浮岛式波浪能压电发电装置的结构设计与应用

申超男， 杨翠竹， 李 磊

(浙江海洋大学 船舶与机电工程学院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

海洋中蕴藏着丰富的波浪能和水，波浪能具有能量密度高、分布广等优点，是一种易于开发利用、环保可靠的可再生能源[1]。

现有较为成熟的波浪能发电装置，其结构复杂且不可靠，发电装置的初期投入成本较高，回本周期长，难以实现大规模商业化。而小型化的波浪能压电发电装置虽简单可靠，运营难度小，但其发电功率和效率受波浪频率、波浪波幅、季节变换等多方面因素的限制，因此发电功率较小，应用难度较大[2]。

压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能之间能量互换的信息功能材料[3]。在机械应力作用下，压电陶瓷内部正负电荷中心因相对位移而发生极化现象，导致压电材料的两端表面产生异种束缚电荷，将极化电荷整流后收集即可实现机械能的利用。对于波浪能的开发，可利用压电发电载体先将波浪能转化为机械能，再由压电陶瓷将机械能转化为电能[4]。优化压电发电载体结构设计，提高中间环节的能量转化效率可有效提高波浪能利用率[5]。

1 压电发电载体

1.1 悬臂梁式压电陶瓷片

压电发电载体中的压电片选用锆钛酸铅压电陶瓷，此类型的压电陶瓷居里点较高，在较低或者较高的温度条件下都能保持优良的机械性能。压电片的形状选用矩形，与其他形状的薄片压电振子相比，此时较小的应力即可使压电振子获得较大的形变量，压电效应更明显。

将压电陶瓷片离散地布置在两层金属基板之间，电路并联之后封装，获得的电能经整流后由并联的超级电容器存储并收集，如图1所示。金属基板选用厚度为0.5 mm的长条形不锈钢，压电片与金属基板的厚度比取最佳值0.6[6]，此时发电效率预估为6%～8%。

图1 悬臂梁式压电陶瓷片

1.2 增频式压电载体设计

增频式压电载体可将低频不规则的波浪运动转换为电能[7]，以此利用波浪能为低功耗用电设备提供长期持续的电力供给。增频式压电载体的设计如图2所示[8]。

图2 增频式压电载体设计

该增频式压电载体结构简单，其增频作用主要依赖齿轮齿条机构、齿轮组等机构实现。单臂粱式压电片设计多层，一端与主浮岛固定，另一端受滑杆拨动，滑杆的上下两侧用弹簧与上下固定端连接，使滑杆每一次振动之后都可快速恢复到初始位置[9]。

压电载体中浮岛与齿条相连接，既起到了支撑固定的作用又可将波浪能引入发电装置。从动轮设计6齿，主动轮设计18齿，浮岛上浮下沉一次从动轮转动10圈，可使压电片受压振动60次。压电片受压弯曲幅度可由压电材质与主齿轮尺度共同决定。

1.3 多浮岛惯性轮增频式压电载体设计

多浮岛惯性轮增频式压电载体设计运用棘轮结构与惯性飞轮结构，使增频丝杆脱离浮岛钳制，同时又不影响其对波浪能的采集[10]。如图3所示。

图3 多浮岛惯性轮增频式压电载体设计图

在多浮岛惯性轮增频式压电载体设计中，侧浮岛随波浪上下浮动推动浮岛连杆向上移动，连杆驱动主轮转动完成圆周运动。主轮与从动轮啮合，从动轮与飞轮同轴线，两轮之间的转轴用棘轮结构连接，当从动轮顺时针转动时可驱动飞轮转动，从动轮逆时针转动则不可驱转惯性飞轮。飞轮每转动1个齿均推动滑杆向下移动，滑杆每次下降后又可快速恢复到初始位置。

由于主轮在竖直空间位置进行圆周运动，因此圆周运动速率必不均匀，最大速率与最小速率之间差别较大。当主轮转速较大时，给飞轮添加转动能量，可加快飞轮转动速度，进而增加压电片受振频率。当主轮转速较低时，飞轮因惯性作用继续转动，转速不受主轮转速钳制。多浮岛惯性轮增频式压电载体整体设计效果如图4所示。该装置具备以下优点：(1)机械设计，减幅增频。既避免了波浪波高较大与压电片所需应变较小之间的矛盾，又减小压电陶瓷振动幅度，可减少压电材料因大幅受振造成的损耗[11]。(2)增加压电振子振动频率，有效提高压电装置发电功率和效率。

图4 多浮岛惯性轮增频式压电载体整体设计

1.4 压电装置效果分析

1.4.1 增频式压电载体效果分析

在试验条件下，将主浮岛固定于海岸，侧浮岛随波运动，取起始点后相等时间间距的8个观测点对应的电流作为观测值。增频式压电载体参数信息如表1所示，增频式压电载体观测值曲线如图5所示。

表1 增频式压电载体参数对照表

图5 增频式压电载体观测值曲线

1.4.2 多浮岛惯性轮增频式压电载体效果分析

多浮岛惯性轮增频式压电载体的试验测试不同于增频式压电载体，将压电载体置于近海海面，与海岸间距大于20 m，以此减缓海岸回浪对试验结果的影响[12]，此时水深也可达到要求。抛锚稳住主浮岛，同样取起始点后相等时间间距的8个观测点对应的电流作为观测值。多浮岛惯性轮增频式压电载体参数信息如表2所示，多浮岛惯性轮增频式压电载体观测值曲线如图6所示。

表2 多浮岛惯性轮增频式压电载体参数对照表

图6 多浮岛惯性轮增频式压电载体观测值曲线

2 海洋监测系统

压电发电装置主要应用于海洋监测、环境检测等领域低功耗无线传感器设备的自主供电，基于此类条件，须保证海洋监测系统能够在长期无人驻守的情况下，自主完成指定数据的采集与发送等任务[13]。在运作方式上，此系统与上位机相连，以保证在洋面无人工操作的情况下顺利完成实时的数据采集。采集完成的数据通过无线方式实时传输给上位机，上位机通过专用的应用软件对获得的系统数据进行存储、统计和显示等处理工作[14]。

信息采集部分主要包括具有3种串行接口的不同种类传感器，可实现对洋面气压、温度和倾角等信息的多参数检测。

基于上述目标，海洋监测系统的设计结构框架如图7所示。

图7 海洋监测系统的设计结构框架

3 技术与使用说明

3.1 使用说明

压电发电装置可适应各种水位，可不间断运行，提高了装置的实用性。其在浅水区可用锚固定，在深水区可依附于其他海上设备，浮岛式载体可随波调整姿态，适应微幅进行波起伏运动，可搭配风向仪实时记录风向、风速信息，辅助本设备完成复杂水文地质条件下的环境监测等任务。基于压电效率和传输信息等方面的考虑，自给式检测平台被设计为每隔4 h检测1次，在检测完成后存储并发送数据，随后进入休眠状态。自给式海洋监测系统工作说明如图8所示。

图8 自给式海洋监测系统工作说明

3.2 实地测试

在实地测试中将海洋监测系统参数设置为温度，测试时间为24 h，海洋监测系统自动对近海洋面在2、6、10、14、18、22等6个时间段的温度进行采集及数据存储，将采集数据绘制成变化曲线如图9所示。

图9 海洋监测系统采集洋面温度数据

3.3 应用前景

提出的新型水上节能发电设备，引入压电效应，可取代传统的电池供电方式，适用于低功耗无线传感器设备的自主供电需求，例如海洋环境监测、海面油膜检测等。

另一方面，本产品还可应用于无线传感网络节点的压电自适应电源，如海上自给式军事节点，进而维持低能耗水上电力设备的正常运转。

4 结 语

针对海上复杂多样的环境与检测设备需长期保证电能供应的需求，利用波浪能压电装置供电的海洋监测系统可在洋面长期无人驻守的情况下，顺利完成指定数据的采集与发送等任务，同时该研究也为低功耗无线传感设备在海上长期搭载提供了一种可选方案。试验结果表明：增加振动频率可有效提高压电设备的电流与效率。该试验装置在24 h洋面温度实测中凸显出良好的性能，具备优良的适应性与稳定性，具有广阔的应用前景。