基于渦致振動的壓電俘能技術研究進展

李 莉，林杉杉，王永耀，于慧慧，王 軍

(沈陽化工大學計算機科學與技術學院，遼寧沈陽 110142)

近年來，微傳感器、微機電系統和微電子器件等低功耗產品在各領域的應用越來越廣泛。目前這些產品的供能大多使用傳統的化學電池，但是傳統的電池容量有限，質量較大，在水下等環境中更換和維護困難且容易污染環境[1]。因此將自然環境中的能源轉化為電能，從而為微電子設備提供長期、穩定、綠色的供能則尤為重要。常見的自然能源有太陽能[2]、振動能[3]、風能[4]、波浪能[5]等。其中振動能收集是指將振動產生的機械能轉化為電能，目前將振動能轉化成電能有壓電式[6]、電磁式[7]和靜電式[8]三種方式，由于壓電式能量收集技術具有結構簡單、使用壽命長、無污染等優點，是目前較為常用的振動能收集方式之一[9-10]。渦致振動是自然界中的一種常見物理現象，廣泛存在于流體運動中。近幾年利用渦致振動進行壓電能量收集的技術受到了學術界的重視和研究[11-12]。

當流體流經非流線型結構時，由于流體在結構邊界層分離過程中表面壓力分布不均而形成脈動力，從而在其尾流區產生交替脫落的漩渦，進而作用在后方彈性支撐的俘能結構上，致使俘能結構產生周期性振動。利用結構中壓電材料的壓電效應，俘能結構能將振動的機械能轉化為電信號，通過能量收集電路對產生的電信號進行整流、濾波等操作后，即可收集到電能并為需要供電的傳感器等微小型器件進行供電。

目前國內外學者在渦致振動壓電俘能結構和收集技術方面已經取得了一些成果。俘能結構中常用的壓電材料有聚偏二氟乙烯(PVDF)、壓電纖維(MFC)以及壓電陶瓷(PZT)等，而根據不同壓電材料的特點，制作的不同形式的壓電俘能結構，有“鰻魚”結構、壓電懸臂梁結構等。

本文根據目前渦致振動壓電俘能技術的研究進展，介紹了國內外常用的基于渦致振動的壓電俘能結構，并針對每一種結構的優缺點和適用環境等進行了總結和分析，詳細介紹一種改進的基于渦致振動內置壓電懸臂梁柔性圓筒俘能結構。列舉了壓電能量收集幾種常用的電路，為該類技術的進一步研究提供了理論上的參考。

1 壓電俘能結構研究現狀

1.1 “鰻魚”式壓電俘能結構

“鰻魚”式壓電俘能結構最早由Talor 等[13]提出，其基本結構如圖1 所示，主要由前置固定的鈍體以及后端PVDF 膜構成，由于卡門渦街現象，當在前方鈍體后方形成交替脫落的漩渦作用在PVDF 膜上時，PVDF 膜可以將機械能轉化為電能。研究結果表明，該類俘能結構在流速小于1 m/s 時可產生微瓦級電量，并且能量收集效率可以達到37%，進而證明了利用渦致振動進行壓電能量收集的可行性。自該結構提出后，近年來有許多學者對其進行了改進和優化[14-18]。Hu等[19]制作了帶尾板的壓電振子俘能結構，如圖2 所示，該結構降低了俘能結構的固有頻率，使其更易達到“鎖頻”狀態，提高了發電性能。Hai 等[20]對PVDF 膜的形狀進行了改進，如圖3(a)-(c)所示，對折疊型、U 型和H 型PVDF 膜進行了實驗研究。結果表明，H 型PVDF 具有更好的振動能量收集性能，可產生28.2 mV 的電壓。由于PVDF 柔性較好，鈍體尾部激勵較小時即可產生較好振動響應，且柔性PVDF不易發生疲勞斷裂，因此適用于多種振動環境，使用壽命較長。但PVDF 的壓電系數較小，致使俘獲的能量有限，不適用于所需壓電能量較高的傳感器供電。

圖1 “鰻魚”式壓電俘能結構圖[13]Fig.1 "EEL" piezoelectric energy harvester[13]

圖2 帶尾板的壓電振子俘能結構[19]Fig.2 Piezoelectric energy harvester with tail plate[19]

圖3 不同類型的PVDF 壓電俘能結構[20]Fig.3 Different types of PVDF piezoelectric energy harvester[20]

1.2 單懸臂梁壓電俘能結構

單懸臂梁式壓電俘能結構由PZT 壓電懸臂梁與前置鈍體構成。該類俘能器中，PZT 壓電懸臂梁連接于鈍體后方。當流體流經單懸臂梁壓電俘能結構時，在鈍體后方產生交替脫落的漩渦，壓電懸臂梁則可以隨著鈍體后方脫落的漩渦一起運動從而產生電能，其原理圖如圖4 所示。

圖4 單懸臂梁式壓電俘能結構圖[21]Fig.4 Single cantilever piezoelectric energy harvester[21]

近年來，大量的研究人員對該類結構進行了理論及實驗分析[21-22]。Sivadas 等[23]對其進行了數學建模和數值模擬，結果表明當雷諾數為900 時，俘能結構得到的最大平均功率為0.35 mW。Weinstein 等[14]設計了可以適應不同環境的可調式單懸臂梁渦致振動俘能器，該俘能器由前置圓柱鈍體，后加單自由度的壓電懸臂梁組成，它在5 m/s 風速下的輸出功率高達3 mW，但體積較大不易實現微型化。Zhao 等[24]將PZT壓電片連接在方柱后方，研究了鈍體質量、負載電阻等參數對輸出功率的影響。宋汝君等[25]在水流環境下對該類結構進行了分析和測試，負載電阻為0.5 MΩ、水流速為0.41 m/s 時，最大輸出功率為8.3 μW，為水下渦致振動能量收集提供一種參考方案。Sun 等[26]對該俘能結構的鈍體形狀進行了研究(如圖5 所示)，考察圓柱、方柱、D 型以及球莖型截面柱體，提出了球莖型截面柱體為最優鈍體形狀。Zhou[27]設計了一種新型的壓電雙晶片牽引式風能收集器，將該俘能結構安裝在旋轉機械上收集風能，為某些設備提供動力。該類結構大多應用于氣流引起的渦致振動壓電能量收集，由于PZT 壓電常數較大、靈敏度較高，因此輸出電壓高、阻抗小，適用于需要高功率的傳感器件供能；但由于PZT 壓電陶瓷脆性較大，易疲勞斷裂，從而不適用高周期載荷的壓電能量收集系統。

1.3 垂直復擺式壓電俘能結構

Molino-Minero-Re[28]于2012 年提出垂直復擺式壓電俘能結構，原理圖如圖6 所示。垂直復擺式壓電俘能結構由壓電懸臂梁和尾端鈍體連接，實驗時，將尾端圓柱浸入流體中，當流體流經下端鈍體時，由于渦致振動，下端鈍體產生周期性的復擺振動，從而帶動上方的壓電懸臂梁產生周期性振動而產生電能。

圖5 “球莖”阻流體俘能結構[26]Fig.5 Bulb-shaped bluff body energy harvester[26]

圖6 垂直復擺式壓電俘能結構圖[28]Fig.6 Vertical compound pendulum piezoelectric energy harvester[28]

目前，研究在水下進行壓電能量收集的俘能結構還較少，該類結構為水下渦致振動能量收集提供新的解決方案。Song 課題組[29-30]對該類結構進行了仿真和實驗研究(如圖7 所示)。結果表明，當水流速為0.3 m/s 時，可以達到“鎖頻”狀態，此時輸出功率最大為84.49 μW，能量密度為60.35 mW/m2。Zhang等[31]在該結構后方加不同形狀的鈍體，研究其對俘能結構的影響(如圖8 所示)，結果表明，后方加方柱時俘能結構的輸出功率比不加鈍體時提高了380%。趙道利課題組[32-33]對壓電片連接的鈍體形狀進行了實驗研究，結果表明當鈍體為三棱柱(70°)、流速為0.54 m/s 時，俘能結構的輸出性能最好，最大功率為2.02 mW。該類結構制作工藝簡單，壓電材料直接與鈍體連接，形成了I 型結構，降低了壓電片的固有頻率，使俘能結構在低水流速中也能夠產生共振。此外，該結構除了受到流體的渦激力外，還增加了渦激力矩，增大俘能器的發電性能。但是由于該結構的壓電懸臂梁未做封裝絕緣處理，防腐和防水性能較差，因此不能直接浸入水中，使用環境受到了限制。

圖7 垂直復擺式俘能結構實驗圖[29]Fig.7 Experimental diagram of vertical compound pendulum energy harvester[29]

圖8 鈍體形狀對俘能結構的影響實驗圖[31]Fig.8 Experimental diagram of the influence of bluff bodies of different shapes on energy harvester[31]

1.4 陣列式壓電俘能結構

陣列式壓電俘能結構即將多個壓電俘能結構進行串行或并行的放置，其更易實現規模化，能夠產生較大的輸出功率，可以給有較大功率需求的傳感器進行供能。但是由于多個俘能結構之間的相互影響，使各個壓電俘能結構之間難以達到共振狀態，且后續的電路處理較復雜，因此目前的研究仍然較少。

Hobbs[34]提出了“Tree”型串列壓電俘能器(如圖9所示)，當串列的俘能結構同時工作時，可產生96 μW的輸出功率。Abdelkefi 等[35]提出了圓柱和方柱串列式俘能結構，分析了上下游俘能結構的發電情況。結果表明，受上游圓柱尾部漩渦的影響，下游俘能結構的輸出功率明顯高于上游的俘能結構。Shan 等[36]將兩個相同參數的俘能結構串列(如圖10 所示)，研究了不同間距比的俘能結構的壓電俘能特性。結果表明，與單個壓電俘能結構相比，串列式壓電俘能結構輸出電壓和流速的有效輸出范圍都有了明顯的改善，為提高水下能量收集器的功率和拓寬頻率范圍提供了新的思路。

2 壓電能量收集電路技術的研究現狀

壓電能量收集電路關乎著是否能夠將壓電能量收集裝置產生的電能進行有效地收集。根據壓電能量收集電路結構的不同，大致可以將壓電能量收集電路分為四種:標準能量收集電路、同步開關電荷能量收集電路、串聯同步電感能量收集電路以及并聯同步電感能量收集電路。

圖9 “Tree”型串列壓電俘能器[34]Fig.9 "Tree" type tandem piezoelectric energy harvester[34]

圖10 相同參數的俘能結構串列[36]Fig.10 Series of energy harvester with the same parameters[36]

2.1 標準能量收集電路

標準能量收集電路[37]由一個整流橋和一個濾波電容C 構成，RL為電路中的等效負載電阻。當壓電元件(俘能結構)由于振動輸出交流信號時，經整流橋將交流信號轉化為負載需要的直流信號，當濾波電容足夠大時，可以為負載電阻儲存足夠多的能量，保證電路能夠輸出平穩的電壓。

2.2 同步開關電荷能量收集電路

同步開關電荷能量收集電路[38]在整流橋的后面并聯一個電感和開關，當壓電元件(俘能結構)兩端的電壓達到峰值時，開關閉合，等效電容Cp與電感L 形成振蕩回路，然后存儲在Cp中的由壓電元件產生的電能完全轉移至電感L 上，即1/4 振蕩周期后，開關斷開。

2.3 串聯同步電感能量收集電路

串聯同步電感能量收集電路[39]將電感和開關與壓電元件進行串聯。工作時與同步開關電荷能量收集電路類似，當壓電元件產生的電壓達到峰值時，開關閉合，此時電感與壓電元件的內部等效電容形成一個振蕩電路，然后產生的能量全部轉移至后方的存儲電容中，即經1/2 振蕩周期后，開關斷開。開關斷開后，壓電元件的極性翻轉，則完成了一個周期的能量收集。

2.4 并聯同步電感能量收集電路

并聯同步電感能量收集電路[40]在壓電元件與整流橋之間并聯一個開關和一個電感，當壓電元件(俘能結構)產生的電壓達到峰值時，開關進行閉合，此時俘能結構內部的等效夾持電容Cp與并聯的電感L 形成一個振蕩電路，經過1/2 個周期后，開關斷開，在夾持電容上的電壓發生反向翻轉時，整流橋導通，壓電的電壓方向與結構的振動方向一致，提升了機械能向電能轉化的效率。

各電路簡圖及優缺點詳見表1。俘能結構、負載電阻、開關的靈敏度等因素對能量收集電路的設計具有很大的影響。標準能量收集電路實現容易且能夠實現自供電，負載的電阻需要準確把握，否則將會影響收集效率。同步開關電荷能量收集電路中輸出功率恒定，電路實現容易，但是對于開關要求較高，不易實現電路自供電。串聯和并聯同步電感電路提高了能量收集效率，相比于前兩種電路較復雜，且不易實現電路自供電。在能量收集的電路發展過程中，電路易實現以及與負載無關性已經取得了極大的進步，接下來電路的自供電特性和提高能量收集的效率將是能量收集電路的重要發展方向。

表1 不同能量收集電路比較Tab.1 Comparison of different energy harvesting circuits

3 內置壓電梁柔性圓筒俘能結構

基于渦致振動的內置壓電懸臂梁柔性圓筒俘能結構[50]如圖11 所示，俘能結構由柔性薄壁圓筒、壓電雙晶片、電極引線、密封蓋以及固定支座組成。將壓電陶瓷片對稱粘附在金屬基板的雙側構成雙晶壓電懸臂梁，并沿軸向置于柔性圓筒內部，使用電極引線與能量收集電路連接，圓筒頂端使用密封蓋進行密封。使用時將俘能結構底端固定，雙晶壓電懸臂梁的中性面與來流方向平行，上端自由立于流體域內。該結構制作簡單，壓電懸臂梁置于柔性圓筒內部，不與流體直接接觸，解決了直接使用壓電懸臂梁易疲勞斷裂的問題，且密封性和防腐性能較好，克服了以往俘能結構由于防水問題不能直接將海洋、江河底部的流體動能轉換為電能的問題。將上述結構在水中進行實驗測試，實驗裝置如圖12 所示。

圖11 內置壓電梁柔性圓筒俘能結構Fig.11 Built-in piezoelectric beam flexible cylinder energy harvester

圖12 實驗裝置圖Fig.12 Experimental setup

測試流速為1.2 m/s，考察前置剛性阻流體與俘能結構不同間距對發電性能的影響，結果如圖13 所示。隨著間距的逐漸增大，其發電裝置產生的電壓峰-峰值先增大后降低，當間距為7 cm 時，電壓峰-峰值達到最大，為4.869 V，此時的波形圖如圖14 所示，為平穩輸出的正弦波。將該結構輸出的電信號經能量收集芯片LTC3588 處理后連接一個發光二極管。實驗結果顯示，俘能結構每工作6 s，可點亮一次發光二極管，證明了該結構的實用性和可行性。

圖13 不同間距下電壓峰-峰值Fig.13 Peak-to-peak voltage at different intervals

圖14 間距為7 cm 時波形圖Fig.14 Waveform when the spacing is 7 cm

4 總結與展望

目前國內外對于渦致振動壓電能量收集技術的研究已經取得了一些成果。本文對目前國內外的幾種壓電俘能結構和收集電路進行了總結和分析。結果表明，未來的研究中應著重解決俘能結構的實用性和提高能量收集效率的問題。

(1)針對壓電俘能結構，目前大多數的研究方向均為單個的俘能結構的發電性能及影響因素，而對多個俘能結構的陣列研究較少。陣列結構更容易實現能量收集的規模化，并為不同供能需求的傳感器提供電能，因此多個俘能結構陣列將是接下來的研究重點。

(2)目前的俘能結構大多適用高流速的氣流中，而對于在低流速的水下環境、復雜流體如石油等環境中適用的俘能結構還較少，接下來應該考察不同環境對俘能結構發電性能的影響，以使俘能結構能在各種環境中廣泛應用。

(3)目前大多數的能量收集電路所需的輸入電壓較高，導致一些產生較小電壓的俘能結構能量轉化效率不高，優化壓電能量收集電路，提高轉化效率是急需解決的問題。