一種壓電式海浪能量收集器的研究

張東升，胥永曉

（山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 前言

海洋能指的是海洋中依附于海水所特有的可再生能源，例如潮汐能、海流能、溫差能、潮流能、海浪能和鹽差能等。其中，海浪能是利用價(jià)值最好的海洋能，它以機(jī)械能的形式存在，在開發(fā)的過程中對(duì)環(huán)境基本不產(chǎn)生影響和破壞。據(jù)研究，全世界的海浪能儲(chǔ)量理論值約為30億kW量級(jí)，是現(xiàn)階段世界發(fā)電量的數(shù)百倍，有廣闊的應(yīng)用前景[1]。由于環(huán)境和化石能源短缺的問題日益突出，將海浪能作為一種新型可再生的綠色資源應(yīng)用到發(fā)電領(lǐng)域受到世界各國(guó)的高度重視[2]。海浪能具有資源分布廣、能流密度大等優(yōu)點(diǎn)，利用海浪能發(fā)電技術(shù)能夠改善能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境，有利于海洋資源開發(fā)[3]。我國(guó)現(xiàn)階段海浪能的開發(fā)和利用還相對(duì)滯后，傳統(tǒng)的波浪能采集裝置由于存在轉(zhuǎn)換機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)換效率低及耐沖擊腐蝕能力差等不足，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電較為困難[4]。如何高效利用海浪資源發(fā)電成為了各國(guó)在尋求新能源道路上所遇到的巨大瓶頸，但隨著海浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)日趨成熟，轉(zhuǎn)換效率的逐步提高，海浪發(fā)電裝置凸顯出越來越大的商業(yè)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。

在這種情況下，研究人員把研究重點(diǎn)聚焦到利用海浪能量向無線電設(shè)備和傳感器供電的能量收集技術(shù)上來。由于無線電設(shè)備和傳感器是靠電池供電工作運(yùn)行的低功率設(shè)備，在海洋環(huán)境中不便更換電池或給電池充電，利用海浪能收集技術(shù)向無線電設(shè)備和傳感器提供電能的方式變得尤為重要。

1 壓電能量收集技術(shù)介紹

俘能器是將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，根據(jù)俘能原理可以分為電磁式、靜電式、壓電式等三類[5]。電磁式俘能器是利用電磁感應(yīng)定律工作原理，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是輸出的電壓較低，功率較小。靜電式俘能器的工作原理是依據(jù)兩極板發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容值發(fā)生變化，由于電壓保持不變，而兩極板電荷產(chǎn)生變化，其缺點(diǎn)是兩極板間的空氣介質(zhì)具有較大的阻尼效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)微型化[6]。壓電式俘能器是利用壓電效應(yīng)工作，將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大、轉(zhuǎn)換效率高、無需外加電源等優(yōu)點(diǎn)[7]。

其中，海浪能壓電式俘能技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外能量收集技術(shù)研究的熱點(diǎn)，它是利用壓電材料在受振過程中產(chǎn)生變形導(dǎo)致的電壓變化來產(chǎn)生電能的。海浪能壓電式俘能技術(shù)不僅可以提供高質(zhì)量的能量強(qiáng)度和電壓，它還因具有無電磁干擾、無污染、自供電和易于小型化、集成化等特點(diǎn)輕松應(yīng)用于各種環(huán)境中。目前，市面上的壓電俘能技術(shù)主要應(yīng)用在機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，未見將該技術(shù)應(yīng)用到海浪能的收集系統(tǒng)中。

在壓電能量采集器中，共振頻率下的懸臂振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)變，應(yīng)變的增加其功率也隨之增加。大多數(shù)的壓電能量收集系統(tǒng)使用懸臂式結(jié)構(gòu)，并且這些懸臂提供的諧振頻率帶寬比較窄。由于在窄帶寬下諧振頻率的值較大，所以研究人員一直致力于增加帶寬的寬度和降低諧振頻率。L.Dhakar研究了壓電懸臂梁的諧振頻率隨物理?xiàng)l件的變化趨勢(shì)，通過增加壓電懸臂梁自由端尖端質(zhì)量塊的重量或延長(zhǎng)彈性壓片的長(zhǎng)度來比較恒定正弦激勵(lì)下的諧振頻率和輸出功率[8]。研究表明，隨著尖端質(zhì)量塊的重量或彈性壓片長(zhǎng)度的增加，諧振頻率降低，輸出功率增加。但是，這種降低共振頻率的方法在低頻和不規(guī)則振動(dòng)條件下是不符合實(shí)際的，例如，在基于波浪能或人體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)中就不適用這種研究結(jié)論。

此外，典型的懸臂系統(tǒng)只能沿幾個(gè)方向中的一個(gè)方向產(chǎn)生振動(dòng)，也就是只能沿一個(gè)方向?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，在海洋環(huán)境中會(huì)同時(shí)從不同的方向提供振動(dòng)能量。說明現(xiàn)階段壓電式海浪俘能技術(shù)存在著應(yīng)用場(chǎng)景的局限性。

2 壓電式海浪能量收集器總體設(shè)計(jì)

基于以上背景，為了遵循并倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳、節(jié)能的理念，引導(dǎo)和支持新能源、新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，針對(duì)海浪能收集領(lǐng)域，筆者研究設(shè)計(jì)出一種壓電式海浪能量收集器用于海洋環(huán)境中低頻振動(dòng)的波能壓電能量收集系統(tǒng)。壓電式能量收集器由基本的懸臂結(jié)構(gòu)和附著在彈性壓片自由端的磁體組成，利用磁力有助于懸臂在自然（或第一共振）頻率下產(chǎn)生自由振動(dòng)。在磁鐵的頂部，設(shè)置一個(gè)圓柱形導(dǎo)軌，金屬球可以在該導(dǎo)軌上來回移動(dòng)，將從兩個(gè)方向產(chǎn)生能量。

壓電式海浪能量收集器整體結(jié)構(gòu)（見圖1）包括：可漂浮于海面上的方形封閉外殼、懸臂梁發(fā)電部（見圖2）、真空軌道發(fā)電部組成。懸臂梁發(fā)電部由方形封閉外殼上、下底面內(nèi)側(cè)的底座，底座上的彈性壓片和彈性壓片的上、下表面的壓電板以及附著在彈性壓片自由端的磁鐵組成；真空軌道發(fā)電部的圓柱形理想軌道水平設(shè)置于上、下懸臂梁發(fā)電部中間位置，其兩端分別焊接在方形封閉外殼的內(nèi)側(cè)，在圓柱形理想軌道內(nèi)部放置一個(gè)有一定質(zhì)量的金屬球，其圓柱形理想軌道兩端封口處各設(shè)置三組鈸形發(fā)電裝置（見圖3），每組鈸形發(fā)電裝置由兩片鈸形銅質(zhì)金屬片和一片壓電陶瓷組成，壓電陶瓷置于兩片鈸形銅質(zhì)金屬片的中間位置。

圖1 壓電式海浪能量收集器Figure 1 Piezoelectric wave energy harvester

圖2 懸臂梁發(fā)電部Figure 2 Cantilever beam power generation department

圖3 鈸形發(fā)電裝置Figure 3 Cymbal-shaped power generation device

3 發(fā)電裝置工作原理

將壓電式海浪能量收集器放置于海面上，由于海浪的沖擊作用，收集器會(huì)傾斜一定的角度，金屬球在圓柱形軌道內(nèi)做自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬球運(yùn)動(dòng)到彈性壓片前端磁鐵位置時(shí)，磁鐵和金屬球間產(chǎn)生的磁力使上、下兩側(cè)的彈性壓片發(fā)生向圓柱形軌道方向的彈性變形，當(dāng)金屬球離開當(dāng)前磁鐵位置時(shí)，磁鐵和金屬球間的磁力消失，使彈性壓片發(fā)生遠(yuǎn)離圓柱形軌道方向的彈性變形，此金屬球的運(yùn)動(dòng)過程會(huì)引起壓電模塊的振動(dòng)導(dǎo)致壓電板發(fā)生變形而產(chǎn)生電能。

對(duì)于真空軌道發(fā)電部，當(dāng)圓柱形理想軌道內(nèi)的金屬球運(yùn)動(dòng)到軌道的兩端時(shí)，對(duì)設(shè)置于軌道兩端的鈸形發(fā)電裝置形成撞擊，導(dǎo)致鈸形發(fā)電裝置內(nèi)部的壓電陶瓷發(fā)生變形進(jìn)而產(chǎn)生電能；懸臂梁發(fā)電部與真空軌道發(fā)電部產(chǎn)生的電能通過導(dǎo)線輸送到外部電能收集裝置。

最初海浪能量收集器運(yùn)行時(shí)，金屬球?qū)⒏街酱盆F上，海浪能量收集器在受到海浪的沖擊下產(chǎn)生動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)金屬球運(yùn)動(dòng)，即使金屬球在軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中與軌道兩端發(fā)生碰撞，由于金屬球受到軌道長(zhǎng)度的最大振動(dòng)位移的限制，該設(shè)備在結(jié)構(gòu)上仍能保持良好的狀態(tài)。當(dāng)金屬球與磁鐵碰撞后，金屬球滾過磁鐵，海浪能量收集器以其共振頻率發(fā)生振動(dòng)。

懸臂結(jié)構(gòu)的共振頻率表示為：

其中：K表示有效剛度，m表示有效懸臂梁質(zhì)量。

有效剛度可表示為：

其中：b表示懸臂梁的寬度，L表示懸臂梁的長(zhǎng)度，i表示壓電層，j表示電極層，n1表示壓電振動(dòng)，n2表示電極振動(dòng)，n表示懸臂層數(shù)，E表示楊氏模量，h表示懸臂層高度。

有效懸臂梁質(zhì)量可表示為：

其中：mt表示磁鐵質(zhì)量，ρi表示壓電層密度，ρj表示電極層密度[9]。由公式（3）可知，隨著磁鐵重量的增加，將會(huì)導(dǎo)致諧振頻率的降低，使得壓電模塊與海浪形成共振的可能性更大，從而壓電板輸出更多電能，提高輸出功率。

4 總結(jié)

通過分析現(xiàn)階段壓電式海浪俘能技術(shù)存在的應(yīng)用局限性，設(shè)計(jì)了一種服務(wù)于低頻振動(dòng)海洋環(huán)境中的壓電式海浪能量收集器，利用海浪的沖擊使得壓電材料產(chǎn)生振動(dòng)變形并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸送給海上無線電設(shè)備和傳感器等耗電設(shè)備。通過對(duì)壓電式海浪能量收集器進(jìn)行外觀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述了發(fā)電裝置的工作原理，分析了能量收集器懸臂梁的共振頻率，獲得有效質(zhì)量和有效剛度對(duì)共振頻率的影響規(guī)律，以期為壓電式海浪能量收集技術(shù)的應(yīng)用研究提供參考依據(jù)。