一种压电式海浪能量收集器的研究

张东升，胥永晓

（山东交通学院船舶与港口工程学院，山东 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、温差能、潮流能、海浪能和盐差能等。其中，海浪能是利用价值最好的海洋能，它以机械能的形式存在，在开发的过程中对环境基本不产生影响和破坏。据研究，全世界的海浪能储量理论值约为30亿kW量级，是现阶段世界发电量的数百倍，有广阔的应用前景[1]。由于环境和化石能源短缺的问题日益突出，将海浪能作为一种新型可再生的绿色资源应用到发电领域受到世界各国的高度重视[2]。海浪能具有资源分布广、能流密度大等优点，利用海浪能发电技术能够改善能源结构和生态环境，有利于海洋资源开发[3]。我国现阶段海浪能的开发和利用还相对滞后，传统的波浪能采集装置由于存在转换机械结构复杂、转换效率低及耐冲击腐蚀能力差等不足，实现高效发电较为困难[4]。如何高效利用海浪资源发电成为了各国在寻求新能源道路上所遇到的巨大瓶颈，但随着海浪能转换技术日趋成熟，转换效率的逐步提高，海浪发电装置凸显出越来越大的商业价值和生态价值。

在这种情况下，研究人员把研究重点聚焦到利用海浪能量向无线电设备和传感器供电的能量收集技术上来。由于无线电设备和传感器是靠电池供电工作运行的低功率设备，在海洋环境中不便更换电池或给电池充电，利用海浪能收集技术向无线电设备和传感器提供电能的方式变得尤为重要。

1 压电能量收集技术介绍

俘能器是将机械振动能转换为电能的装置，根据俘能原理可以分为电磁式、静电式、压电式等三类[5]。电磁式俘能器是利用电磁感应定律工作原理，结构比较简单，但是输出的电压较低，功率较小。静电式俘能器的工作原理是依据两极板发生相对运动时，电容值发生变化，由于电压保持不变，而两极板电荷产生变化，其缺点是两极板间的空气介质具有较大的阻尼效应，难以实现微型化[6]。压电式俘能器是利用压电效应工作，将机械振动能转换成电能，具有结构简单、功率密度大、转换效率高、无需外加电源等优点[7]。

其中，海浪能压电式俘能技术是目前国内外能量收集技术研究的热点，它是利用压电材料在受振过程中产生变形导致的电压变化来产生电能的。海浪能压电式俘能技术不仅可以提供高质量的能量强度和电压，它还因具有无电磁干扰、无污染、自供电和易于小型化、集成化等特点轻松应用于各种环境中。目前，市面上的压电俘能技术主要应用在机械振动系统，未见将该技术应用到海浪能的收集系统中。

在压电能量采集器中，共振频率下的悬臂振动会产生高应变，应变的增加其功率也随之增加。大多数的压电能量收集系统使用悬臂式结构，并且这些悬臂提供的谐振频率带宽比较窄。由于在窄带宽下谐振频率的值较大，所以研究人员一直致力于增加带宽的宽度和降低谐振频率。L.Dhakar研究了压电悬臂梁的谐振频率随物理条件的变化趋势，通过增加压电悬臂梁自由端尖端质量块的重量或延长弹性压片的长度来比较恒定正弦激励下的谐振频率和输出功率[8]。研究表明，随着尖端质量块的重量或弹性压片长度的增加，谐振频率降低，输出功率增加。但是，这种降低共振频率的方法在低频和不规则振动条件下是不符合实际的，例如，在基于波浪能或人体运动的系统中就不适用这种研究结论。

此外，典型的悬臂系统只能沿几个方向中的一个方向产生振动，也就是只能沿一个方向将机械能转化为电能。然而，在海洋环境中会同时从不同的方向提供振动能量。说明现阶段压电式海浪俘能技术存在着应用场景的局限性。

2 压电式海浪能量收集器总体设计

基于以上背景，为了遵循并倡导绿色、环保、低碳、节能的理念，引导和支持新能源、新技术的开发与应用，针对海浪能收集领域，笔者研究设计出一种压电式海浪能量收集器用于海洋环境中低频振动的波能压电能量收集系统。压电式能量收集器由基本的悬臂结构和附着在弹性压片自由端的磁体组成，利用磁力有助于悬臂在自然（或第一共振）频率下产生自由振动。在磁铁的顶部，设置一个圆柱形导轨，金属球可以在该导轨上来回移动，将从两个方向产生能量。

压电式海浪能量收集器整体结构（见图1）包括：可漂浮于海面上的方形封闭外壳、悬臂梁发电部（见图2）、真空轨道发电部组成。悬臂梁发电部由方形封闭外壳上、下底面内侧的底座，底座上的弹性压片和弹性压片的上、下表面的压电板以及附着在弹性压片自由端的磁铁组成；真空轨道发电部的圆柱形理想轨道水平设置于上、下悬臂梁发电部中间位置，其两端分别焊接在方形封闭外壳的内侧，在圆柱形理想轨道内部放置一个有一定质量的金属球，其圆柱形理想轨道两端封口处各设置三组钹形发电装置（见图3），每组钹形发电装置由两片钹形铜质金属片和一片压电陶瓷组成，压电陶瓷置于两片钹形铜质金属片的中间位置。

图1 压电式海浪能量收集器Figure 1 Piezoelectric wave energy harvester

图2 悬臂梁发电部Figure 2 Cantilever beam power generation department

图3 钹形发电装置Figure 3 Cymbal-shaped power generation device

3 发电装置工作原理

将压电式海浪能量收集器放置于海面上，由于海浪的冲击作用，收集器会倾斜一定的角度，金属球在圆柱形轨道内做自由往复运动，当金属球运动到弹性压片前端磁铁位置时，磁铁和金属球间产生的磁力使上、下两侧的弹性压片发生向圆柱形轨道方向的弹性变形，当金属球离开当前磁铁位置时，磁铁和金属球间的磁力消失，使弹性压片发生远离圆柱形轨道方向的弹性变形，此金属球的运动过程会引起压电模块的振动导致压电板发生变形而产生电能。

对于真空轨道发电部，当圆柱形理想轨道内的金属球运动到轨道的两端时，对设置于轨道两端的钹形发电装置形成撞击，导致钹形发电装置内部的压电陶瓷发生变形进而产生电能；悬臂梁发电部与真空轨道发电部产生的电能通过导线输送到外部电能收集装置。

最初海浪能量收集器运行时，金属球将附着到磁铁上，海浪能量收集器在受到海浪的冲击下产生动力，驱动金属球运动，即使金属球在轨道内运动过程中与轨道两端发生碰撞，由于金属球受到轨道长度的最大振动位移的限制，该设备在结构上仍能保持良好的状态。当金属球与磁铁碰撞后，金属球滚过磁铁，海浪能量收集器以其共振频率发生振动。

悬臂结构的共振频率表示为：

其中：K表示有效刚度，m表示有效悬臂梁质量。

有效刚度可表示为：

其中：b表示悬臂梁的宽度，L表示悬臂梁的长度，i表示压电层，j表示电极层，n1表示压电振动，n2表示电极振动，n表示悬臂层数，E表示杨氏模量，h表示悬臂层高度。

有效悬臂梁质量可表示为：

其中：mt表示磁铁质量，ρi表示压电层密度，ρj表示电极层密度[9]。由公式（3）可知，随着磁铁重量的增加，将会导致谐振频率的降低，使得压电模块与海浪形成共振的可能性更大，从而压电板输出更多电能，提高输出功率。

4 总结

通过分析现阶段压电式海浪俘能技术存在的应用局限性，设计了一种服务于低频振动海洋环境中的压电式海浪能量收集器，利用海浪的冲击使得压电材料产生振动变形并将机械能转化为电能输送给海上无线电设备和传感器等耗电设备。通过对压电式海浪能量收集器进行外观以及内部结构设计，阐述了发电装置的工作原理，分析了能量收集器悬臂梁的共振频率，获得有效质量和有效刚度对共振频率的影响规律，以期为压电式海浪能量收集技术的应用研究提供参考依据。