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        新型多自由度漂浮式壓電波浪能回收裝置研究

        2016-12-31 00:00:00王靜曹燦孫曉俊汪連坡陳爍夷
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年18期

        摘 要:針對海洋、湖泊、河流等水文監(jiān)測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,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)生三個方向的往復(fù)運動,分別通過三對懸臂梁端部質(zhì)量塊慣性作用激勵對應(yīng)方向的彎曲振動,并利用懸臂梁根部的壓電陶瓷片將振動能轉(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)測傳感器網(wǎng)絡(luò)可滿足諸多行業(yè)安全運行的需求,而大量傳感器節(jié)點的持續(xù)供電成為監(jiān)測網(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)化存儲為電能,實現(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。

        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原理[2],利用水流在鈍體作用下形成的卡門漩渦激勵壓電纖維復(fù)合物、聚偏氟乙烯聚合物、離子聚合物等軟性材料振動,利用機電轉(zhuǎn)換特性將振動轉(zhuǎn)化為電能,現(xiàn)有的原理樣機都存在輸出功率低、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,裝置漂浮于水面并隨波浪產(chǎn)生三個方向的往復(fù)運動,分別通過三對懸臂梁端部質(zhì)量塊慣性作用激勵對應(yīng)方向的彎曲振動,并利用懸臂梁根部的壓電陶瓷片將振動能轉(zhuǎn)化成電能。

        1 漂浮式壓電波浪能回收裝置設(shè)計

        1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        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?;屯鈿ぞ鶠榱⒎襟w,基座位于密封1外殼的中心,通過八個支撐桿剛性支撐,基座六個面的中心分別向外垂直安裝一個懸臂梁,且三對懸臂梁面相互垂直,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]??蛇x用有機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動。

        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)運動,主要包括波浪起伏的上下運動以及波浪沖擊的前后和左右運動,基座與外殼剛性連接而同步運動;由于懸臂梁前端質(zhì)量塊的慣性作用,左右面的懸臂梁會隨著外殼的上下運動而上下彎曲振動,前后面的懸臂梁會隨著外殼的左右運動而左右彎曲振動,上下面的懸臂梁會隨著外殼的前后運動而前后彎曲振動;粘貼在懸臂梁根部的壓電陶瓷片,隨著懸臂梁彎曲振動產(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)線連接的電能存儲或負載元件,將產(chǎn)生的交流電能存儲起來或驅(qū)動負載,實現(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分別對整體回收裝置和典型懸臂梁結(jié)構(gòu)進行仿真分析。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,三個方向的一階彎曲頻率均為46Hz,由于高階諧振狀態(tài)下振動幅度小、衰減快,因此主要回收低頻諧振模態(tài)下的振動能量[4]。同時對典型懸臂梁結(jié)構(gòu)進行仿真分析,由仿真結(jié)果可知,質(zhì)量塊厚度越大,所受慣性力越大,波浪能到振動能的轉(zhuǎn)換效率越高,而懸臂梁的振動頻率也越低,抑制了振動能到電能的轉(zhuǎn)換功率[5]。

        2.2 回收電路分析

        由于三對懸臂梁的振動相互獨立不同步,需分別設(shè)置回收電路實現(xiàn)電能存儲和負載驅(qū)動。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交流成分,使輸出波形變得比較平滑,同時電容可用于電能存儲,通常選用超級電容作為儲能元件。

        3 結(jié)束語

        文章提出了一種簡單高效、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、科學(xué)探測、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,采用三對相互垂直的懸臂梁結(jié)構(gòu),可同時回收三個方向的波浪運動能量,提高了波浪能回收的效率。

        參考文獻

        [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)的振動能量回收裝置的研究進展[J].機械科學(xué)與技術(shù),2010,29(11):1510-1520.

        [4]胡長德,趙美蓉,劉穎偉.壓電微懸臂梁共振頻率的檢測系統(tǒng)[J].壓電與聲光,2009,31(6):27-30.

        [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.

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