申超男， 楊翠竹， 李 磊

(浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的波浪能和水，波浪能具有能量密度高、分布廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種易于開發(fā)利用、環(huán)?？煽康目稍偕茉碵1]。

現(xiàn)有較為成熟的波浪能發(fā)電裝置，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不可靠，發(fā)電裝置的初期投入成本較高，回本周期長，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。而小型化的波浪能壓電發(fā)電裝置雖簡單可靠，運(yùn)營難度小，但其發(fā)電功率和效率受波浪頻率、波浪波幅、季節(jié)變換等多方面因素的限制，因此發(fā)電功率較小，應(yīng)用難度較大[2]。

壓電陶瓷是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能之間能量互換的信息功能材料[3]。在機(jī)械應(yīng)力作用下，壓電陶瓷內(nèi)部正負(fù)電荷中心因相對位移而發(fā)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致壓電材料的兩端表面產(chǎn)生異種束縛電荷，將極化電荷整流后收集即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的利用。對于波浪能的開發(fā)，可利用壓電發(fā)電載體先將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由壓電陶瓷將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[4]。優(yōu)化壓電發(fā)電載體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高中間環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)化效率可有效提高波浪能利用率[5]。

1 壓電發(fā)電載體

1.1 懸臂梁式壓電陶瓷片

壓電發(fā)電載體中的壓電片選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，此類型的壓電陶瓷居里點(diǎn)較高，在較低或者較高的溫度條件下都能保持優(yōu)良的機(jī)械性能。壓電片的形狀選用矩形，與其他形狀的薄片壓電振子相比，此時較小的應(yīng)力即可使壓電振子獲得較大的形變量，壓電效應(yīng)更明顯。

將壓電陶瓷片離散地布置在兩層金屬基板之間，電路并聯(lián)之后封裝，獲得的電能經(jīng)整流后由并聯(lián)的超級電容器存儲并收集，如圖1所示。金屬基板選用厚度為0.5 mm的長條形不銹鋼，壓電片與金屬基板的厚度比取最佳值0.6[6]，此時發(fā)電效率預(yù)估為6%～8%。

圖1 懸臂梁式壓電陶瓷片

1.2 增頻式壓電載體設(shè)計(jì)

增頻式壓電載體可將低頻不規(guī)則的波浪運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電能[7]，以此利用波浪能為低功耗用電設(shè)備提供長期持續(xù)的電力供給。增頻式壓電載體的設(shè)計(jì)如圖2所示[8]。

圖2 增頻式壓電載體設(shè)計(jì)

該增頻式壓電載體結(jié)構(gòu)簡單，其增頻作用主要依賴齒輪齒條機(jī)構(gòu)、齒輪組等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。單臂粱式壓電片設(shè)計(jì)多層，一端與主浮島固定，另一端受滑桿撥動，滑桿的上下兩側(cè)用彈簧與上下固定端連接，使滑桿每一次振動之后都可快速恢復(fù)到初始位置[9]。

壓電載體中浮島與齒條相連接，既起到了支撐固定的作用又可將波浪能引入發(fā)電裝置。從動輪設(shè)計(jì)6齒，主動輪設(shè)計(jì)18齒，浮島上浮下沉一次從動輪轉(zhuǎn)動10圈，可使壓電片受壓振動60次。壓電片受壓彎曲幅度可由壓電材質(zhì)與主齒輪尺度共同決定。

1.3 多浮島慣性輪增頻式壓電載體設(shè)計(jì)

多浮島慣性輪增頻式壓電載體設(shè)計(jì)運(yùn)用棘輪結(jié)構(gòu)與慣性飛輪結(jié)構(gòu)，使增頻絲桿脫離浮島鉗制，同時又不影響其對波浪能的采集[10]。如圖3所示。

圖3 多浮島慣性輪增頻式壓電載體設(shè)計(jì)圖

在多浮島慣性輪增頻式壓電載體設(shè)計(jì)中，側(cè)浮島隨波浪上下浮動推動浮島連桿向上移動，連桿驅(qū)動主輪轉(zhuǎn)動完成圓周運(yùn)動。主輪與從動輪嚙合，從動輪與飛輪同軸線，兩輪之間的轉(zhuǎn)軸用棘輪結(jié)構(gòu)連接，當(dāng)從動輪順時針轉(zhuǎn)動時可驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動，從動輪逆時針轉(zhuǎn)動則不可驅(qū)轉(zhuǎn)慣性飛輪。飛輪每轉(zhuǎn)動1個齒均推動滑桿向下移動，滑桿每次下降后又可快速恢復(fù)到初始位置。

由于主輪在豎直空間位置進(jìn)行圓周運(yùn)動，因此圓周運(yùn)動速率必不均勻，最大速率與最小速率之間差別較大。當(dāng)主輪轉(zhuǎn)速較大時，給飛輪添加轉(zhuǎn)動能量，可加快飛輪轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而增加壓電片受振頻率。當(dāng)主輪轉(zhuǎn)速較低時，飛輪因慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速不受主輪轉(zhuǎn)速鉗制。多浮島慣性輪增頻式壓電載體整體設(shè)計(jì)效果如圖4所示。該裝置具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)機(jī)械設(shè)計(jì)，減幅增頻。既避免了波浪波高較大與壓電片所需應(yīng)變較小之間的矛盾，又減小壓電陶瓷振動幅度，可減少壓電材料因大幅受振造成的損耗[11]。(2)增加壓電振子振動頻率，有效提高壓電裝置發(fā)電功率和效率。

圖4 多浮島慣性輪增頻式壓電載體整體設(shè)計(jì)

1.4 壓電裝置效果分析

1.4.1 增頻式壓電載體效果分析

在試驗(yàn)條件下，將主浮島固定于海岸，側(cè)浮島隨波運(yùn)動，取起始點(diǎn)后相等時間間距的8個觀測點(diǎn)對應(yīng)的電流作為觀測值。增頻式壓電載體參數(shù)信息如表1所示，增頻式壓電載體觀測值曲線如圖5所示。

表1 增頻式壓電載體參數(shù)對照表

圖5 增頻式壓電載體觀測值曲線

1.4.2 多浮島慣性輪增頻式壓電載體效果分析

多浮島慣性輪增頻式壓電載體的試驗(yàn)測試不同于增頻式壓電載體，將壓電載體置于近海海面，與海岸間距大于20 m，以此減緩海岸回浪對試驗(yàn)結(jié)果的影響[12]，此時水深也可達(dá)到要求。拋錨穩(wěn)住主浮島，同樣取起始點(diǎn)后相等時間間距的8個觀測點(diǎn)對應(yīng)的電流作為觀測值。多浮島慣性輪增頻式壓電載體參數(shù)信息如表2所示，多浮島慣性輪增頻式壓電載體觀測值曲線如圖6所示。

表2 多浮島慣性輪增頻式壓電載體參數(shù)對照表

圖6 多浮島慣性輪增頻式壓電載體觀測值曲線

2 海洋監(jiān)測系統(tǒng)

壓電發(fā)電裝置主要應(yīng)用于海洋監(jiān)測、環(huán)境檢測等領(lǐng)域低功耗無線傳感器設(shè)備的自主供電，基于此類條件，須保證海洋監(jiān)測系統(tǒng)能夠在長期無人駐守的情況下，自主完成指定數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送等任務(wù)[13]。在運(yùn)作方式上，此系統(tǒng)與上位機(jī)相連，以保證在洋面無人工操作的情況下順利完成實(shí)時的數(shù)據(jù)采集。采集完成的數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過專用的應(yīng)用軟件對獲得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、統(tǒng)計(jì)和顯示等處理工作[14]。

信息采集部分主要包括具有3種串行接口的不同種類傳感器，可實(shí)現(xiàn)對洋面氣壓、溫度和傾角等信息的多參數(shù)檢測。

基于上述目標(biāo)，海洋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如圖7所示。

圖7 海洋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架

3 技術(shù)與使用說明

3.1 使用說明

壓電發(fā)電裝置可適應(yīng)各種水位，可不間斷運(yùn)行，提高了裝置的實(shí)用性。其在淺水區(qū)可用錨固定，在深水區(qū)可依附于其他海上設(shè)備，浮島式載體可隨波調(diào)整姿態(tài)，適應(yīng)微幅進(jìn)行波起伏運(yùn)動，可搭配風(fēng)向儀實(shí)時記錄風(fēng)向、風(fēng)速信息，輔助本設(shè)備完成復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的環(huán)境監(jiān)測等任務(wù)。基于壓電效率和傳輸信息等方面的考慮，自給式檢測平臺被設(shè)計(jì)為每隔4 h檢測1次，在檢測完成后存儲并發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。自給式海洋監(jiān)測系統(tǒng)工作說明如圖8所示。

圖8 自給式海洋監(jiān)測系統(tǒng)工作說明

3.2 實(shí)地測試

在實(shí)地測試中將海洋監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為溫度，測試時間為24 h，海洋監(jiān)測系統(tǒng)自動對近海洋面在2、6、10、14、18、22等6個時間段的溫度進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)存儲，將采集數(shù)據(jù)繪制成變化曲線如圖9所示。

圖9 海洋監(jiān)測系統(tǒng)采集洋面溫度數(shù)據(jù)

3.3 應(yīng)用前景

提出的新型水上節(jié)能發(fā)電設(shè)備，引入壓電效應(yīng)，可取代傳統(tǒng)的電池供電方式，適用于低功耗無線傳感器設(shè)備的自主供電需求，例如海洋環(huán)境監(jiān)測、海面油膜檢測等。

另一方面，本產(chǎn)品還可應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壓電自適應(yīng)電源，如海上自給式軍事節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而維持低能耗水上電力設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 語

針對海上復(fù)雜多樣的環(huán)境與檢測設(shè)備需長期保證電能供應(yīng)的需求，利用波浪能壓電裝置供電的海洋監(jiān)測系統(tǒng)可在洋面長期無人駐守的情況下，順利完成指定數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送等任務(wù)，同時該研究也為低功耗無線傳感設(shè)備在海上長期搭載提供了一種可選方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：增加振動頻率可有效提高壓電設(shè)備的電流與效率。該試驗(yàn)裝置在24 h洋面溫度實(shí)測中凸顯出良好的性能，具備優(yōu)良的適應(yīng)性與穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。