基于渦激振動的壓電風能收集器研究進展1)

黃浩博 曹 迪 周志勇 杜文風

(河南大學土木建筑學院,河南開封 475004)

引言

近年來,石油、煤炭等化石燃料造成的溫室效應等環(huán)境問題日益嚴重,而且化石能源是不可再生能源,如何從環(huán)境中獲取和利用清潔的可再生能源,是目前國內外的一個研究熱點.人們對從自然與工業(yè)環(huán)境中收集能量給予了極大地關注,因為這項技術有望實現(xiàn)微型電子設備的自供電,具有巨大的潛力和廣泛的應用前景[1],比如將其應用于無線傳感器[2]、健康監(jiān)測器、可植入可穿戴微電子設備[3-4]和交通設施的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)[5]等.能量收集的目標是提取環(huán)境中的綠色能源,提取的能量可以轉換成可用的電能.自然環(huán)境中存在著各種形式的振動源和取之不盡用之不竭的天然能源,包括機械振動[6]、潮汐能[7]、風能[8]、太陽能[9]和地熱能[10]等.

在上述這些有潛力的綠色能源中,風能廣泛存在于自然界,其分布廣泛、能量豐富且可持續(xù)收集,是一種綠色、清潔的生態(tài)友好型能源[11-13].目前,風能收集裝置主要可分為渦輪風力發(fā)電機和風致振動能量收集器兩大類,其中渦輪風力發(fā)電機主要是利用旋轉的葉片將風能轉化為機械動能,然后通過與電磁發(fā)電機相連的轉軸將其轉化為電能.發(fā)電功率可達千瓦甚至兆瓦級[14].盡管渦輪風力發(fā)電機已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)運行,成為供電系統(tǒng)的主要補充,但渦輪風力發(fā)電機啟動風速相對較高[15]且體型巨大,運行中的渦輪風力發(fā)電機也會產(chǎn)生較大的噪音,會影響人們的身體健康[16].此外,渦輪風力發(fā)電機的運行還會造成鳥類撞擊死亡[17-18],影響環(huán)境中鳥類和動物的生存,會對生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞.所以渦輪風力發(fā)電機一般都分布在地廣人稀的僻遠地區(qū)或人類無法居住的淺海地區(qū),無法長期有效地為分布廣泛、數(shù)量龐大的無線傳感器網(wǎng)絡和其他各種微電子設備供電.風致振動式風能收集器主要是基于渦激振動[19]、馳振[20]和顫振[21]等流固耦合失穩(wěn)機理將風能轉換為振動能,再利用壓電效應[22-24]、電磁感應[25-26]與摩擦電效應[27-28]等轉換機制,將振動能轉換為電能.渦激振動是在低風速下出現(xiàn)的一種典型的風致振動現(xiàn)象,在低風速環(huán)境下的風能收集具有獨特優(yōu)勢[29-30],而且利用壓電效應的渦激振動風能收集器具有成本低、功率密度高、結構簡單且易于小型化等優(yōu)點而受到廣泛關注[31],目前相關領域的學者們已經(jīng)進行了比較深入的研究.本文總結了渦激振動能量收集器的工作原理、研究現(xiàn)狀,并綜述近些年相關領域最新的性能增強方法,最后對渦激振動壓電風能收集器的發(fā)展趨勢進行展望.

1 渦激振動壓電風能收集器的工作原理和研究進展

1.1 工作原理

渦激振動壓電風能收集器是一種利用流體動力學效應將機械能轉換為電能的設備.其基本工作原理是將流體介質(如空氣、水等)在通過固定的結構物表面時所產(chǎn)生的渦激振動能量收集下來,并將其轉化為電能.在合理的風速范圍內,當渦脫落頻率接近系統(tǒng)固有頻率時,系統(tǒng)會出現(xiàn)頻率鎖定(lockin)現(xiàn)象[29],這意味著在一定的風速范圍內,渦脫落的頻率不再隨流速變化,這種鎖定現(xiàn)象類似于結構動力學中的共振現(xiàn)象,可以激發(fā)顯著的振動,有利于風能的收集,風能收集結構產(chǎn)生頻率鎖定現(xiàn)象時對應的風速稱為鎖定風速.旋渦脫落頻率f定義為f=uS t/L[32],其中S t為斯特勞哈爾數(shù),并且在一定雷諾數(shù)范圍內(300

渦激振動壓電風能收集器的流-固-電耦合動力學方程可以表示為[34]

式中,ωs為脫落頻率,D為鈍體直徑,λ 和A為可以通過實驗得到的經(jīng)驗值,ri(t)為位移的模態(tài)坐標,φi(x)和 φj(x)為懸臂梁的振型,CP為壓電片的等效電容,R為外部電阻,Θ 為機電耦合系數(shù),L0為鈍體的長度,U0為輸入流體的速度

式中,wp為壓電片的寬度,tb為襯底的厚度.

1.2 研究進展

一些研究已經(jīng)證明雷諾數(shù)變化對圓柱的渦激振動現(xiàn)象有很顯著的影響[35-36].近幾年,Zhang 等[37]研究了亞臨界雷諾數(shù)下光滑圓柱的渦激振動氣動阻尼模型,并分析了雷諾數(shù)500～33 000 范圍內的模型動力學響應,研究發(fā)現(xiàn)該模型可以模擬彈性支承下的剛性圓柱在不同質量阻尼參數(shù)對結構振幅的影響.后來,Zhang 等[38]又探索了不同雷諾數(shù)對渦激振動壓電能量收集器的功率輸出的影響,通過數(shù)值模擬和實驗驗證,探究了兩種典型雷諾數(shù)下與振幅相關的氣動參數(shù).Cheng 等[39]研究了低雷諾數(shù)下具有非線性恢復力的彈簧結構對圓柱的渦激振動響應的影響.通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),加入非線性彈簧的結構,圓柱的頻率鎖定范圍與純線性結構有明顯的差異,渦激振動響應的初始分支的范圍得到擴展,而高分支和低分支范圍受到抑制.可以通過線性彈簧和不同剛度的非線性彈簧的組合來調節(jié)頻率鎖定范圍,以增強能量收集.

此外,優(yōu)化能量收集結構的各項物理參數(shù)是增強收集性能的有效方式.Mehdipour 等[40]研究了鈍體的橫截面形狀、壓電梁和壓電材料的尺寸對風能收集效率的影響.研究發(fā)現(xiàn),鈍體的阻力系數(shù)越大,其背后的壓差越大,從而產(chǎn)生的電壓幅值也越大.在低風速下,使用完全覆蓋壓電材料的較長懸臂梁的結構有更好的電能輸出性能;而在高風速下,使用完全覆蓋壓電材料的較短懸臂梁能夠輸出更高的電能.Karimzadeh 等[41]探究了梁長度、圓柱直徑、負載電阻和壓電層厚度等參數(shù)在不同流速下對電能輸出功率密度的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化結構參數(shù)能夠有效增加電能輸出功率密度.Alam[42]利用數(shù)值模擬研究了雷諾數(shù)為150 時圓柱與另一圓柱尾跡相互作用引起的結構振動,闡明了風速、圓柱間距、圓柱直徑、圓柱質量、阻尼和質量阻尼比等參數(shù)對響應振幅的影響規(guī)律.Ambro?kiewicz 等[43]利用5 種不同的鈍體分析了粘貼壓電纖維復合材料的懸臂梁在風載荷和基礎激勵共同作用下的電能輸出效率,在風速范圍為4～15 m/s 和基礎激勵頻率為0～10 Hz 的條件下開展了實驗研究,在整個風速測試范圍內,鈍體質量和激勵頻率對電能輸出有著非常大的影響.Verma 等[44]探索了帶狹縫圓柱的渦激振動壓電能量收集結構的動力學響應特性,研究發(fā)現(xiàn)狹縫位置對結構振動影響較大,當狹縫位置靠近前駐點時,氣流會較早地脫離圓柱表面,導致圓柱后方壓力增加,使升力系數(shù)和圓柱體振幅變大,有利于電能輸出.Tang 等[45]研究了上游圓柱尾流對下游具有超表面結構(meta-surface structure)振動圓柱的風能收集結構能量輸出的影響,研究發(fā)現(xiàn): 布置較長的上游圓柱體能夠使下游風能收集結構具有更高效的電能輸出效率,另外在下游振動圓柱表面布置合適的超表面結構可以進一步增加風能收集效率.Jebelli等[46]通過數(shù)值模擬研究了自由振動平板對圓柱結構下游尾流渦街的影響,研究發(fā)現(xiàn),板和剪切層的相互作用能夠強化渦街的形成,隨著圓柱和平板間距的減小,結構振動幅度逐漸增加.Ramírez[47]推導出了多個任意位置的渦激振動壓電能量收集結構的耦合公式,并利用該公式開發(fā)了一個新的OpenFOAM庫并用于模擬多組收集結構的耦合工作.通過對單組和兩組串聯(lián)放置的收集結構的仿真模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了所提出公式的準確性.該公式不僅能夠準確預測結構機電變量和結構位移,也能夠對能量收集結構的電量輸出性能進行評估.Zhao 等[48]推導出了壓電能量收集結構在渦激力作用下的彎曲-扭轉耦合強迫振動的閉合解,并重點研究了扭轉效應對能量收集的影響,研究發(fā)現(xiàn)結構激發(fā)扭轉共振會使得風能收集器在更大的風速范圍內保持高電壓輸出.Lu 等[49]提出一種新型的二自由度渦激振動壓電風能收集器,并建立了相應的動力學方程,通過對其氣動特性的深入研究,發(fā)現(xiàn)該二自由度渦激振動壓電風能收集器具有兩個頻率鎖定風速區(qū)域,兩個風速區(qū)域分別對應于結構的一階共振和二階共振,非常有利于寬風速范圍內的風能高效收集.

Naseer 等[50]探究了在渦激振動和基礎激勵耦合作用下磁耦合單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)能量收集結構的動力學響應和電能輸出特性,通過改變磁鐵的相對位置,能夠實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)特性.引入單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)特性能夠有效增加結構振動響應幅值,且基礎激勵的強度對阱間跳躍影響很大.Huang等[51]提出了一種具有可調剛度的電磁雙穩(wěn)態(tài)能量收集器,考慮了渦激力、尾跡振蕩效應、負線性剛度和混合激勵的影響,推導出了該結構的磁-機-電耦合數(shù)學模型,并通過數(shù)值仿真對頻率鎖定現(xiàn)象風速范圍內的渦激振動進行了初步驗證.Ma 等[52]提出了一種具有三穩(wěn)態(tài)特性的壓電風能收集器,考慮了等效非線性恢復力,建立了該結構的動力學模型,通過數(shù)值分析和實驗驗證,與不同非線性特性下雙穩(wěn)態(tài)結構的能量收集特性進行對比,研究結果表明具有三穩(wěn)態(tài)特性壓電風能收集器相比于相應的雙穩(wěn)態(tài)結構,易于實現(xiàn)阱間運動,具有較寬的高效工作風速范圍.Mishra 等[53]研究了結構非線性對剛性圓柱體渦激振動的影響規(guī)律,研究結果表明,阻尼比和非線性剛度對渦激振動響應有較大影響,與線性彈簧相比,軟化結構剛度會使結構振幅峰值減小,反之,硬化結構剛度則能夠增加結構響應振幅.Li 等[54]考慮了幾何非線性對風能收集結構的影響,基于哈密頓原理建立了壓電風能收集器的數(shù)學模型,通過數(shù)值模擬和實驗分析來驗證準確性,所提出的幾何非線性模型能夠準確預測渦激振動和馳振耦合作用下結構的動力學響應.

2 渦激振動壓電風能收集器的效率提升

在實際風環(huán)境中,存在著很多制約渦激振動壓電風能收集器高效工作的因素,如: 風速不穩(wěn)定、風速持續(xù)過低或過高,可能會導致風能收集結構無法起振[55]或產(chǎn)生過大的振幅受到破壞[56];自然風可能來自各個方向而風能收集器可能只有在特定的攻角下才可以保持高性能等.經(jīng)典的渦激振動能量收集器收集往往只能在一個很小的風速區(qū)間內產(chǎn)生頻率鎖定現(xiàn)象.在風速多變的環(huán)境中,其輸出功率通常較低,難以保障無線傳感器網(wǎng)絡的電能需求.對渦激振動壓電風能收集器的結構進行優(yōu)化,是擴展其高效工作風速區(qū)域和增加輸出功率的有效途徑.為了進一步增加渦激振動能量收集器在實際風環(huán)境下的性能和可靠性,研究人員提出了許多提高風能收集性能的方法,如: 優(yōu)化鈍體的形態(tài)、加入非線性恢復力、構造幾何非線性構型、構造多自由度收集結構、設計多向收集結構等.

2.1 鈍體形態(tài)優(yōu)化

改變收集結構中的鈍體形態(tài)是優(yōu)化渦激振動風能收集器的一種有效途徑,很多學者在這方面進行了大量的研究.Wang 等[57]研究發(fā)現(xiàn),改變圓柱與來流之間的傾角,可以拓寬渦激振動壓電能量收集器的高效工作風速區(qū)間.當傾角為60°時,高效風速區(qū)間增加229%,并且在合適的傾角和風速下會使橫向彎曲振動與扭轉振動疊加,從而產(chǎn)生高電壓輸出.Azadeh-Ranjbar 等[58]通過減小圓柱的長度與直徑之比,有效地擴大了渦激振動頻率鎖定的風速區(qū)域,并增加結構振動的振幅,發(fā)現(xiàn)圓柱的長度與直徑之比從28.8 減小到5 的過程中,功率輸出最高增加了22 倍.

Wang 等[59]研究了布置不同凸出形狀的超表面(metasurface)圓柱體對風能收集效率的影響,如圖2(a)所示.通過數(shù)值仿真和實驗研究,發(fā)現(xiàn)選擇合適凸出形狀的超表面可以顯著擴大鎖定區(qū)域,例如,圓柱表面布置凸半球圖形的收集器最大電壓和位移幅值分別提高了15.56%和31.34%.隨后,Wang 等[60]研究了布置不同凹陷圖形的超表面圓柱鈍體對風能收集效率的影響,如圖2(b)所示.發(fā)現(xiàn)“凹H”模型可以增強圓柱體的振幅幅值,與光滑圓柱體相比,“凹H”模型不僅使輸出的最大電壓均方根提高了9.44%,而且將高效工作區(qū)間擴大了30.77%.

圖2 (a)4 種突出的超表面圖形[59];(b)幾種凹陷的超表面圖形[60];(c)安裝對稱分流板的風能收集器[61];(d)安裝非對稱分流板的風能收集器[62]Fig.2 (a)Four prominent metasurface patterns [59];(b)Several kinds of dented meta-surface patterns [60];(c)Wind energy harvester with two symmetric splitting plates [61];(d)Wind energy harvester with two asymmetrical splitting plates [62]

此外,Wang 等[61]還嘗試在圓柱表面安裝兩個對稱的分流板,來增強風能收集效率,收集器結構如圖2(c)所示.通過數(shù)值模擬和風洞實驗研究了7 種不同安裝角度的雙分流板對能量收集效率的影響.當雙分流板安裝角度 α=60°時,與無分流板的傳統(tǒng)渦激振動壓電風能收集器相比最大輸出電壓提升188.61%.后來,Wang 等[62]另一項研究又提出一種安裝兩個非對稱分流板的渦激振動風能收集器,如圖2(d)所示.研究表明安裝非對稱分流板改變了渦脫落特性,將振動模式從渦激振動轉變?yōu)轳Y振,可以顯著拓寬工作風速區(qū)間,提高能量收集性能.與傳統(tǒng)的渦激振動風能收集器相比,安裝夾角α=60°和β=90°的分流板使得收集器輸出功率最高提升了471.2%.

Li 等[63]研究了變截面鈍體對渦激振動能量收集性能的影響,設計了一系列由D 形(D)柱和原圓形(O)柱組合而成的組合鈍體,如圖3(a)所示.將3 種實驗混合鈍體分別命名為ODO,ODODO 和DOD.通過數(shù)值模擬和風洞實驗研究,發(fā)現(xiàn)與原圓柱相比,ODODO,DOD 等混合鈍體可以顯著提高收集效率,鎖定區(qū)域將分別增大12.5%和62.5%,最大輸出電壓分別提高了38.2%和41.4%,而ODO 形鈍體會抑制結構振動,不利于風能收集.

圖3 (a)變截面鈍體的風能收集器[63];(b)鈍體前部含V 型槽的風能收集器[64];(c)使用六瓣型圓柱鈍體的風能收集器[65]Fig.3 (a)Wind energy harvester owning a bluff body with variable sections [63];(b)Wind energy harvester owning a bluff body with V-shaped groove at the front [64];(c)Wind energy harvester with six-petal cylinder bluff body [65]

Siritham 等[64]對一個標準圓柱鈍體進行了改進,使其前端具有V 形槽,如圖3(b)所示.實驗研究結果表明,當風速持續(xù)增大時,槽角在45°～68°之間的槽型具有高效功率輸出性能,當在槽角為68°、風速為7 m/s 時,可提供20.33 mW 的最大均方根功率輸出,約為標準圓柱體的140 倍.

Hosseini 等[65]提出了一種具有類似花瓣橫截面鈍體的新型仿生風能收集器,如圖3(c)所示.并對凹凸兩種攻角下的六瓣形的圓柱體進行研究,發(fā)現(xiàn)六瓣形圓柱體凹面迎風時,不僅顯著提高了最大輸出電壓,最大輸出電壓增加260%以上,而且還拓展了適合能量收集的雷諾數(shù)范圍.

2.2 非線性恢復力的引入

在風能收集結構中引入非線性力會使梁在發(fā)生彎曲變形時,所產(chǎn)生的恢復力與其位移或變形之間關系不再是簡單的線性關系.過往的基礎激勵的振動能量收集研究已經(jīng)證實引入非線性力可以改變收集結構的等效剛度,能夠使得結構在較寬的頻率范圍激勵下,產(chǎn)生大幅振動[66-67],有效提高振動能的收集效率.并且一些學者的研究中已經(jīng)通過引入非線性特性來增強收集結構的輸出性能[68-69].基于這些過往的研究思路,通過在渦激振動能量收集器引入非線性特性,是提高流體動能收集的一條有效途徑.本節(jié)介紹了國內外一些學者利用非線性特性改善收集器在實際風環(huán)境中的收集性能的研究.

Wu 等[70]設計了一種新型的雙穩(wěn)態(tài)壓電風能收集器,如圖4(a)所示.該結構在風載荷作用下,能夠在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間產(chǎn)生大撓度彎曲和局部高頻振動,從而輸出較高的電能.在2.5～8.5 m/s 的風速范圍內實驗測試了該收集器的工作特性,風速達到8.5 m/s 時,電阻值為47 kΩ、輸出功率達到了4.216 mW.Joy 等[71]提出了一種圓柱體附有可旋轉重力擺的非線性渦激振動壓電風能收集器,如圖4(b)所示.在風場中,圓柱能夠產(chǎn)生渦激振動并帶動重力擺擺動.研究發(fā)現(xiàn): 當風速超出渦激振動頻率鎖定區(qū)間,若渦街脫落頻率為重力擺擺動頻率的兩倍時,會發(fā)生耦合共振,能夠顯著增加風能收集效率.

圖4 (a)新型雙穩(wěn)態(tài)壓電風能收集器[70];(b)附著非線性旋轉重力擺的風能收集器[71];(c)新型多穩(wěn)態(tài)渦激-馳振風能收集器[72];(d)雙穩(wěn)態(tài)渦激-馳振風能收集器[73];(e)磁耦合彎曲-扭轉風能收集器[74];(f)磁耦合間接激勵風能收集器[75]Fig.4 (a)Bi-stable piezoelectric wind energy harvester [70];(b)Wind energy harvester with non-linear rotating gravity pendulum [71];(c)Multi-stable wind energy harvester integratinggalloping and vortex-induced vibration [72];(d)Bi-stable wind energy harvester integrating vortex-induced vibration and galloping[73];(e)Magnetically coupling bending-torsion wind energy harvester [74];(f)Wind energy harvester by magnetic force coupling [75]

為了從變速風中獲取更多的能量,Zhou 等[72]提出了一種渦激振動和馳振耦合多穩(wěn)態(tài)壓電風能收集器,其結構原理圖如圖4(c)所示,通過引入一個圓柱體和兩個方柱體用于實現(xiàn)渦激振動和馳振耦合,并引入磁引力實現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)特性.實驗研究表明結構能夠在1 m/s 以上的低速弱風環(huán)境下具有較高的風能收集效率.并且在3 m/s 風速下,三穩(wěn)態(tài)風能收集器的均方根輸出電壓高達1.03 V,相比雙穩(wěn)態(tài)結構風能收集器(0.7 V)提高了約47%.后來Wang 等[73]提出了一種二自由度雙穩(wěn)態(tài)耦合渦激-馳振壓電風能收集器,如圖4(d)所示.該收集器可以在1.5 m/s 的低風速下產(chǎn)生阱間跳躍,輸出較高的電壓.在高風速下也能保持穩(wěn)定的高輸出.

Sui 等[74]提出了一種采用圓柱非對稱放置的磁耦合彎扭壓電能量收集器,如圖4(e)所示.并基于歐拉-伯努利梁理論和拉格朗日方程,推導出了該系統(tǒng)的分布參數(shù)模型.通過數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn),與非磁耦合收集結構相比,所提出收集器的輸出功率和頻率鎖定風速區(qū)間分別提高了180%和230%.

Kan 等[75]提出了一種新型磁耦合間接激勵壓電風能收集器,如圖4(f)所示.該結構將壓電結構密封在頂部腔室中,在惡劣天氣環(huán)境中能夠避免被無定向的大風破壞,通過仿真模擬和實驗驗證發(fā)現(xiàn): 該結構可以實現(xiàn)渦激振動與馳振的耦合,最大輸出功率可達4.73 mW.

2.3 多風向壓電風能收集器

目前的大多數(shù)研究都集中在提高收集效率或擴大收集器的工作風速范圍上[76-77],這使得收集器只能在某一特定的風向下才能具有較高的風能收集效率.而實際環(huán)境中自然風的風向往往不穩(wěn)定且沒有規(guī)律,甚至可能來自任何方向[78],這就導致面向單風向的風能收集器無法高效工作,不利于實際應用.因此,如何提升風能收集器在多風向下的收集性能成為了重要研究方向之一,目前該研究仍處于起步階段.

Shi 等[79]設計了一種基于渦激振動的正交雙梁全向風能收集結構,如圖5(a)所示.通過風洞實驗研究發(fā)現(xiàn): 傳統(tǒng)的單梁風能收集器只能在風攻角為0° <θ≤22.5°時具有較大的振幅和電能輸出效率.對所有風向,該正交雙梁風能收集器的總位移響應幾乎總是垂直于風向,并保持較大的橫風振動響應和較大的輸出功率.Li 等[80]提出了一種全風向壓電風能收集器,如圖5(b)所示.該結構由外部位移圓柱殼和內部支承圓柱殼的3 個半圓形的壓電梁組成,仿真和實驗研究結果表明,風向對總功率的影響較小,在9 m/s 的風速下,不同風向下的最小總功率與最大總功率之比僅為0.88.

圖5 (a)具有正交雙梁的壓電風能收集器[79];(b)全風向壓電風能收集器[80];(c)磁耦合雙向風能收集器[81];(d)可旋轉的方向自適應的風能收集器[82];(e)雙圓柱風向自適應型風能收集器[83]Fig.5 (a)Piezoelectric wind energy harvester with orthogonal bi-beam [79];(b)In-plane omnidirectional piezoelectric wind energy harvester [80];(c)Bi-directional energy harvester with magnetic interaction [81];(d)Rotating and direction-adaptive wind energy harvester [82];(e)Direction-adaptive wind energy harvester fitted with double cylinders [83]

Su 等[81]提出了一種雙向風能收集器,如圖5(c)所示.該結構將兩個圓柱鈍體水平固定在一U 形梁中心,并在U 型梁上部的兩端布置了4 個磁鐵,能夠在垂直的兩個風向下進行風能收集.通過風洞測試發(fā)現(xiàn),收集結構水平放置可以利用磁力相互作用,顯著提高峰值電壓并拓展高效收集的風速范圍.

Zhang 等[82]提出了一種可隨著風向旋轉的自適應風向的風能收集器,如圖5(d)所示.該結構將一對可旋轉的鉸鏈固定在旋轉軸上,在任意風向下均能通過旋轉自動調整壓電梁方向,使得收集結構可以保持最優(yōu)的迎風方向進行風能收集.

侯成偉等[83]提出了一種有兩個L 型壓電梁連接圓柱的風向自適應型渦激振動壓電風能收集器,如圖5(e)所示.此收集器可以根據(jù)風向的變化,自主調節(jié)迎風角度.通過風洞測試得出: 受不同方向來風激勵時,收集器的輸出功率絕對積分面積的平均相對偏差不大于6.1%;收集器開啟風向自適應狀態(tài)相對關閉狀態(tài),兩個壓電俘能梁的輸出功率絕對積分面積平均值分別提升了468.2%和492.3%.

2.4 混合結構的壓電風能收集器

為了使渦激振動風能收集器能夠適應自然風環(huán)境并具有較高的電能輸出效率,一些學者針對同時利用不同風致振動機理和能量轉換機制,對風能收集進行了深入研究.不同的鈍體結構具有不同的最佳風能收集環(huán)境,通過結合不同的鈍體結構可以拓寬收集器的工作風速區(qū)間,從而提高風能收集效率.并且一些研究發(fā)現(xiàn)同時利用多種能量轉換機制,也能夠能顯著提高電能輸出.

渦激振動和馳振能量收集器的高效工作風速范圍一般是不同的,渦激振動往往在低風速環(huán)境下的某一小段風速區(qū)間具有較高的風能收集效率.而馳振能量收集器只有在高風速下具有較高的風能收集效率.Wang 等[84]使用由兩個圓柱形和一個長方體段組成的組合鈍體進行風能收集,如圖6(a)所示.利用組合鈍體誘導馳振-渦激振動耦合現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn),方柱長度為一倍圓柱直徑的組合鈍體,能產(chǎn)生的最大電壓幅值約為6.48 V.在低風速區(qū)間,該結構的風能收集效率,高于傳統(tǒng)的馳振風能收集器.當風速超出渦激振動鎖定的風速范圍時,也能保持較高的電壓輸出.

圖6 (a)具有混合鈍體的風能收集器[84];(b)雙圓柱二自由度風能收集器[85];(c)渦激顫振耦合的壓電風能收集器[86];(d)混合壓電-介電風能收集器[29];(e)壓電-電磁混合風能收集器[76];(f)壓電-電磁混合風能收集器[87]Fig.6 (a)Wind energy harvester with hybridized bluff bodies [84];(b)2-DOF aeroelastic wind energy harvester with double cylinders [85];(c)Piezoelectric energy harvester by vortex-induced flutter coupling [86];(d)Hybrid piezo-dielectric wind energy harvester [29];(e)Piezoelectromagnetic hybrid wind energy harvester [76];(f)Hybrid piezoelectric and electromagnetic wind energy harvester [87]

Chen 等[85]提出了一種二自由度渦激振動和尾流馳振耦合的壓電風能收集器,如圖6(b)所示.該結構由于兩個平行圓柱體和一根粘貼有壓電片的懸臂梁組成.風洞實驗的研究結果表明,與傳統(tǒng)的渦激振動風能收集器和單自由度尾流馳振器相比,該結構高效工作風速區(qū)間和輸出電壓都得到了明顯改善.兩個圓柱之間的間距對風能收集特性有較大影響,當圓柱間距為135 mm 時,該結構有0.8～1.3 m/s 和2.5～3.5 m/s 兩個鎖定區(qū)域,并且峰值電壓都高于單圓柱結構.當風速高于4.5 m/s 時,還會發(fā)生尾流馳振.與單圓柱收集結構對應的電壓值相比,在風速為1.1,3.1 和6.0 m/s 時,該結構的輸出電壓幅值高達3.0,2.2 和5.3 V,分別提高了64%,650%和800%.

Li 等[86]設計了一種渦激振動-顫振耦合的復合壓電風能收集器,如圖6(c)所示.該結構由一圓柱體和兩個翼型構件產(chǎn)生渦激振動與顫振耦合效應拓寬高效風能收集的風速區(qū)間,與相同尺寸下傳統(tǒng)的渦激振動風能收集器和顫振風能收集器相比,該結構在2～15 m/s 的測試風速范圍具有較高的電能輸出性能,最大輸出電壓高達60.2 V,分別是渦激振動能量收集器(3.59 V)和顫振能量收集器(9.53 V)最大輸出電壓的16.8 倍和6.3 倍.

Lai 等[29]提出了一種混合壓電-介電彈性體風能收集器,如圖6(d)所示.介電彈性體發(fā)電結構嵌入到圓柱鈍體內,在渦激振動作用下,能夠同時利用壓電陶瓷片和介電彈性體輸出電能,產(chǎn)生更高的輸出功率.Hou 等[76]提出了一種壓電-電磁式混合能量收集器,如圖6(e)所示.電能轉換部分由一個壓電陶瓷和一個電磁線圈組成,以同時收集渦激和基礎激勵振動能量,與傳統(tǒng)渦激振動能量收集器相比,該收集器輸出功率提高了1242.86%,高效工作風速區(qū)間增大了400%.Al-Riyami 等[87]也結合了渦激振動和電磁感應原理提出了一種壓電-電磁混合風能收集器,如圖6(e)所示.在空心圓柱筒內部放置了電磁感應線圈,通過參數(shù)分析研究了設計參數(shù)對風能收集器輸出功率和寬風速范圍內整體性能的影響.由于能量轉換部分布局緊湊,從而具有高效的風能收集效率.

Du 等[88]將風車與渦激振動壓電風能收集器相結合,設計了一種能夠利用風車帶動鼓風機增強輔助風洞內空氣流速的風能收集器,如圖7 所示.收集結構可以利用風車和傳動裝置在低風速環(huán)境下使得輔助風洞內產(chǎn)生較高的空氣流速.當輔助風洞內空氣流速為19 m/s,鈍體直徑為30 mm,電阻為650 kΩ時,最大輸出功率為8.97 μW.

圖7 微型風車-壓電風能收集器[88]Fig.7 Micro-windmill-piezoelectric wind energy harvester [88]

2.4 布置擾流結構

目前一些學者的研究發(fā)現(xiàn),通過在鈍體結構下游放置擋流板能夠改變流場特性,可以有效抑制或增強圓柱體的渦激振動[89],并對渦激振動能量收集器的能量輸出和工作風速區(qū)間有一定的調節(jié)作用.Wang 等[90]針對下游矩形板的最優(yōu)位置和尺寸進行研究,研究結果表明: 在下游靠近圓柱體的位置布置較小尺寸擋流板可以更容易引起風能收集器在高風速區(qū)間發(fā)生馳振.最優(yōu)布置方案為在下游0.2～0.4倍圓柱直徑的位置放置一塊2 倍圓柱直徑的方板.

Kan 等[91]設計了一種布置下游菱形擋板的間接激勵風能收集器,如圖8(a)所示.利用菱形擋板不僅能夠改變空心圓柱的氣動彈性不穩(wěn)定性,更加容易實現(xiàn)渦激振動與馳振耦合,使預彎壓電振子具有較高的電能輸出效率,而且還可以抑制圓柱殼的振幅,確保高可靠性和良好的環(huán)境適應性.研究發(fā)現(xiàn),與不帶菱形擋板的風能收集器相比,最大輸出電壓從19.8 V 提高到200 V,提高了900%以上.該風能收集器在負載電阻為最佳阻值200 kΩ 情況下,能夠輸出5.493 mW/cm3的最大功率密度.Liao 等[92]提出一種放置下游方形擋板的嵌套結構壓電風能收集器,如圖8(b)所示.該結構利用方形擋板在高風速下實現(xiàn)了渦激振動向馳振的轉變,實驗結果表明,該收集器的最大綜合電壓輸出性能與傳統(tǒng)單圓柱的壓電風能收集器相比提高了1040%.

圖8 (a)圓柱殼與菱形擋板相互作用的風能收集器[91];(b)布置矩形擾流板的嵌套結構壓電風能收集器[92];(c)布置下游擾流板的風能收集器[93];(d)雙鈍體間接激勵風能收集器[94]Fig.8 (a)Wind energy harvester by interaction of cylindrical shell and diamond-shaped baffle [91];(b)Joint-nested structure piezoelectric energy harvester with rectangle-shaped spoiler [92];(c)Wind energy harvester with downstream baffle [93];(d)Wind energy harvester with two bluff bodies [94]

Kan 等[93]提出了一種放置下游擋流板的懸臂式壓電風能收集器,如圖8(c)所示.實驗研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化擋板寬度、懸臂梁長度和擋板與鈍體之間的距離,能夠有效提高輸出電壓和降低啟動風速.在風速為16 m/s,電阻為100 k?的情況下,最大輸出功率高達0.42 mW,能夠驅動20 個串聯(lián)的藍色led 燈.Wang 等[94]提出了一種放置下游擋流板的間接激勵壓電風能收集器,如圖8(d)所示.壓電梁結構安裝在矩形擋板下游的空心圓柱內,實驗發(fā)現(xiàn)該結構具有較高的可靠性和較寬的工作風速區(qū)間.當擋板與圓柱距離為0.6 倍的圓柱直徑、擋板高寬均為1 倍圓柱直徑時,收集器的臨界風速可以低至0.96 m/s,最大輸出電壓可達90.35 V.當風速為15 m/s,負載電阻為2000 k?時,最大輸出功率高達2.57 mW.

Liao 等[95]將一擋板固定在磁耦合間接激勵壓電風能收集器的下游,如圖9 所示.通過仿真和實驗驗證了該俘獲器結構和工作原理的可行性.與不加方板的情況相比,引入方板后,最大輸出電壓不僅由7.5 V 提高到14.8 V,而且相應的激勵風速降低了10.5 m/s.

圖9 具有復合嵌套結構的磁耦合非接觸風能收集器[95]Fig.9 Magnetically coupling non-contact wind energy harvester with nested structure [95]

3 總結和展望

本文介紹了渦激振動壓電風能收集器的研究進展,以及渦激振動壓電風能收集器的工作原理和控制方程.渦激振動壓電風能收集器目前也存在一些不足: 鎖定風速區(qū)間較短,對時變風速和不同風向環(huán)境適應性差等.因此,如何使渦激振動壓電風能收集器在自然風環(huán)境下保持穩(wěn)定高效的能量輸出是約束渦激振動壓電風能收集器實際應用的一個關鍵問題.

針對這些問題,為了提供解決思路,提高渦激振動風能收集器在現(xiàn)實風環(huán)境中的實用性,本文著重綜述和分析了增強渦激振動壓電風能收集器工作性能和環(huán)境適應性的關鍵技術.在不同的增強方法中,優(yōu)化鈍體結構、改變鈍體表面粗糙度和鈍體形態(tài)是最直接的增強方案.引入非線性力可以改變收集結構的共振頻率.該方法可以拓寬頻率鎖定風速范圍,提高收集器的風能轉換效率.引入多穩(wěn)態(tài)特性可以改變收集結構的恢復力平衡點個數(shù),改善收集器的風能轉換效率.多向風能收集器能夠在變風向的環(huán)境中實現(xiàn)風能的高效收集.采用間接激勵結構和布置下游擋流板等方案也可以改善風能收集器的振幅和頻率鎖定風速范圍,并且能夠有效防止因振幅過大而導致發(fā)生機械過載,受到破壞.此外,通過結合各種形式的收集結構和不同的能量轉換機制來制作混合能量收集器的方案,也可以顯著提高風能收集器的高效工作風速范圍或提高輸出電壓和能量轉換效率.

綜上所述,目前渦激振動風能收集器在現(xiàn)實風環(huán)境中的工作性能還具有很大的局限性,要實現(xiàn)實際應用,仍舊需要在進一步擴大收集器的高效收集風速區(qū)域、提高輸出功率并保持穩(wěn)定功率輸出、適應變風向和變風速風環(huán)境、保證風能收集結構的環(huán)境適應性和穩(wěn)定工作不損壞等方面進行研究.

總的來看,渦激振動能量收集技術具有廣闊的應用前景,是實現(xiàn)低功耗微電子設備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器自供電非常有潛力的解決方案.目前,隨著研究人員不斷的深入研究,渦激振動風能收集器的性能和環(huán)境適應性已經(jīng)有了顯著的進步,隨著相關研究不斷地推進,小型結構風能收集的優(yōu)勢更加明顯,這項技術在未來一定會進入實際應用.