一種壓電式微型俘能器

顧聰 陳遠晟 郭家豪

摘? 要：為實現較低風速下的能量回收，基于渦激振動原理，提出了一種三角陣列式的壓電俘能器。對穩壓電路進行仿真分析，研究了該俘能器在低風速下以不同形式連接的電壓輸出特性，驗證了俘能器對鋰電池充電的可行性。實驗結果表明，當壓電振子以串聯形式連接時，輸出電壓較高，且隨風速增加而增加，在風速較低時仍有較好發電性能。當風速為12m/s時，最大開路電壓有效值為20V，最高輸出功率為0.28mW，輸出電壓通過穩壓電路后，可輸出穩定電壓對鋰電池充電，實測充電功率為0.17mW。

關鍵詞：渦激振動;陣列式;俘能器;風能;充電

引言

風能具有可持續性、清潔性和廣泛性等優點，在世界范圍內，風能的利用正在得到廣泛的發展。由于體積大、成本高、運行維護困難，傳統的發電系統很難與小而獨立的電子系統集成，微型發電機已經成為無線傳感器節點等微獨立工作的電子解決方案，通過微型風力發電系統實現微電子系統的應用成為當前研究的熱點。孫加存[1]等人進行了壓電振子產生的電能作為電路電源可行性驗證，設計了發電機的結構，進行了模擬實驗，結果表明，利用該原理制成的壓電發電機，具有無污染，活動部件少，激發時間短，產品易于小型化的特點。舒暢[2]等人提出了一種帶諧振腔的風能收集器，實驗表明在較低風速范圍內，帶諧振腔的壓電風能收集器可輸出較多電能。闞君武[3]等人提出一種由壓電梁及其端部附加質量構成的直激式壓電風能捕獲器，實驗結果表明，根據實際風速范圍確定合理的附加質量可提高發電能力。

本文提出了一種基于渦激振動原理[4]的陣列式壓電俘能器，在較低風速時仍有較好發電性能。對其穩壓電路特性進行了分析，研究了該俘能器對鋰電池充電的可行性。

1? 俘能器原理

在空氣流體向裝置方向運動的過程中，空氣流體經過了裝置非流線型鈍體時，流體經鈍體的當使得自身對鈍體的壓力升高。鈍體朝向流體的表面處形成了流體停滯產生的高氣壓，之后高氣壓帶不斷擴展向鈍體兩側。在鈍體兩側最寬處，高氣壓帶從鈍體兩側表面脫離，脫離過程中朝向鈍體尾部形成兩個剪切層，形成了鈍體尾部的兩個不連續的旋渦流型，這種由鈍體兩側產生的旋渦脫落在鈍體兩側表面上形成了一個突變的壓力，隨著周期性的旋渦脫落產生，鈍體兩側的表面就產生了周期性的壓力，這種壓力促使鈍體進行振動[5]。鈍體固定在壓電片自由端，基于其正壓電效應，將機械能轉化為電能，最終經穩壓電路輸出穩定電壓對鋰電池進行充電。本次實驗使用的壓電片采用了雙疊片結構，長度60mm，寬度10mm，厚度0.7mm，自由長度50mm，其結構如圖1所示。

2? 穩壓電路分析

該俘能器輸出電壓經標準接口電路轉化為直流電壓后，由于風速變化導致電壓不恒定，無法對鋰電池進行供能。本次實驗使用LTC3588-1穩壓電路進行穩壓，使電壓維持在3.8 V，對鋰電池充電。在LTspice中對其進行仿真，將壓電雙晶片的等效電路轉化為一個頻率為的電流源與242 nF的電容并聯，如圖2所示：

本次實驗中，俘能器振動幅值為3 mm，振動頻率為10 Hz，通過改變等效電路中的幅值和頻率大小，可以得到三種輸入電壓和輸出電壓的關系。壓電雙晶片等效電路在不同振動幅值不同頻率下通過LTC3588-1仿真得到的芯片輸入電壓與輸出電壓的關系如圖3所示。

仿真結果表明，壓電雙晶片的振動幅值和振動頻率影響了壓電雙晶片的輸出功率以及芯片的輸入電壓升高速度，同時改變幅值和頻率仿真得到了在LTC3588-1中三種不同的輸入和輸出電壓表現方式，反映了其工作特性。

3? 實驗研究與分析

實驗裝置實物圖如圖4所示，為實現輕小化，陣列式壓電換能器以三角狀排列，以做到節約空間。風機口部距離鈍體15 cm，二者位于同一水平線上。當風速從0m/s變化至14m/s時，換能器之間以串聯、并聯形式連接，俘能器輸出電壓曲線如圖5所示。即兩種連接形式輸出電壓都隨風速增加而增加，以串聯形式連接時，輸出電壓較高，當風速為12m/s時，最大開路電壓有效值為20V。將陣列式壓電振子以串聯形式連接，選取合適的負載阻值，其輸出功率如圖6所示，當風速為12m/s時最高輸出功率為0.28mW。

將俘能器輸出端與穩壓電路連接，其輸出電壓隨風速變化如圖7所示，即當風速達到12m/s后，電壓穩定在3.8V。實驗需要對充電電流進行實時測量，充電電流的測量使用霍爾傳感器對電壓信號的測量與轉換實現。

將3.8V的可充電鋰電池與穩壓電路輸出端相連，利用霍爾傳感器對電壓信號的測量與轉換實現對充電電流的測量，使用直流電源對霍爾傳感器供能，整體實物圖如圖8所示。電壓信號對電流信號的轉換規則為：當檢測到的電壓信號為5V時，實際流經可充電直流電池的電流信號為1 mA。當風速達到12m/s時，實測霍爾電壓為0.23V，此時電池的充電功率為0.17mW，當風速繼續增加時，可在維持充電狀態的同時提升充電效率，驗證了該俘能器在較低風速下對鋰電池進行儲能的可行性，對于12m/s以下的風速，仍可對某些微型電子器件供能。

4? 結束語

為實現在較低風速時對無線傳感節點等微小型獨立工作的電子系統在戶外工作時供能，設計了一種基于渦激振動原理的陣列式壓電俘能器，壓電振子以三角陣列式排列，自由端固定木制鈍體。

（1）該俘能器壓電振子以串聯形式連接時可輸出較高電壓，電壓隨風速增加而增加，當風速為12 m/s時，最大開路電壓有效值為20 V，最高輸出功率0.28mW。

（2）使用穩壓電路后在風速為12m/s時可輸出穩定電壓3.8V對鋰電池進行充能，充電功率實測為0.17 mW。

參考文獻

[1] 孫加存，陳荷娟.風動壓電發電機的結構設計及實驗研究[J].壓電與聲光，2012，34（6）：860-863，867.

[2] 舒? 暢，張健滔，吳? 松，等.一種帶諧振腔的壓電風能收集器[J].振動與沖擊，2018，37（3）：22-26.

[3] 闞君武，張肖逸，王淑云，等.直激式壓電風能捕獲器的性能分析與實驗[J].光學精密工程，2016，24（5）：1087-1092.

[4] 宋汝君，單小彪，楊先海，等.基于壓電俘能器的流體能量俘獲技術研究現狀[J].振動與沖擊，2019，38（17）：244- 250，275.

[5] 郭家豪.基于壓電能量回收的渦激振動發電裝置研究[D].南京理工大學，2018.