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基于压电效应的海洋浮体发电研究

闫学勇  
【摘要】:近年来,能源危机和温室效应导致的环境问题日益突出。作为一种可再生的替代能源,波浪能的开发显得越来越重要。大部分的波浪能发电装置复杂不可靠,发电的成本比较高,难以商业化。大部分的波浪能压电发电装置虽然简单可靠,但是发电功率和效率受波浪频率的限制。为了提高发电功率,又不得不加大装置的尺寸。针对这些现实问题,本文在前人研究的基础上,提出了一种新型的波浪能压电发电装置。对其进行了理论分析和试验验证,为装置的优化设计提供了参考。 基于压电效应的海洋浮体发电装置由漂浮在水面的浮体、中间的凸轮和两边的压电振子组成。中间的凸轮固定在下面的浮体上,为了减小凸轮和压电振子的作用力两边的压电振子交叉排列。固定在浮体上的凸轮在波浪的推动下上下运动,与两边的压电振子交替作用,从而使其不断的弯曲产生电能。这种装置具有简单可靠,容易维护,振动频率高的优点。 本文结合第一压电方程,压电振子的等效电路图以及材料力学的基础知识,建立该装置的数学模型。然后分析了外部作用因素和压电振子的尺寸对发电特性的影响。通过理论分析得出振动的频率越高越好,在充分考虑材料的疲劳寿命的基础上加大压电振子的振幅。在负载阻值不是很大的情况下,并联方式优于串联方式。在理想负载阻值,以及压电晶片和基板的厚度比为最佳值时装置的输出功率达到最大值。压电晶片与基板的最佳厚度比会随着选材的不同而不同。当压电陶瓷选用PZT-5H,金属基板选用不锈钢时,压电晶片与基板的最佳厚度比为0.6,发电效率为5.6%。根据理论分析的结果设计了相关的试验,验证了理论分析的正确性,同时验证了装置的可行性。由于试验中的能量损耗和测量误差,试验值略小于理论值。


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