振蕩浮子式壓電波浪換能節(jié)能裝置

楊彪+柴明鋼+董金武+唐禮+嚴(yán)雙雙

摘 要 為了節(jié)約自然資源和降低獲取新能源的成本，設(shè)計(jì)一種基于壓電效應(yīng)的將波浪能轉(zhuǎn)換為電能的自供電裝置，以實(shí)現(xiàn)該目的。采用懸臂梁結(jié)構(gòu)和壓電振子對(duì)稱分布形式，克服波浪能頻率低的缺點(diǎn)并能充分利用其高能量密度的特性。同時(shí)采用壓電活性良好、耦合因數(shù)高的矩形雙晶片環(huán)保型壓電陶瓷和電極并聯(lián)連接方法，振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置作為一種波浪能捕獲的有效裝置，通過(guò)振蕩使壓電陶瓷產(chǎn)生形變，獲得的電能整流后由并聯(lián)的超級(jí)電容存儲(chǔ)并收集。該裝置可以提高壓電波浪的轉(zhuǎn)換效率和降低維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞 壓電效應(yīng) 波浪能 壓電振子 振蕩浮子 電能收集 轉(zhuǎn)換效率 自供電

中圖分類號(hào)：TM612；P743.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1壓電振子

對(duì)某些晶體施加機(jī)械應(yīng)力使其產(chǎn)生變形后，晶體上兩個(gè)相對(duì)的表面上就會(huì)產(chǎn)生正負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱之為壓電現(xiàn)象。通常將壓電陶瓷片粘貼在一種彈性體（如金屬、纖維板）構(gòu)成復(fù)合壓電振子。壓電振子是壓電發(fā)電中將機(jī)械能等其他能源轉(zhuǎn)換為電能的基本單元。壓電振子的幾何尺寸、選用材料等都需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善。壓電振子的激勵(lì)方式為強(qiáng)制振動(dòng)，由于強(qiáng)制振動(dòng)可以及時(shí)和方便的為用電器提供電能，因而強(qiáng)制也多用于其他形式的壓電發(fā)電裝置中。

1.2壓電陶瓷的選取

壓電陶瓷并不是各向同性的，因此需要多個(gè)參數(shù)來(lái)表征其性質(zhì)及壓電性的優(yōu)劣，主要參數(shù)有壓電應(yīng)變常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。陶瓷類的壓電材料由于其壓電活性良好，耐酸性，耦合因數(shù)高，常采用PZT5。采用矩形陶瓷，因?yàn)榫匦螇弘娬褡酉啾绕渌∑褡樱^小的應(yīng)力就可以產(chǎn)生較大的形變量。

1.3懸臂梁模型

壓電懸臂梁是一端完全約束，另一端機(jī)械自由的彎曲模式器件，波浪雖然具有較大的勢(shì)能和動(dòng)能，但是其周期較小，我國(guó)沿海有周期為9s的波列，從而利用效率較低。懸臂梁支撐方式可產(chǎn)生最大的撓曲系數(shù)和柔順系數(shù)，同時(shí)具有較低的諧振頻率，從而矩形壓電振子發(fā)電多采用該種模式。

1.4總體局部

采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的單個(gè)換能壓電振子布局如圖1所示，矩形雙晶片壓電陶瓷片一端由夾具固定在固定端，自由端與延長(zhǎng)臂相連。延長(zhǎng)臂端與推拉桿端有矩形磁體，通過(guò)磁鐵間的磁力作用實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的沖擊，減少摩擦損耗和耗能。推拉桿用于將機(jī)械能傳遞給矩形雙晶片壓電陶瓷片。浮體的作用是吸收機(jī)械能，浮體左右的擋板用于固定浮體位置，保護(hù)矩形雙晶片壓電陶瓷，使其所受應(yīng)力在能承受的最大范圍內(nèi)。整個(gè)裝置呈長(zhǎng)方體，采用六個(gè)單個(gè)換能振子，三個(gè)浮體，每個(gè)浮體對(duì)兩塊陶瓷片施壓。電極并聯(lián)，理想條件下電流為單晶片的12倍。

2電能收集

2.1橋式整流

用舵機(jī)模擬海浪，其中舵機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率為4Hz，幅值為10mm。如圖2所示為單片壓電陶瓷輸出波形，由圖可知該波形類似于正弦函數(shù)波形，矩形雙晶片壓電陶瓷具有高電壓、弱電流的特點(diǎn)，且為交流電，從而電能收集電路包括倍壓整流部分和儲(chǔ)蓄部分。為了更好地利用該電能，必須經(jīng)過(guò)整流得到直流電。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小。

2.2電能儲(chǔ)存

壓電波浪換能的最終目的是獲得可使用的電能，經(jīng)過(guò)對(duì)壓電陶瓷所產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流后，其儲(chǔ)存方式也是一大重點(diǎn)。電能儲(chǔ)存方式有電容儲(chǔ)存和可充電鋰電池電池儲(chǔ)存，電容儲(chǔ)存適用于間歇性、短暫性的電能供應(yīng)，波浪發(fā)電具有全天候的特點(diǎn)，且該裝置的設(shè)計(jì)定位為微供電裝置，對(duì)于微功耗系統(tǒng)已經(jīng)足夠，所以本裝置采用多個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)收集和儲(chǔ)存電能。

3結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種通過(guò)壓電效應(yīng)的壓電波浪換能裝置，重點(diǎn)介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電能收集部分。本裝置已經(jīng)完成制作和部分測(cè)試，在一些比賽中也獲得肯定。在此基礎(chǔ)上將繼續(xù)對(duì)裝換效率和降低成本等重點(diǎn)方面進(jìn)行探索，隨著新能源戰(zhàn)略的實(shí)施和環(huán)保觀念的日益普及，將為其實(shí)用化而不斷努力。

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