陳 凱，何依然，鄭聰聰

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興314000）

1 前言

在常規(guī)能源日益枯竭的今天，有必要將目光轉(zhuǎn)向可再生能源，海洋波浪能是最易于利用、取之不竭的一種新能源。在現(xiàn)有理論與技術(shù)下，研究并開發(fā)了這套裝置。波浪能技術(shù)目前還處于發(fā)散狀態(tài)，但發(fā)展趨勢是不斷地向高效率、高可靠性、低造價方向發(fā)展，以形成低成本的成熟技術(shù)，最后通過規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用，大幅度降低發(fā)電成本。

目前已經(jīng)研究開發(fā)了多種波量能技術(shù)，實現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)換。波浪能發(fā)電技術(shù)主要分為振蕩水柱式、震蕩浮子式和越浪式三種。本裝置以壓電材料為主，利用海浪推動壓電材料發(fā)生形變產(chǎn)生電能。

2 裝置設(shè)計思路

本裝置設(shè)計目的是將波浪能轉(zhuǎn)換成機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換成電能。

裝置在海上應(yīng)用如圖1所示。

圖1 裝置在海上應(yīng)用示意圖

2.1 波浪能→裝置產(chǎn)生形變：類似船體的中拱中垂現(xiàn)象

裝置中拱中垂現(xiàn)象如圖2所示。

在波浪狀態(tài)下，裝置內(nèi)產(chǎn)生的總縱彎矩比靜水中大，當(dāng)波浪與裝置長相等或接近時，裝置彎曲最嚴(yán)重。

當(dāng)相鄰兩個波峰分別位于裝置兩側(cè)，波谷位于裝置中部時，裝置兩側(cè)排水量增大，所受浮力也隨之增大，裝置中部排水量減小，所受浮力也隨之減小，這樣就導(dǎo)致裝置兩側(cè)所受浮力遠(yuǎn)大于中部所受浮力，即裝置受力不均勻從而發(fā)生中垂彎曲；反之當(dāng)波峰位于裝置中部時，裝置的中部所受浮力遠(yuǎn)大于裝置兩側(cè)，裝置受力不均勻從而發(fā)生中拱彎曲。

圖2 裝置中拱中垂現(xiàn)象

2.2 裝置形變→產(chǎn)生電能：壓電材料的壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變；相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

2.3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置整體采用多節(jié)多列的形式。外形類似手風(fēng)琴的褶皺形式，可根據(jù)當(dāng)?shù)睾Ｓ虻乃那闆r設(shè)計不同的裝置長度。裝置單節(jié)表面涂刷防腐涂料，延長裝置的使用壽命。單節(jié)內(nèi)部為兩層壓電薄膜PVDF，壓電薄膜中間鋪設(shè)電極。單節(jié)的兩端內(nèi)側(cè)裝有能量轉(zhuǎn)換器，將壓電能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流。單節(jié)中間附有能量傳輸帶連接能量轉(zhuǎn)換器，同時也將裝置單節(jié)分為上下兩部分，便于安裝維修，裝置相鄰兩節(jié)之間采用萬向輪連接。裝置的頭尾兩端分別裝有纜繩和樁腿纜繩，內(nèi)部裝有輸電線可將電能輸至樁腿內(nèi)的蓄電池，同時也由這兩部分將裝置固定在海面上。

裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 總結(jié)

本項目裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護，可更換不同的壓電材料，選取發(fā)電效率更高的材料。同時，改變裝置表面的涂料以延長裝置的使用壽命。并且，通過對裝置結(jié)構(gòu)的調(diào)整使裝置的使用不局限在海面上。裝置可采用多種陣列排布方式，提高能源利用率；在裝置內(nèi)部可采用多層設(shè)計，提高效率；采用多節(jié)、多層設(shè)計，可適應(yīng)不同海域，開發(fā)利用前景廣泛。