新型多自由度漂浮式壓電波浪能回收裝置研究

摘 要：針對(duì)海洋、湖泊、河流等水文監(jiān)測(cè)無線傳感器存在電池更換困難的問題，提出一種新型漂浮式壓電波浪能回收裝置以實(shí)現(xiàn)自供電功能。采用密封立方體外殼中心設(shè)置基座并由基座六面分別向外垂直安裝壓電懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，空余部分用于布置其他必要部件。該裝置漂浮于水面并隨波浪產(chǎn)生三個(gè)方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分別通過三對(duì)懸臂梁端部質(zhì)量塊慣性作用激勵(lì)對(duì)應(yīng)方向的彎曲振動(dòng)，并利用懸臂梁根部的壓電陶瓷片將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。

關(guān)鍵詞：能量回收；波浪能；壓電懸臂梁；多自由度

海洋、湖泊、河流在資源、運(yùn)輸、科學(xué)、軍事等多方面具有重要的戰(zhàn)略地位，分布其間的水文監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可滿足諸多行業(yè)安全運(yùn)行的需求，而大量傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)供電成為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可靠工作的關(guān)鍵問題之一[1]。利用微型發(fā)電裝置回收水文中的自然能源并轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)為電能，實(shí)現(xiàn)低功耗無線傳感設(shè)備的自主供電，可避免使用電池帶來的環(huán)境污染以及更換充電帶來的人力耗費(fèi)。

目前，回收水文環(huán)境能量的微型發(fā)電裝置主要基于渦激振動(dòng)原理[2]，利用水流在鈍體作用下形成的卡門漩渦激勵(lì)壓電纖維復(fù)合物、聚偏氟乙烯聚合物、離子聚合物等軟性材料振動(dòng)，利用機(jī)電轉(zhuǎn)換特性將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，現(xiàn)有的原理樣機(jī)都存在輸出功率低、轉(zhuǎn)化效率差、制造成本高等問題，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

文章提出一種新型多自由度漂浮式壓電海洋波浪能收回裝置，采用立方體外殼中心設(shè)置支承基座并由基座六面分別向外垂直安裝壓電懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝置漂浮于水面并隨波浪產(chǎn)生三個(gè)方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分別通過三對(duì)懸臂梁端部質(zhì)量塊慣性作用激勵(lì)對(duì)應(yīng)方向的彎曲振動(dòng)，并利用懸臂梁根部的壓電陶瓷片將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。

1 漂浮式壓電波浪能回收裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文章所提出的漂浮式壓電波浪能回收裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括1-基座、2-懸臂梁、3-支撐桿、4-外殼、5-質(zhì)量塊、6-壓電陶瓷片等。基座和外殼均為立方體，基座位于密封1外殼的中心，通過八個(gè)支撐桿剛性支撐，基座六個(gè)面的中心分別向外垂直安裝一個(gè)懸臂梁，且三對(duì)懸臂梁面相互垂直，左右面的懸臂梁與基座上下面平行，前后面的懸臂梁與基座左右面平行，上下面的懸臂梁與基座前后面平行，懸臂梁的端部區(qū)域貼設(shè)有質(zhì)量塊，懸臂梁的根部區(qū)域單側(cè)或兩側(cè)貼設(shè)有壓電陶瓷片[3]。可選用有機(jī)玻璃作為基座和外殼材料，減輕整體質(zhì)量，以便裝置漂浮于水面并跟隨波浪運(yùn)動(dòng)。

1.2 工作原理

該裝置的工作原理如下：密封立方體外殼漂浮在水面上隨波浪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要包括波浪起伏的上下運(yùn)動(dòng)以及波浪沖擊的前后和左右運(yùn)動(dòng)，基座與外殼剛性連接而同步運(yùn)動(dòng)；由于懸臂梁前端質(zhì)量塊的慣性作用，左右面的懸臂梁會(huì)隨著外殼的上下運(yùn)動(dòng)而上下彎曲振動(dòng)，前后面的懸臂梁會(huì)隨著外殼的左右運(yùn)動(dòng)而左右彎曲振動(dòng)，上下面的懸臂梁會(huì)隨著外殼的前后運(yùn)動(dòng)而前后彎曲振動(dòng)；粘貼在懸臂梁根部的壓電陶瓷片，隨著懸臂梁彎曲振動(dòng)產(chǎn)生周期性應(yīng)力，由于壓電效應(yīng)，上下表面電極上產(chǎn)生周期性變化的電荷；電荷經(jīng)過導(dǎo)線連接的電能存儲(chǔ)或負(fù)載元件，將產(chǎn)生的交流電能存儲(chǔ)起來或驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)波浪能回收利用的功能。

2 漂浮式壓電波浪能回收裝置分析

2.1 結(jié)構(gòu)仿真分析

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS 15.0分別對(duì)整體回收裝置和典型懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。懸臂梁選用70mm×20mm×0.25mm的FR4薄板，壓電陶瓷片選用25mm×20mm×0.2mm的PZT-4薄片，質(zhì)量塊選用10mm×20mm×4mm的磁塊。整體仿真結(jié)果如圖2所示，三個(gè)方向的一階彎曲頻率均為46Hz，由于高階諧振狀態(tài)下振動(dòng)幅度小、衰減快，因此主要回收低頻諧振模態(tài)下的振動(dòng)能量[4]。同時(shí)對(duì)典型懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，由仿真結(jié)果可知，質(zhì)量塊厚度越大，所受慣性力越大，波浪能到振動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率越高，而懸臂梁的振動(dòng)頻率也越低，抑制了振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換功率[5]。

2.2 回收電路分析

由于三對(duì)懸臂梁的振動(dòng)相互獨(dú)立不同步，需分別設(shè)置回收電路實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和負(fù)載驅(qū)動(dòng)。該裝置可采用典型壓電能量回收電路，如圖3所示，由整流電路和濾波電路兩部分組成，壓電陶瓷片在懸臂梁振動(dòng)作用下產(chǎn)生交變電壓，通過整流橋?qū)弘娞沾善慕涣鬏敵鲛D(zhuǎn)化為直流輸出，其后的濾波電路則可減小直流電壓中的脈動(dòng)交流成分，使輸出波形變得比較平滑，同時(shí)電容可用于電能存儲(chǔ)，通常選用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件。

3 結(jié)束語

文章提出了一種簡(jiǎn)單高效、成本低廉、制造方便的漂浮式壓電波浪能回收裝置，替代傳統(tǒng)的電池供電，以適應(yīng)水文條件下的環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)探測(cè)、搜尋救災(zāi)、軍事偵察等領(lǐng)域低功耗無線傳感設(shè)備自主供電的應(yīng)用需求。采用密封正方體外殼結(jié)構(gòu)，可以任意姿態(tài)漂浮于水面，采用三對(duì)相互垂直的懸臂梁結(jié)構(gòu)，可同時(shí)回收三個(gè)方向的波浪運(yùn)動(dòng)能量，提高了波浪能回收的效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 耀保.海洋波浪能綜合利用——發(fā)電原理與裝置[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]G.W. Taylor， J.R. Burns， S.M. Kammann， W.B. Powers， and T.R. Welsh. The energy harvesting eel： A small subsurface ocean/river power generator[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26（4）：539-547.

[3]文晟，張鐵民，劉旭，等.基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量回收裝置的研究進(jìn)展[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（11）：1510-1520.

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[5]衛(wèi)海霞，王宏濤.懸臂梁能量回收裝置壓電片位置與尺寸優(yōu)化研究[J].壓電與聲光，2016，38（2）：235-245.