本實用新型屬于能量利用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電原理的波浪能低頻轉(zhuǎn)高頻裝置及波浪能收集裝置。

背景技術(shù)：

震動作為自然界常見的現(xiàn)象，由于其幾乎無處不在，且具有較高的能量密度，因此對震動能量的轉(zhuǎn)化及其收集利用的研究在近幾十年逐步興起。

壓電效應(yīng)是電介質(zhì)材料中一種機械能與電能互換的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)有兩種，正壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)。其中正壓電是指當晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。

波浪能作為一種清潔、無污染的可再生能源，其分布廣闊、儲量巨大，而且波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響最小且以機械能的形式存在，故其品位較高，根據(jù)英國碳信托投資公司的估算，英國實用離岸波浪能每年為55TWh，占當前所需能源14％，歐洲潛在波浪能至少每年為280TWh。美國電能研究所評估美國切實可行的波浪能每年為255TWh，占當前所需能源的6％，但是波浪能強烈的隨機性與波動性限制了它的發(fā)展。如何能夠高效地利用這種隨機往復(fù)運動的能量，將其轉(zhuǎn)換成電能，是一個集合力學、電學、控制、防腐、工程等多方面的難題，需要較長時間攻克各類難關(guān)。因此，盡管較為系統(tǒng)的波浪能研究已經(jīng)開展了40年之久，波浪能技術(shù)目前仍不夠成熟。

此類基于波浪能壓電能量獲取裝置的主要特點是通過浮漂系統(tǒng)和壓電系統(tǒng)將低頻波浪震動轉(zhuǎn)化壓電系統(tǒng)高頻振動。類似的轉(zhuǎn)換方式目前主要為機械齒輪傳動，然而，針對如浮漂系統(tǒng)這類初始速度較低的系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)化效率較低，并且需要速度控制的傳動系統(tǒng)依舊需要較高的轉(zhuǎn)化效率，所以傳統(tǒng)的齒輪傳動變速系統(tǒng)在波浪能吸收領(lǐng)域難以應(yīng)用。

因此本專利提出了一類遞進式的雙級電能轉(zhuǎn)化裝置，該裝置可以處理低速的旋轉(zhuǎn)或震蕩輸入形式，第一級由簡單的聯(lián)動傳遞實現(xiàn)，主要作用是激發(fā)震動元件，兩級轉(zhuǎn)化裝置就是將低速多變的輸入通過應(yīng)用壓電裝置將機械輸入轉(zhuǎn)化為電能。此類裝置可以應(yīng)用于波浪能的轉(zhuǎn)化，以及其他具有該類特點的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中。

該裝置的主要特點就是避免了傳統(tǒng)機械傳動中傳動裝置的低效和速度控制的需求，兩級轉(zhuǎn)換中，初級系統(tǒng)將低速多變的輸入反復(fù)激發(fā)多個二次震動元件，并使震動調(diào)整到機械的預(yù)定頻率上，后者的實現(xiàn)就是通過第二級系統(tǒng)實現(xiàn)的，之后存儲在第二級中的機械能通過壓電元件轉(zhuǎn)化為電能。

以上對該裝置的描述比較難以理解，通俗的講，這個想法有些類似于彈吉他，手指撥動琴弦的時候是低速且可變的，但是琴弦對震動的回應(yīng)卻總是相似的，并且琴弦震動的頻率要比手指撥動琴弦的頻率要高很多，其中震動元件的震動頻率是固定的，其震動頻率的數(shù)量級要遠高于波浪能的震動頻率，通過這樣的轉(zhuǎn)換方法可以使該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換的效率更高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實用新型提供了一種基于壓電原理的波浪能低頻轉(zhuǎn)高頻裝置及波浪能收集裝置。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，將低頻、小擾動或旋轉(zhuǎn)運動的能量，通過高頻震動元件將能量傳遞給高效能量收集裝置，提高了能量的轉(zhuǎn)化效率。

為達到上述技術(shù)效果，本實用新型的技術(shù)方案是：

一種基于壓電原理的波浪能低頻轉(zhuǎn)高頻裝置，包括外殼，外殼底部成形有環(huán)狀軌道，環(huán)狀軌道內(nèi)卡設(shè)有滾球；外殼頂部固定有沿環(huán)狀軌道設(shè)置的若干滑筒和固定臂；滑筒內(nèi)固定有彈簧，彈簧連接有與滾球配合的懸臂梁；懸臂梁上固定有伸出滑筒的撥動齒，滑筒設(shè)有與撥動齒配合的滑軌；固定臂上固定有與撥動齒配合的彈片，彈片連接有壓電元件。

進一步的改進，所述壓電元件為壓電片。

進一步的改進，所述懸臂梁的底部為球面狀。

進一步的改進，所述懸臂梁的底部和滾球均為磁石。

進一步的改進，所述彈片為金屬彈片。

進一步的改進，所述金屬彈片為不銹鋼彈片。

一種使用上述的基于壓電原理的波浪能低頻轉(zhuǎn)高頻裝置的波浪能量收集裝置。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為滑軌的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型實施例2的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下通過具體實施方式并且結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案作具體說明。

實施例1

如圖1所示的一種基于壓電原理的波浪能低頻轉(zhuǎn)高頻裝置，包括外殼1，外殼1底部成形有環(huán)狀軌道2，環(huán)狀軌道2內(nèi)卡設(shè)有滾球3；外殼1頂部固定有沿環(huán)狀軌道2設(shè)置的若干滑筒4和固定臂5；滑筒4內(nèi)固定有彈簧6，彈簧6連接有與滾球3配合的懸臂梁7；懸臂梁7上固定有伸出滑筒4的撥動齒8，如圖2所示，滑筒4設(shè)有與撥動齒8配合的滑軌9；固定臂5上固定有與撥動齒8配合的彈片10，彈片10連接有壓電元件11。

通過波浪的震動，導(dǎo)致外殼1發(fā)生震動，此時彈簧6收集豎向的力，而滾球3受到橫向的力，發(fā)生滾動，滾動時，碰撞懸臂梁7，從而將橫向的力轉(zhuǎn)化為豎向的力。撥動齒8隨懸臂梁7運動時，撥動彈片，將低頻、且頻率不固定的小擾動的能量轉(zhuǎn)化為固定頻率的能量，進而被壓電元件11轉(zhuǎn)化為電能，再傳遞到與壓電元件相連的能量收集裝置進行儲存或使用。這種傳遞方式克服了低頻、無法根據(jù)受力向調(diào)整的機械傳動的低效率的能量收集方式，提高了能量收集效率。

壓電元件11可為壓電片或其它壓電元件。

懸臂梁7的底部優(yōu)選為球面狀，以減少碰撞時的能量損失。

彈片10為優(yōu)選為振動頻率較高的金屬彈片，進一步優(yōu)選為耐腐蝕的不銹鋼彈片。

實施例2

如圖3所示，為了進一步減少摩擦的能量損失，懸臂梁7的底部和滾球3均為磁石。這樣通過磁力的吸引或排斥拉動懸臂梁7，從而使得彈簧帶動懸臂梁7進行伸縮運動。這種設(shè)置減少了碰撞和摩擦時的能量損失。此裝置就特別適用于類似船舶、浮標、旋轉(zhuǎn)運動的情況，還適用于由自然力如風力或潮汐流發(fā)電的情況。

本專利還要求使用實施例1或?qū)嵤├?的基于壓電原理的波浪能低頻轉(zhuǎn)高頻裝置的波浪能量收集裝置。

壓電發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、電壓高的優(yōu)點，可以為海洋無線傳感等微型海洋器件提供能量。但壓電發(fā)電需要在高頻激振下才能具有較高的發(fā)電效率，所以增頻的轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計是波浪能壓電發(fā)電的關(guān)鍵問題。而此類裝置的開發(fā)必將為波浪能利用提供更有力的保障，為更深入的利用海洋能提供機會。

上述僅為本實用新型的一個具體導(dǎo)向?qū)嵤┓绞剑緦嵱眯滦偷脑O(shè)計構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本實用新型進行非實質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本實用新型的保護范圍的行為。