振荡浮子式压电波浪换能节能装置

杨彪+柴明钢+董金武+唐礼+严双双

摘 要 为了节约自然资源和降低获取新能源的成本，设计一种基于压电效应的将波浪能转换为电能的自供电装置，以实现该目的。采用悬臂梁结构和压电振子对称分布形式，克服波浪能频率低的缺点并能充分利用其高能量密度的特性。同时采用压电活性良好、耦合因数高的矩形双晶片环保型压电陶瓷和电极并联连接方法，振荡浮子式波浪能发电装置作为一种波浪能捕获的有效装置，通过振荡使压电陶瓷产生形变，获得的电能整流后由并联的超级电容存储并收集。该装置可以提高压电波浪的转换效率和降低维护成本。

关键词 压电效应 波浪能 压电振子 振荡浮子 电能收集 转换效率 自供电

中图分类号：TM612；P743.2 文献标识码：A

1结构设计

1.1压电振子

对某些晶体施加机械应力使其产生变形后，晶体上两个相对的表面上就会产生正负束缚电荷，这种现象称之为压电现象。通常将压电陶瓷片粘贴在一种弹性体（如金属、纤维板）构成复合压电振子。压电振子是压电发电中将机械能等其他能源转换为电能的基本单元。压电振子的几何尺寸、选用材料等都需要进一步优化和完善。压电振子的激励方式为强制振动，由于强制振动可以及时和方便的为用电器提供电能，因而强制也多用于其他形式的压电发电装置中。

1.2压电陶瓷的选取

压电陶瓷并不是各向同性的，因此需要多个参数来表征其性质及压电性的优劣，主要参数有压电应变常数、机电耦合系数、机械品质因数。陶瓷类的压电材料由于其压电活性良好，耐酸性，耦合因数高，常采用PZT5。采用矩形陶瓷，因为矩形压电振子相比其他薄片振子，较小的应力就可以产生较大的形变量。

1.3悬臂梁模型

压电悬臂梁是一端完全约束，另一端机械自由的弯曲模式器件，波浪虽然具有较大的势能和动能，但是其周期较小，我国沿海有周期为9s的波列，从而利用效率较低。悬臂梁支撑方式可产生最大的挠曲系数和柔顺系数，同时具有较低的谐振频率，从而矩形压电振子发电多采用该种模式。

1.4总体局部

采用悬臂梁结构的单个换能压电振子布局如图1所示，矩形双晶片压电陶瓷片一端由夹具固定在固定端，自由端与延长臂相连。延长臂端与推拉杆端有矩形磁体，通过磁铁间的磁力作用实现对载荷的冲击，减少摩擦损耗和耗能。推拉杆用于将机械能传递给矩形双晶片压电陶瓷片。浮体的作用是吸收机械能，浮体左右的挡板用于固定浮体位置，保护矩形双晶片压电陶瓷，使其所受应力在能承受的最大范围内。整个装置呈长方体，采用六个单个换能振子，三个浮体，每个浮体对两块陶瓷片施压。电极并联，理想条件下电流为单晶片的12倍。

2电能收集

2.1桥式整流

用舵机模拟海浪，其中舵机往复运动的频率为4Hz，幅值为10mm。如图2所示为单片压电陶瓷输出波形，由图可知该波形类似于正弦函数波形，矩形双晶片压电陶瓷具有高电压、弱电流的特点，且为交流电，从而电能收集电路包括倍压整流部分和储蓄部分。为了更好地利用该电能，必须经过整流得到直流电。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小。

2.2电能储存

压电波浪换能的最终目的是获得可使用的电能，经过对压电陶瓷所产生的电能进行整流后，其储存方式也是一大重点。电能储存方式有电容储存和可充电锂电池电池储存，电容储存适用于间歇性、短暂性的电能供应，波浪发电具有全天候的特点，且该装置的设计定位为微供电装置，对于微功耗系统已经足够，所以本装置采用多个超级电容并联收集和储存电能。

3结语

本文介绍了一种通过压电效应的压电波浪换能装置，重点介绍了其结构设计和电能收集部分。本装置已经完成制作和部分测试，在一些比赛中也获得肯定。在此基础上将继续对装换效率和降低成本等重点方面进行探索，随着新能源战略的实施和环保观念的日益普及，将为其实用化而不断努力。

参考文献

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