基于压电效应的波流联合发电装置研究

基于压电效应的波流联合发电装置研究闫学勇（上海大学机械与工程学院200000）摘要：针对现有海洋波浪发电装置普遍存在的效率较低，发电量有限，仅利用单一能源的不足，作者对现有装置进行合理的整合，构思出了一种新型综合利用海洋波浪能及潮流能的压电发电装置。该装置在现有的压电发电装置的基础上，做出了改造和叠加，从而实现对海水动能的充分利用，增大发电量的目的。关键词：压电效应；海水可再生能源；潮流能；波浪能StudyonUnitedGeneratorbyUsingEnergyofOceanWaveandTidalCurrentbasedonPiezoelectricEffectAimtotheexistingoceanwaveubiquitousgenerationhasthelowefficiency,generatingcapacityislimitedandtheshortageofusingthissingleenergy,theauthorintegratedtheexistinginstallationsreasonably.Heconceivedanewtypeofseaandwindpowerpiezoelectricgenerator.Thedevicebasedonthethreeexistingpiezoelectricgenerator,madethetransformationandoverlay,thus,achieveusingoceanWaveenergyandTidalenergytogether,itimprovedthepurposeofincreasingpowergeneration.Keywords:Piezoelectriceffect；Marinerenewableenergy；Tidalenergy；Waveenergy0引言各国经济的发展与综合国力的提升等各方面都离不开能源的开发与消耗。而随着地球上现有资源的日益减少，国与国之间的能源大战也是一触即发。于是如何去开发清洁环保的新能源成为各国刻不容缓的任务。海洋，占地球面积71%，拥有大量有待人类开发的资源。如今许多国家都将目光投向了这块神秘的蓝宝石。其中海洋能源中，海洋波浪能和潮流能都属于可再生的清洁能源，具有取之不尽用之不竭的优点。如果我们有效利用海洋中的波浪能和潮流能作为压电装置的振动源，以引起压电材料的形变，便可以实现机械能向电能的转换。而类似的装置发明也在国外取得了一定的进展[1]。目前，海洋波浪发电装置大致分为三种[2]：1.由Burns提出的浮体式波浪压电发电装置；2.由Taylor设计的利用漩涡发电的压电装置；3.由Murray和Rasteger提出的二级压电发电装置。而这三种模型仅利用了单一的海水动能：波浪能或潮流能，发电效率不高。所以作者想综合利用海水波浪能和潮流能。本文主要是将一种新型的涡致振动风力压电俘能器改造后，用潮流能代替风能，并与浮子式压电发电装置相结合，共同发电。1.压电发电装置工作原理及总体布局1.1压电发电的原理压电效应有正压电效应和逆压电效应之分。正压电效应为压电材料受到沿一定方向上外力而变形时，会有正负相反的电荷同时出现在它的相对表面，并且其内部还会出现极化现象。当外力撤去后，它又会恢复到原来不带电的状态。逆压电效应为当在压电材料的极化方向上施加电场时，压电材料会发生变形，当撤去电场后，形变随之消失[1]。而压电发电正是利用了正压电效应这一特点，当压电材料收到外界振动发生形变时，会有相反的电荷出现在其上下表面，从而实现由机械能向电能的转化，而当撤去外力时，压电材料又恢复原始状态[3]。如图1.F极化方向图1.压电发电原理1.2装置整体结构该装置总共分为两个部分如图2所示。上面部分为浮子式波浪能压电发电模块，采用的是经改造的Burns模型结构。主要由浮体，一对平行板，双活塞杆液压缸，以及夹持在其中的压电片和用于保护压电片的保护面板组成。其中，浮体漂浮在海面上，可以用来承受波浪上下振动。压电片会随着浮体随着波浪上下振荡而受到拉缩，此时便可将机械转化为电能[4]。不同于Burns模型的是，我们将浮子放在了压电片下面，使压电片置于海面上，从而不与海水直接接触。这样可以起倒很好的防腐防潮的效果。同时为了缓解浮子的冲程给压电片造成损坏，我们在浮体与压电片间加入了一个单杆双作用活塞式液压缸。下面部分为涡致振动型潮流能压电俘能器。主要由进气道，双扰流圆柱，套筒，亥姆赫兹谐振腔，PVDF压电薄膜和后盖组成。而在此之下还有用于锚定的定位锚和锚素。[5]当流体从进气道流入，此时流体会流经双扰流圆柱，流体会因为其表面摩擦力及压差阻力而出现卡门涡街的现象，同时流体会在边界层分离，并且在尾部产生涡流，接着又会有振荡流的产生，从而产生声波。此时声波会进入亥姆赫兹谐振腔，谐振腔内空气会被带动而发生振动，同时PVDF压电薄膜也会随之发生振动。起初，PVDF压电薄膜只是做受迫振动，空气的振动频率也与涡脱频率一致。但是因为空气振动加强，谐振腔会向进气道反射出声波，而该声波则是以自由振动频率为主，其中自由振动频率与谐振腔的固有频率一致，这一过程最终会导致涡旋脱落的频率等于谐振腔的固有频率，此时输出电能达到最大。[6]弹性压电片液压油缸弹性减震块浮球涡致振动型发电装置双扰流圆柱图2.装置整体结构。2．新型压电发电装置的各部分的可行性2.1浮标式波浪能压电发电模块2.1．1浮标式波浪能压电发电模块的受力情况及相应的发电量本装置的浮标式波浪能压电发电模块采用经改造Burns模型结构。如图3所示图3.浮标式波浪能压电发电模块现今以Burns浮体式播量压电装置为母型的压电设备较多，且发展较快。通过对现有的大量实验和研究发现此设备发电效率十分高。山东科技大学曾做过一个计算性实验以证明一种振荡浮子式波浪能压电发电装置的高转化率。我们参考他们的实验，在海水深度为5m,浪高为0.1m，波数为0.64的海况下，再取垂直绕射系数为1.2，来求直径为2m的浮体在t时刻所受的浮力：FtFtFtgvtFt总浮静浮动浮海水动浮（）（）（）（）（），而动浮力幅值为mvFCgH(ABtanhkh海水）,所以浮子浮力可表示为:()=F)=()(tanh)cosFtFgvtCvgHABkht总浮静浮动浮海水海水（t）（（t）取CV＝1.1，ρ海水=1.025×103kg/m3，g=9.8N/kg，T=2.5s，λ=9.75m，H＝0.1m，k＝0.64，h＝5m,r＝1m，ω=2.512，zm=0.095m。，代入上式的计算得到浮子捕获波浪力幅值为1500N。最后我们得到浮子的总浮力周期性变化曲线如图4所示。图4.浮子总浮力周期性变化曲线图当我们取极化过的含铅压电陶瓷为压电片，取压电常数d33=800pV/N。根据公式2.5330=dVFdt总浮（为方便计算在求F总浮对时间t的积分时，我们可以把图三在一个周期内的图形近似看成一个三角形，再进行面积修正，得到面积2.50Fdt总浮大致为2000），因此得在一个周期内，即2.5秒内，大致可产生1.6V的电量。[4]2.1.2浮标式波浪能压电发电模块各部分的特别说明因为Burns模型有一个较大的缺陷，便是压电片和浮体运动缓冲的问题，即浮体随波浪运动，有时会有1m以上的冲程，这相比于压电片几毫米的量级的形变是在太大。压电片很容易会被拉坏[3]。为了解决这一问题，本文采用单杆双作用活塞式液压缸对量程起到缓冲作用如图5所示。众所周知，液压缸是一种可以实现从液压能向机械能的转化，同时做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它具有结构简单、工作可靠等优点。而我们采用的单杆双作用活塞式液压缸只是在活塞的一侧设有活塞杆，所以两腔的有效作用面积不等。在供油量相同的条件下，不同腔进油时，活塞的运动速度不同；在需克服的负载力相同的条件下，不同腔进油，所需要的供油压力不同。因为我们采用液压缸的目的是减小浮子的大量程对只有小形变的压电片的损害，所以我们只需让供油相同，令活塞的运动速度不同。然后我们根据24DA,vQA,(D为液压缸有效活塞直径；Q为流量)。可知当我们将小面积A1的油缸与浮子相连，将大面积A2的油缸与夹持压电片的平板相连，便可得出21=vAvA浮子压电片,从而可以使压电片的形变缩小到浮子冲程的21AA倍[7]。如图3所示。防尘圈密封圈保护垫环液压油主动活塞被动活塞图3.液压缸与此同时，我们将浮体设置为球体。因为在相同情况下，圆柱体所受浮力相对最大，其次为球体，但是考虑到圆柱体吸收特性差，球体吸收特性强，综合考量下，我们选择了球体浮子。并且为了解决压电片的防腐防潮的问题，我们将浮子至于压电片的下方，避免了压电片与海水的直接接触。因此该模块从上到下依次是夹持在一对平行办间的压电片，弹性防震块，液压缸，球形浮子。2.2涡致振动潮流能压电俘能器2．2.1涡致振动潮流能压电俘能器的可行性涡致振动潮流能压电俘能器整体结构如下：图6.涡致振动潮流能压电俘能器整体结构华南农业大学曾做过对涡致振动型压电俘能器流场数值模拟与试验。他们通过用Fluent的数值分析发现双扰流圆柱相比于单扰流圆柱可产生较强的压强波动，并且压强差在LD=2.2时达到最大（其中L为双扰流圆柱圆心之差，D为扰流圆柱的直径）。并且从数值结果及试验中均表明，当亥姆赫兹谐振腔内气体在振荡流作用下，腔内会产生谐振，且振动频率都即共振腔的固有频率。同时该装置在10m/s的风速下可产生3.4V的开路电压峰值。可见其在风能条件下十分适用。同样的我们将此装置置于海水中只要说明潮流能否形成稳定的卡门涡街并激励共振腔发生谐振以及其正常速度下能否产生可观的电量这两点即可证明其可行性。[7]因为涡流尾流的涡脱频率与雷诺数Re有关[6]ReUD其中U为流体流速，D为扰流圆柱直径，为流体的运动学粘性系数。因为当雷诺数在150×105—3×105之间时，涡流则会以一个相对稳定的频率周期性脱落，且涡脱濒临为[8]tsSUfD其中tS为斯特劳哈尔数，对于大雷诺数其值为0.2.与风能相比，海水运动学粘性系数海水≈1.3×10-6m2/s,空气的运动学粘性系数空气≈1.7×10-5m2/s。可见在日常风速与日常潮流速度下，海水的雷诺数更大，更易形成稳定的卡门涡街。[6]对于潮流能能否像风能一样产生可观的电量，我们可以从发电原理解释说明，当流体进入进气道，因为扰流圆柱的存在而产生声波，声波进入亥姆赫兹共振腔，并引起腔内空气的振动，从而引起压电材料的形变，达到发电目的。也就是腔内空气振动越剧烈，即腔内空气静压越大，压电材料形变越大，产生的电量也就越多。同时我们知道当共振腔入口处流体压力越大，产生的声波越大，从而腔内空气静压越大。而我们知道当亥姆赫兹谐振腔的振动频率与其固有频率相同时，腔内的气体压强就会被放大，放大倍数可以表示为'3chin=2(/)PAVlSP[9]其中chP为腔内气体的压强，inP颈部入口处流体的压强，'l为短管的有效长度，V为空腔容积,S为短管的截面积。同时我们根据()xyzFmfifjfk[10]m为流体质量，空气密度，海水密度可知，当流体体积一定时，海水的质量更大，相应地海水的压力更大。所以在相同条件下，采用海水产生的电量将比风能更多。2.2.2亥姆赫兹谐振腔的介绍及结构设计因为亥姆赫兹谐振腔结构简单、声学特性显著，现在在声音增强和噪声抑制等领域都被广泛应用。它由一个空腔和颈部短管构成，如图7所示，其中底面圆板、侧面圆柱壳和顶面环形板共同组成了腔体部分，谐振腔的颈部则是由环形板上连接圆柱形短管形成，同时谐振腔的底面圆板为压电复合薄圆板。vlS底面圆板图7.亥姆赫兹谐振腔结构图3.新型发电装置的优缺点及其应用发展3.1优点及应用该设备在将现有的两种压电发电模型的基础上进行改造，既保全了原有设备优点，又针对工作对象与工作环境提高了其适应性。而且，不同于其他设备只收利用了单一能源的局限性，此设想既利用了海洋中的波浪能，又利用了