新型多自由度漂浮式壓電波浪能回收裝置研究

摘 要：針對海洋、湖泊、河流等水文監測無線傳感器存在電池更換困難的問題，提出一種新型漂浮式壓電波浪能回收裝置以實現自供電功能。采用密封立方體外殼中心設置基座并由基座六面分別向外垂直安裝壓電懸臂梁的結構設計，空余部分用于布置其他必要部件。該裝置漂浮于水面并隨波浪產生三個方向的往復運動，分別通過三對懸臂梁端部質量塊慣性作用激勵對應方向的彎曲振動，并利用懸臂梁根部的壓電陶瓷片將振動能轉化成電能。

關鍵詞：能量回收；波浪能；壓電懸臂梁；多自由度

海洋、湖泊、河流在資源、運輸、科學、軍事等多方面具有重要的戰略地位，分布其間的水文監測傳感器網絡可滿足諸多行業安全運行的需求，而大量傳感器節點的持續供電成為監測網絡可靠工作的關鍵問題之一[1]。利用微型發電裝置回收水文中的自然能源并轉化存儲為電能，實現低功耗無線傳感設備的自主供電，可避免使用電池帶來的環境污染以及更換充電帶來的人力耗費。

目前，回收水文環境能量的微型發電裝置主要基于渦激振動原理[2]，利用水流在鈍體作用下形成的卡門漩渦激勵壓電纖維復合物、聚偏氟乙烯聚合物、離子聚合物等軟性材料振動，利用機電轉換特性將振動轉化為電能，現有的原理樣機都存在輸出功率低、轉化效率差、制造成本高等問題，難以滿足實際應用的需求。

文章提出一種新型多自由度漂浮式壓電海洋波浪能收回裝置，采用立方體外殼中心設置支承基座并由基座六面分別向外垂直安裝壓電懸臂梁的結構設計，裝置漂浮于水面并隨波浪產生三個方向的往復運動，分別通過三對懸臂梁端部質量塊慣性作用激勵對應方向的彎曲振動，并利用懸臂梁根部的壓電陶瓷片將振動能轉化成電能。

1 漂浮式壓電波浪能回收裝置設計

1.1 結構設計

文章所提出的漂浮式壓電波浪能回收裝置結構如圖1所示，其中包括1-基座、2-懸臂梁、3-支撐桿、4-外殼、5-質量塊、6-壓電陶瓷片等。基座和外殼均為立方體，基座位于密封1外殼的中心，通過八個支撐桿剛性支撐，基座六個面的中心分別向外垂直安裝一個懸臂梁，且三對懸臂梁面相互垂直，左右面的懸臂梁與基座上下面平行，前后面的懸臂梁與基座左右面平行，上下面的懸臂梁與基座前后面平行，懸臂梁的端部區域貼設有質量塊，懸臂梁的根部區域單側或兩側貼設有壓電陶瓷片[3]。可選用有機玻璃作為基座和外殼材料，減輕整體質量，以便裝置漂浮于水面并跟隨波浪運動。

1.2 工作原理

該裝置的工作原理如下：密封立方體外殼漂浮在水面上隨波浪往復運動，主要包括波浪起伏的上下運動以及波浪沖擊的前后和左右運動，基座與外殼剛性連接而同步運動；由于懸臂梁前端質量塊的慣性作用，左右面的懸臂梁會隨著外殼的上下運動而上下彎曲振動，前后面的懸臂梁會隨著外殼的左右運動而左右彎曲振動，上下面的懸臂梁會隨著外殼的前后運動而前后彎曲振動；粘貼在懸臂梁根部的壓電陶瓷片，隨著懸臂梁彎曲振動產生周期性應力，由于壓電效應，上下表面電極上產生周期性變化的電荷；電荷經過導線連接的電能存儲或負載元件，將產生的交流電能存儲起來或驅動負載，實現波浪能回收利用的功能。

2 漂浮式壓電波浪能回收裝置分析

2.1 結構仿真分析

應用有限元分析軟件ANSYS 15.0分別對整體回收裝置和典型懸臂梁結構進行仿真分析。懸臂梁選用70mm×20mm×0.25mm的FR4薄板，壓電陶瓷片選用25mm×20mm×0.2mm的PZT-4薄片，質量塊選用10mm×20mm×4mm的磁塊。整體仿真結果如圖2所示，三個方向的一階彎曲頻率均為46Hz，由于高階諧振狀態下振動幅度小、衰減快，因此主要回收低頻諧振模態下的振動能量[4]。同時對典型懸臂梁結構進行仿真分析，由仿真結果可知，質量塊厚度越大，所受慣性力越大，波浪能到振動能的轉換效率越高，而懸臂梁的振動頻率也越低，抑制了振動能到電能的轉換功率[5]。

2.2 回收電路分析

由于三對懸臂梁的振動相互獨立不同步，需分別設置回收電路實現電能存儲和負載驅動。該裝置可采用典型壓電能量回收電路，如圖3所示，由整流電路和濾波電路兩部分組成，壓電陶瓷片在懸臂梁振動作用下產生交變電壓，通過整流橋將壓電陶瓷片的交流輸出轉化為直流輸出，其后的濾波電路則可減小直流電壓中的脈動交流成分，使輸出波形變得比較平滑，同時電容可用于電能存儲，通常選用超級電容作為儲能元件。

3 結束語

文章提出了一種簡單高效、成本低廉、制造方便的漂浮式壓電波浪能回收裝置，替代傳統的電池供電，以適應水文條件下的環境監測、科學探測、搜尋救災、軍事偵察等領域低功耗無線傳感設備自主供電的應用需求。采用密封正方體外殼結構，可以任意姿態漂浮于水面，采用三對相互垂直的懸臂梁結構，可同時回收三個方向的波浪運動能量，提高了波浪能回收的效率。

參考文獻

[1] 耀保.海洋波浪能綜合利用——發電原理與裝置[M].上海科學技術出版社，2013.

[2]G.W. Taylor， J.R. Burns， S.M. Kammann， W.B. Powers， and T.R. Welsh. The energy harvesting eel： A small subsurface ocean/river power generator[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26（4）：539-547.

[3]文晟，張鐵民，劉旭，等.基于壓電效應的振動能量回收裝置的研究進展[J].機械科學與技術，2010，29（11）：1510-1520.

[4]胡長德，趙美蓉，劉穎偉.壓電微懸臂梁共振頻率的檢測系統[J].壓電與聲光，2009，31（6）：27-30.

[5]衛海霞，王宏濤.懸臂梁能量回收裝置壓電片位置與尺寸優化研究[J].壓電與聲光，2016，38（2）：235-245.