閆澤霖++弓新潔++張?zhí)斐?+歐陽嘉藝

摘 要：自居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應后，國內(nèi)外許多科學家在壓電材料及壓電發(fā)電技術領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，最后總結波浪壓電發(fā)電技術，提出改進方法和研究展望。

關鍵詞：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、裝置的尺寸及結構優(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)相結合，設計出了如圖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)生微小應變，通過電路收集到電流。該裝置的設計新穎獨特，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，提高了裝置的適應范圍。

2009年，Murry和Rastegar[3]設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，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根導向柱和1根中間傳導柱。中間傳導柱上有劃片，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。之后凸輪軸在復位彈簧的作用下恢復，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，結合了機械原理，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]設計的一種植物消浪原理與壓電發(fā)電結合的裝置（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]在其導師張永良教授的指導下完成了對先前張永良教授設計的新型波浪壓電發(fā)電裝置的改進和創(chuàng)新。設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、套筒和導桿、壓電振子和撥片組成，導桿穿過浮體中心，底端固結在海底，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，并制作了相應的物理模型，開展了相關的實驗研究，得到了許多關于波浪壓電發(fā)電中機電耦合的許多結論。林政的許多研究結論都是首創(chuàng)的，為波浪壓電發(fā)電打下了更好的理論基礎，將推動波浪壓電發(fā)電技術的繼續(xù)前行。

3 波浪壓電發(fā)電技術的研究展望

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)電裝置很難適應廣闊復雜的海況，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)電技術的關鍵問題。

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)化設計，但除了在已有的裝置基礎上加以優(yōu)化改進，研究者還應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)電技術是一項集多種學科為一體的綜合技術，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

[1] Burns J R.Ocean wave energy conversion using piezoelectric material members[R].US，1987.

[2] Taylor G W，Burns J R，Kammann S M，et al. The energy harvesting eel： a small subsurface ocean/river power generator[J].Journal of Oceanic Engineering，2001，26（4）：539-547.

[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.

[4] 張永良，林政.海洋波浪壓電發(fā)電裝置的進展[J].水力發(fā)電學報，2011，30（5）：145-148.

[5] 杜小振，趙繼強，王一然，等.浮標式波浪能壓電發(fā)電技術研究[J].海洋技術學報，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.