浮標(biāo)式波浪能壓電發(fā)電技術(shù)研究.pdf

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1、第33卷第6期2014年12月海洋技術(shù)學(xué)報(bào)JOURNAL0FOCEANTECHNOLOGYV01．33，No．6Dec，2014浮標(biāo)式波浪能壓電發(fā)電技術(shù)研究杜小振，趙繼強(qiáng)，王一然，朱文斗，張燕(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590)摘要：為了實(shí)現(xiàn)航標(biāo)等海洋監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用海洋供能。提出一種新型振蕩浮子式波浪能壓電發(fā)電裝置。首先給出波浪能壓電發(fā)電裝置整體機(jī)構(gòu)，然后結(jié)合微幅波理論、弗汝德一克雷洛夫假定法以及壓電效應(yīng)理論導(dǎo)出在波浪力作用下壓電疊堆輸出負(fù)載電壓曲線。在海水深度5m、浪高0．1m、波數(shù)為0．64的海洋環(huán)境中，取垂直繞射系數(shù)1．1，設(shè)計(jì)浮體直徑2m，計(jì)算分析

2、浮標(biāo)獲得最大波浪力1500N，比較分析了串聯(lián)和并聯(lián)兩種安裝模式的壓電疊堆發(fā)電產(chǎn)生的電壓曲線．并聯(lián)壓電疊堆輸出功率達(dá)到53．7txW，可以為海洋監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供能。關(guān)鍵詞：浮標(biāo)：波浪發(fā)電；凸輪；壓電效應(yīng)中圖分類號：P743．2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1003—2029(2014)06—0090—06利用波浪能發(fā)電為航標(biāo)等海洋無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供能的研究將為海洋能開發(fā)提供一種新思路。當(dāng)前，國內(nèi)外提出一些波浪能壓電換能裝置，主要從壓電材料與波浪換能結(jié)構(gòu)匹配方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于研究利用壓電功能材料發(fā)電也是剛起步，因此，針對利用壓電材料的波浪壓電轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究非常有限，沒有形成較為完善

3、的理論分析模型。JosephRBurns設(shè)計(jì)了一種波浪能壓電裝置，漂浮在海平面上的浮子不斷地?cái)D壓和拉伸安裝在水下兩平板之間的壓電材料，進(jìn)而將波浪能轉(zhuǎn)換為電能【l】。RMurray和JRastegar提出利用浮漂系統(tǒng)和壓電結(jié)構(gòu)將低頻波浪振動轉(zhuǎn)化為壓電系統(tǒng)高頻振動[21。MutsudaHidemi于2010年利用壓電材料PDVF研發(fā)了一種壓電發(fā)電裝置[31，該裝置可以收集波浪能和潮汐能，但是因?yàn)镻VDF的壓電系數(shù)較低，降低了波浪能轉(zhuǎn)換效率[4】。國內(nèi)，清華大學(xué)張永良教授借鑒RMurray和J．Rastegar的裝置設(shè)計(jì)，利用反射作用聚波俘獲波浪能驅(qū)動壓電材料發(fā)電[51。大連理工大學(xué)韓

4、冰峰博士等研究設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式波浪壓電發(fā)電裝置[61，利用齒輪齒條將波浪作用下漂浮體與阻尼板間的相對運(yùn)動轉(zhuǎn)換成齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，最終通過旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)輸出電能。阻尼板式波浪壓電發(fā)電裝置采用永磁激勵壓電雙晶梁，使壓電片處于雙穩(wěn)態(tài)勢能狀態(tài)同，可以提高裝置發(fā)電能力，對波浪壓電換能裝置進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，研究了初次換能結(jié)構(gòu)與壓電換能結(jié)構(gòu)匹配以及壓電換能結(jié)構(gòu)的接口電路等㈣。文中提出了一種基于壓電效應(yīng)的浮標(biāo)式凸輪波浪壓電發(fā)電裝置。首先研究波浪能采集，其次采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械動力傳遞，利用具有可調(diào)節(jié)的傳力杠桿使周期性波浪力作用在壓電疊堆上，最后利用壓電功能材料的壓電效應(yīng)將波浪能轉(zhuǎn)換為電能輸出。l振蕩

5、浮子式壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理1．1振蕩浮子式壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于壓電效應(yīng)的浮標(biāo)式凸輪壓電發(fā)電裝置主要由球形浮體、凸輪軸、平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)、傳力杠收稿日期：2014—04—30基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105234)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013YD04018)；黃島區(qū)科技項(xiàng)目小微企業(yè)發(fā)展和孵化器專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014—1—107)；應(yīng)用研究與公共衛(wèi)生專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014—1—42)；青島博士后應(yīng)用研究資助項(xiàng)目作者簡介：杜小振(1978一)，男，副教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ竽馨l(fā)電、微電源、壓電傳感器技術(shù)等。E—mail：du_xzh@163．tom

6、第6期杜小振，等：浮標(biāo)式波浪能壓電發(fā)電技術(shù)研究91桿和壓電疊堆組成，裝置模型如圖1所示。在基本海況、排水體積相同的條件下，分別計(jì)算球形、長方形、水平圓柱形和垂直圓柱形浮子在波浪作用下所受浮力，經(jīng)比較，垂直圓柱形浮子受浮力最大，其次是球形【lOl，但考慮到波浪運(yùn)動的隨機(jī)性，垂直圓柱型浮子穩(wěn)定性差，同時參考大多數(shù)浮標(biāo)外形設(shè)計(jì)，本文選擇球形浮體，設(shè)計(jì)直徑2m。浮子上半部分含有半封閉箱體，半封閉箱體與浮子下半部分之間用支撐板隔開。半封閉箱體含有的壓電換能結(jié)構(gòu)位于水面之上，下半部分箱體密封起到浮動作用。錨索7。④父{【二∥野／醪?：．璺．，7’lIf，，，7影，a)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理罔一端卷

7、繞在凸輪軸錨頭上，另一端通過定位錨固定海底。為了增加波浪利用效率，在凸輪軸上設(shè)置多組凸輪機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)凸輪軸長800mm，直徑160mm，5組凸輪間距70mm。浮體下降過程采用復(fù)位彈簧帶動凸輪軸回轉(zhuǎn)復(fù)位。推桿長500mm，直徑50mm，用支架固定推桿，推桿一端連接中央受力塊。中央受力塊連接6根長160mm的傳力杠桿，它們在一個圓周上呈輻射狀均衡分布，每根傳力杠桿末端對壓電疊堆施力使其變形，傳力杠桿通過改變支點(diǎn)位置調(diào)節(jié)作用于壓電疊堆上的波浪力大小。1．7—1—61514點(diǎn)——∑wr7二