基于渦激振動-顫振的壓電俘能系統設計

張 丹，鄭 述，竇亞萍，隋文濤，宋汝君

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000;2.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000)

0 引言

自供能技術是微型電子裝置將自然環境中的熱能、風能、太陽能等轉化為自身需要的能量，以滿足微小型電子設備的供能需求。

本文研究的是將風能轉化為電能，風能是我們生活中隨處可見的、清潔無污染、可再生的一種能源，也是能量收集最可能實現的一種能源。從結構來看，目前研究的風能采集器[1]主要有兩種結構：利用渦輪轉動的方式和利用風能的風致振動原理。相對于渦輪轉動而言，利用風致振動發電是將風能轉化為物體的振動能，從而轉化為電能。這種方式結構簡單，適用于微機電設備，是目前較主要的研究方向。

目前研究的風能采集器多數都只適用于單一風向，然而自然環境中的風向和風速都是不可控的，因此會出現風能利用效率不高的問題。本文研究的裝置采用圓柱鈍體-懸臂梁-翼型擋板結構。圓柱鈍體可繞固定軸自由轉動，這樣可以由翼型擋板感受風向帶動圓柱鈍體轉動，解決了只能適用于單一風向激勵的問題，實現多風向發電，從而保證了被供能設備長時間相對穩定的工作狀態。

1 基本原理介紹

1.1 渦激振動原理

當環境中流體流過非線性結構時，由于流體自身具有粘性特質，在結構與流體接觸的表面和接觸面垂直的方向上流體流動的速度不同。當有風流過鈍體時會在兩側產生漩渦脫落，而渦激振動[2]產生的原因是漩渦脫落所產生的流體激勵力，大部分結構都會有相似的漩渦脫落。當漩渦交替地從結構兩側脫落時，在物體上會產生周期性力的分量并與風向垂直，由于力的不對稱導致結構的振動。經過研究發現，渦脫頻率(f)與流體流速(v)成正比，與圓柱鈍體的直徑成反比，則有：

f=St×(v/D)

(1)

式中：St≈0.2為斯圖哈爾數；D為圓柱鈍體的直徑。在某些條件下，脫落的漩渦經過其他作用會形成卡門渦街。

1.2 顫振原理

顫振[3]也是風致振動中一類典型的振動現象，彈性結構在均勻的氣流中受到氣動力的激勵而發生變形，與此同時，結構的變形反作用于氣流場，使氣流分布發生改變。在此過程中，結構體振動產生的機械能與氣體的動能相互轉化，當能量轉化不平衡時將發生顫振。顫振是一種自激振動，所以也可以作為自供能風能采集器的一個研究方向。

1.3 壓電材料參數

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 壓電俘能系統結構設計

2.1 系統結構設計

壓電俘能系統主要由支架、圓柱鈍體、懸臂梁和翼型擋板組成。轉動部件(見圖1)由支架支撐，圓柱鈍體[4]內部設有一根軸，軸通過下底座與梁上的上底座固定，軸兩側有軸承連接，軸承固定在上、下兩個底座中，以便軸自由旋轉。絕緣套筒與中心軸相連，導電套筒通過配合安裝在絕緣套筒的外側。圓柱鈍體中間部分橫向連接懸臂梁，懸臂梁的右側與翼型擋板連接，當有流體流過時，圓柱鈍體產生的渦激振動與翼型擋板產生的顫振相互影響，以便提高懸臂梁的振動效率。壓電片置于懸臂梁上，壓電片[5]與中心軸間通有小孔，便于導線的接通，連接處還安有接線螺釘，用于導線輸出的固定。壓電片的輸出由兩根導線完成，一極通過導線連接至電源輸出+/-，另外一極則通過導線連接至電源輸出-/+。

圖1 轉動部件結構設計

此設計利用渦激振動[6]-顫振機理，同時滿足獲取多風向激勵的能量。本文設計結構的初步模型如圖2所示。

圖2 三維結構模型

風能采集器的工作原理為：圓柱套筒作為水平方向的圓柱俘能系統，翼形擋板作為感受風向帶動圓柱套筒轉動，圓柱套筒與支架中間的軸之間通過軸承配合，形成可以自由旋轉的鈍體。鈍體通過懸臂梁與平凸翼型連接。平凸翼型感受風力如果提供的扭矩足夠大，便可以使圓柱套筒與固定軸間發生旋轉運動，表現為繞固定軸旋轉，實現風向自適用。若將圓柱鈍體、懸臂梁、平凸翼型作為整體并稱其為“旗狀”機構[7],當有水平任意方向氣流時，“旗狀”機構會隨著氣體流動方向而做出調整。本裝置合理地利用了渦激振動、顫振的優勢且能夠響應任意水平風向激勵，將風能轉化為電能。

2.2 電能輸出

為了使采集器所產生的電能[8]可供負載使用，本文對電能輸出的可能性進行了分析。本課題所設計的采集器將壓電片置于懸臂梁上，即將2個壓電片中間放置1個銅膜后一起嵌入懸臂梁，兩側壓電片采用極性相反的方式放置，銅膜作為公共端。在轉動軸與懸臂梁[9]嵌入壓電片處設有通孔，在通孔中加入導線，實現銅膜與接線螺釘的連接，電流由壓電片引出，通過導線連通最終將電流傳輸到電源輸出+/-端，壓電片所產生的另一極電流則由導電套筒傳輸到電源輸出-/+端。綜上所述，此采集器可以將風能轉化為電能并具有將電能輸出的可能。

3 仿真分析

3.1 Solidworks流體仿真

用Solidworks繪制圓柱鈍體[10]、懸臂梁和翼型擋板構成一個聯合體(見圖3)。構建完成后，選擇Solidworks的流動模擬(Flow simulation)模塊，由于渦激振動是流體繞流產生，故選擇外部流動方式。

圖3 轉動部件靜壓分析

1) 擺件靜應力分析。為了保證結構的實用性，在自然環境中振動時，保證結構不被損壞，需要對結構進行靜應力分析(見圖3)。將系統擺動部件的上、下兩個面用夾具固定，對結構施加不同大小的力，尋找結構適用的最大壓力，受力點主要在圓柱鈍體與懸臂梁連接的位置。為了保證系統在振動時不被破壞，進一步對結構進行優化，將連接處改為弧形連接，使其能夠承受更大的靜壓。

2) COMSOL仿真。通過COMSOL進行二維模型的層流仿真(見圖4)，以此確定采集器工作時壓電片的最優放置位置，在定義好各種初始條件后，經過計算后得到仿真動畫，振動效果最好的位置位于橫坐標軸600 mm處。

圖4 二維層流仿真結果

3.2 仿真數據分析

對俘能裝置的轉動部件進行力和平均靜壓的測量，測量的位置為圓柱鈍體、懸臂梁一側和翼型擋板。在不同風速(0、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s、16 m/s)下對力和平均靜壓進行測量的結果分別如圖5、6所示。

圖5 受壓變化示意圖

圖6 受力變化示意圖

由圖5、6可知，當風速大于4 m/s時，俘能裝置的3個部位受壓與受力變化較明顯，此時懸臂梁振動壓電片在壓電效應下產生電荷，翼型擋板可以隨風向變化帶動圓柱鈍體轉動，實現水平方向的自適應。

4 儲能電路設計

壓電材料的壓電效應所產生的電流為交流電，而采集器需要低壓直流電，因此，首先選擇電橋整流電路將壓電片產生的交流電轉變為所需的直流電，再經過電容濾波，最后得到浮動較小的直流電為微型電子設備供能。粘貼在懸臂梁上的壓電片所產生的交流電在電路結構中等效為一個交流電源(電流為I)與壓電靜態夾持電容(Cp)并聯，交流電源的電流為

I=Ipsin(2πf1t)

(7)

式中：Ip為幅值；f1為壓電能量收集器的振動頻率；t為時間。

若壓電材料的開路電壓是正弦波信號，那么壓電元件的輸出功率為

(8)

式中Vrect為輸出電壓。

當Vrect=Ip/(4πfCp)時，可得到輸出負載為

Ropt=1/(4fCp)

(9)

并聯同步開關電感收集電路是在較簡單的壓電俘能收集電路的基礎上添加了電感和開關兩部分。開關和電感通過并聯的方式放置在壓電元件的兩側。由于壓電器件有較長的時間處于開路狀態，因此,并聯開關與電感相當于在收集電路中加入了非線性電路。當壓電器件的電壓達到最大值或最小值時，開關處于閉合狀態，與壓電元件的整個工作周期相比，開關處于閉合狀態的時間可忽略。加入電感后，收集電路中與壓電元件等效的夾持電容和加入的電感組成了振蕩電路，夾持電容上的電壓將發生反向翻轉，當翻轉過程結束后，開關又將處于斷開狀態。由于開關閉合狀態的時間可忽略，故可以認為裝置向外釋放的電能高于損耗的電能。當風向改變導致振動方向改變時，電壓的方向也將改變。因此，壓電器件輸出的電壓方向將與采集裝置結構的振動方向保持一致,可輸出更多電能。

5 結束語

本文構建了一種基于渦激振動-顫振的壓電俘能系統。首先對壓電材料和振動結構進行分析并選取，采用單臂懸臂梁結構，通過Solidworks進行系統的三維結構繪制并進行流體仿真，分析轉動部件在不同風速下承受的壓力和壓強，以便保證在自然環境中裝置不被破壞且可正常供能。在COMSOL中構建流固耦合模型，通過仿真確定懸臂梁的最佳振動位置。設計的處理電路滿足對交流電信號實現整流和濾波的供能，最后選取超級電容作為儲能元件，進行電能的充放電控制。