一种振荡浮子波浪能发电装置

1.本技术涉及海洋能发电技术领域，具体涉及一种振荡浮子波浪能发电装置。


背景技术：

2.我国海域辽阔，沿海台风、风暴潮等海洋灾害发生频度高、危害大，亟需构建海洋环境监测网，提供海上定点、连续、准确、实时的现场监测数据，为海洋环境监测、灾害预警报及应急处理、海上维权安全保障等提供服务。海洋监测设备的作用更加凸显，海洋监测传感网络需要持续、长久的电能供应，太阳能电池的发电效率因光照不稳定性而较低，传统的振荡水柱波能转换装置的透平发电机结构复杂，存在远海维护困难。
3.中国专利201811591281.7披露了一种浮标式介电弹性体波浪能发电机，其设有多层叠堆式-介电弹性体转换装置，该转换装置包括多个介电弹性体膜、柔性电极、偏置电源和蓄电池，工作时，浮标随波浪上下起伏，绝缘杆随浮标上下运动，连接着绝缘杆的多层叠堆式-介电弹性体转换装置上下拉伸或收缩，使得涂覆柔性电极的介电弹性体膜在偏置电源的作用下，反复拉伸压缩产生直流电，并充进蓄电池中。上述方案虽能够利用介电弹性体将波浪能转化为电能，然而介电弹性体产生形变量有限，造成波浪能利用率低、发电能力弱，并且需配置额外的偏置电源，成本高、不利于节约能源。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种振荡浮子波浪能发电装置，以解决上述技术问题中的至少一个。
5.本技术所采用的技术方案为：
6.一种振荡浮子波浪能发电装置，包括：振荡浮子，所述振荡浮子内设有安装腔；摩擦发电装置，设于所述安装腔内；介电弹性体发电装置，设于所述安装腔内并设置在所述摩擦发电装置沿振荡浮子的轴向方向的内侧；芯轴，贯穿并安装于所述振荡浮子的中部；所述振荡浮子在波浪带动下运动，并与所述芯轴发生相对位移，以促使所述摩擦发电装置及所述介电弹性体发电装置产生形变用以发电。
7.进一步地，所述摩擦发电装置沿芯轴的轴向方向的外侧设有挡板，所述振荡浮子及芯轴运动过程中，所述挡板压缩所述摩擦发电装置，并且所述挡板及所述摩擦发电装置压缩所述介电弹性体发电装置以产生形变。
8.进一步地，所述摩擦发电装置被配置为产生形变用以发电，并且为所述介电弹性体发电装置提供偏置电压。
9.进一步地，所述芯轴底端安装有阻尼装置，用以减慢所述芯轴的运动速率，以和所述振荡浮子发生相对位移。
10.进一步地，所述摩擦发电装置包括波纹管和设于波纹管表面的摩擦发电材料，所述摩擦发电材料包括得电子材料和失电子材料。
11.进一步地，所述介电弹性体发电装置包括介电弹性薄膜和分别设于介电弹性薄膜
两侧的活动绝缘板及固定绝缘板，所述活动绝缘板自由处于所述摩擦发电装置与所述介电弹性薄膜之间，所述振荡浮子及芯轴运动过程中，所述活动绝缘板与所述固定绝缘板共同挤压所述介电弹性薄膜以产生形变。
12.进一步地，所述活动绝缘板及所述固定绝缘板朝向所述介电弹性薄膜的一侧均设有多个间隔布置的凸起；所述活动绝缘板的凸起与所述固定绝缘板的凸起错位布置。
13.进一步地，所述摩擦发电装置以及所述介电弹性体发电装置均设置上下对称两套，两个固定绝缘板背靠背相互贴合后与所述振荡浮子的内壁固定；所述介电弹性薄膜的两侧经有机玻璃圈夹持后与所述振荡浮子的内壁固定。
14.进一步地，所述振荡浮子波浪能发电装置还包括密封装置，所述振荡浮子的两端均设有开口，所述密封装置与所述开口密封配合，所述芯轴穿过所述密封装置并能够与所述密封装置滑动配合。
15.进一步地，所述密封装置包括盖装在所述开口的法兰盘及设于所述法兰盘中部的密封组件，所述密封组件设有用以所述芯轴穿过的密封圈；所述阻尼装置包括两个盘状的阻尼板，两个所述阻尼板背靠背连接，并经由上下两个垫片夹持固定。
16.根据本技术实施方式的振荡浮子波浪能发电装置，其设有摩擦发电装置和介电弹性体发电装置两类发电装置，可实现复合发电，可提升波浪能利用率和发电效率；并且，摩擦发电装置不仅可发电还能为介电弹性体发电装置提供偏置电压，因此可省略配置外部偏置电压，有利于降低成本、节约能源、提高能源利用率。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1是本技术一种实施方式下的振荡浮子波浪能发电装置的结构示意图；
19.图2是图1中的振荡浮子波浪能发电装置向下运动的示意图；
20.图3是图1中的振荡浮子波浪能发电装置向上运动的示意图；
21.图4是本技术一种实施方式下的摩擦发电装置的结构示意图；
22.图5是本技术一种实施方式下的密封装置的结构示意图。
23.附图标记：
24.10-振荡浮子，101-安装腔，20-摩擦发电装置，30-介电弹性体发电装置，40-芯轴，401-挡板，50-阻尼装置，51-阻尼板，52-垫片，21-波纹管，221-ito材料，222-pet材料，223-pdms材料，31-介电弹性薄膜，32-活动绝缘板，33-固定绝缘板，34-凸起，102-1/102-2-安装座，311-有机玻璃圈，60-密封装置，61-法兰盘，62-第一密封圈，63-密封主体，64-第二密封圈，65-第三密封圈，66-线性轴承。
具体实施方式
25.为了更清楚的阐释本技术的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开
的具体实施例的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及各实施例中的特征可以相互结合。
27.另外，在本技术的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
30.如图1至图5所示，本技术提供了一种振荡浮子波浪能发电装置，包括：振荡浮子10，所述振荡浮子10内设有安装腔101；摩擦发电装置20，设于所述安装腔101内；介电弹性体发电装置30，设于所述安装腔101内并设置在所述摩擦发电装置20沿振荡浮子10的轴向方向的内侧；芯轴40，贯穿并安装于所述振荡浮子10的中部；所述振荡浮子10在波浪带动下运动，并与所述芯轴40发生相对位移，以促使所述摩擦发电装置20及所述介电弹性体发电装置30产生形变用以发电。
31.根据本技术实施方式的振荡浮子波浪能发电装置，其设有摩擦发电装置20和介电弹性体发电装置30两类发电装置，可实现复合发电，可提升波浪能利用率和发电效率；并且，摩擦发电装置20不仅可发电还能为介电弹性体发电装置30提供偏置电压，因此可省略配置外部偏置电压，有利于降低成本、节约能源、提高能源利用率。
32.本技术的振荡浮子波浪能发电装置，其发电原理为：振荡浮子10在波浪的作用下上下起伏，振荡浮子10运动的同时芯轴40也发生运动并且两者存在位移差，该位移差可促使摩擦发电装置20以及所述介电弹性体发电装置30产生形变进而发电。
33.如图1所示，振荡浮子10设有外壳，该外壳内中空形成安装腔101，为摩擦发电装置20、介电弹性体发电装置30以及芯轴40提供了装配空间。芯轴40贯穿振荡浮子10的中部，芯轴40的下端可伸入海水中。其中，介电弹性体发电装置30设置在摩擦发电装置20沿振荡浮子10的轴向方向的内侧，可使得摩擦发电装置20先于介电弹性体发电装置30发生形变，使得摩擦发电装置20为介电弹性体发电装置30提供偏置电压创造了条件。
34.作为本技术一种优选的实施方式，所述摩擦发电装置20沿芯轴40的轴向方向的外侧设有挡板401，所述振荡浮子10及芯轴40运动过程中，所述挡板401压缩所述摩擦发电装置20，并且所述挡板401及所述摩擦发电装置20压缩所述介电弹性体发电装置30以产生形
变。
35.如图1至图3所示，摩擦发电装置20位于挡板401和介电弹性体发电装置30之间，挡板401不仅可限定摩擦发电装置20在轴向上的位置，还能提供对摩擦发电装置20及介电弹性体发电装置30的压缩作用。具体地，摩擦发电装置20通过上下两侧的挡板401与介电弹性体发电装置30进行限位，其不与振荡浮子10发生固定，挡板401可固定在芯轴40上可跟随芯轴40运动从而压缩摩擦发电装置20及介电弹性体发电装置30。更具体地，挡板401与芯轴40可以一体成型，也可以分体制造后通过螺栓固定在一起，本技术对此不做限定。
36.由于挡板401距离摩擦发电装置20更近，挡板401可优先压缩摩擦发电装置20，随后挡板401及受压缩的摩擦发电装置20可一同压缩介电弹性体发电装置30。由此，本技术可利用波浪运动的机械能同时使摩擦发电装置20与介电弹性体发电装置30均产生形变，极大增加了形变量，并实现了复合发电。
37.优选地，安装腔101的腔室大小从中心向两端收缩，摩擦发电装置20靠近挡板401的一端可位于收缩的腔室内，以便于挡板401压缩摩擦发电装置20时可加速对摩擦发电装置20进行压缩，提高发电效率。进一步地，摩擦发电装置20靠近介电弹性体发电装置30的一端可位于扩大的腔室内，以增加与介电弹性体发电装置30的接触面积，从而提升对介电弹性体发电装置30进行压缩的效率。如图1所示，振荡浮子10整体例如近似哑铃状。
38.作为本技术一种优选的实施方式，所述摩擦发电装置20被配置为产生形变用以发电，并且为所述介电弹性体发电装置30提供偏置电压。
39.由上述可知，摩擦发电装置20可先于介电弹性体发电装置30产生形变，因此摩擦发电装置20产生形变后不仅可用于自身进行发电，还能为介电弹性体发电装置30提供偏置电压，当介电弹性体发电装置30也产生形变后，其可在偏置电压的作用下进行发电。由此，本技术提供了一种复合发电模式，其与振荡浮子10及芯轴40的运动是顺势进行的，一气呵成，确保了发电的效率。
40.作为本技术一种优选的实施方式，所述芯轴40底端安装有阻尼装置50，用以减慢所述芯轴40的运动速率，以和所述振荡浮子10发生相对位移。
41.如图1所示，通过设置阻尼装置50可增加水下阻尼，可增大振荡浮子10与芯轴40之间的相对位移。阻尼装置50与芯轴40可通过例如螺栓固定。
42.优选地，所述阻尼装置50包括两个盘状的阻尼板51，两个所述阻尼板51背靠背连接，并经由上下两个垫片52夹持固定。如图2或图3所示，上方阻尼板51具有朝上的凹面，下方阻尼板51具有朝下的凹面，可分别增加芯轴40向上运动和向下运动的阻尼，以增大振荡浮子10与芯轴40之间的相对位移。上方阻尼板51的中部以及下方阻尼板51的中部均设有垫片52，以加强两个阻尼板51的固定效果。进一步地，阻尼装置50可经由固定件如螺栓等与芯轴40固定。阻尼板51和垫片52例如可采用刚性材质制成。
43.作为本技术一种优选的实施方式，所述摩擦发电装置20包括波纹管21和设于波纹管21表面的摩擦发电材料，所述摩擦发电材料包括得电子材料和失电子材料。
44.本技术可通过波纹管21压缩/拉伸以使得摩擦发电材料摩擦发电。作为一种优选的实施例，如图4所示，波纹管21的外表面粘贴有ito材料221，ito材料221的外表面粘贴有pet材料222，pet材料222的外表面粘贴有pdms材料223，进一步地，pdms材料223的外表面粘贴有pet材料222，pet材料222的外表面粘贴有ito材料221。上述多层结构可构成纳米摩擦
发电机，其发电工作原理是基于压电效应将机械能转化为电能。纳米摩擦发电的物理过程包括电荷的产生、电荷的分离以及外电路电流的形成，波纹管21压缩/拉伸对纳米摩擦发电机施加应变产生压电势能，pet材料222和pdms材料223两者得失电子能力相差较大，有利于制造高功率纳米摩擦发电机，当纳米摩擦发电机在波纹管21表面拉伸/压缩时由于摩擦起电产生的正负电荷将会分布在pet材料222和pdms材料223两种材料表面，进一步地，当应变消失时，pet材料222和pdms材料223两种材料所在的薄膜发生相对位移，产生的摩擦电荷便会被分离，分别依附在上述两种材料表面，由于塑料膜不导电，电荷被束缚在薄膜表面，由于静电感应会在薄膜另一侧堆积相反的电荷，并在与之接触的电极材料-ito材料221里形成同种电荷，当外电路接通后，电极材料-ito材料221中的电荷便会在电势差的作用下定向移动形成电流。
45.图4示出了波纹管21的不同形态，外圈的波纹管21处于自由伸展状态，内圈的波纹管21处于压缩状态。需要说明的是，摩擦发电材料不仅限于使用上述pet材料222和pdms材料223，还可以是其他两种得失电子能力相差较大的材料。
46.作为本技术一种优选的实施方式，所述介电弹性体发电装置30包括介电弹性薄膜31和分别设于介电弹性薄膜31两侧的活动绝缘板32及固定绝缘板33，所述活动绝缘板32自由处于所述摩擦发电装置20与所述介电弹性薄膜31之间，所述振荡浮子10及芯轴40运动过程中，所述活动绝缘板32与所述固定绝缘板33共同挤压所述介电弹性薄膜31以产生形变。
47.具体地，活动绝缘板32不与振荡浮子10发生固定，固定绝缘板33与振荡浮子10固定，固定绝缘板33可随振荡浮子10一同运动，并且由于振荡浮子10与芯轴40之间存在位移差，活动绝缘板32与固定绝缘板33可从两侧共同挤压介电弹性薄膜31以使其产生形变。如图2或图3所示，活动绝缘板32可利用摩擦发电装置20进行轴向上限位，当摩擦发电装置20受压缩时其可促使活动绝缘板32朝向固定绝缘板33运动以挤压介电弹性薄膜31。
48.进一步地，所述活动绝缘板32及所述固定绝缘板33朝向所述介电弹性薄膜31的一侧均设有多个间隔布置的凸起34；所述活动绝缘板32的凸起34与所述固定绝缘板33的凸起34错位布置。
49.通过设置凸起34可集中应力提高对介电弹性薄膜31挤压的形变量，并且，活动绝缘板32的凸起34与固定绝缘板33的凸起34错位布置可使介电弹性薄膜31产生凹凸耦合形变，可增加介电弹性薄膜31的形变量，有利于提升介电弹性体发电装置30的发电能力。
50.活动绝缘板32及固定绝缘板33例如为环状绝缘板，凸起34自绝缘板的表面朝向介电弹性薄膜31延伸。本技术对凸起34的排布方式不作限定，例如凸起34可沿活动绝缘板32/固定绝缘板33的周向方向均布设置一圈，或者凸起34也可设置多圈，以增加与介电弹性薄膜31的接触范围，提高介电弹性薄膜31的形变量。
51.在一些实施例中，所述摩擦发电装置20以及所述介电弹性体发电装置30均设置上下对称两套，两个固定绝缘板33背靠背相互贴合后与所述振荡浮子10的内壁固定；所述介电弹性薄膜31的两侧经有机玻璃圈311夹持后与所述振荡浮子10的内壁固定。
52.通过设置上下对称两套摩擦发电装置20与所述介电弹性体发电装置30，可在振荡浮子10以及芯轴40向上运动及向下运动过程中均促使摩擦发电装置20以及介电弹性体发电装置30产生形变以用以发电，可提升波浪能利用率和发电效率。
53.如图2和图3所示，当振荡浮子10/芯轴40向下运动时，上方的摩擦发电装置20与介
电弹性体发电装置30被压缩用以发电；当振荡浮子10/芯轴40向上运动时，下方的摩擦发电装置20与介电弹性体发电装置30被压缩用以发电。
54.两个固定绝缘板33的正面(及朝向与各自对应的介电弹性薄膜31的一侧)均设有凸起34，两个固定绝缘板33的背面为平面可贴合布置，由此可提高空间利用率、促进装置整体的紧凑化。优选地，振荡浮子10的内壁设有安装座102-1，两个固定绝缘板33的背面贴合后能够与安装座102-1通过螺栓进行固定。进一步地，振荡浮子10的内壁还设有安装座102-2，介电弹性薄膜31的两侧经有机玻璃圈311夹持后能够与安装座102-2通过螺栓进行固定。使用有机玻璃圈311夹持介电弹性薄膜31，可提供装配同时确保介电弹性薄膜31的安装强度。
55.作为本技术一种优选的实施方式，所述振荡浮子波浪能发电装置还包括密封装置60，所述振荡浮子10的两端均设有开口，所述密封装置60与所述开口密封配合，所述芯轴40穿过所述密封装置60并能够与所述密封装置60滑动配合。
56.通过设置上下两套密封装置60可防止外部杂质、海水等进入安装腔101内，以保护安装腔101内的发电装置，提升其工作寿命。
57.优选地，所述密封装置60包括盖装在所述开口的法兰盘61及设于所述法兰盘61中部的密封组件，所述密封组件设有用以所述芯轴40穿过的密封圈。如图2或图3所示，法兰盘61与振荡浮子10的开口处通过螺栓连接，为提高密封性能，法兰盘61与振荡浮子10的开口之间设有第一密封圈62。如图5所示，密封组件包括密封主体63、设于密封主体63内的第二密封圈64、第三密封圈65及线性轴承66，其中，第二密封圈64可位于振荡浮子10轴向方向的外侧，用以阻挡外部杂质、海水等进入密封装置60并进入振荡浮子10内，第二密封圈64例如可采用雨刮器密封圈。第三密封圈65位于第二密封圈64沿轴向方向的内侧，以增加密封性能，第三密封圈65例如可采用杆件密封圈。进一步地，芯轴40运动过程中，芯轴40能够与线性轴承66滑动配合，线性轴承66可提供对芯轴40的承载并减小芯轴40运动过程中所受摩擦力，可提升芯轴40运动的稳定性。
58.在设置有两套摩擦发电装置20与所述介电弹性体发电装置30的实施例中，本技术对振荡浮子波浪能发电装置的工作过程进行如下描述。如图2所示，当波浪的波谷经过振荡浮子10时，振荡浮子10向下位移，由于芯轴40底端连接有阻尼装置50，芯轴40在阻尼装置50的作用下向下位移的位移量比振荡浮子10小的多，振荡浮子10与芯轴40之间产生较大的位移差(图1中箭头方向为振荡浮子10相对于芯轴40的运动方向)，此时上方的挡板401可压缩上方的摩擦发电装置20和介电弹性体发电装置30，上方的波纹管21和介电弹性薄膜31产生形变用以发电，而下方的波纹管21和介电弹性薄膜31处于初始状态。如图3所示，当波浪的波峰经过振荡浮子10时，振荡浮子10向上位移，由于芯轴40的底端连接有阻尼装置50，芯轴40在阻尼装置50的作用下向上位移的位移量比振荡浮子10小的多，振荡浮子10与芯轴40之间产生较大的位移差(图2中箭头方向为振荡浮子10相对于芯轴40的运动方向)，此时下方的挡板401可压缩下方的摩擦发电装置20和介电弹性体发电装置30，下方的波纹管21和介电弹性薄膜31产生形变用以发电，而上方的波纹管21和介电弹性薄膜31处于初始状态。
59.需要说明的是，本技术的活动绝缘板32/固定绝缘板33的材质可根据实际情况设置，例如活动绝缘板32可采用较轻质材质，以减少其自身重力对上方介电弹性薄膜31或下方波纹管21产生的压力的影响(在自然状态下)。波纹管21的拉伸/压缩强度可根据实际需
求调整。
60.本技术中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。
61.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
62.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。