腔式壓電氣流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與性能研究

王淑云 余 杰 闞君武 蔣永華 鄭佳佳 謝心怡

(浙江師范大學(xué)精密機(jī)械與智能結(jié)構(gòu)研究所， 金華 321004)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的能源自給，減少化學(xué)電池對(duì)水及土壤的污染，相繼提出了基于環(huán)境能量回收的壓電、靜電、熱電及電磁等原理的微小型發(fā)電機(jī)(又稱俘能器或能量捕獲器)[1-4]。每類發(fā)電機(jī)都有其自身的優(yōu)勢(shì)和適用領(lǐng)域，壓電發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無電磁干擾、易于制作且易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化與集成化等優(yōu)勢(shì)，適用范圍更廣[5-6]。目前，壓電發(fā)電機(jī)已可有效回收環(huán)境振動(dòng)能[7]、旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能[8]以及水流能/風(fēng)能[9-10]等。前兩類壓電發(fā)電機(jī)研究較早且所獲成果較多，已逐步用于無線傳感器及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，壓電流體發(fā)電機(jī)的研究國(guó)內(nèi)外還都剛開始，尚處于探索和起步階段[11-13]。

根據(jù)激勵(lì)方式，現(xiàn)有壓電流體發(fā)電機(jī)主要可分為直激式[14]、鈍體擾流式[15]和諧振腔式[16-17]三大類。前兩類發(fā)電機(jī)是利用懸臂梁型壓電換能器與流體直接耦合作用發(fā)電的，但其激勵(lì)原理不同[18]。直激式發(fā)電機(jī)中，壓電換能器與流體速度方向垂直或成一定的角度，流體流過壓電換能器時(shí)漩渦的交替生成與脫落會(huì)引起流體壓力變化，從而激勵(lì)壓電換能器產(chǎn)生電能，該類俘能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于低速氣體環(huán)境，高速或液體環(huán)境下壓電換能器因變形過大而易損毀。鈍體擾流式發(fā)電機(jī)中，壓電換能器與流體速度方向平行且置于鈍體之后，通過流體繞過鈍體時(shí)所產(chǎn)生的不對(duì)稱漩渦間接激勵(lì)(漩渦是由鈍體與流體間的耦合作用產(chǎn)生的)，主要用于液體環(huán)境，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，難以實(shí)現(xiàn)微小化與集成化。不同于直激式及鈍體擾流式壓電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用場(chǎng)合，諧振腔式發(fā)電機(jī)是利用諧振腔內(nèi)流體高頻振蕩激勵(lì)圓形壓電換能器發(fā)電的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，適于高速氣體環(huán)境，除構(gòu)造各類自供電引信[19]外，還可用于航空器、高鐵等載運(yùn)工具(引起高速氣流)以及氣動(dòng)控制系統(tǒng)等的自供電監(jiān)測(cè)[16-17]。

本文在借鑒聲學(xué)諧振腔俘能器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)腔式壓電氣流發(fā)電機(jī)，并從理論和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行研究，獲得主副腔長(zhǎng)度及直徑等對(duì)其發(fā)電性能的影響規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

腔式壓電氣流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由壓電換能器、主腔及副腔構(gòu)成。發(fā)電機(jī)置于流場(chǎng)中時(shí)，外部氣流迫使主副腔內(nèi)的氣體產(chǎn)生振動(dòng)，從而迫使壓電換能器振動(dòng)并將流動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。所生成電壓與腔內(nèi)氣體振動(dòng)引起的氣體壓力差及壓電換能器中心點(diǎn)變形量呈較好的線性關(guān)系，而腔內(nèi)氣體壓力差及壓電換能器中心變形量又是由主副腔結(jié)構(gòu)尺寸所決定的。

圖1 腔式壓電氣流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of piezoelectric harvester1.出風(fēng)口 2.副腔 3.腔蓋 4.主腔 5.壓電換能器

為便于性能對(duì)比及敘述，將主副腔尺度不同的發(fā)電機(jī)定義成4種不同類型：A型，主副腔同時(shí)存在，即圖1所示結(jié)構(gòu)；B型，僅有主腔和腔蓋(圖1中副腔長(zhǎng)度為0)；C型，僅有主腔(圖1中副腔長(zhǎng)度為0，副腔內(nèi)徑等于主腔內(nèi)徑)；D型，無主副腔、腔蓋，僅有壓電換能器。

2 建模與仿真分析

為獲得結(jié)構(gòu)尺度不同時(shí)腔式發(fā)電機(jī)腔內(nèi)流體的振動(dòng)狀態(tài)及壓電換能器的變形特性，建立了A、B及C型發(fā)電機(jī)的COMSOL模型并進(jìn)行了仿真分析，所用模擬仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真及試驗(yàn)分析用相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters for simulation and test

圖2為風(fēng)速30 m/s時(shí)A、B及C型壓電氣流發(fā)電機(jī)腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)時(shí)流場(chǎng)的速度云圖。從圖2可以看出，3種結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的腔體底部都有漩渦不斷地生成，從而引起腔體內(nèi)氣流速度和壓力不斷變化，迫使壓電換能器產(chǎn)生彎曲變形發(fā)電。因3種類型發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)不同，穩(wěn)態(tài)時(shí)其腔內(nèi)流場(chǎng)分布及漩渦形態(tài)都具有明顯的區(qū)別，進(jìn)而導(dǎo)致壓電換能器的振動(dòng)及發(fā)電特性不同。

圖2 3種類型發(fā)電機(jī)內(nèi)的氣體速度云圖Fig.2 Velocity nephograms of flow field under three different structures

圖3給出了穩(wěn)態(tài)時(shí)3種類型發(fā)電機(jī)中壓電換能器中心點(diǎn)處的振動(dòng)波形圖，圖中曲線表明，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)壓電換能器中心點(diǎn)的變形量、振動(dòng)頻率及靜位移差異都有較大影響，其中A、C型發(fā)電機(jī)中壓電換能器的變形量相對(duì)較小，B型發(fā)電機(jī)中壓電換能器的變形量最大且產(chǎn)生了較大的靜變形。上述現(xiàn)象表明，其他條件確定時(shí)可能存在最佳的副腔長(zhǎng)度使發(fā)電機(jī)輸出電壓(壓電換能器變形量)最大，而該最佳副腔長(zhǎng)度還應(yīng)與氣流速度及主副腔孔徑等其他參數(shù)有關(guān)。

圖3 3種類型發(fā)電機(jī)壓電換能器圓心點(diǎn)處振動(dòng)波形圖Fig.3 Displacement of the center of pzt vs time under three different structures

3 試驗(yàn)測(cè)試

為獲得腔式壓電氣流發(fā)電機(jī)輸出性能與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了樣機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)(圖4)。所用儀器設(shè)備為：DS5042M型數(shù)字存儲(chǔ)示波器、AR2000型調(diào)壓閥(氣流壓力范圍0～0.5 MPa，調(diào)壓步長(zhǎng)0.05 MPa)、無油空氣壓縮機(jī)(額定排氣壓力0.7 MPa)等。試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥來改變出風(fēng)口壓力(間隔0.05 MPa，氣流壓力0.1～0.5 MPa，所對(duì)應(yīng)的氣流速度為6～30 m/s，氣流速度與氣流壓力呈較好的線性關(guān)系)；圓形壓電換能器尺寸為：銅片基板直徑46 mm，厚度0.25 mm；壓電陶瓷直徑41 mm，厚度0.25 mm。

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 Piezoelectric energy harvester and test system1.調(diào)壓閥 2.試驗(yàn)樣機(jī) 3.空氣壓縮機(jī)

圖5為氣流壓力為0.3 MPa時(shí)3種類型壓電氣流發(fā)電機(jī)(結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示)的穩(wěn)態(tài)電壓波形圖。從圖5可以看出，3種類型發(fā)電機(jī)的輸出電壓差異較大，其中B型的輸出的電壓峰值最高(16.6 V)，A型和C型的輸出電壓峰值相對(duì)較低(分別為11.6 V和4.6 V)，這與仿真分析中3種類型發(fā)電機(jī)中壓電換能器變形量之間的關(guān)系是一致的，故研究中可采用壓電換能器變形特性表征發(fā)電機(jī)的電壓特性。由圖5還可得，3種類型發(fā)電機(jī)中壓電換能器的振動(dòng)響應(yīng)及輸出電壓波形都并非正弦波，這與聲學(xué)諧振腔[15]中壓電換能器的響應(yīng)特性存在一定的差異，原因是實(shí)際氣流速度及其流場(chǎng)分布并不均勻，而是存在一定的隨機(jī)波動(dòng)。在后續(xù)的試驗(yàn)中，利用穩(wěn)態(tài)時(shí)5 s內(nèi)電壓波形的峰值代表實(shí)際輸出電壓。

圖5 3種類型發(fā)電機(jī)輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between generated voltage and time under three different structures

圖6 不同氣流壓力時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電壓與激勵(lì)距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between generated voltage and distance under different wind pressures

圖7 不同氣流壓力時(shí)輸出電壓與主腔長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between generated voltage and length of cavity under different wind pressures

圖8 不同氣流壓力時(shí)輸出電壓與腔蓋孔徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between generated voltage and diameter of hole under different wind pressures

圖9 不同氣流壓力下輸出電壓與副腔長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.9 Relationship between generated voltage and length of neck under different wind pressures

圖10 氣流壓力為0.3 MPa時(shí)功率與負(fù)載的關(guān)系Fig.10 Relationship between output power and load resistance under p=0.3 MPa

4 結(jié)束語(yǔ)

1 SHAIKH F K, ZEADALLY S. Energy harvesting in wireless sensor networks: a comprehensive review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 55:1041-1054.

2 SOJAN S, KULKARNI R K. A comprehensive review of energy harvesting techniques and its potential applications[J]. International Journal of Computer Applications， 2016, 139(3):14-19.

3 LE M Q, CAPSAL J F, LALLART M, et al. Review on energy harvesting for structural health monitoring in aeronautical applications[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2015, 79:147-157.

4 CADEI A, DIONISI A, SARDINI E, et al. Kinetic and thermal energy harvesters for implantable medical devices and biomedical autonomous sensors[J]. Measurement Science & Technology, 2014, 25(1):012003.

5 BRISCOE J, DUNN S. Piezoelectric nanogenerators—a review of nanostructured piezoelectric energy harvesters[J]. Nano Energy, 2015, 14:15-29.

6 RASTEGAR J, PEREIRA C M, FENG D, et al. A review of piezoelectric-based electrical energy harvesting methods and devices for munitions[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9799:97992M.

7 KAN J, LIU D, WANG S, et al. A piezohydraulic vibration isolator used for energy harvesting[J]. Journal of Intelligent Material Systems & Structures, 2014, 25(14):1727-1737.

8 KAN J, FU J, WANG S, et al. Study on a piezo-disk energy harvester excited by rotary magnets[J]. Energy, 2017, 122:62-69.

9 程廷海, 王英廷, 付賢鵬,等. 定質(zhì)量分?jǐn)?shù)交變氣體載荷激勵(lì)下壓電陣列發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2017, 48(9):194-198.http:∥www.j-m.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170255&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.055. CHENG Tinghai, WANG Yingting, FU Xianpeng, et al. Study of drive characterization of fuzevibration piezoelectric generator based on airflow-induced sound [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017, 48(9):194-198. (in Chinese)

10 文晟, 張鐵民, 楊秀麗,等. 渦致振動(dòng)型風(fēng)力壓電俘能器流場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(2):269-275.http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140245&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.02.045. WEN Sheng, ZHANG Tiemin,YANG Xiuli, et al．Numerical simulation and experiment of a wind piezoelectric energy harvester based on vortex-induced vibrations [J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(2):269-275.(in Chinese)

11 程廷海, 付賢鵬, 王英廷,等. 密閉環(huán)境氣流沖擊式壓電陣列發(fā)電性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 液壓與氣動(dòng), 2017(3):81-86. CHENG Tinghai,FU Xianpeng,WANG Yingting,et al. Experimental research for piezoelectric array performance induced by air impact in sealed environment[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2017(3):81-86. (in Chinese)

12 陳揚(yáng)東,龔俊杰, 吉靈龍,等. 新型風(fēng)力壓電發(fā)電裝置設(shè)計(jì)及發(fā)電性能[J]. 壓電與聲光, 2017, 39(4):515-519. CHEN Yangdong, GONG Junjie,JI Linglong,et al. Design of a novel wind piezoelectric generator and it’s generating performance[J].Piezoelectrics and Acoustooptics, 2017, 39(4):515-519. (in Chinese)

13 陳松,劉勇,闞君武,等.微型壓電泵中引流道對(duì)氣泡控制的影響[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(12):379-384. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20161248&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.048. CHEN Song, LIU Yong, KAN Junwu,et al.Effect of lead-flow path on bubble controlling in piezoelectric micro-pump[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(12):379-384.(in Chinese)

14 王淑云, 沈亞林, 闞君武,等. 剛?cè)釓?fù)合梁壓電風(fēng)能采集器的試驗(yàn)測(cè)試與分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 35(18):23-27. WANG Shuyun, SHEN Yalin, KAN Junwu, et al. Test and analysis of piezoelectric wind energy harvester based on rigid-flexible composite beam[J]. Journal of Vibration and Shack, 2016,35(18):23-27. (in Chinese)

15 WEINSTEINL A, CACAN M R, SO P M, et al. Vortex shedding induced energy harvesting from piezoelectric materials in heating, ventilation and air conditioning flows[J]. Smart Materials & Structures, 2012, 21(21):45003-45012.

16 CHENG T, WANG Y, QIN F, et al. Piezoelectric energy harvesting in coupling-chamber excited by the vortex-induced pressure[J]. Applied Physics Letters, 2016, 109(7):184101-184103.

17 MATOVA S P, ELFRINK R, VULLERS R J M, et al. Harvesting energy from airflow with a michromachined piezoelectric harvester inside a Helmholtz resonator[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering, 2011, 21(21):104001-104006(6).

18 闞君武，富佳偉，王淑云，等. 渦激振動(dòng)式微型流體俘能器的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 光學(xué)精密工程，2017，25(6)：1502-1512. KAN Junwu, FU Jiawei, WANG Shuyun, et al. Research status and prospect of vortex-induced vibration micro-fluid energy harvester[J].Optics and Precision Engineering,2017，25(6)：1502-1512.(in Chinese)

19 鄒華杰, 陳荷娟, 梁醫(yī),等. 引信振動(dòng)壓電發(fā)電機(jī)氣流致聲激勵(lì)特性研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2015, 36(4):610-618. ZOU Huajie, CHEN Hejuan, LIANG Yi, et al. Study of drive characterization of fuze vibration piezoelectric generator based on airflow-induces sound [J]. Acta Armamentarii, 2015,36(4): 610-618.(in Chinese)

20 HU G, TSE K T, KWOK K C S, et al. Aerodynamic modification to a circular cylinder to enhance the piezoelectric wind energy harvesting[J]. Applied Physics Letters, 2016, 109(19):193902.