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，全世界的海浪能儲量理論值約為30億kW量級，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]。我國現(xiàn)階段海浪能的開發(fā)和利用還相對滯后，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)生相對運(yùn)動時(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)械振動能轉(zhuǎn)換成電能，具有結(jié)構(gòu)簡單、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會產(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，通過增加壓電懸臂梁自由端尖端質(zhì)量塊的重量或延長彈性壓片的長度來比較恒定正弦激勵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)只能沿幾個方向中的一個方向產(chǎn)生振動，也就是只能沿一個方向?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，在海洋環(huán)境中會同時(shí)從不同的方向提供振動能量。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。在磁鐵的頂部，設(shè)置一個圓柱形導(dǎo)軌，金屬球可以在該導(dǎo)軌上來回移動，將從兩個方向產(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，當(dāng)金屬球運(yùn)動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)動過程會引起壓電模塊的振動導(dǎo)致壓電板發(fā)生變形而產(chǎn)生電能。

對于真空軌道發(fā)電部，當(dāng)圓柱形理想軌道內(nèi)的金屬球運(yùn)動到軌道的兩端時(shí)，對設(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)生動力，驅(qū)動金屬球運(yùn)動，即使金屬球在軌道內(nèi)運(yùn)動過程中與軌道兩端發(fā)生碰撞，由于金屬球受到軌道長度的最大振動位移的限制，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。

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表示懸臂梁的長度，i表示壓電層，j表示電極層，n1表示壓電振動，n2表示電極振動，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)。