浮島式波浪能壓電發電裝置的結構設計與應用

申超男， 楊翠竹， 李 磊

(浙江海洋大學 船舶與機電工程學院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

海洋中蘊藏著豐富的波浪能和水，波浪能具有能量密度高、分布廣等優點，是一種易于開發利用、環保可靠的可再生能源[1]。

現有較為成熟的波浪能發電裝置，其結構復雜且不可靠，發電裝置的初期投入成本較高，回本周期長，難以實現大規模商業化。而小型化的波浪能壓電發電裝置雖簡單可靠，運營難度小，但其發電功率和效率受波浪頻率、波浪波幅、季節變換等多方面因素的限制，因此發電功率較小，應用難度較大[2]。

壓電陶瓷是一種能夠實現機械能與電能之間能量互換的信息功能材料[3]。在機械應力作用下，壓電陶瓷內部正負電荷中心因相對位移而發生極化現象，導致壓電材料的兩端表面產生異種束縛電荷，將極化電荷整流后收集即可實現機械能的利用。對于波浪能的開發，可利用壓電發電載體先將波浪能轉化為機械能，再由壓電陶瓷將機械能轉化為電能[4]。優化壓電發電載體結構設計，提高中間環節的能量轉化效率可有效提高波浪能利用率[5]。

1 壓電發電載體

1.1 懸臂梁式壓電陶瓷片

壓電發電載體中的壓電片選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，此類型的壓電陶瓷居里點較高，在較低或者較高的溫度條件下都能保持優良的機械性能。壓電片的形狀選用矩形，與其他形狀的薄片壓電振子相比，此時較小的應力即可使壓電振子獲得較大的形變量，壓電效應更明顯。

將壓電陶瓷片離散地布置在兩層金屬基板之間，電路并聯之后封裝，獲得的電能經整流后由并聯的超級電容器存儲并收集，如圖1所示。金屬基板選用厚度為0.5 mm的長條形不銹鋼，壓電片與金屬基板的厚度比取最佳值0.6[6]，此時發電效率預估為6%～8%。

圖1 懸臂梁式壓電陶瓷片

1.2 增頻式壓電載體設計

增頻式壓電載體可將低頻不規則的波浪運動轉換為電能[7]，以此利用波浪能為低功耗用電設備提供長期持續的電力供給。增頻式壓電載體的設計如圖2所示[8]。

圖2 增頻式壓電載體設計

該增頻式壓電載體結構簡單，其增頻作用主要依賴齒輪齒條機構、齒輪組等機構實現。單臂粱式壓電片設計多層，一端與主浮島固定，另一端受滑桿撥動，滑桿的上下兩側用彈簧與上下固定端連接，使滑桿每一次振動之后都可快速恢復到初始位置[9]。

壓電載體中浮島與齒條相連接，既起到了支撐固定的作用又可將波浪能引入發電裝置。從動輪設計6齒，主動輪設計18齒，浮島上浮下沉一次從動輪轉動10圈，可使壓電片受壓振動60次。壓電片受壓彎曲幅度可由壓電材質與主齒輪尺度共同決定。

1.3 多浮島慣性輪增頻式壓電載體設計

多浮島慣性輪增頻式壓電載體設計運用棘輪結構與慣性飛輪結構，使增頻絲桿脫離浮島鉗制，同時又不影響其對波浪能的采集[10]。如圖3所示。

圖3 多浮島慣性輪增頻式壓電載體設計圖

在多浮島慣性輪增頻式壓電載體設計中，側浮島隨波浪上下浮動推動浮島連桿向上移動，連桿驅動主輪轉動完成圓周運動。主輪與從動輪嚙合，從動輪與飛輪同軸線，兩輪之間的轉軸用棘輪結構連接，當從動輪順時針轉動時可驅動飛輪轉動，從動輪逆時針轉動則不可驅轉慣性飛輪。飛輪每轉動1個齒均推動滑桿向下移動，滑桿每次下降后又可快速恢復到初始位置。

由于主輪在豎直空間位置進行圓周運動，因此圓周運動速率必不均勻，最大速率與最小速率之間差別較大。當主輪轉速較大時，給飛輪添加轉動能量，可加快飛輪轉動速度，進而增加壓電片受振頻率。當主輪轉速較低時，飛輪因慣性作用繼續轉動，轉速不受主輪轉速鉗制。多浮島慣性輪增頻式壓電載體整體設計效果如圖4所示。該裝置具備以下優點：(1)機械設計，減幅增頻。既避免了波浪波高較大與壓電片所需應變較小之間的矛盾，又減小壓電陶瓷振動幅度，可減少壓電材料因大幅受振造成的損耗[11]。(2)增加壓電振子振動頻率，有效提高壓電裝置發電功率和效率。

圖4 多浮島慣性輪增頻式壓電載體整體設計

1.4 壓電裝置效果分析

1.4.1 增頻式壓電載體效果分析

在試驗條件下，將主浮島固定于海岸，側浮島隨波運動，取起始點后相等時間間距的8個觀測點對應的電流作為觀測值。增頻式壓電載體參數信息如表1所示，增頻式壓電載體觀測值曲線如圖5所示。

表1 增頻式壓電載體參數對照表

圖5 增頻式壓電載體觀測值曲線

1.4.2 多浮島慣性輪增頻式壓電載體效果分析

多浮島慣性輪增頻式壓電載體的試驗測試不同于增頻式壓電載體，將壓電載體置于近海海面，與海岸間距大于20 m，以此減緩海岸回浪對試驗結果的影響[12]，此時水深也可達到要求。拋錨穩住主浮島，同樣取起始點后相等時間間距的8個觀測點對應的電流作為觀測值。多浮島慣性輪增頻式壓電載體參數信息如表2所示，多浮島慣性輪增頻式壓電載體觀測值曲線如圖6所示。

表2 多浮島慣性輪增頻式壓電載體參數對照表

圖6 多浮島慣性輪增頻式壓電載體觀測值曲線

2 海洋監測系統

壓電發電裝置主要應用于海洋監測、環境檢測等領域低功耗無線傳感器設備的自主供電，基于此類條件，須保證海洋監測系統能夠在長期無人駐守的情況下，自主完成指定數據的采集與發送等任務[13]。在運作方式上，此系統與上位機相連，以保證在洋面無人工操作的情況下順利完成實時的數據采集。采集完成的數據通過無線方式實時傳輸給上位機，上位機通過專用的應用軟件對獲得的系統數據進行存儲、統計和顯示等處理工作[14]。

信息采集部分主要包括具有3種串行接口的不同種類傳感器，可實現對洋面氣壓、溫度和傾角等信息的多參數檢測。

基于上述目標，海洋監測系統的設計結構框架如圖7所示。

圖7 海洋監測系統的設計結構框架

3 技術與使用說明

3.1 使用說明

壓電發電裝置可適應各種水位，可不間斷運行，提高了裝置的實用性。其在淺水區可用錨固定，在深水區可依附于其他海上設備，浮島式載體可隨波調整姿態，適應微幅進行波起伏運動，可搭配風向儀實時記錄風向、風速信息，輔助本設備完成復雜水文地質條件下的環境監測等任務。基于壓電效率和傳輸信息等方面的考慮，自給式檢測平臺被設計為每隔4 h檢測1次，在檢測完成后存儲并發送數據，隨后進入休眠狀態。自給式海洋監測系統工作說明如圖8所示。

圖8 自給式海洋監測系統工作說明

3.2 實地測試

在實地測試中將海洋監測系統參數設置為溫度，測試時間為24 h，海洋監測系統自動對近海洋面在2、6、10、14、18、22等6個時間段的溫度進行采集及數據存儲，將采集數據繪制成變化曲線如圖9所示。

圖9 海洋監測系統采集洋面溫度數據

3.3 應用前景

提出的新型水上節能發電設備，引入壓電效應，可取代傳統的電池供電方式，適用于低功耗無線傳感器設備的自主供電需求，例如海洋環境監測、海面油膜檢測等。

另一方面，本產品還可應用于無線傳感網絡節點的壓電自適應電源，如海上自給式軍事節點，進而維持低能耗水上電力設備的正常運轉。

4 結 語

針對海上復雜多樣的環境與檢測設備需長期保證電能供應的需求，利用波浪能壓電裝置供電的海洋監測系統可在洋面長期無人駐守的情況下，順利完成指定數據的采集與發送等任務，同時該研究也為低功耗無線傳感設備在海上長期搭載提供了一種可選方案。試驗結果表明：增加振動頻率可有效提高壓電設備的電流與效率。該試驗裝置在24 h洋面溫度實測中凸顯出良好的性能，具備優良的適應性與穩定性，具有廣闊的應用前景。