閆澤霖++弓新潔++張?zhí)斐?+歐陽嘉藝

摘 要：自居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)后，國內(nèi)外許多科學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，介紹了近幾年來國內(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 機電耦合

中圖分類號：P743 文獻標識碼中：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0120-03

人類社會快速發(fā)展，能源問題已經(jīng)成為21世紀人類面臨的最大挑戰(zhàn)。哥本哈根會議后，世界各國積極展開了對于可再生、無污染的新能源開發(fā)和利用。海洋作為地球上最大的資源寶庫，其蘊含的潮汐能、波浪能、風能都是可再生能源。波浪能是這幾種能源形式中最常見，且能量密度較高的能源，對于波浪能的開發(fā)已經(jīng)成為新能源開發(fā)的熱潮。

隨著科學家對壓電材料和壓力發(fā)電技術(shù)的研究深入，各國學者開始嘗試將壓電材料與波浪發(fā)電相結(jié)合。由于壓電材料能實現(xiàn)其他形式的能量到電能的直接轉(zhuǎn)化，相對于傳統(tǒng)的電磁發(fā)電原理有明顯的優(yōu)勢，研究者們研發(fā)了許多波浪壓電發(fā)電裝置，甚至國內(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)濟效益。但同時這些波浪壓電發(fā)電裝置也有許多值得改進的地方，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、裝置的最佳的機電耦合等問題。下面將回顧波浪壓電發(fā)電技術(shù)的主要研究歷程和國內(nèi)最新研究成果，并綜合現(xiàn)有成就提出改進方法和研究展望。

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發(fā)相結(jié)合，設(shè)計出了如圖1所示的波浪壓電發(fā)電裝置。該裝置由3個主要部分組成，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片狀壓電片組成的壓電發(fā)電機，下部是用錨索將整個裝置固定在海底。整個裝置異常簡潔，制作方便，成本低。對該模型的發(fā)電原理分析：海洋中波浪的起伏將帶動上部浮體產(chǎn)生豎直方向的運動，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。對該模型的效率進行理論分析：在波浪壓電發(fā)電的研究過程中，會涉及能量從波浪能到電能的轉(zhuǎn)化效率問題，該裝置利用機械能作為中間轉(zhuǎn)化能量，而且轉(zhuǎn)化的過程非常簡潔，消滅了許多由于機械傳動、摩擦帶來的能量損失。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、該裝置沒有考慮波浪波高大小與壓電片縱向應(yīng)變大小的匹配問題等。Burns的裝置雖然簡陋，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)計出一款思路奇特的波浪紊流壓電發(fā)電裝置（見圖2）。水流在流經(jīng)不光滑區(qū)域時將產(chǎn)生紊流，紊流的產(chǎn)生導(dǎo)致了水動能的損失，損失的這部分能量成為紊動能。Taylor利用水動力學里的這一基本原理，將壓電片放置在阻流板之后，當有水流通過阻流板時，阻流板后方將產(chǎn)生紊流，此時紊流直接擊打壓電片，使之產(chǎn)生微小應(yīng)變，通過電路收集到電流。該裝置的設(shè)計新穎獨特，實現(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，當桅桿隨波浪上下運動時，桅桿上的撥片波動懸臂梁，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，稱之為壓電振子。由壓電振子振動達到壓電發(fā)電的效果。該裝置的最大優(yōu)點在于它解決了波浪頻率過低且極不穩(wěn)定的問題，在壓電發(fā)電領(lǐng)域首創(chuàng)壓電振子，實現(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的研究者提供了很好的思路。

2 國內(nèi)波浪壓電發(fā)電的最新研究進展

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、紊流致動式和增頻式。我國對波浪壓電發(fā)電技術(shù)研究開始較遲，但近些年國內(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，清華大學張永良[4]教授總結(jié)前面學者的研究成果，提出了一種新型波浪壓電發(fā)電裝置（見圖4）。該裝置主要由浮體和壓電發(fā)電機組成。整個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，在波浪來時隨浮體一起豎向運動，此時劃片波動壓電振子，利用壓電片的特性實現(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的垂直運動。該裝置具有幾個明顯優(yōu)點：浮體的功能獨立，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；錯動的布置壓電振子充分利用了空間。該裝置也存在不足之處：由于整個裝置浮在海面，重心過高，穩(wěn)定性降低。壓電發(fā)電機一直受振動，對材料的強度要求較高。裝置的具體幾何尺寸和仿真模擬還有待進一步研究。

2014年，大連理工大學杜小振[5]設(shè)計出一種振蕩浮子式凸輪壓電發(fā)電裝置（見圖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)電機組成。根據(jù)計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。在波浪來時，球形浮體將隨波浪產(chǎn)生豎直方向的運動，固定在海底的錨索上下運動將帶動凸輪轉(zhuǎn)動，再推動平底推桿上下運動，再借助傳力機構(gòu)將波浪力作用在堆疊的壓電片上，實現(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，有理論和實驗的基礎(chǔ)，結(jié)合了機械原理，能實現(xiàn)較好的波浪能發(fā)電。

2016年四川大學碩士余曉祥[6]設(shè)計的一種植物消浪原理與壓電發(fā)電結(jié)合的裝置（見圖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，進一步拓展得到的壓電發(fā)電新裝置。

2016年，清華大學博士林政[7]在其導(dǎo)師張永良教授的指導(dǎo)下完成了對先前張永良教授設(shè)計的新型波浪壓電發(fā)電裝置的改進和創(chuàng)新。設(shè)計出了一種機械增頻式波浪壓電發(fā)電裝置（見圖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。整個裝置類似液壓缸，浮體及撥片是活塞。在波浪來時，浮體帶動撥片上下運動，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隨之發(fā)生形變。波浪波峰波谷的來回交替時浮體上下來回運動，通過該裝置將波浪能轉(zhuǎn)化為電能。林政還通過建立該裝置的數(shù)學模型進行數(shù)值仿真模擬，并制作了相應(yīng)的物理模型，開展了相關(guān)的實驗研究，得到了許多關(guān)于波浪壓電發(fā)電中機電耦合的許多結(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

進過幾十年的研究，國內(nèi)和國外在波浪壓電發(fā)電領(lǐng)域都已取得一定的成就，而科學研究的道路是永無止境的，以下提出幾點在今后波浪壓電發(fā)電領(lǐng)域中值得深入研究探討的問題。

波浪是極不穩(wěn)定的能源形式，要實現(xiàn)利用波浪壓電原理輸出穩(wěn)定有效的電流，需要對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、頻率等特性的隨機性和不確定性，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)鍵問題。

為了提高波浪壓電發(fā)電的效率，許多學者都將已有的裝置做出了很大的優(yōu)化設(shè)計，但除了在已有的裝置基礎(chǔ)上加以優(yōu)化改進，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)是一項集多種學科為一體的綜合技術(shù)，需要研究者有足夠的專業(yè)知識儲備和創(chuàng)新動手的能力。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。如何通過壓電發(fā)電裝置實現(xiàn)微小型用電設(shè)備的自我產(chǎn)電用電一體化，需進一步不斷地進行理論探討和實驗研究。

參考文獻

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[3] Murray R，Rastegar J.Novel two-stage piezoelectric-based ocean wave energy harvesters for moored or unmoored buoys[A].Proceedings of SPIE-Active and passive smart structure and integrated systems[C].San Diego：SPIE，2009，7288：72880E.

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[5] 杜小振，趙繼強，王一然，等.浮標式波浪能壓電發(fā)電技術(shù)研究[J].海洋技術(shù)學報，2014，33（6）：90.

[6] 俞曉祥.植物區(qū)水流特性與壓電發(fā)電結(jié)合的新思路[J].江蘇水利，2016（9）：65.

[7] 林政.機械增頻式波浪壓電發(fā)電裝置特性的研究[D].北京：清華大學，2015.