1.本发明涉及波浪能发电技术领域，特别涉及一种定向变频的波浪能转换装置。
背景技术：2.自化石燃料被人类发现以来就一直被认为是提供能源的重要来源，但是不可再生的化石能源和令人担忧的气候变化，促使人们加快对可再生能源的研究步伐。浩瀚无垠的海洋占地球表面积的71％，大海中蕴含了巨大的能量，其可利用的能量超过当前世界所需能量的总和。海洋中所存在的能量具有多种形式，其中包括潮汐能、海洋温差能和波浪能等。其中，波浪能作为众多能量形式中的一种，其广泛的分布在海洋表层，具有被开发和利用的巨大潜力。海浪所产生的潜在电能估计每年可超过885太瓦时。波浪能的能量密度远远超过任何其他可再生能源，而且波浪能可以通过简易的能量捕获装置轻易获取。因此波浪能对许多研究者来说是一种非常有吸引力的能源。
3.随着海洋信息学的发展，大量的传感器被部署在海洋，用于检测海洋环境的变化以了解变幻莫测的海洋。位于海洋中的雷达、海洋平台、通讯设备等海洋设施对可持续能源的供给也必不可少。目前大多数微电子设备仍然采用电池供电，而传统的化学电池存在许多缺点，例如使用寿命短、产生环境污染、需定期更换等。而且有些海洋电子设备的工作环境极其恶劣，更换电池的成本很高甚至无法进行更换。因此众多研究人员认为，采用能够从周围环境中收集能量、并持续性的给独立设备供电的微型发电装置，来为大量的海洋传感器供能，是传统电池的最佳替代品。
4.微型波浪能转换装置中常用的机电转换技术有静电式、电磁式和压电式等。其中压电式吸引了更多研究者兴趣，因为它可以提供更高的能量密度而且不易受到电磁的干扰，其能量密度大约是静电式和电磁式的3倍，此外它在各种环境中的适应能力也很强。压电式能量采集技术最常用的结构为悬臂梁结构。每一种能量转换装置均有其固有频率，当外部的激励与能量转换装置的固有频率相匹配时，系统会产生共振以实现更有效的能量收集。但是由于压电材料的特性及悬臂梁尺寸等因素，会使波浪能转换装置的谐振频率较高，而自然中波浪的振动频率较低且变化快，这就会导致外部激励频率与装置固有频率不一致，难以有效的采集能量。针对这一问题许多研究人员致力于降低装置的固有频率，使其与较低的外部激励频率一致以达到谐振的目的。但这往往使能量转换装置只能死板的适应低频环境，然而海洋环境是非常复杂多变的，环境频率也时有发生偏移，便会造成能量采集系统的有效性大大降低，甚至会使能量转换装置发生损坏。
5.为了降低波频突变对能量转换装置所带来的损伤，提高能量采集系统的有效性和使用寿命，本发明提出了一种定向变频的波浪能转换装置。
技术实现要素：6.本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种定向变频的波浪能转换装置。
7.本发明是通过如下技术方案实现的：
8.一种定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：包括外部防水系统、波浪能捕获系统、棘轮-弹簧系统和能量转换系统；
9.所述外部防水系统包括箱盖、箱体和密封袖套，所述箱盖与箱体之间密封连接；所述棘轮-弹簧系统和能量转换系统均设置于箱体内部，以免棘轮-弹簧系统和能量转换系统被海水腐蚀；
10.所述波浪能捕获系统包括浮子、链接弯臂和摆动臂，所述密封袖套套在摆动臂上，以防止海水沿摆动臂流入箱体；所述浮子随波浪上下浮动，通过所述摆动臂将波浪能传递给棘轮-弹簧系统运动；
11.所述棘轮-弹簧系统包括棘轮、棘爪、转轮、弹簧和振动体，通过棘爪传递将摆动臂的动能依次传递给棘轮、转轮和振动体，并通过振动体将波浪能捕获系统捕获的波浪能进行变频后传递给能量转换系统；
12.所述能量转换系统包括压电片，所述压电片设置于振动体上，用于将波浪能转换为电能，输出电能。
13.所述箱盖和箱体材料均为耐腐蚀的防水材料，所述箱体内部设有中心轴和导轨，所述导轨两端分别通过支座固定在箱体内壁上，所述中心轴两端分别通过中心轴支座固定在箱体内壁上；
14.所述摆动臂、转轮和棘轮均连接到中心轴，且两个摆动臂以中心轴为中心点左右对称分布；
15.所述弹簧和振动体均设置在导轨上，并沿着导轨的轴方向振动；所述压电片设置在振动体的顶端，随振动体的谐振频率进行振动。
16.所述箱体左右两侧开设有通孔，左右两个摆动臂分别穿过箱体的通孔连接到中心轴，且左右摆动臂的侧面保持在同一个平面内；所述浮子位于箱体左右两侧，通过链接弯臂连接到摆动臂；
17.所述密封袖套呈喇叭状，其阔口端与箱体密封固接，窄口端与摆动臂密封固接；所述密封袖套采用柔性防水耐腐蚀材料，不限制摆动臂的上下摆动，用于防止外部水流从箱体两侧开口处流入箱体内部。
18.所述转轮与棘轮通过三个螺栓固接，两者固接后安装在中心轴上，能够自由转动；
19.所述棘爪通过销钉安装在摆动臂上，并通过拉簧使棘爪与棘轮时刻保持接触，在棘爪的推动下，棘轮随着摆动臂的摆动而转动；
20.所述转轮跟随棘轮同步转动，通过顶部与振动体碰撞，使振动体产生振动，从而使固定在振动体上的压电片以其谐振频率进行振动。
21.所述振动体左右两侧开设有通孔，通孔外侧连接弹簧，所述导轨穿过通孔，为振动体及其左右两侧的弹簧提供滑动轨道。
22.所述振动体末端设有滚轮，滚轮通过销钉与振动体连接，滚轮能够围绕销钉自由转动，通过滚轮缓冲振动体与转轮之间的碰撞。
23.所述中心轴上还设有两个定位头，用于确定转轮、棘轮及摆动臂在中心轴上的位置，并使其保持固定状态。
24.所述压电片一端通过螺栓连接到振动体的上板，另一端带有质量块，质量块通过环氧树脂胶固定在压电片的基板上。
25.本发明的有益效果是：该定向变频的波浪能转换装置，不仅能够有效降低海浪波频突变对能量转换装置所带来的损伤，还能提高能量采集系统的有效性和使用寿命，适应复杂多变的海洋环境。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.附图1为本发明定向变频的波浪能转换装置结构示意图；
28.附图2为本发明定向变频的波浪能转换装置内部结构示意图；
29.附图3为本发明振动体部分结构示意图；
30.附图4为本发明棘轮部分结构示意图；
31.附图5为本发明棘轮部分侧视结构示意图。
32.附图中，1箱盖、2箱体、3密封袖套、4链接弯臂、5浮子、6压电片7、振动体、8弹簧、9转轮、10棘轮、11摆动臂、12滚轮、13导轨、14支座、15棘爪、16中心轴、17中心轴支座、18定位头。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好的理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
34.该定向变频的波浪能转换装置，包括外部防水系统、波浪能捕获系统、棘轮-弹簧系统和能量转换系统；
35.所述外部防水系统包括箱盖1、箱体2和密封袖套3，所述箱盖1与箱体2之间密封连接；所述棘轮-弹簧系统和能量转换系统均设置于箱体2内部，以免棘轮-弹簧系统和能量转换系统被海水腐蚀；
36.所述波浪能捕获系统包括浮子5、链接弯臂4和摆动臂11，所述密封袖套3套在摆动臂11上，以防止海水沿摆动臂11流入箱体2；所述浮子5随波浪上下浮动，通过所述摆动臂11将波浪能传递给棘轮-弹簧系统运动；
37.所述棘轮-弹簧系统包括棘轮10、棘爪15、转轮9、弹簧8和振动体7，通过棘爪15传递将摆动臂11的动能依次传递给棘轮10、转轮9和振动体7，并通过振动体7将波浪能捕获系统捕获的波浪能进行变频后传递给能量转换系统；
38.所述能量转换系统包括压电片6，所述压电片6设置于振动体7上，用于将波浪能转换为电能，输出电能。
39.所述箱盖1和箱体2材料均为耐腐蚀的防水材料，箱盖1与箱体2之间需紧密配合以防止进水。所述箱体2内部设有中心轴16和导轨13，所述导轨13两端分别通过支座14固定在箱体2内壁上，所述中心轴16两端分别通过中心轴支座17固定在箱体2内壁上；
40.所述摆动臂11、转轮9和棘轮10均连接到中心轴16，且两个摆动臂11以中心轴16为中心点左右对称分布；
41.所述弹簧8和振动体7均设置在导轨13上，并沿着导轨13的轴方向振动；所述压电片6设置在振动体7的顶端，随振动体7的谐振频率进行振动。
42.所述箱体2左右两侧开设有通孔，左右两个摆动臂11分别穿过箱体2的通孔连接到中心轴16，且左右摆动臂11的侧面保持在同一个平面内；所述浮子5位于箱体2左右两侧，通过链接弯臂4连接到摆动臂11；
43.所述密封袖套3呈喇叭状，其阔口端与箱体2密封固接，窄口端与摆动臂11密封固接；所述密封袖套3采用柔性防水耐腐蚀材料，不限制摆动臂11的上下摆动，用于防止外部水流从箱体两侧开口处流入箱体内部。
44.所述转轮9与棘轮10通过三个螺栓固接，两者固接后安装在中心轴16上，能够自由转动；
45.所述棘爪15通过销钉安装在摆动臂11上，并通过拉簧使棘爪15与棘轮10时刻保持接触，在棘爪15的推动下，棘轮10随着摆动臂11的摆动而转动；
46.所述转轮9跟随棘轮10同步转动，通过顶部与振动体7碰撞，使振动体7产生振动，从而使固定在振动体7上的压电片6以其谐振频率进行振动。
47.所述振动体7左右两侧开设有通孔，通孔外侧连接弹簧8，所述导轨13穿过通孔，为振动体7及其左右两侧的弹簧8提供滑动轨道。
48.所述振动体7末端设有滚轮12，滚轮12通过销钉与振动体7连接，滚轮12能够围绕销钉自由转动，通过滚轮12缓冲振动体7与转轮9之间的碰撞。
49.所述中心轴16上还设有两个定位头18，用于确定转轮9、棘轮10及摆动臂11在中心轴16上的位置，并使其保持固定状态。
50.所述压电片6一端通过螺栓连接到振动体7的上板，另一端带有质量块，质量块通过环氧树脂胶固定在压电片6的基板上。
51.所述浮子5用于采集波浪能，其外部曲线需根据实际工作环境，采用工程实践中常用的线性波浪理论进行设计。所设计的浮子5需与波浪具有较高的贴合度，以便可以有效地采集波浪能。所述浮子5通过螺栓与链接弯臂4相连，链接弯臂4与浮子5之间可以通过螺栓的数目决定浮子5的活动状态：若浮子5与链接弯臂4通过一个螺栓相连，则浮子5可以左右摆动；若通过两个螺栓相连，则浮子5处于固定状态，无法进行任何活动。
52.浮子5的材料为耐腐蚀，耐气候性的聚乙烯材料，摆动臂11与链接弯臂4的材料为不锈钢材料。
53.摆动臂11由两段组成，以便于安装。摆动臂11的前段套在中心轴16上可自由转动，后段与链接弯臂4通过螺栓固接，两段之间采用榫卯结构并加以螺栓连接，以保证两段可以同步摆动。
54.所述中心轴16的材料不锈钢棒。
55.所述压电片6的一端打有小孔，螺栓同过小孔与振动体7上板的凸台相连接，振动体7上板与振动体7通过螺钉或螺栓相连接，以便上板进行安装拆卸，便于安装压电片。
56.所述压电片6采用压电陶瓷片，通过细小的螺栓安装在振动体7的上板上，每一片压电片6之间留有充分的振动间隙。压电片6的末端带有质量块，质量块通过环氧树脂胶固
定在压电片基板末端区域的单侧或双侧。压电陶瓷层和质量块的宽度均小于基板的宽度。基板的材料为不锈钢片或铜片，压电陶瓷层的材料为pzt(钛锆酸铅)，压电陶瓷片的上下表面镀银电极，厚度方向为极化方向，负载质量块的材料为铁块或其他材质。
57.所述弹簧8与箱体2内壁的支座14以及振动体7之间均为固接，通过挂钩或环形固定片固定。振动体7与光滑导轨13之间为间隙配合，其侧面通孔的直径略大于导轨13的直径，以便使振动体7可以在导轨13上自由滑动。套于导轨13上弹簧8的内径也略大于导轨13的直径，弹簧8的具体参数需根据压电片6的共振频率采用动力学仿真软件得出。
58.导轨13通过螺钉固定在支座14上。
59.该定向变频的波浪能转换装置，工作过程及原理如下：
60.将密封的外壳箱体2固定式的安装在海面上(如通过螺栓与海洋平台的支撑结构相连接)，或者使其在海面上保持浮动状态(如采用锚和绳索使采集器在一定海域内浮动)。
61.浮子5在水面上的纵向位移作为主要输入，而主体的浮动与否对能量采集的过程影响较小。由于浮子5的特殊设计，在海洋中任何方向上具有一定波幅的波浪都会使浮子5产生上下移动。两个浮子5的移动不可能完全同步，因此与浮子5相连的摆动臂11会进行不同步的上下摆动，棘爪15会随着摆动臂11的摆动而推动棘轮10转动。
62.由于棘轮机构的特性，使得与棘轮10同步运转的转轮9只能单向运动，而转轮9运转便会推动振动体7使其产生横向位移以压缩弹簧8。当振动体7达到临界位移时便会在弹簧8弹力(拉力)的作用下沿光滑导轨13产生振动，从而使固定在振动体7上的压电片6以其谐振频率进行振动。
63.根据压电效应，每一片压电片6上下表面电极上都会产生电荷，因此可以将多组压电片6进行串联、并联以获得所需要的电压、电流。由于弹簧8的参数是根据压电片6的谐振频率，经过运动学仿真软件模拟后得出的，因此振动体7会以压电片6的谐振频率进行振动。根据机械振动原理，共振能够大幅提高压电片6的输出电压幅值，将使波浪能转换装置的输出最大化。根据渤海近海岸的波高统计数据，弹簧8将采用线径1.2mm、有效圈数16圈，材质为60si2mn的弹簧。
64.综上，该定向变频的波浪能转换装置，利用悬臂梁振动能采集原理，将压电悬臂梁与浮标相结合，随着浮子的上下运动，棘轮-弹簧结构会将浮子的运动转化为振动体的振动，从而使固定在振动体上的压电片弯曲振动产生电能，因此整个结构便构成了一个可定向变频的压电式波浪能转换装置。
65.在工作过程中，该定向变频的波浪能转换装置，通过特有的棘轮-弹簧结构从频率平稳或突变的波浪中采集能量，同时有效降低了波频突变对能量转换装置所带来的损伤。
66.棘轮-弹簧结构可以利用波浪能来压缩/拉伸弹簧，使其具有一定的弹簧势能，而被压缩/拉伸的弹簧最终产生特定的频率，使固定在振荡体上的压电片以谐振频率进行振动，将获得更大的输出。
67.相对于海洋环境中存在的波频突变状况，弹簧所产生的频率更加稳定可靠，这便可以保证压电片每次产生振动时的频率均为谐振频率。
68.该定向变频的波浪能转换装置，通过棘轮-弹簧结构达到了定向变频的目的，在提高能量输出的同时又极大地降低了波浪频率变化所带来的冲击，大幅提高了能量转换装置在海洋环境中的适应能力。
69.以上所述的实施例，只是本发明具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：包括外部防水系统、波浪能捕获系统、棘轮-弹簧系统和能量转换系统；所述外部防水系统包括箱盖(1)、箱体(2)和密封袖套(3)，所述箱盖(1)与箱体(2)之间密封连接；所述棘轮-弹簧系统和能量转换系统均设置于箱体(2)内部，以免棘轮-弹簧系统和能量转换系统被海水腐蚀；所述波浪能捕获系统包括浮子(5)、链接弯臂(4)和摆动臂(11)，所述密封袖套(3)套在摆动臂(11)上，以防止海水沿摆动臂(11)流入箱体(2)；所述浮子(5)随波浪上下浮动，通过所述摆动臂(11)将波浪能传递给棘轮-弹簧系统运动；所述棘轮-弹簧系统包括棘轮(10)、棘爪(15)、转轮(9)、弹簧(8)和振动体(7)，通过棘爪(15)传递将摆动臂(11)的动能依次传递给棘轮(10)、转轮(9)和振动体(7)，并通过振动体(7)将波浪能捕获系统捕获的波浪能进行变频后传递给能量转换系统；所述能量转换系统包括压电片(6)，所述压电片(6)设置于振动体(7)上，用于将波浪能转换为电能，输出电能。2.根据权利要求1所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述箱盖(1)和箱体(2)材料均为耐腐蚀的防水材料，所述箱体(2)内部设有中心轴(16)和导轨(13)，所述导轨(13)两端分别通过支座(14)固定在箱体(2)内壁上，所述中心轴(16)两端分别通过中心轴支座(16)固定在箱体(2)内壁上；所述摆动臂(11)、转轮(9)和棘轮(10)均连接到中心轴(16)，且两个摆动臂(11)以中心轴(16)为中心点左右对称分布；所述弹簧(8)和振动体(7)均设置在导轨(13)上，并沿着导轨(13)的轴方向振动；所述压电片(6)设置在振动体(7)的顶端，随振动体(7)的谐振频率进行振动。3.根据权利要求2所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述箱体(2)左右两侧开设有通孔，左右两个摆动臂(11)分别穿过箱体(2)的通孔连接到中心轴(16)，且左右摆动臂(11)的侧面保持在同一个平面内；所述浮子(5)位于箱体(2)左右两侧，通过链接弯臂(4)连接到摆动臂(11)；所述密封袖套(3)呈喇叭状，其阔口端与箱体(2)密封固接，窄口端与摆动臂(11)密封固接；所述密封袖套(3)采用柔性防水耐腐蚀材料，不限制摆动臂(11)的上下摆动，用于防止外部水流从箱体两侧开口处流入箱体内部。4.根据权利要求2所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述转轮(9)与棘轮(10)通过螺栓固接，两者固接后安装在中心轴(16)上，能够自由转动；所述棘爪(15)通过销钉安装在摆动臂(11)上，并通过拉簧使棘爪(15)与棘轮(10)时刻保持接触，在棘爪(15)的推动下，棘轮(10)随着摆动臂(11)的摆动而转动；所述转轮(9)跟随棘轮(10)同步转动，通过顶部与振动体(7)碰撞，使振动体(7)产生振动，从而使固定在振动体(7)上的压电片(6)以其谐振频率进行振动。5.根据权利要求4所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述振动体(7)左右两侧开设有通孔，通孔外侧连接弹簧(8)，所述导轨(13)穿过通孔，为振动体(7)及其左右两侧的弹簧(8)提供滑动轨道。6.根据权利要求4所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述振动体(7)末端设有滚轮(12)，滚轮(12)通过销钉与振动体(7)连接，滚轮(12)能够围绕销钉自由转动，
通过滚轮(12)缓冲振动体(7)与转轮(9)之间的碰撞。7.根据权利要求2所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述中心轴(16)上还设有两个定位头(18)，用于确定转轮(9)、棘轮(10)及摆动臂(11)在中心轴(16)上的位置，并使其保持固定状态。8.根据权利要求1、4、5或6所述的定向变频的波浪能转换装置，其特征在于：所述压电片(6)一端通过螺栓连接到振动体(7)的上板，另一端带有质量块，质量块通过环氧树脂胶固定在压电片(6)的基板上。
技术总结本发明特别涉及一种定向变频的波浪能转换装置。该定向变频的波浪能转换装置，包括外部防水系统、波浪能捕获系统、棘轮-弹簧系统和能量转换系统；所述外部防水系统用于防止免棘轮-弹簧系统和能量转换系统被海水腐蚀；所述波浪能捕获系统将波浪能传递给棘轮-弹簧系统运动；所述棘轮-弹簧系统通过振动体将波浪能捕获系统捕获的波浪能进行变频后传递给能量转换系统；所述能量转换系统包括压电片，所述压电片设置于振动体上，用于将波浪能转换为电能，输出电能。该定向变频的波浪能转换装置，不仅能够有效降低海浪波频突变对能量转换装置所带来的损伤，还能提高能量采集系统的有效性和使用寿命，适应复杂多变的海洋环境。适应复杂多变的海洋环境。适应复杂多变的海洋环境。
技术研发人员：杨耀东 吕绪晗 张栋才 饶伟锋
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学
技术研发日：2022.08.31
技术公布日：2022/12/1
