了一种基于悬臂结构和移动金属球的压电式海浪能量收集系统，装置结构简单，可以实现多方向振动能量采集。实验结果表明压电式波浪能采集装置可以为海洋中无线设备和传感器供电。除了结构简单外，压电能量采集器已被证明可以提供几十瓦的高输出功率。wu提出一种压电耦合浮标能量采集装置可产生高达24w的电能。xie提出一种基于水粒子纵波运动的压电式波浪能采集装置可以实现高达55w的功率输出。因此，压电式波浪能采集装置能够收集足够能量为大多数海洋传感器供电。

6、摩擦电式波浪能采集装置通过两种不同摩擦电特性材料之间相互摩擦，分别在两材料表面产生等量相反摩擦电荷，从而在电极之间产生一定电压，将海浪能转换为电能。由于其重量轻、易于实现、功率密度大等优点，基于摩擦电效应海浪能量收集装置受到了研究人员青睐。fan提出了一种两种材料形变时摩擦产生电能摩擦发电机，该装置可以产生3.3v的电压输出，功率密度可以达到10.4mw/cm3。rodrigues介绍了一种用聚四氟乙烯和尼龙为摩擦材料的旋转摩擦电纳米发电装置。实验结果表明，装置平均电压约为102.2v，最大功率密度约为6.1w/m2，同时，该装置可以点亮50多个串联发光二极管。更加值得一提的是王忠林提出了多种不同结构的高效摩擦电纳米发电机，用于收集海浪能。他提出了一种层叠摆式摩擦电纳米发电机，装置基于摆式原理，通过紧凑的磁盘轨道结构来保持大面积摩擦接触，让其在低能量密度下输出大大增强，电荷输出密度可以达到4622μc/cm3，这是典型球壳结构的13.2倍以上。使用仿单元生水母结构的摩擦电纳米发电机可以实现高达143v高输出电压。虽然摩擦电式波浪能采集装置可以通过改变结构和材料来提高摩擦发电机输出性能，但获得的高电压和低电流难以有效地传递到存储。

7、尽管各种波浪能采集技术的研究已经达到一定程度，但是适用于桥梁传感器自供电的装置却很少。这些装置中有一些可以产生大量电能，但体积庞大，用来为传感器供电有些大材小用。另一些装置体积小巧，但需要布置在海底，安装复杂，维修困难。还有一些装置虽然体积小巧、布置简单，但极易损坏，使用成本高。

技术实现思路

1、本发明针对传感器的自供电问题，提供了一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，用以采集海洋波浪能转化为电能来为传感器供电。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，由相对运动模块、压电发电模块和储能模块组成，其中：

4、所述相对运动模块、压电发电模块和储能模块封装在球形外壳结构内部；

5、所述相对运动模块由质量圆盘和上下两个带永磁磁铁的磁铁平台组成，质量圆盘通过中间轴与上下两个磁铁平台连接，当受到海浪冲击时，质量圆盘带动上下两个磁铁平台和球形外壳发生相对运动；

6、所述压电发电模块由上下两个装配有压电悬臂梁的圆环状压电平台组成，两个圆环状压电平台分别位于质量圆盘的上下两侧且与球形外壳结构固定连接，压电悬臂梁的一端与压电平台固定连接，另一端装配有永磁磁铁，压电悬臂梁上永磁磁体位置与磁铁平台上永磁磁铁位置相对应，当相对运动模块与球形外壳结构发生相对运动时，磁铁平台与圆环状压电平台也发生相对运动，永磁磁铁对压电悬臂梁上装配的永磁磁铁施加排斥力，使压电悬臂梁变形并产生电能；

7、所述储能模块包括底部圆盘，底部圆盘上设置有整流稳压单元和储能单元，压电发电模块产生的电能经整流稳压单元进行整流滤波并稳压后存储在储能单元中为传感器供电。

8、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

9、1、为了实现利用波浪能来为跨海大桥结构健康监测传感器供电，本发明提供了一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，利用波浪能为桥梁结构健康监测传感器供电。

10、2、本发明的压电式波浪发电装置在波浪周期为0.5s时可以获得高达15v的输出电压和38mw的功率，足以收集电能来为海洋中的一些低功率监测传感器供电，在跨海桥梁低功率监测传感器中的自供电中具有很好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述装置由相对运动模块、压电发电模块和储能模块组成，其中：

2.根据权利要求1所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述磁铁平台为六边形，六边形的每条边均设置有与边长等长的矩形永磁磁铁。

3.根据权利要求1所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述球形外壳结构由abs树脂3d打印制作而成。

4.根据权利要求1所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述上下两个压电平台分别通过三根弹簧伸缩杆与质量圆盘连接。

5.根据权利要求4所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述弹簧伸缩杆由棍杆、孔杆及弹簧构成，棍杆设置在孔杆内部并与其滚动连接，弹簧套装在孔杆外侧。

6.根据权利要求5所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述棍杆上设置有三点并列双滚珠结构，在棍杆与孔杆接合区域顶部，在其圆周的三等分位置各开设有上下等间距的半球形槽，三点并列双滚珠结构由六个滚珠组成，每两个滚珠分别装配在棍杆上半球形槽内。

7.根据权利要求1所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述压电悬臂梁由压电复合悬臂和永磁磁铁组成，压电复合悬臂由金属基板和压电层组成，金属基板的上下两侧设置有压电层，压电复合悬臂的一端通过固定框架结构固定在压电平台上，压电复合悬臂的另一端装配有永磁磁铁。

8.根据权利要求7所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述压电悬臂梁总长度65mm；金属基板的长度为60mm，宽度为25mm，厚度为0.2mm；压电片的长度为55mm，厚度为0.2mm；永磁磁铁的长度为5mm，高度为1mm。

9.根据权利要求7或8所述的基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，其特征在于所述永磁磁铁为铷铁硼磁体，压电层为压电陶瓷，金属基板的材料选择铜。

技术总结本发明公开了一种基于胶囊结构的压电式波浪能采集装置，所述装置由相对运动模块、压电发电模块和储能模块组成，相对运动模块由质量圆盘和上下两个带永磁磁铁的磁铁平台组成，质量圆盘通过中间轴与上下两个磁铁平台连接；压电发电模块由上下两个装配有压电悬臂梁的压电平台组成，压电平台与球形外壳结构固定连接，压电悬臂梁的一端与压电平台固定连接，另一端装配有永磁磁铁，压电悬臂梁上永磁磁体位置与磁铁平台上永磁磁铁位置相对应；储能模块包括底部圆盘，底部圆盘上设置有整流稳压单元和储能单元，压电发电模块产生的电能经整流稳压单元进行整流滤波并稳压后存储在储能单元中。该装置能够采集海洋波浪能转化为电能为传感器供电。技术研发人员：孔繁星,程宇豪受保护的技术使用者：吉林化工学院技术研发日：技术公布日：2024/7/11