淺談內(nèi)置壓電懸臂梁對水流能量收集的系列研究

周思佳　楊桂秀　王德明

摘 要： 本文采用壓電片內(nèi)置的形式，使裝置在復雜水道中得以實現(xiàn)正壓電效應，通過壓電材料把水道中機械應力轉(zhuǎn)化成電勢，為使結構簡單，團隊采用懸臂梁式壓電換能器。根據(jù)伯努利方程：當流體沖擊擾流物體引起局部流速改變時，會在物體表面產(chǎn)生壓力波動，利用壓力波動使外部容器振動，驅(qū)動壓電換能器從而進行發(fā)電，實現(xiàn)對水流的能量收集。

通過本裝置這種產(chǎn)能獲能的方式，可以逐步發(fā)展挖掘?qū)τ谒艿刃履茉吹睦茫瑥亩婊茉吹睦谩Ｔ谇捌陬A實驗當中表明，該裝置在風能的作用下，同樣適用，由此可見，此種內(nèi)置壓電懸臂梁能量收集裝置發(fā)展前景可觀。

關鍵詞： 能量收集；壓電片；懸臂梁；彈性形變

一、研究背景

隨著工業(yè)世界的高速發(fā)展，集成電路、 MEMS、便攜式電子設備等的應用日益廣泛， 其主要以化學電池為主的供能方式存在。由于這些化學電池體積大、質(zhì)量大、供能壽命有限、需要定期更換等，諸多弊端，而帶來的材料浪費、環(huán)境污染等問題也不容忽視。

因此， 如何為這些低耗能的電子產(chǎn)品供能， 已成為迫切需要解決的問題。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機理的不同， 獲取電能的有效方法有電磁式、靜電式和壓電式等3類。與其它的發(fā)電原理相比， 壓電發(fā)電具有結構簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、 無污染和易于實現(xiàn)微小化及集成化等諸多優(yōu)點， 并能滿足低耗能產(chǎn)品的供能需求。

隨著一次能源的逐步匱乏，新能源的發(fā)展勢在必行，作為貯藏量豐富的水能則是新能源當中的重要組成部分，因此團隊希望能夠利用內(nèi)置壓電懸臂梁的形式，將復雜水道中的水能得以收集并利用。如果能夠能夠?qū)⑺苻D(zhuǎn)化為一種較為穩(wěn)定的能量形式，那么在新能源的利用和發(fā)展上必將邁出堅實的一步。

二、結構設計

本裝置利用內(nèi)置壓電懸臂梁結構，實現(xiàn)對復雜水道的水能收集并利用。

壓電片發(fā)電具有結構簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、 無污染和易于實現(xiàn)微小化及集成化等諸多優(yōu)點，在復雜水道當中，利用水流的沖擊，使裝置產(chǎn)生一定頻率的震動，從而進行能量的收集。將壓電片內(nèi)置形式可以適用于流體的復雜環(huán)境，延長壓電片的使用壽命。

本文主要從壓電片的內(nèi)置形式模型制作、裝置在風洞和水道中分別進行實際測試、裝置振動及輸出性能分析和研究裝置對于復雜水道的適應和反饋機制并提出改進措施四個方面進行著手。

三、實驗結果

當內(nèi)置壓電懸臂梁結構進行能量收集時，在不同的流速下，以電阻值作為控制變量進行多次實驗。得到了關于質(zhì)量塊擺動位移、相應移動位移對應頻率以及電壓的相關數(shù)據(jù)。

從表格中我們可以看出：當流速逐漸減小，內(nèi)置壓電懸臂梁能量收集轉(zhuǎn)化裝置所轉(zhuǎn)化的電勢能逐漸降低，從而使單位體積所獲得能量降低。

四. 創(chuàng)新特色

隨著各國能源短缺的迫切需求，新型資源必將成為主流發(fā)展方向。

本裝置以具有充分儲量的水資源作為研究對象，將壓電片采用懸臂梁形式進行內(nèi)置，克服了水域環(huán)境的復雜性、紊亂性和不確定性，使裝置能夠在一定程度內(nèi)穩(wěn)定工作，將水能通過內(nèi)置懸臂梁壓電片的震動，將其轉(zhuǎn)化為電勢能，從而進行能量收集加以利用。

五、應用前景

本裝置在實驗中不僅能夠適應水域的能量收集，同時通過風洞實驗證明，也可以針對風能進行能量的轉(zhuǎn)化和收集，具有充分的發(fā)展前景。但是新能源能量回收裝置作為自供能系統(tǒng)的核心部件，主要是取代一次能源不可再生能源領域，提供清潔持續(xù)穩(wěn)定的電能?，F(xiàn)階段的裝置仍然存在很多問題，例如裝置無法適用于復雜的能源收集環(huán)境當中，還不足以發(fā)展成為一個完整的自供能系統(tǒng)。

相信隨著研究的深入，相應水能能量收集和能量轉(zhuǎn)換效率的提高，內(nèi)置壓電懸臂梁結構在能量回收領域必將展現(xiàn)出更好的應用前景。

參考文獻

[1]袁江波.圓盤式壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能及其關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學機械電子工程學科博士學位論文. 2011

[2]趙興強、溫志渝，基于壓電材料的振動能量收集器的諧振頻率調(diào)節(jié)[J]，壓電與聲光，2013， 35： 241-244.

[3]賀學鋒，李江，趙興強，溫志渝等人，帶質(zhì)量塊的微型壓電式風能采集器研究[J]，傳感技術學報，2011，24（7）：986-989.

[4]Reilly E K，Miller L M，Wright P K.Optimizing on-chippiezo electric energy scavenging for integration of medical sensors with low-power wireless networks[A].In： 4thInternational Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks[C]，Germany： Springer Berlin Heidelberg，2007：111～115.