一種基于壓電材料的波浪能發電裝置＊

陳 凱，何依然，鄭聰聰

（嘉興南洋職業技術學院，浙江 嘉興314000）

1 前言

在常規能源日益枯竭的今天，有必要將目光轉向可再生能源，海洋波浪能是最易于利用、取之不竭的一種新能源。在現有理論與技術下，研究并開發了這套裝置。波浪能技術目前還處于發散狀態，但發展趨勢是不斷地向高效率、高可靠性、低造價方向發展，以形成低成本的成熟技術，最后通過規模化生產和應用，大幅度降低發電成本。

目前已經研究開發了多種波量能技術，實現波浪能轉換。波浪能發電技術主要分為振蕩水柱式、震蕩浮子式和越浪式三種。本裝置以壓電材料為主，利用海浪推動壓電材料發生形變產生電能。

2 裝置設計思路

本裝置設計目的是將波浪能轉換成機械能，再將機械能轉換成電能。

裝置在海上應用如圖1所示。

圖1 裝置在海上應用示意圖

2.1 波浪能→裝置產生形變：類似船體的中拱中垂現象

裝置中拱中垂現象如圖2所示。

在波浪狀態下，裝置內產生的總縱彎矩比靜水中大，當波浪與裝置長相等或接近時，裝置彎曲最嚴重。

當相鄰兩個波峰分別位于裝置兩側，波谷位于裝置中部時，裝置兩側排水量增大，所受浮力也隨之增大，裝置中部排水量減小，所受浮力也隨之減小，這樣就導致裝置兩側所受浮力遠大于中部所受浮力，即裝置受力不均勻從而發生中垂彎曲；反之當波峰位于裝置中部時，裝置的中部所受浮力遠大于裝置兩側，裝置受力不均勻從而發生中拱彎曲。

圖2 裝置中拱中垂現象

2.2 裝置形變→產生電能：壓電材料的壓電效應

壓電效應：某些電介質在一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變；相反，在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。

2.3 裝置結構設計

裝置整體采用多節多列的形式。外形類似手風琴的褶皺形式，可根據當地海域的水文情況設計不同的裝置長度。裝置單節表面涂刷防腐涂料，延長裝置的使用壽命。單節內部為兩層壓電薄膜PVDF，壓電薄膜中間鋪設電極。單節的兩端內側裝有能量轉換器，將壓電能轉換成穩定的電流。單節中間附有能量傳輸帶連接能量轉換器，同時也將裝置單節分為上下兩部分，便于安裝維修，裝置相鄰兩節之間采用萬向輪連接。裝置的頭尾兩端分別裝有纜繩和樁腿纜繩，內部裝有輸電線可將電能輸至樁腿內的蓄電池，同時也由這兩部分將裝置固定在海面上。

裝置內部結構設計如圖3所示。

圖3 裝置內部結構設計圖

3 總結

本項目裝置結構簡單、成本低、易于維護，可更換不同的壓電材料，選取發電效率更高的材料。同時，改變裝置表面的涂料以延長裝置的使用壽命。并且，通過對裝置結構的調整使裝置的使用不局限在海面上。裝置可采用多種陣列排布方式，提高能源利用率；在裝置內部可采用多層設計，提高效率；采用多節、多層設計，可適應不同海域，開發利用前景廣泛。