波浪壓電發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

閆澤霖++弓新潔++張?zhí)斐?+歐陽(yáng)嘉藝

摘 要：自居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)后，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家在壓電材料及壓電發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域都已取得許多進(jìn)展。該文回顧了自1983年Burns首次提出波浪壓電發(fā)電想法后所誕生的一系列重要的波浪壓電發(fā)電裝置，介紹了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)研究者在波浪壓電發(fā)電方面取得的重要成就，最后總結(jié)波浪壓電發(fā)電技術(shù)，提出改進(jìn)方法和研究展望。

關(guān)鍵詞：波浪能 壓電發(fā)電 能量轉(zhuǎn)化 機(jī)電耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：P743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼中：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（c）-0120-03

人類(lèi)社會(huì)快速發(fā)展，能源問(wèn)題已經(jīng)成為21世紀(jì)人類(lèi)面臨的最大挑戰(zhàn)。哥本哈根會(huì)議后，世界各國(guó)積極展開(kāi)了對(duì)于可再生、無(wú)污染的新能源開(kāi)發(fā)和利用。海洋作為地球上最大的資源寶庫(kù)，其蘊(yùn)含的潮汐能、波浪能、風(fēng)能都是可再生能源。波浪能是這幾種能源形式中最常見(jiàn)，且能量密度較高的能源，對(duì)于波浪能的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為新能源開(kāi)發(fā)的熱潮。

隨著科學(xué)家對(duì)壓電材料和壓力發(fā)電技術(shù)的研究深入，各國(guó)學(xué)者開(kāi)始嘗試將壓電材料與波浪發(fā)電相結(jié)合。由于壓電材料能實(shí)現(xiàn)其他形式的能量到電能的直接轉(zhuǎn)化，相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁發(fā)電原理有明顯的優(yōu)勢(shì)，研究者們研發(fā)了許多波浪壓電發(fā)電裝置，甚至國(guó)內(nèi)外都已建造了相關(guān)的波浪壓電發(fā)電站，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。但同時(shí)這些波浪壓電發(fā)電裝置也有許多值得改進(jìn)的地方，例如如何提高裝置的能量轉(zhuǎn)化效率、裝置在海洋環(huán)境中的防水防腐蝕、裝置的尺寸及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝置的最佳的機(jī)電耦合等問(wèn)題。下面將回顧波浪壓電發(fā)電技術(shù)的主要研究歷程和國(guó)內(nèi)最新研究成果，并綜合現(xiàn)有成就提出改進(jìn)方法和研究展望。

1 波浪壓電發(fā)電研究回顧

1983年，Burns[1]首次將壓電材料與波浪開(kāi)發(fā)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了如圖1所示的波浪壓電發(fā)電裝置。該裝置由3個(gè)主要部分組成，上部是捕獲波浪能的浮體，中間是由兩塊夾持板夾持著中間的長(zhǎng)片狀壓電片組成的壓電發(fā)電機(jī)，下部是用錨索將整個(gè)裝置固定在海底。整個(gè)裝置異常簡(jiǎn)潔，制作方便，成本低。對(duì)該模型的發(fā)電原理分析：海洋中波浪的起伏將帶動(dòng)上部浮體產(chǎn)生豎直方向的運(yùn)動(dòng)，由于壓電片的下端固定，壓電片將產(chǎn)生應(yīng)變，由壓電片的壓電特性從而產(chǎn)生電流。對(duì)該模型的效率進(jìn)行理論分析：在波浪壓電發(fā)電的研究過(guò)程中，會(huì)涉及能量從波浪能到電能的轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題，該裝置利用機(jī)械能作為中間轉(zhuǎn)化能量，而且轉(zhuǎn)化的過(guò)程非常簡(jiǎn)潔，消滅了許多由于機(jī)械傳動(dòng)、摩擦帶來(lái)的能量損失。所以該裝置的能量轉(zhuǎn)化效率在理論上是很高的。該裝置也存在如下問(wèn)題：在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，如何保證裝置的穩(wěn)定性和可靠性、該裝置沒(méi)有考慮波浪波高大小與壓電片縱向應(yīng)變大小的匹配問(wèn)題等。Burns的裝置雖然簡(jiǎn)陋，也存在考慮不足之處，但也為之后的研究者提供了重要參考。

2001年，Taylor[2]設(shè)計(jì)出一款思路奇特的波浪紊流壓電發(fā)電裝置（見(jiàn)圖2）。水流在流經(jīng)不光滑區(qū)域時(shí)將產(chǎn)生紊流，紊流的產(chǎn)生導(dǎo)致了水動(dòng)能的損失，損失的這部分能量成為紊動(dòng)能。Taylor利用水動(dòng)力學(xué)里的這一基本原理，將壓電片放置在阻流板之后，當(dāng)有水流通過(guò)阻流板時(shí)，阻流板后方將產(chǎn)生紊流，此時(shí)紊流直接擊打壓電片，使之產(chǎn)生微小應(yīng)變，通過(guò)電路收集到電流。該裝置的設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，實(shí)現(xiàn)了從波浪能到電能的直接性轉(zhuǎn)化，省去中間的多余轉(zhuǎn)化帶來(lái)的能量損失，理論上大大提高了能量轉(zhuǎn)化效率。該裝置也避免了波浪波高太大與壓電片所需應(yīng)變較小的矛盾，在只要有水流動(dòng)的地方都能使用，提高了裝置的適應(yīng)范圍。

2009年，Murry和Rastegar[3]設(shè)計(jì)出了一款波浪壓電發(fā)電裝置，如圖3所示。該裝置核心主要是由桅桿和套筒組成，壓電片設(shè)置在套筒內(nèi)壁上依次排列的懸臂梁上，當(dāng)桅桿隨波浪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，桅桿上的撥片波動(dòng)懸臂梁，但不直接擠壓壓電片，壓電片隨懸臂梁的屈曲而產(chǎn)生橫向應(yīng)變，稱(chēng)之為壓電振子。由壓電振子振動(dòng)達(dá)到壓電發(fā)電的效果。該裝置的最大優(yōu)點(diǎn)在于它解決了波浪頻率過(guò)低且極不穩(wěn)定的問(wèn)題，在壓電發(fā)電領(lǐng)域首創(chuàng)壓電振子，實(shí)現(xiàn)了不定低頻向穩(wěn)定高頻的轉(zhuǎn)化，提高了壓電發(fā)電的質(zhì)量。壓電振子模型為后來(lái)的研究者提供了很好的思路。

2 國(guó)內(nèi)波浪壓電發(fā)電的最新研究進(jìn)展

以上的3種波浪壓電發(fā)電技術(shù)，是現(xiàn)在研發(fā)波浪壓電發(fā)電裝置的三大基本原型，即直接耦合式、紊流致動(dòng)式和增頻式。我國(guó)對(duì)波浪壓電發(fā)電技術(shù)研究開(kāi)始較遲，但近些年國(guó)內(nèi)眾多研究者也取得了很多成就，下面甄選其中具有代表性的裝置論述。

2011年，清華大學(xué)張永良[4]教授總結(jié)前面學(xué)者的研究成果，提出了一種新型波浪壓電發(fā)電裝置（見(jiàn)圖4）。該裝置主要由浮體和壓電發(fā)電機(jī)組成。整個(gè)裝置放置在一塊大型的浮體上，浮體連接了4根導(dǎo)向柱和1根中間傳導(dǎo)柱。中間傳導(dǎo)柱上有劃片，在波浪來(lái)時(shí)隨浮體一起豎向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)劃片波動(dòng)壓電振子，利用壓電片的特性實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)化為電能。四根導(dǎo)向柱用于確保壓電振子和劃片相對(duì)的垂直運(yùn)動(dòng)。該裝置具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：浮體的功能獨(dú)立，從而減輕了波能采集裝置的荷載；外圍馬蹄形浮體，利用反射聚波原理聚波，增強(qiáng)了波浪能的收集；非接觸式磁力作用減少了壓電片的損耗；錯(cuò)動(dòng)的布置壓電振子充分利用了空間。該裝置也存在不足之處：由于整個(gè)裝置浮在海面，重心過(guò)高，穩(wěn)定性降低。壓電發(fā)電機(jī)一直受振動(dòng)，對(duì)材料的強(qiáng)度要求較高。裝置的具體幾何尺寸和仿真模擬還有待進(jìn)一步研究。

2014年，大連理工大學(xué)杜小振[5]設(shè)計(jì)出一種振蕩浮子式凸輪壓電發(fā)電裝置（見(jiàn)圖5）。該裝置主要由外圍的球形浮體、中間的錨索和位于浮體內(nèi)部的壓電發(fā)電機(jī)組成。根據(jù)計(jì)算可以得出在相同海況、排水體積相同的情下，球形、立方體、水平圓柱體、豎直圓柱體等不同形狀浮體中，豎直圓柱體浮體所受浮力最大，其次是球形，又由于豎直圓柱體浮體的穩(wěn)定性較差，故杜小振選擇了球形作為浮體形狀。在波浪來(lái)時(shí)，球形浮體將隨波浪產(chǎn)生豎直方向的運(yùn)動(dòng)，固定在海底的錨索上下運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再推動(dòng)平底推桿上下運(yùn)動(dòng)，再借助傳力機(jī)構(gòu)將波浪力作用在堆疊的壓電片上，實(shí)現(xiàn)波浪能向電能的轉(zhuǎn)化。之后凸輪軸在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)，波浪具有周期性，以此實(shí)現(xiàn)波浪壓電發(fā)電。該裝置是目前振蕩浮子式壓電發(fā)電裝置中較完善的，有理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，結(jié)合了機(jī)械原理，能實(shí)現(xiàn)較好的波浪能發(fā)電。

2016年四川大學(xué)碩士余曉祥[6]設(shè)計(jì)的一種植物消浪原理與壓電發(fā)電結(jié)合的裝置（見(jiàn)圖6）。該裝置利用壓電片群代替消能池中的消能植物消能，實(shí)現(xiàn)水能的充分利用，該裝置就是利用Taylor的紊流壓電發(fā)電原理，進(jìn)一步拓展得到的壓電發(fā)電新裝置。

2016年，清華大學(xué)博士林政[7]在其導(dǎo)師張永良教授的指導(dǎo)下完成了對(duì)先前張永良教授設(shè)計(jì)的新型波浪壓電發(fā)電裝置的改進(jìn)和創(chuàng)新。設(shè)計(jì)出了一種機(jī)械增頻式波浪壓電發(fā)電裝置（見(jiàn)圖7）。該裝置主要由效率最高的圓柱形浮體、套筒和導(dǎo)桿、壓電振子和撥片組成，導(dǎo)桿穿過(guò)浮體中心，底端固結(jié)在海底，頂端連接能量收集箱。在能量收集箱的內(nèi)壁上間隔布置壓電振子，壓電振子由中間的金屬基片和貼在兩面的壓電片組成。撥片與浮體相連。整個(gè)裝置類(lèi)似液壓缸，浮體及撥片是活塞。在波浪來(lái)時(shí)，浮體帶動(dòng)撥片上下運(yùn)動(dòng)，撥片與懸臂梁之間有部分重疊，懸臂梁在豎向受力的作用下將產(chǎn)生撓度，由材料力學(xué)可知在懸臂梁的兩面將各自受拉和受壓，粘貼在表面的壓電片也會(huì)隨之發(fā)生形變。波浪波峰波谷的來(lái)回交替時(shí)浮體上下來(lái)回運(yùn)動(dòng)，通過(guò)該裝置將波浪能轉(zhuǎn)化為電能。林政還通過(guò)建立該裝置的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，并制作了相應(yīng)的物理模型，開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，得到了許多關(guān)于波浪壓電發(fā)電中機(jī)電耦合的許多結(jié)論。林政的許多研究結(jié)論都是首創(chuàng)的，為波浪壓電發(fā)電打下了更好的理論基礎(chǔ)，將推動(dòng)波浪壓電發(fā)電技術(shù)的繼續(xù)前行。

3 波浪壓電發(fā)電技術(shù)的研究展望

進(jìn)過(guò)幾十年的研究，國(guó)內(nèi)和國(guó)外在波浪壓電發(fā)電領(lǐng)域都已取得一定的成就，而科學(xué)研究的道路是永無(wú)止境的，以下提出幾點(diǎn)在今后波浪壓電發(fā)電領(lǐng)域中值得深入研究探討的問(wèn)題。

波浪是極不穩(wěn)定的能源形式，要實(shí)現(xiàn)利用波浪壓電原理輸出穩(wěn)定有效的電流，需要對(duì)波浪理論方面做出更深入的研究，建立更完善的理論，為波浪壓電發(fā)電提供根本的理論基礎(chǔ)支持。

波浪波高、波長(zhǎng)、頻率等特性的隨機(jī)性和不確定性，使得一般的壓電發(fā)電裝置很難適應(yīng)廣闊復(fù)雜的海況，如何提高波浪壓電裝置的廣泛適用性，將是成為以后波浪壓電發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

為了提高波浪壓電發(fā)電的效率，許多學(xué)者都將已有的裝置做出了很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但除了在已有的裝置基礎(chǔ)上加以?xún)?yōu)化改進(jìn)，研究者還應(yīng)該努力尋找到除上文提及的3種波浪壓電原理之外更好的波浪壓電原理。

波浪壓電發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)集多種學(xué)科為一體的綜合技術(shù)，需要研究者有足夠的專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和創(chuàng)新動(dòng)手的能力。壓電片只能產(chǎn)生微少電量的本質(zhì)決定了波浪壓電發(fā)電裝置不能為大型耗電器供電。如何通過(guò)壓電發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)微小型用電設(shè)備的自我產(chǎn)電用電一體化，需進(jìn)一步不斷地進(jìn)行理論探討和實(shí)驗(yàn)研究。

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