用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，該裝置外形為圓柱體結(jié)構(gòu)，由傳動(dòng)軸組件、上端蓋、連接板、支撐板、壓板、被壓板、底板、下端蓋、艙體、儲(chǔ)能單元和水密連接器組成，采用傳動(dòng)軸傳遞波浪和海流等海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，并通過(guò)壓電換能片將這些能量轉(zhuǎn)化為電能。壓電換能片安裝在被壓板上，該裝置通過(guò)多個(gè)壓電換能片的串并聯(lián)來(lái)提高電能輸出功率。該裝置輸出的電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元內(nèi)并通過(guò)水密連接器原位供電給海底儀器。該裝置適用于海底到海面的整個(gè)海洋環(huán)境，應(yīng)用范圍廣、可靠性高。
【專利說(shuō)明】
用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于海底觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，主要利用波浪和海流等海水運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)作用于壓電材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓電能量的原位收集。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)方式主要是船基考察。通過(guò)船只布放的自容式或錨系式著底器只能支持少量海底設(shè)備的短期供電，需要較為頻繁的定期維護(hù)。各類水下機(jī)器人也是依靠自帶的電池供電，無(wú)法長(zhǎng)期蹲守深海。而海底觀測(cè)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)海底儀器的長(zhǎng)期供電。然而，海底觀測(cè)網(wǎng)輸送到海底的電能總是有限的。在海底觀測(cè)網(wǎng)的生命周期里，隨著海底儀器的種類和數(shù)量不斷增加，觀測(cè)網(wǎng)的海底負(fù)荷將會(huì)越來(lái)越重。為了維持觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)海底負(fù)荷過(guò)重時(shí)，某些儀器必須被暫時(shí)切除；當(dāng)觀測(cè)網(wǎng)上的某些水密纜損壞而接海短路時(shí)，相關(guān)儀器必須暫時(shí)斷電并等待維修；當(dāng)觀測(cè)網(wǎng)接口不足或觀測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，所需儀器暫時(shí)無(wú)法直接連接至觀測(cè)網(wǎng)。
[0003]實(shí)際上，海洋本身蘊(yùn)含著極為豐富的清潔無(wú)污染、可循環(huán)再生的能量來(lái)源，特別是波浪和海流等海水活動(dòng)引起的振動(dòng)無(wú)處不在，可利用壓電換能裝置實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的收集。若能利用這些無(wú)處不在的海水振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)海底儀器的自供電，就能大大增強(qiáng)整個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)在生命周期內(nèi)的實(shí)際觀測(cè)能力?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外海水振動(dòng)能量收集裝置的缺點(diǎn)是:僅能收集海水表面的波浪能，因此其使用場(chǎng)合局限于海水表面;裝置體積大，對(duì)布放要求高，可靠性低，使用不便;難以應(yīng)用于海底儀器的供電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，利用海水活動(dòng)引起的振動(dòng)帶動(dòng)壓電材料形變，利用正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)海底儀器的自供電。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，包括傳動(dòng)軸組件110、上端蓋120、第二連接板130、支撐板140、壓板150、被壓板160、底板170、下端蓋180、艙體190和儲(chǔ)能單元200;艙體190兩端分別固定有上端蓋120和下端蓋180;
所述傳動(dòng)軸組件110由傳動(dòng)軸111、第一連接板112、直線軸承113和能量傳遞板114組成，傳動(dòng)軸為圓柱體結(jié)構(gòu)，若干個(gè)第一連接板112穿過(guò)傳動(dòng)軸111，第一連接板112與傳動(dòng)軸111之間為焊接連接;支撐板140通過(guò)若干個(gè)第二連接板130與底板170連接，構(gòu)成裝置的基本框架;所述裝置的基本框架位于艙體190內(nèi)，傳動(dòng)軸111穿過(guò)上端蓋120，其一端上固定有能量傳遞板114;若干個(gè)第一連接板112位于裝置的基本框架內(nèi)；傳動(dòng)軸111與上端蓋120連接處設(shè)有直線軸承113，所述直線軸承113用于保證傳動(dòng)軸111直線運(yùn)動(dòng);若干組壓板150和被壓板160穿過(guò)傳動(dòng)軸111，被壓板160的端部通過(guò)第二連接板130連接支撐板140，壓板150與第一連接板112采用螺栓連接;壓板150上設(shè)有壓桿固定孔151，用于固定壓桿，所述壓桿位于壓板150與被壓板160之間；所述支撐板140固定于上端蓋120上，所述下端蓋180固定于底板170上;所述被壓板160上固定有壓電換能片；
所述儲(chǔ)能單元200由直流變換器和蓄電池連接而成，儲(chǔ)能單元200固定于上端蓋120，所述直流變換器的輸出端連接水密連接器，輸入端連接壓電換能片；
海水振動(dòng)作用在能量傳遞板114上，能量傳遞板114將海水振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸111的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓板擠壓被壓板上的壓電材料，使其形變，利用正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元內(nèi)，通過(guò)水密連接器實(shí)現(xiàn)外部海底儀器的原位供電。
[0006]本發(fā)明中，所述壓板150和被壓板160的數(shù)量相同。
[0007]本發(fā)明中，所述被壓板160上設(shè)有壓電換能片固定孔161，用于固定壓電換能片，所述壓板150上設(shè)有壓桿固定孔151，用于固定壓桿，所述壓電換能片與壓桿的數(shù)量相同。
[0008]本發(fā)明中，傳動(dòng)軸組件110、上端蓋120、第二連接板130、支撐板140、壓板150、底板170、下端蓋180以及艙體190使用鈦合金材料。
[0009]本發(fā)明中，被壓板160采用絕緣材料。
[0010]本發(fā)明中，所述傳動(dòng)軸組件110與上端蓋120之間采用動(dòng)密封。
[0011]本發(fā)明中，所述船體190分別與上端蓋120和下端蓋180之間采用螺栓連接，并通過(guò)密封圈實(shí)現(xiàn)靜密封。
[0012]本發(fā)明的原理是:
海水振動(dòng)作用在傳動(dòng)軸組件上，帶動(dòng)壓板擠壓被壓板上的壓電材料，使其形變，利用正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能。產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元內(nèi)，通過(guò)水密連接器實(shí)現(xiàn)外部海底儀器的原位供電。所謂的正壓電效應(yīng)，是由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程:對(duì)壓電材料施以物理壓力時(shí)，材料體內(nèi)之電偶極矩會(huì)因壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗該變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用傳動(dòng)軸傳遞波浪和海流等海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，適用于海底到海面的整個(gè)海洋環(huán)境，可在淺海及深海使用，應(yīng)用范圍廣。采用簡(jiǎn)單可靠的壓電換能片，多個(gè)壓電換能片采用串并聯(lián)組合方式進(jìn)行連接，提高了整個(gè)裝置的發(fā)電功率，且整個(gè)裝置體積緊湊、可靠性高。通過(guò)儲(chǔ)能單元存儲(chǔ)不穩(wěn)定的壓電能量，提高了海底儀器供電的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明傳動(dòng)軸部分組件的示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明傳動(dòng)軸連接板的示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明上端蓋的示意圖4為側(cè)視圖^為主視圖。
[0018]圖5是本發(fā)明連接板的示意圖。
[0019]圖6是本發(fā)明支撐板的示意圖。
[0020]圖7是本發(fā)明壓板的示意圖。
[0021]圖8是本發(fā)明被壓板的示意圖。
[0022]圖9是本發(fā)明底板的不意圖。
[0023]圖10是本發(fā)明下端蓋的示意圖，A為側(cè)視圖，B為主視圖。
[0024]圖11是本發(fā)明艙體示意圖。
[0025]圖中標(biāo)注:110轉(zhuǎn)動(dòng)軸組件，111傳動(dòng)軸，112第一連接板，113直線軸承，114能量傳遞板，120上端蓋，121艙體固定孔，122第一連接板固定孔，123直線軸承固定孔，124傳動(dòng)軸通過(guò)孔，125濕插拔連接器通過(guò)孔，130第二連接板，131連接孔，132支撐板連接孔，140支撐板，141連接板連接孔，150壓板，151壓桿固定孔，152第一連接板固定孔，153傳動(dòng)軸通過(guò)孔，160被壓板，161壓電換能片固定孔，162傳動(dòng)軸通過(guò)孔，163連接板連接孔，170底板，171連接板連接孔，180下端蓋，181艙體固定孔，182底板固定孔，183直線軸承固定孔，190艙體，191艙體固定孔，200儲(chǔ)能單元。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027]實(shí)施例1:圖1表示所述用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由傳動(dòng)軸組件110、上端蓋120、第二連接板130、支撐板140、壓板150、被壓板160、底板170、下端蓋180和艙體190組成。該裝置的傳動(dòng)軸組件110、上端蓋120、第二連接板130、支撐板140、壓板150、底板170、下端蓋180以及艙體190采用相同規(guī)格的鈦合金材料，被壓板160采用絕緣材料。儲(chǔ)能單元200固定于上端蓋120，由直流變換器和蓄電池組成，直流變換器將壓電換能片輸出的不穩(wěn)定的電能穩(wěn)壓后存儲(chǔ)至蓄電池中，再通過(guò)水密連接器供電給海底儀器。支撐板140利用第二連接板130連接至底板170，構(gòu)成本發(fā)明的基本框架。壓板150、被壓板160放置于支撐板140構(gòu)成的基本框架內(nèi)，被壓板160與支撐板140通過(guò)第二連接板130進(jìn)行連接。傳動(dòng)軸組件110利用壓板150、被壓板160中心通孔依次通過(guò)各個(gè)壓板、被壓板，利用螺栓、螺母可將壓板150固定在傳動(dòng)軸組件110上。儲(chǔ)能單元200安裝至上端蓋120。艙體190分別與上端蓋120和下端蓋180通過(guò)螺栓進(jìn)行連接。
[0028]圖1至圖3表示傳動(dòng)軸組件110是由傳動(dòng)軸111、第一連接板112、直線軸承113和能量傳遞板114組成。傳動(dòng)軸111和第一連接板112通過(guò)焊接連接。直線軸承113用于保證傳動(dòng)軸直線運(yùn)動(dòng)。能量傳遞板114用于將波浪振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸的直線運(yùn)動(dòng)。
[0029]圖4表示上端蓋120上設(shè)有艙體固定孔121、第二連接板固定孔122、直線軸承固定孔123、傳動(dòng)軸通過(guò)孔124和濕插拔連接器通過(guò)孔125。上端蓋120與艙體190通過(guò)艙體固定孔121利用螺栓連接。上端蓋120與第二連接板130通過(guò)第二連接板固定孔122利用螺栓連接。上端蓋120的傳動(dòng)軸通過(guò)孔124可以使傳動(dòng)軸111通過(guò)。直線軸承固定孔123用于固定直線軸承113。傳動(dòng)軸組件110與上端蓋120之間采用動(dòng)密封。
[0030]圖5表示第二連接板130。第二連接板130上設(shè)有連接孔131和支撐板連接孔132。所述連接孔131用于相應(yīng)的第二連接板130與分別上端蓋120、被壓板160和底板170的連接，支撐板連接孔132用于第二連接板130與支撐板140的連接。連接均采用螺栓和螺母。
[0031]圖6表示支撐板140。支撐板140上有連接板連接孔141，用于第二連接板130與支撐板140的連接。
[0032]圖7表示壓板150上設(shè)有壓桿固定孔151、第二連接板固定孔152和傳動(dòng)軸通過(guò)孔153。螺栓固定在壓桿固定孔151內(nèi)，作為將傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)傳遞至壓電材料使其發(fā)生形變的媒介。傳動(dòng)軸通過(guò)孔153使傳動(dòng)軸的第一連接板112可以通過(guò)壓板150，在壓板150底部利用第一連接板固定孔152與第一連接板112連接。
[0033]圖8表示被壓板160有壓電換能片固定孔161、傳動(dòng)軸通過(guò)孔162、連接板連接孔163。壓電換能片安裝在壓電換能片固定孔161上，壓電換能片固定孔161為壓電換能片受壓產(chǎn)生形變留下充足空間。傳動(dòng)軸通過(guò)孔162使傳動(dòng)軸的第一連接板112可以通過(guò)被壓板160。連接板連接孔163用于第二連接板130與被壓板160的連接，連接采用螺栓和螺母。
[0034]圖9表示底板170，其上連接板連接孔171用于第二連接板130與底板170的連接，連接采用螺栓。
[0035]圖10表示下端蓋180上設(shè)有艙體固定孔181、底板固定孔182和直線軸承固定孔183。下端蓋180與艙體190通過(guò)艙體固定孔181利用螺栓連接。下端蓋180、底板170與第二連接板130通過(guò)底板固定孔182、連接板連接孔171利用螺栓連接。直線軸承固定孔123用于固定直線軸承，直線軸承用于保證傳動(dòng)軸組件110的直線運(yùn)動(dòng)。
[0036]圖11表示艙體190。艙體190上有艙體固定孔191，用于與上端蓋120、下端蓋180的固定連接，連接采用螺栓。
[0037]所述儲(chǔ)能單元200安裝于艙體上端蓋120，由直流變換器和蓄電池組成，直流變換器將輸入電壓穩(wěn)定后存儲(chǔ)至蓄電池中。
[0038]使用時(shí)需將該裝置置于海底。波浪、海流振動(dòng)作用在傳動(dòng)軸111的能量傳遞板114上，帶動(dòng)傳動(dòng)軸111及固定在傳動(dòng)軸111上的壓板150產(chǎn)生運(yùn)動(dòng);壓板150運(yùn)動(dòng)使得其上壓桿對(duì)被壓板160上固定的壓電換能片產(chǎn)生擠壓，使壓電材料產(chǎn)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生電能。壓電換能片串并聯(lián)后的獲得的總的電能輸入到儲(chǔ)能單元200。儲(chǔ)能單元200通過(guò)水密連接器實(shí)現(xiàn)電能輸出。
[0039]上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，包括傳動(dòng)軸組件(110)、上端蓋(120)、第二連接板(130)、支撐板(140)、壓板(150)、被壓板(160)、底板(170)、下端蓋(180)、艙體(190)和儲(chǔ)能單元(200);艙體(190)兩端分別固定有上端蓋(120)和下端蓋(180);其特征在于: 所述傳動(dòng)軸組件(I 10)由傳動(dòng)軸(I 11)、第一連接板(I 12 )、直線軸承(I 13)和能量傳遞板(I 14)組成，傳動(dòng)軸為圓柱體結(jié)構(gòu)，若干個(gè)第一連接板(I 12)穿過(guò)傳動(dòng)軸(I 11)，第一連接板(112)與傳動(dòng)軸(111)之間為焊接連接;支撐板(140)通過(guò)若干個(gè)第二連接板(130)與底板(170)連接，構(gòu)成裝置的基本框架;所述裝置的基本框架位于艙體(190)內(nèi)，傳動(dòng)軸(111)依次穿過(guò)上端蓋(120)，其一端上固定有能量傳遞板(114);若干個(gè)第一連接板(112)位于裝置的基本框架內(nèi)；傳動(dòng)軸(111)與上端蓋(120)連接處設(shè)有直線軸承(113)，所述直線軸承(113)用于保證傳動(dòng)軸(111)直線運(yùn)動(dòng);若干組壓板(150)和被壓板(160)穿過(guò)傳動(dòng)軸(111)，被壓板(160)的端部通過(guò)第二連接板(130)連接支撐板(140)，壓板(150)與第一連接板(112)采用螺栓連接;壓板(150)上設(shè)有壓桿固定孔(151)，用于固定壓桿，所述壓桿位于壓板(150)與被壓板(160)之間；所述支撐板(140)固定于上端蓋(120)上，所述下端蓋(180)固定于底板(170)上;所述被壓板(160)上固定有壓電換能片； 所述儲(chǔ)能單元(200)由直流變換器和蓄電池連接而成，儲(chǔ)能單元(200)固定于上端蓋(120)，所述直流變換器的輸出端連接水密連接器，輸入端連接壓電換能片； 海水振動(dòng)作用在能量傳遞板(I 14)上，能量傳遞板(114)將海水振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸(111)的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓板擠壓被壓板上的壓電材料，使其形變，利用正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元內(nèi)，通過(guò)水密連接器實(shí)現(xiàn)外部海底儀器的原位供電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，其特征在于所述壓板(150)和被壓板(160)的數(shù)量相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，其特征在于所述被壓板(160)上設(shè)有壓電換能片固定孔(161)，用于固定壓電換能片，所述壓板(150)上設(shè)有壓桿固定孔(151)，用于固定壓桿，所述壓電換能片與壓桿的數(shù)量相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，其特征在于傳動(dòng)軸組件(110)、上端蓋(120)、第二連接板(130)、支撐板(140)、壓板(150)、底板(170)、下端蓋(180)以及艙體(190)使用鈦合金材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，其特征在于被壓板(160)采用絕緣材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，其特征在于所述傳動(dòng)軸組件(110)與上端蓋(120)之間采用動(dòng)密封。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海底儀器的微型壓電能量原位收集裝置，其特征在于所述船體(190)分別與上端蓋(120)和下端蓋(180)之間采用螺栓連接，并通過(guò)密封圈實(shí)現(xiàn)靜密封。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK106050541SQ201610555566
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月15日
【發(fā)明人】呂楓, 楊帆, 李 杰, 吳正偉, 朱嘉宇, 姜雅梅, 周懷陽(yáng)
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué)