波浪压电发电技术的研究现状及进展

闫泽霖++弓新洁++张天成++欧阳嘉艺

摘 要：自居里兄弟发现压电效应后，国内外许多科学家在压电材料及压电发电技术领域都已取得许多进展。该文回顾了自1983年Burns首次提出波浪压电发电想法后所诞生的一系列重要的波浪压电发电装置，介绍了近几年来国内研究者在波浪压电发电方面取得的重要成就，最后总结波浪压电发电技术，提出改进方法和研究展望。

关键词：波浪能 压电发电 能量转化 机电耦合

中图分类号：P743 文献标识码中：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0120-03

人类社会快速发展，能源问题已经成为21世纪人类面临的最大挑战。哥本哈根会议后，世界各国积极展开了对于可再生、无污染的新能源开发和利用。海洋作为地球上最大的资源宝库，其蕴含的潮汐能、波浪能、风能都是可再生能源。波浪能是这几种能源形式中最常见，且能量密度较高的能源，对于波浪能的开发已经成为新能源开发的热潮。

随着科学家对压电材料和压力发电技术的研究深入，各国学者开始尝试将压电材料与波浪发电相结合。由于压电材料能实现其他形式的能量到电能的直接转化，相对于传统的电磁发电原理有明显的优势，研究者们研发了许多波浪压电发电装置，甚至国内外都已建造了相关的波浪压电发电站，产生了一定的经济效益。但同时这些波浪压电发电装置也有许多值得改进的地方，例如如何提高装置的能量转化效率、装置在海洋环境中的防水防腐蚀、装置的尺寸及结构优化、装置的最佳的机电耦合等问题。下面将回顾波浪压电发电技术的主要研究历程和国内最新研究成果，并综合现有成就提出改进方法和研究展望。

1 波浪压电发电研究回顾

1983年，Burns[1]首次将压电材料与波浪开发相结合，设计出了如图1所示的波浪压电发电装置。该装置由3个主要部分组成，上部是捕获波浪能的浮体，中间是由两块夹持板夹持着中间的长片状压电片组成的压电发电机，下部是用锚索将整个装置固定在海底。整个装置异常简洁，制作方便，成本低。对该模型的发电原理分析：海洋中波浪的起伏将带动上部浮体产生竖直方向的运动，由于压电片的下端固定，压电片将产生应变，由压电片的压电特性从而产生电流。对该模型的效率进行理论分析：在波浪压电发电的研究过程中，会涉及能量从波浪能到电能的转化效率问题，该装置利用机械能作为中间转化能量，而且转化的过程非常简洁，消灭了许多由于机械传动、摩擦带来的能量损失。所以该装置的能量转化效率在理论上是很高的。该装置也存在如下问题：在复杂多变的海洋环境中，如何保證装置的稳定性和可靠性、该装置没有考虑波浪波高大小与压电片纵向应变大小的匹配问题等。Burns的装置虽然简陋，也存在考虑不足之处，但也为之后的研究者提供了重要参考。

2001年，Taylor[2]设计出一款思路奇特的波浪紊流压电发电装置（见图2）。水流在流经不光滑区域时将产生紊流，紊流的产生导致了水动能的损失，损失的这部分能量成为紊动能。Taylor利用水动力学里的这一基本原理，将压电片放置在阻流板之后，当有水流通过阻流板时，阻流板后方将产生紊流，此时紊流直接击打压电片，使之产生微小应变，通过电路收集到电流。该装置的设计新颖独特，实现了从波浪能到电能的直接性转化，省去中间的多余转化带来的能量损失，理论上大大提高了能量转化效率。该装置也避免了波浪波高太大与压电片所需应变较小的矛盾，在只要有水流动的地方都能使用，提高了装置的适应范围。

2009年，Murry和Rastegar[3]设计出了一款波浪压电发电装置，如图3所示。该装置核心主要是由桅杆和套筒组成，压电片设置在套筒内壁上依次排列的悬臂梁上，当桅杆随波浪上下运动时，桅杆上的拨片波动悬臂梁，但不直接挤压压电片，压电片随悬臂梁的屈曲而产生横向应变，称之为压电振子。由压电振子振动达到压电发电的效果。该装置的最大优点在于它解决了波浪频率过低且极不稳定的问题，在压电发电领域首创压电振子，实现了不定低频向稳定高频的转化，提高了压电发电的质量。压电振子模型为后来的研究者提供了很好的思路。

2 国内波浪压电发电的最新研究进展

以上的3种波浪压电发电技术，是现在研发波浪压电发电装置的三大基本原型，即直接耦合式、紊流致动式和增频式。我国对波浪压电发电技术研究开始较迟，但近些年国内众多研究者也取得了很多成就，下面甄选其中具有代表性的装置论述。

2011年，清华大学张永良[4]教授总结前面学者的研究成果，提出了一种新型波浪压电发电装置（见图4）。该装置主要由浮体和压电发电机组成。整个装置放置在一块大型的浮体上，浮体连接了4根导向柱和1根中间传导柱。中间传导柱上有划片，在波浪来时随浮体一起竖向运动，此时划片波动压电振子，利用压电片的特性实现波浪能转化为电能。四根导向柱用于确保压电振子和划片相对的垂直运动。该装置具有几个明显优点：浮体的功能独立，从而减轻了波能采集装置的荷载；外围马蹄形浮体，利用反射聚波原理聚波，增强了波浪能的收集；非接触式磁力作用减少了压电片的损耗；错动的布置压电振子充分利用了空间。该装置也存在不足之处：由于整个装置浮在海面，重心过高，稳定性降低。压电发电机一直受振动，对材料的强度要求较高。装置的具体几何尺寸和仿真模拟还有待进一步研究。

2014年，大连理工大学杜小振[5]设计出一种振荡浮子式凸轮压电发电装置（见图5）。该装置主要由外围的球形浮体、中间的锚索和位于浮体内部的压电发电机组成。根据计算可以得出在相同海况、排水体积相同的情下，球形、立方体、水平圆柱体、竖直圆柱体等不同形状浮体中，竖直圆柱体浮体所受浮力最大，其次是球形，又由于竖直圆柱体浮体的稳定性较差，故杜小振选择了球形作为浮体形状。在波浪来时，球形浮体将随波浪产生竖直方向的运动，固定在海底的锚索上下运动将带动凸轮转动，再推动平底推杆上下运动，再借助传力机构将波浪力作用在堆叠的压电片上，实现波浪能向电能的转化。之后凸轮轴在复位弹簧的作用下恢复，波浪具有周期性，以此实现波浪压电发电。该装置是目前振荡浮子式压电发电装置中较完善的，有理论和实验的基础，结合了机械原理，能实现较好的波浪能发电。

2016年四川大学硕士余晓祥[6]设计的一种植物消浪原理与压电发电结合的装置（见图6）。该装置利用压电片群代替消能池中的消能植物消能，实现水能的充分利用，该装置就是利用Taylor的紊流压电发电原理，进一步拓展得到的压电发电新装置。

2016年，清华大学博士林政[7]在其导师张永良教授的指导下完成了对先前张永良教授设计的新型波浪压电发电装置的改进和创新。设计出了一种机械增频式波浪压电发电装置（见图7）。该装置主要由效率最高的圆柱形浮体、套筒和导杆、压电振子和拨片组成，导杆穿过浮体中心，底端固结在海底，顶端连接能量收集箱。在能量收集箱的内壁上间隔布置压电振子，压电振子由中间的金属基片和贴在两面的压电片组成。拨片与浮体相连。整个装置类似液压缸，浮体及拨片是活塞。在波浪来时，浮体带动拨片上下运动，拨片与悬臂梁之间有部分重叠，悬臂梁在竖向受力的作用下将产生挠度，由材料力学可知在悬臂梁的两面将各自受拉和受压，粘贴在表面的压电片也会随之发生形变。波浪波峰波谷的来回交替时浮体上下来回运动，通过该装置将波浪能转化为电能。林政还通过建立该装置的数学模型进行数值仿真模拟，并制作了相应的物理模型，开展了相关的实验研究，得到了许多关于波浪压电发电中机电耦合的许多结论。林政的许多研究结论都是首创的，为波浪压电发电打下了更好的理论基础，将推动波浪压电发电技术的继续前行。

3 波浪压电发电技术的研究展望

进过几十年的研究，国内和国外在波浪压电发电领域都已取得一定的成就，而科学研究的道路是永无止境的，以下提出几点在今后波浪压电发电领域中值得深入研究探讨的问题。

波浪是极不稳定的能源形式，要实现利用波浪压电原理输出稳定有效的电流，需要对波浪理论方面做出更深入的研究，建立更完善的理论，为波浪压电发电提供根本的理论基础支持。

波浪波高、波长、频率等特性的随机性和不确定性，使得一般的压电发电装置很难适应广阔复杂的海况，如何提高波浪压电装置的广泛适用性，将是成为以后波浪压电发电技术的关键问题。

为了提高波浪压电发电的效率，许多学者都将已有的装置做出了很大的优化设计，但除了在已有的装置基础上加以优化改进，研究者还应该努力寻找到除上文提及的3种波浪压电原理之外更好的波浪压电原理。

波浪压电发电技术是一项集多种学科为一体的综合技术，需要研究者有足够的专业知识储备和创新动手的能力。压电片只能产生微少电量的本质决定了波浪压电发电装置不能为大型耗电器供电。如何通过压电发电装置实现微小型用电设备的自我产电用电一体化，需进一步不断地进行理论探讨和实验研究。

参考文献

[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.海洋波浪压电发电装置的进展[J].水力发电学报，2011，30（5）：145-148.

[5] 杜小振，赵继强，王一然，等.浮标式波浪能压电发电技术研究[J].海洋技术学报，2014，33（6）：90.

[6] 俞晓祥.植物区水流特性与压电发电结合的新思路[J].江苏水利，2016（9）：65.

[7] 林政.机械增频式波浪压电发电装置特性的研究[D].北京：清华大学，2015.