浮标式波浪能压电发电技术研究.pdf

《浮标式波浪能压电发电技术研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第33卷第6期2014年12月海洋技术学报JOURNAL0FOCEANTECHNOLOGYV01．33，No．6Dec，2014浮标式波浪能压电发电技术研究杜小振，赵继强，王一然，朱文斗，张燕(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590)摘要：为了实现航标等海洋监测传感网络节点利用海洋供能。提出一种新型振荡浮子式波浪能压电发电装置。首先给出波浪能压电发电装置整体机构，然后结合微幅波理论、弗汝德一克雷洛夫假定法以及压电效应理论导出在波浪力作用下压电叠堆输出负载电压曲线。在海水深度5m、浪高0．1m、波数为0．64的海洋环境中，取垂直绕射系数1．1，设计浮体直径2m，计算分析

2、浮标获得最大波浪力1500N，比较分析了串联和并联两种安装模式的压电叠堆发电产生的电压曲线．并联压电叠堆输出功率达到53．7txW，可以为海洋监测无线传感网络节点供能。关键词：浮标：波浪发电；凸轮；压电效应中图分类号：P743．2文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)06—0090—06利用波浪能发电为航标等海洋无线传感网络节点供能的研究将为海洋能开发提供一种新思路。当前，国内外提出一些波浪能压电换能装置，主要从压电材料与波浪换能结构匹配方面进行设计，但由于研究利用压电功能材料发电也是刚起步，因此，针对利用压电材料的波浪压电转换技术的研究非常有限，没有形成较为完善

3、的理论分析模型。JosephRBurns设计了一种波浪能压电装置，漂浮在海平面上的浮子不断地挤压和拉伸安装在水下两平板之间的压电材料，进而将波浪能转换为电能【l】。RMurray和JRastegar提出利用浮漂系统和压电结构将低频波浪振动转化为压电系统高频振动[21。MutsudaHidemi于2010年利用压电材料PDVF研发了一种压电发电装置[31，该装置可以收集波浪能和潮汐能，但是因为PVDF的压电系数较低，降低了波浪能转换效率[4】。国内，清华大学张永良教授借鉴RMurray和J．Rastegar的装置设计，利用反射作用聚波俘获波浪能驱动压电材料发电[51。大连理工大学韩

4、冰峰博士等研究设计了一种旋转式波浪压电发电装置[61，利用齿轮齿条将波浪作用下漂浮体与阻尼板间的相对运动转换成齿轮的旋转运动，最终通过旋转压电发电机输出电能。阻尼板式波浪压电发电装置采用永磁激励压电双晶梁，使压电片处于双稳态势能状态同，可以提高装置发电能力，对波浪压电换能装置进行了数学建模，研究了初次换能结构与压电换能结构匹配以及压电换能结构的接口电路等㈣。文中提出了一种基于压电效应的浮标式凸轮波浪压电发电装置。首先研究波浪能采集，其次采用凸轮机构实现机械动力传递，利用具有可调节的传力杠杆使周期性波浪力作用在压电叠堆上，最后利用压电功能材料的压电效应将波浪能转换为电能输出。l振荡

5、浮子式压电发电装置结构设计和工作原理1．1振荡浮子式压电发电装置结构设计基于压电效应的浮标式凸轮压电发电装置主要由球形浮体、凸轮轴、平底推杆凸轮机构、传力杠收稿日期：2014—04—30基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105234)；山东省科技发展计划资助项目(2013YD04018)；黄岛区科技项目小微企业发展和孵化器专项资助项目(2014—1—107)；应用研究与公共卫生专项资助项目(2014—1—42)；青岛博士后应用研究资助项目作者简介：杜小振(1978一)，男，副教授，主要研究方向为海洋能发电、微电源、压电传感器技术等。E—mail：du_xzh@163．tom

6、第6期杜小振，等：浮标式波浪能压电发电技术研究91杆和压电叠堆组成，装置模型如图1所示。在基本海况、排水体积相同的条件下，分别计算球形、长方形、水平圆柱形和垂直圆柱形浮子在波浪作用下所受浮力，经比较，垂直圆柱形浮子受浮力最大，其次是球形【lOl，但考虑到波浪运动的随机性，垂直圆柱型浮子稳定性差，同时参考大多数浮标外形设计，本文选择球形浮体，设计直径2m。浮子上半部分含有半封闭箱体，半封闭箱体与浮子下半部分之间用支撑板隔开。半封闭箱体含有的压电换能结构位于水面之上，下半部分箱体密封起到浮动作用。锚索7。④父{【二∥野／醪?：．璺．，7’lIf，，，7影，a)发电系统结构原理罔一端卷

7、绕在凸轮轴锚头上，另一端通过定位锚固定海底。为了增加波浪利用效率，在凸轮轴上设置多组凸轮机构，设计凸轮轴长800mm，直径160mm，5组凸轮间距70mm。浮体下降过程采用复位弹簧带动凸轮轴回转复位。推杆长500mm，直径50mm，用支架固定推杆，推杆一端连接中央受力块。中央受力块连接6根长160mm的传力杠杆，它们在一个圆周上呈辐射状均衡分布，每根传力杠杆末端对压电叠堆施力使其变形，传力杠杆通过改变支点位置调节作用于压电叠堆上的波浪力大小。1．7—1—61514点——∑wr7二