基于风致振动效应的微型风能收集器研究现状

赵兴强，王军雷，蔡 骏，郭 颖

(1.南京信息工程大学 信息与控制学院 江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心，南京 210044；2. 南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044；3. 郑州大学 化工与能源学院，郑州 450002)

基于风致振动效应的微型风能收集器研究现状

赵兴强1，2，王军雷3，蔡 骏1，2，郭 颖1，2

(1.南京信息工程大学 信息与控制学院 江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心，南京 210044；2. 南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044；3. 郑州大学 化工与能源学院，郑州 450002)

在环境能量收集技术领域，基于风致振动效应的微型风能收集器已成为一个研究热点，对其研究现状和发展趋势进行了总结与分析。分别讨论了风到振动、振动到电能的能量转换过程，重点对基于涡激振动、颤振、驰振、共振腔的微型风能收集器的基本理论和典型结构进行了分析。结果发现，目前微型风能收集器的机电转换方式以压电效应为主，风致振动方式以颤振和驰振为主要发展趋势。

风能；能量收集；风致振动

近年来，环境能量收集器受到了国内外研究者的广泛关注，它能够源源不断地将环境中各种形式的能量(太阳能、振动能、流体动能等)转化为电能，具有体积小、寿命长、能量密度高等显著优点，在无线传感网络、自供能系统等方面具有潜在的应用前景[1]。风能作为一种清洁的可再生能源，在环境中广泛存在。相对于其他几种形式的环境能量收集技术，风能收集技术的研究起步较晚，在基础理论、结构设计加工等方面存在众多关键的科学与技术问题。

与大型的风力发电机不同，微型风能收集器并非为了并网，其典型应用是为微小型的自供能系统供电[2-3]。在研究初期，微型风能收集器的结构基本都是转动式的大型风力发电机的小型化，这种结构存在两个问题[4]：①结构复杂，微型结构的加工和安装较为困难；②轴承的摩擦力和材料疲劳在微尺度下更加显著，可靠性和工作效率低。后来，研究者将风致振动结构和振动能量收集器结合，形成了基于风致振动效应的微型风能收集器。其中风致振动结构在风作用下发生振动，用于风能的收集，如涡激振动的圆柱[5]、颤振的翼型结构[6]和柔性膜[7]等，然后由振动能量收集器将前者的振动能转化为电能。相对于转动结构，基于风致振动效应的微型风能收集器的结构相对简单且成本较低，成为了微型风能收集器的主要发展趋势。

基于风致振动效应的微型风能收集器的能量转换过程涉及到流(风)-机-电多场耦合的问题，可分为机电转换和风致振动两部分。本文首先介绍微型风能收集器的机电转换机理的概况，然后按照风致振动机理的不同分类详细讨论微型风能收集器的研究现状。

1 机电转换机理

微型风能收集器机电转换是机械振动能与电能之间相互转换的过程。振动产生电能，同时电能的输出会进一步的抑制振动，即为机电耦合。微型风能收集器主要有三种机电转换机理[8-9]：压电效应、电磁感应和静电效应。压电效应的收集器利用压电梁将振动转化为压电材料的交替应变，由正压电效应实现电荷的输出，具有结构简单、输出电压和功率密度高的优点，是微型风能收集器主要的机电转换方式。电磁感应机理的收集器由磁铁和线圈组成，二者发生相对运动，引起线圈的磁通变化，产生电动势，该结构较复杂，输出电压较小，但成本低。静电效应的收集器的输出功率密度较低，且需要初始的充电等过程。

除了上述常规的机电转换机理外，近年来研究者开始探索其他的能量转换机理在能量收集领域的应用。Yang等[10]将摩擦发电和静电效应结合，能量转换效率可以达到55%，功率密度达到1 200 W/m2。Guo等[11]也开展了摩擦发电的研究工作。Krupenkin等[12]采用逆向电润湿技术设计了静电式的收集器，需要驻极体提供初始的电荷。Deng等[13]利用挠曲电效收集振动能量，发现这种原理的收集器随着尺度减小，性能显著提高，且材料的挠曲电效应不受居里温度限制，可以工作在高温环境。

2 风致振动效应的微型风能收集器

风致振动是流体动能与振动能之间相互转换的流固耦合过程。结构在风作用下发生振动，同时结构的振动进一步的影响流场的分布。微型风能收集器的风致振动机理主要包括涡激振动、颤振、驰振、共振腔等，下面首先分析这些效应的基本原理和相关理论，然后对一些典型的结构和案例进行分析。

2.1 涡激振动

在一定的雷诺数范围内，当流体绕过钝体时，会在钝体后面的尾迹中产生交替脱落的旋涡，即卡门涡街[14]。在钝体上产生交替变化的气动力，同时在尾迹中形成交替变换的流体压力场。当钝体为弹性支撑时，气动力使其发生涡激振动。旋涡的脱落频率与风速成正比，当与钝体的共振频率接近时发生共振，且共振现象会锁定在一定风速范围内。如图1所示，随着风速增加，涡激振动频率f线性增加；当风速达到一定值时，涡激振动频率锁定在共振频率f0附近，且振动幅度Ay出现一个峰值；风速继续增加，涡激振动频率又回到线性曲线上。微型风能收集器工作在锁定区域内时性能较高，而该区域的风速范围通常较窄，导致其应用受到了一定的限制。

Gao等将PZT悬臂梁作为圆柱的弹性支撑(见图2)，柱体在交变的气动力作用下发生涡激振动，在5 m/s下输出功率30 μW。Lin等[15-16]对方柱、三角柱等柱体进行了仿真，建立了多物理场耦合方程，发现外接负载电阻对振动的振幅、输出电压有显著影响，且能使锁定区域变宽。Weinstein等[17]则将PZT压电片置于圆柱后方的涡街内，并在PZT梁自由端安装一个叶片(见图3)，在5 m/s风速下输出功率3 mW，但器件整体尺寸较大。

图1 振动频率和幅度随着风速的变化曲线Fig.1 The vibration frequency and amplitude as function of wind speed

图2 基于涡激振动的风能收集器：钝体由压电梁弹性支撑Fig.2 The vortex-induced-vibration-based wind energy harvester： a bluff body fixed on a piezoelectric cantilever beam

图3 基于涡激振动的风能收集器：压电梁置于涡街中Fig.3 The vortex-induced-vibration-based wind energy harvester： a piezoelectric cantilever beam fixed in the vortex

目前，利用涡激振动效应进行风能收集的研究大多是开展理论模型和软件仿真等方面的工作，主要对流-机-电多场耦合问题进行探讨，分析结构参数对输出性能的影响，而实验方面开展较少[18-19]。

2.2 颤 振

典型的颤振是薄翼型结构在气流作用下发生的弯曲和扭转二自由度耦合的振动，具有自激、发散、非线性、大幅度和大变形的特征[20]。当风速大于某一临界值时，结构从风中吸取的能量大于自身的损耗，其振幅突然增大，就发生颤振。相对于涡激振动，颤振更为强烈，相应的收集器的输出电压和功率等性能也更高，是微型风能收集器的重要发展方向。

从结构上看，基于颤振的微型风能收集器主要有柔性结构和弹性支撑的刚体结构两种。柔性结构如柔性膜[21]、柔性带[22]等，刚体结构如翼型流线体[23-24]、板[25]等。虽然这些结构都比较简单，但发生风致振动的过程非常复杂，在理论模型建立、结构的设计与优化等方面都存在困难，其关键在于气动力如何确定。

对于柔性结构，在风致振动过程中，变形的柔性体上气动力具有分布的特性，直接由N-S方程计算气动力则非常复杂。Kornecki等[26]对悬臂结构的柔性膜在轴向风中颤振的气动力建立了零环流模型，但在柔性膜前缘的固定端和后缘的自由端都存在奇异性。Tang等基于非定常的集总涡模型计算了悬臂梁上的气动压力，研究了颤振发生后的特性。Eloy等[27-28]对大振幅的长条结构横向运动时的Lighthill气动力模型进行了修正，考虑了拖拽力和流体分离产生的压力，做了进一步的完善工作。尽管对柔性结构的流固耦合问题开展了相关研究，但在风能收集器的流-机-电多场耦合理论方面还有很多工作需要开展。

Li等[29]在柔性的PVDF膜的自由端横向铰链一个三角形的膜片(叶片)，设计了L型的压电“树叶”(见图4)，叶片的颤振带动PVDF膜发生振动，输出功率0.6 mW。赵兴强等提出了PZT梁-PET柔性膜的复合逆风颤振结构，风从柔性膜的自由端吹向复合结构的固定端，该结构兼具了PET膜的低临界风速和PZT高压电性能的特点(见图5)，其临界风速2.4 m/s，最大输出功率3.1 mW。Humdinger Wind Energy公司研制的Windbelt风能收集器是将柔性带的两端固定，磁铁作为动子安装在柔性带上，线圈作为定子固定在柔性带外，柔性带发生颤振时磁铁与线圈发生相对运动，可在2.6～8.8 m/s的风速范围内工作。2015年Perez等[30]则将轴向风中颤振的柔性膜与静电转换机理结合，研制出微型风能收集器如图6所示，两个平行的电极板表面覆有25 μm的Teflon聚四氟乙烯驻极体层，两极板中间有一个聚合物膜，该膜在气流作用下发生颤振，从而改变与极板的电容，并对外形成电流，该器件在30 m/s风速下，输出功率2.1 mW。

图4 L型压电树叶Fig.4 L shape piezo-leaf

图5 PZT梁-PET膜复合逆风颤振结构Fig.5 Upwind flutter structure with PZT beam-PET film

图6 颤振机理的静电风能收集器Fig.6 Electret-based flutter wind energy harvester

对于刚体结构，气动力主要分为升力和扭矩。在耦合过程中，气动力可以看成刚体横向位移和速度、扭角和扭转角速度的函数，具有半经验的固定表示形式[31]。采用准静态气动失速模型，翼型结构的气动升力Fh和扭矩Ma表示为

(1)

式中：ρ为空气密度；U为风速；b为半弦长；cla和cma分别为升力系数和扭矩系数；cs失速相关的非线性参数；αeff为有效攻角，可表示为

(2)

式中： a为弹性轴相对半弦处的偏移量；h和θ分别为横向位移和转角。

2011年Bryant等在PZT(Piezoe-LectricTransducer)压电悬臂梁的自由端铰链一个翼型结构(见图7)，风从悬臂梁固定端吹向自由端，翼型结构颤振时带动压电梁振动，在8m/s风速下，输出2.2mW。Erturk等[32-33]也对该结构进行了研究，然而机翼结构本身设计成流线型，往往是为了避免颤振的发生。

图7 基于翼型颤振结构的微型风致振动能量收集器Fig.7 Wing-based flutter wind energy harvester

2.3 驰 振

驰振是非流线型剖面的细长结构因气流的自激作用产生一种弯曲振动，通常与气流对结构的相对速度和流体对结构的攻角有关[34]，如输电线横向风中的驰振等。与颤振类似，驰振也是一种自激的发散振动，具有大振幅和大变形的特征，因此基于驰振的微型风能收集器的性能也比较高。与颤振不同的是，驰振只有一个自由度的振动，气动力模型较为简单。基于驰振的微型风能收集器典型结构如图8(a)所示，悬臂梁的自由端安装一个柱体，风从自由端沿着轴向吹向固定端。不考虑转动因素，该结构可以等效成图8(b)所示的弹簧-质量块-阻尼系统，把压电梁等效成弹簧K，M为等效的质量，C为机械阻尼，α为攻角，Urel为相对风速。在准静态假设条件下，气动力可以表示为

(3)

式中：Db为柱体迎风面的特征尺寸；a1和a3为与柱体截面形状相关的系数。不同截面的柱体结构气动力具有固定形式，其系数a1和a3可以通过实验等方法得到，这样就简化了建模的过程。Yang等[35-38]先后对方柱、矩形柱、三角柱、D型柱等弹性支撑的刚体结构的驰振机理的风致振动能量收集器进行了研究。

图8 驰振机理的风能收集基本结构Fig.8 Fundamental structure of galloping wind energy harvester

2014年Ewere等在压电悬臂梁的自由端安装了方柱体(见图9)，其临界风速为2m/s，在8m/s风速下输出功率13mW。2012年Sirohi等[39]在PZT压电悬臂梁的自由端安装了D型的柱体，在4.7m/s的风速下输出功率1.14mW。2014年Vicente-Ludlam等[40]建立了D型柱体单自由度的驰振模型，同时结合电磁转换机理完成了多场耦合模型的分析。Abdelkefi等则在压电梁自由端沿着长度方向安装了一个三角柱体，在横向风中发生驰振，建立了压电梁分布式非线性的驰振耦合模型。

图9 方柱型驰振结构的微型风能收集器Fig.9 Galloping wind energy harvester with a square bluff body

尽管基于颤振和驰振效应的微型风能收集器具有较高的转换效率，但由于大变形的非线性振动，结构很容易发生机械过载，导致结构断裂，因此对风能收集器的过载保护至关重要，但关于颤振或驰振的微型风能收集器的可靠性方面的研究则鲜有报道。

2.4 共振腔

这里的共振腔是指赫姆霍兹共鸣器，主要包括腔体和颈部两部分。腔体内的空气的可压缩性可以看成一个弹簧，与腔体连接的颈部的空气质量可以看成声质量，这样就形成一个典型的弹簧-质量块二阶系统。在颈部有一个开口，风在开口处的波动会引起这个弹簧-质量块系统以自身的共振频率发生振动。雷军命[41]在腔体底部安装了压电片，腔体内振荡的气体使得压电片发生振动，实现了300 m/s高风速的能量收集器，输出功率1.4 W。Zou等[42]也在开展高风速的风能收集器的研究，在共振腔的底部安装了圆环形的压电片，159 m/s的高风速下，输出功率58 mW。Kim等[43]采用立体平板印刷技术和激光加工技术加工了的环氧树脂共振腔，腔体底部安装了微型电磁式振动能量收集器，在5 m/s的风速下输出4 mV。2013年Wang等[44]在共振腔的出风口处安装一个悬臂结构的簧片，在风作用下簧片发生振动；动子磁铁安装在簧片末端1/3位置处，定子线圈固定在腔体上(见图10)；该收集器在20.3 m/s的风速下，输出功率56 mW。共振腔结构的风能收集器需要大的腔体来形成空气的振动，较难微型化，多适用于高风速环境，如武器装备等。

图10 共振腔结构的风能收集器Fig.10 Wind energy harvester using resonant cavity

2.5 其 他

上述的微型风能收集器多是采用压电效应实现的能量转换，较少电磁转换原理。Jung等[45]将两个Φ5 cm×85 cm的圆管顺风方向排列，后管处于前者的尾流驰振区域，在后管两端安装了电磁式振动能量收集器(见图11)，在4.5 m/s的风速下，输出功率370 mW。Zhu等[46]设计了电磁式的微型风致振动能量收集器，如图12所示。一个叶片结构安装在悬臂梁的自由端，在叶片前缘的一侧有一个挡风结构以便形成非稳定流，磁铁作为动子安装在叶片上，在5 m/s风速下输出功率1.6 mW。

图11 尾流驰振的风能收集器Fig.11 Wind energy harvester based on the wake galloping

图12 电磁式风能收集器Fig.12 Electromagnetic wind energy harvester

为了实现微型化，MEMS技术开始应用于风能收集器，特征尺寸已深入到μm的尺度。Liu等[47]用Sol-Gel方法在SOI片上制备了2.5 μm厚的PZT膜，采用MEMS技术加工了微型压电悬臂梁-质量块结构(见图13)，沿着梁宽度方向分布3个压电单元，在15.6 m/s的风速下，输出功率38.7 nW。He等[48]在硅片上制备了1 μm的AlN薄膜，采用MEMS技术加工了微型压电悬臂梁-质量块结构，并将该结构安装在铜悬臂梁的自由端，如图14所示，在一个钝体后发生风致振动，在15.9 m/s风速下，输出功率1.6 μW。

图13 刘会聪的MEMS微型风能收集器Fig.13 MEMS wind energy harvester by Liu

3 结 论

本文从机电转换和风致振动两个方面对微型风能收集器的研究现状和发展趋势进行了分析，并根据风致振动机理的不同，重点分析了微型风能收集器的基本理论和典型结构，总结为如下几点：

图14 贺学锋的MEMS微型风致振动能量收集器Fig.14 MEMS wind energy harvester by He

(1)在环境能量收集技术领域，风能的收集与转换已成为一个研究热点。

(2)目前微型风能收集器的机电转换方式以压电式为主，摩擦发电等高效的机电转换方式也开始受到重视。

(3)传统转动结构的风能收集器小型化较难，风致振动结构成为了微型风能收集器的主要趋势，并以颤振和驰振为研究热点。

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A review on micro wind energy harvesters based wind induced vibration

ZHAO Xingqiang1， 2， WANG Junlei3， CAI Jun1， 2， GUO Ying1，2

(1. Jiangsu Engineering Research Center on Meteorological Energy Using and Control， School of Information and Control， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China； 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；3. School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China)

In the field of environmental energy harvesting， it has become a hot topic on the micro wind energy harvester based on wind induced vibration. The present situation and development trends about the wind harvesters were reviewed in this paper. Two processes of energy conversion， wind flow to vibration and vibration to electricity， were discussed. The fundamental theory and typical structures of the micro wind energy harvester were mainly analyzed based on vortex-induced-vibration， flutter， galloping and resonant cavity. It is found that the piezoelectric effect is the main mode for electromechanical conversion， and the flutter and galloping are the main trend for wind-induced vibration.

wind energy； energy harvesting； wind induced vibration

江苏自然科学基金(KB20150921)；南京信息工程大学启动基金(S8113108001)

2016-02-29 修改稿收到日期： 2016-06-23

赵兴强 男，博士，讲师，1982年9月生

王军雷 男，博士，讲师，1988年8月生

TK83；TN712

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.017