波浪能驱动的往复式压电发电研究
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波浪能驱动的往Fra Baidu bibliotek式压电发电研究
摘要：本文提出了一种用于海洋发电的往复式压电发电装置，通过理论分析得出，在高频率、压电片并联和最佳外接负载阻值的情况下装置的发电特性更好。单个压电振子可以达到毫瓦级的发电量，并就此进行了试验验证。关键词：压电发电悬臂梁波浪能波浪能作为一种清洁的可再生能源，早在一个世纪前，人类就开始着手对它进行研究。上世纪70年代中期，人们才开始认真地研究波浪能的实际利用技术。此后有多个国家开展了波浪能的研究，各国先后提出了约340多种不同设计方案的科学设想，并出现了许多精妙而有趣的波能发电装置。典型的波浪能发电方式有三类：波浪能—空气压力—空气涡轮机—发电机；波浪能—油压—油动机—发电机；波浪能—水位差—水轮机—发电机。但是这些装置从波浪能到电能的转换环节多，对装置的要求高，极易受到海浪的破坏，需要经常维修，因此人们开始寻求更为简单可靠的波浪发电方式。利用压电聚合物的发电特性，美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司已试制出1～10千瓦的小型实验性海浪压电发电系统。这种发电系统虽然结构简单，但是所发电能的频率受到波浪频率的限制。本文提出的波浪能驱动的往复式压电发电装置，先将波浪能转换为浮体上下运动的动能，然后通过压电振子直接转换为电能。这种系统所发电能频率不再受波浪频率的限制，而且此装置简单可靠，易于实现。1、波浪能驱动的往复式压电发电装置结构及功率计算图1波浪能驱动的往复式压电发电装置结构示意图波浪能驱动的往复式压电发电装置结构如图1所示，梁的自由端受到正弦力。悬臂梁压电振子的振动频率与波浪的频率成正弦关系。(1)式中是压电振子的最大振动频率（），是波浪的频率（）。得到波浪能驱动的往复式压电发电装置中单个悬臂梁压电振子的瞬时功率为电极串联：(2)为压电梁的等效刚度(3)式中：压电振子的输出电流（a），压电片宽度（mm），压电片厚度(mm)，悬臂梁自由端所受最大力(n)，压电应变常数（），金属垫片厚度（mm），压电振子的振动频率（），压电梁的总厚度（mm），压电片长度（mm），弹性柔顺常数（），介电常数（），压电材料的杨氏模量（gpa），一维截止介电常数，横向机电耦合系数，系数，，，金属垫片材料的杨氏模量（gpa）。电极并联(4)上述三公式及电极并联时的计算公式是在悬臂梁端部位移[6]的基础上推导得出的。单个悬臂梁压电振子的平均功率为，为波浪的周期。2、波浪能驱动的往复式压电发电装置的试验研究试验选用青岛国林压电科技有限公司的pzt-5a压电陶瓷片。由于南中国海波浪周期约在5~6s，所以在本文的所有模拟及试验当中波浪的周期都选为5s。试验装置图如图2所示，其中圆柱凸轮的轨迹线为正弦曲线。试验装置中所用压电片参数如下：几何参数38mm×38mm×0.2mm，，，，，；不锈钢片参数如下：43mm×38mm×0.2mm，。图2试验装置图图3平均输出功率随频率的变化图3为在外接负载阻值为1.8mω，外载荷为3n的试验条件下，平均输出功率随频率的变化。通过试验，验证了平均功率随着频率的升高而增大，当频率达到一定值之后，平均功率的增大变缓，所以实际中只要使频率达到适当值就可以。由于试验中的损耗和误差，使得测量值相对理论值偏小。图4平均输出功率随振动幅值的变化图5平均输出功率随外接负载阻值的变化图4为在外接负载阻值为1.8mω，振动频率为10π的试验条件下，平均输出功率随外载荷的变化。通过试验，验证了平均输出功率随振动幅值的增大而升高。但是在实际当中应当考虑材料的使用寿命，选取合适的振动幅值。图5为在振动频率为10π，外载荷为4.3n的试验条件下平均输出功率随外接负载阻值的变化。通过试验，验证了压电振子在最佳的外接负载阻值时平均输出功率最大，由于试验中的损耗和误差，使得测量值相对理论值偏小。从上述的试验数据可以看出，试验结果与模拟值得到了较好的吻合，验证了理论分析的正确性，为进一步的研究提供了依据。由于理论分析时没有考虑实际的机械损失，而且实际测量的结果存在一定的误差，所以试验值相对理论值偏小。3、结语(1)本文提出的波浪能驱动的往复式压电发电装置简单可靠，易于实现，而且其发电频率不在受限于波浪的频率。(2)通过理论分析波浪能驱动的往复式压电发电装置的平均输出功率会随着振动频率和振动幅值的增大而增大，所以要尽可能的提高振动频率，并在充分考虑材料疲劳强度的情况下选取较大的振动幅值；发电装置在最佳的外接负载阻值下具有最佳的平均输出功率，所以其它参数确定的情况下尽可能的使外接阻值接近最佳阻值。(3)通过试验验证了理论分析的正确性，由试验中的机械损失和误差，使得试验值比理论值偏小。参考文献[1]mccormick, m., e. ocean wave energy conversion[m], john wiley&sons, inc., n. y,1981: 57-75.[2]李仕成.振荡浮子式波能转换装置性能的实验研究[d],大连:大连理工大学,2006:1-4.[3]叶紫.海浪发电:取之不尽的海洋能[j],百科知识,2000,(01).[4]gossett a.campbell and raj mutharaan.sensing of liquid level at micron resolution using self-exited millimeter-sized pzt-cantilever[j].sensors and actuators a,2005,122:326-334.[5]qing-ming wang and l.eric cross.constitutive equations of symmetrical triple layer piezoelectric benders[j].ieee transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control, 1999,46(6):1343-1351.[6]魏双会.压电陶瓷发电特性及其应用研究[d],大连:大连理工大学,2007:24-29.[7]lu wei, su qiucheng. the analysis on the wave power resources of 100kw shore line wave power station at zhelang[c] //proc. the third european wave power conference. greece,1998.[8]栾桂冬,张金铎,王仁乾编著,压电换能器和换能器阵[m],北京大学出版社,2005,7:89-100.[9]闻邦椿,李以农,张义民,宋占伟编著,振动利用工程[m],科学出版社,2005,8:237-240.[10]袁江波,谢涛,陈维山,肖娜.悬臂梁压电发电装置的实验研究[j],振动与冲击,2009,28(7):69-72.
摘要：本文提出了一种用于海洋发电的往复式压电发电装置，通过理论分析得出，在高频率、压电片并联和最佳外接负载阻值的情况下装置的发电特性更好。单个压电振子可以达到毫瓦级的发电量，并就此进行了试验验证。关键词：压电发电悬臂梁波浪能波浪能作为一种清洁的可再生能源，早在一个世纪前，人类就开始着手对它进行研究。上世纪70年代中期，人们才开始认真地研究波浪能的实际利用技术。此后有多个国家开展了波浪能的研究，各国先后提出了约340多种不同设计方案的科学设想，并出现了许多精妙而有趣的波能发电装置。典型的波浪能发电方式有三类：波浪能—空气压力—空气涡轮机—发电机；波浪能—油压—油动机—发电机；波浪能—水位差—水轮机—发电机。但是这些装置从波浪能到电能的转换环节多，对装置的要求高，极易受到海浪的破坏，需要经常维修，因此人们开始寻求更为简单可靠的波浪发电方式。利用压电聚合物的发电特性，美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司已试制出1～10千瓦的小型实验性海浪压电发电系统。这种发电系统虽然结构简单，但是所发电能的频率受到波浪频率的限制。本文提出的波浪能驱动的往复式压电发电装置，先将波浪能转换为浮体上下运动的动能，然后通过压电振子直接转换为电能。这种系统所发电能频率不再受波浪频率的限制，而且此装置简单可靠，易于实现。1、波浪能驱动的往复式压电发电装置结构及功率计算图1波浪能驱动的往复式压电发电装置结构示意图波浪能驱动的往复式压电发电装置结构如图1所示，梁的自由端受到正弦力。悬臂梁压电振子的振动频率与波浪的频率成正弦关系。(1)式中是压电振子的最大振动频率（），是波浪的频率（）。得到波浪能驱动的往复式压电发电装置中单个悬臂梁压电振子的瞬时功率为电极串联：(2)为压电梁的等效刚度(3)式中：压电振子的输出电流（a），压电片宽度（mm），压电片厚度(mm)，悬臂梁自由端所受最大力(n)，压电应变常数（），金属垫片厚度（mm），压电振子的振动频率（），压电梁的总厚度（mm），压电片长度（mm），弹性柔顺常数（），介电常数（），压电材料的杨氏模量（gpa），一维截止介电常数，横向机电耦合系数，系数，，，金属垫片材料的杨氏模量（gpa）。电极并联(4)上述三公式及电极并联时的计算公式是在悬臂梁端部位移[6]的基础上推导得出的。单个悬臂梁压电振子的平均功率为，为波浪的周期。2、波浪能驱动的往复式压电发电装置的试验研究试验选用青岛国林压电科技有限公司的pzt-5a压电陶瓷片。由于南中国海波浪周期约在5~6s，所以在本文的所有模拟及试验当中波浪的周期都选为5s。试验装置图如图2所示，其中圆柱凸轮的轨迹线为正弦曲线。试验装置中所用压电片参数如下：几何参数38mm×38mm×0.2mm，，，，，；不锈钢片参数如下：43mm×38mm×0.2mm，。图2试验装置图图3平均输出功率随频率的变化图3为在外接负载阻值为1.8mω，外载荷为3n的试验条件下，平均输出功率随频率的变化。通过试验，验证了平均功率随着频率的升高而增大，当频率达到一定值之后，平均功率的增大变缓，所以实际中只要使频率达到适当值就可以。由于试验中的损耗和误差，使得测量值相对理论值偏小。图4平均输出功率随振动幅值的变化图5平均输出功率随外接负载阻值的变化图4为在外接负载阻值为1.8mω，振动频率为10π的试验条件下，平均输出功率随外载荷的变化。通过试验，验证了平均输出功率随振动幅值的增大而升高。但是在实际当中应当考虑材料的使用寿命，选取合适的振动幅值。图5为在振动频率为10π，外载荷为4.3n的试验条件下平均输出功率随外接负载阻值的变化。通过试验，验证了压电振子在最佳的外接负载阻值时平均输出功率最大，由于试验中的损耗和误差，使得测量值相对理论值偏小。从上述的试验数据可以看出，试验结果与模拟值得到了较好的吻合，验证了理论分析的正确性，为进一步的研究提供了依据。由于理论分析时没有考虑实际的机械损失，而且实际测量的结果存在一定的误差，所以试验值相对理论值偏小。3、结语(1)本文提出的波浪能驱动的往复式压电发电装置简单可靠，易于实现，而且其发电频率不在受限于波浪的频率。(2)通过理论分析波浪能驱动的往复式压电发电装置的平均输出功率会随着振动频率和振动幅值的增大而增大，所以要尽可能的提高振动频率，并在充分考虑材料疲劳强度的情况下选取较大的振动幅值；发电装置在最佳的外接负载阻值下具有最佳的平均输出功率，所以其它参数确定的情况下尽可能的使外接阻值接近最佳阻值。(3)通过试验验证了理论分析的正确性，由试验中的机械损失和误差，使得试验值比理论值偏小。参考文献[1]mccormick, m., e. ocean wave energy conversion[m], john wiley&sons, inc., n. y,1981: 57-75.[2]李仕成.振荡浮子式波能转换装置性能的实验研究[d],大连:大连理工大学,2006:1-4.[3]叶紫.海浪发电:取之不尽的海洋能[j],百科知识,2000,(01).[4]gossett a.campbell and raj mutharaan.sensing of liquid level at micron resolution using self-exited millimeter-sized pzt-cantilever[j].sensors and actuators a,2005,122:326-334.[5]qing-ming wang and l.eric cross.constitutive equations of symmetrical triple layer piezoelectric benders[j].ieee transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control, 1999,46(6):1343-1351.[6]魏双会.压电陶瓷发电特性及其应用研究[d],大连:大连理工大学,2007:24-29.[7]lu wei, su qiucheng. the analysis on the wave power resources of 100kw shore line wave power station at zhelang[c] //proc. the third european wave power conference. greece,1998.[8]栾桂冬,张金铎,王仁乾编著,压电换能器和换能器阵[m],北京大学出版社,2005,7:89-100.[9]闻邦椿,李以农,张义民,宋占伟编著,振动利用工程[m],科学出版社,2005,8:237-240.[10]袁江波,谢涛,陈维山,肖娜.悬臂梁压电发电装置的实验研究[j],振动与冲击,2009,28(7):69-72.