振蕩浮子式壓電波浪換能節能裝置

楊彪+柴明鋼+董金武+唐禮+嚴雙雙

摘 要 為了節約自然資源和降低獲取新能源的成本，設計一種基于壓電效應的將波浪能轉換為電能的自供電裝置，以實現該目的。采用懸臂梁結構和壓電振子對稱分布形式，克服波浪能頻率低的缺點并能充分利用其高能量密度的特性。同時采用壓電活性良好、耦合因數高的矩形雙晶片環保型壓電陶瓷和電極并聯連接方法，振蕩浮子式波浪能發電裝置作為一種波浪能捕獲的有效裝置，通過振蕩使壓電陶瓷產生形變，獲得的電能整流后由并聯的超級電容存儲并收集。該裝置可以提高壓電波浪的轉換效率和降低維護成本。

關鍵詞 壓電效應 波浪能 壓電振子 振蕩浮子 電能收集 轉換效率 自供電

中圖分類號：TM612；P743.2 文獻標識碼：A

1結構設計

1.1壓電振子

對某些晶體施加機械應力使其產生變形后，晶體上兩個相對的表面上就會產生正負束縛電荷，這種現象稱之為壓電現象。通常將壓電陶瓷片粘貼在一種彈性體（如金屬、纖維板）構成復合壓電振子。壓電振子是壓電發電中將機械能等其他能源轉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一步優化和完善。壓電振子的激勵方式為強制振動，由于強制振動可以及時和方便的為用電器提供電能，因而強制也多用于其他形式的壓電發電裝置中。

1.2壓電陶瓷的選取

壓電陶瓷并不是各向同性的，因此需要多個參數來表征其性質及壓電性的優劣，主要參數有壓電應變常數、機電耦合系數、機械品質因數。陶瓷類的壓電材料由于其壓電活性良好，耐酸性，耦合因數高，常采用PZT5。采用矩形陶瓷，因為矩形壓電振子相比其他薄片振子，較小的應力就可以產生較大的形變量。

1.3懸臂梁模型

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

1.4總體局部

采用懸臂梁結構的單個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，自由端與延長臂相連。延長臂端與推拉桿端有矩形磁體，通過磁鐵間的磁力作用實現對載荷的沖擊，減少摩擦損耗和耗能。推拉桿用于將機械能傳遞給矩形雙晶片壓電陶瓷片。浮體的作用是吸收機械能，浮體左右的擋板用于固定浮體位置，保護矩形雙晶片壓電陶瓷，使其所受應力在能承受的最大范圍內。整個裝置呈長方體，采用六個單個換能振子，三個浮體，每個浮體對兩塊陶瓷片施壓。電極并聯，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

用舵機模擬海浪，其中舵機往復運動的頻率為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波形，矩形雙晶片壓電陶瓷具有高電壓、弱電流的特點，且為交流電，從而電能收集電路包括倍壓整流部分和儲蓄部分。為了更好地利用該電能，必須經過整流得到直流電。橋式整流電路的優點是輸出電壓高，紋波電壓較小。

2.2電能儲存

壓電波浪換能的最終目的是獲得可使用的電能，經過對壓電陶瓷所產生的電能進行整流后，其儲存方式也是一大重點。電能儲存方式有電容儲存和可充電鋰電池電池儲存，電容儲存適用于間歇性、短暫性的電能供應，波浪發電具有全天候的特點，且該裝置的設計定位為微供電裝置，對于微功耗系統已經足夠，所以本裝置采用多個超級電容并聯收集和儲存電能。

3結語

本文介紹了一種通過壓電效應的壓電波浪換能裝置，重點介紹了其結構設計和電能收集部分。本裝置已經完成制作和部分測試，在一些比賽中也獲得肯定。在此基礎上將繼續對裝換效率和降低成本等重點方面進行探索，隨著新能源戰略的實施和環保觀念的日益普及，將為其實用化而不斷努力。

參考文獻

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