离岸式振荡水柱三维模型结构优化与压电发电研究

【摘要】：振荡水柱式波浪能发电装置的传统研究结构主要由气室采集波浪动能,并将其转化为空气动能来带动透平发电机输出电能,机械设备结构复杂,易受海水腐蚀导致设备寿命较短,不适宜为海洋网络传感器提供持续有效的供能。在传统振荡水柱波浪能发电研究基础上提出一种基于压电陶瓷晶片来输出电能的离岸式振荡水柱波浪能发电装置,振荡水柱气室采集波浪能量,由气室将波浪动能转换为空气动能来驱动压电陶瓷晶片形变发电,输出的电能直接为海洋浮标灯和无线传感器等小型装置供电。压电振子受到空气的软驱动作用力避免了刚性接触的冲击导致的碎裂,新的换能形式结构简单,利用波浪能持续不断的为海洋无线传感器等装置进行供电。波能初级换能装置即振荡水柱式波浪能采集部分研究,应用计算流体力学软件(CFD)对三维水槽模型进行混合网格划分,FLUENT软件中采用明渠造波法进行模拟造波,应用VOF模型监测水槽内的水动力学运动过程。研究前墙入水深度、入射波高等因素对气室输出能量的影响,对比分析方形和圆柱形前后壁对称与不对称四种OWC气室结构模型,以Navier-Stokes方程求解气液两相流体混合物,获得前后壁不对称方形气室会在气室吸气状态出现最高输出压强2172 Pa。研究单气室、串联双气室和串联三气室采集一个波浪周期输出的空气质量流量,综合考虑设备搭建及输出效率确定串联双气室为最优输出模型,设计串联双气室结合压电陶瓷晶片作为振荡水柱式压电发电装置结构模型。波能次级换能装置即波浪能驱动压电发电研究,总结压电陶瓷晶片的激励方式,以机械条件和边界条件组合求解的四类压电方程,对固支边界条件的压电晶片进行理论分析获得其中心点形变值。应用APDL软件编写压电晶片模拟仿真分析过程,固支边界条件下对圆形压电振子施加变载力,采用矩阵转换公式将四种压电材料基本参数转换为APDL可识别的计算机数据,对比获得PZT-5A压电材料输出电能达1.1V,以PZT-5A为研究对象对压电晶片的厚度、堆叠层数及金属基板材料等影响能量输出的因素进行模拟分析,结果表明压电晶片厚度1.2mm、堆叠层数5层时输出1.36V电压;铝(Al)基板材料输出能量较为明显,为单晶压电片的5.5倍。采用激振实验模拟气流对压电晶片的冲击作用实验,验证仿真模拟压电晶片的输出能量的结果,测定激振频率和匹配阻抗等因素对输出电压的影响,结果表明基板直径增大的压电振子输出电压也增大,受外界条件的影响输出能量相对更稳定。