浅谈内置压电悬臂梁对水流能量收集的系列研究

周思佳　杨桂秀　王德明

摘 要： 本文采用压电片内置的形式，使装置在复杂水道中得以实现正压电效应，通过压电材料把水道中机械应力转化成电势，为使结构简单，团队采用悬臂梁式压电换能器。根据伯努利方程：当流体冲击扰流物体引起局部流速改变时，会在物体表面产生压力波动，利用压力波动使外部容器振动，驱动压电换能器从而进行发电，实现对水流的能量收集。

通过本装置这种产能获能的方式，可以逐步发展挖掘对于水能等新能源的利用，从而代替化石能源的利用。在前期预实验当中表明，该装置在风能的作用下，同样适用，由此可见，此种内置压电悬臂梁能量收集装置发展前景可观。

关键词： 能量收集；压电片；悬臂梁；弹性形变

一、研究背景

随着工业世界的高速发展，集成电路、 MEMS、便携式电子设备等的应用日益广泛， 其主要以化学电池为主的供能方式存在。由于这些化学电池体积大、质量大、供能寿命有限、需要定期更换等，诸多弊端，而带来的材料浪费、环境污染等问题也不容忽视。

因此， 如何为这些低耗能的电子产品供能， 已成为迫切需要解决的问题。根据能量转换机理的不同， 获取电能的有效方法有电磁式、静电式和压电式等3类。与其它的发电原理相比， 压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、 无污染和易于实现微小化及集成化等诸多优点， 并能满足低耗能产品的供能需求。

随着一次能源的逐步匮乏，新能源的发展势在必行，作为贮藏量丰富的水能则是新能源当中的重要组成部分，因此团队希望能够利用内置压电悬臂梁的形式，将复杂水道中的水能得以收集并利用。如果能夠能够将水能转化为一种较为稳定的能量形式，那么在新能源的利用和发展上必将迈出坚实的一步。

二、结构设计

本装置利用内置压电悬臂梁结构，实现对复杂水道的水能收集并利用。

压电片发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、 无污染和易于实现微小化及集成化等诸多优点，在复杂水道当中，利用水流的冲击，使装置产生一定频率的震动，从而进行能量的收集。将压电片内置形式可以适用于流体的复杂环境，延长压电片的使用寿命。

本文主要从压电片的内置形式模型制作、装置在风洞和水道中分别进行实际测试、装置振动及输出性能分析和研究装置对于复杂水道的适应和反馈机制并提出改进措施四个方面进行着手。

三、实验结果

当内置压电悬臂梁结构进行能量收集时，在不同的流速下，以电阻值作为控制变量进行多次实验。得到了关于质量块摆动位移、相应移动位移对应频率以及电压的相关数据。

从表格中我们可以看出：当流速逐渐减小，内置压电悬臂梁能量收集转化装置所转化的电势能逐渐降低，从而使单位体积所获得能量降低。

四. 创新特色

随着各国能源短缺的迫切需求，新型资源必将成为主流发展方向。

本装置以具有充分储量的水资源作为研究对象，将压电片采用悬臂梁形式进行内置，克服了水域环境的复杂性、紊乱性和不确定性，使装置能够在一定程度内稳定工作，将水能通过内置悬臂梁压电片的震动，将其转化为电势能，从而进行能量收集加以利用。

五、应用前景

本装置在实验中不仅能够适应水域的能量收集，同时通过风洞实验证明，也可以针对风能进行能量的转化和收集，具有充分的发展前景。但是新能源能量回收装置作为自供能系统的核心部件，主要是取代一次能源不可再生能源领域，提供清洁持续稳定的电能。现阶段的装置仍然存在很多问题，例如装置无法适用于复杂的能源收集环境当中，还不足以发展成为一个完整的自供能系统。

相信随着研究的深入，相应水能能量收集和能量转换效率的提高，内置压电悬臂梁结构在能量回收领域必将展现出更好的应用前景。

参考文献

[1]袁江波.圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学机械电子工程学科博士学位论文. 2011

[2]赵兴强、温志渝，基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节[J]，压电与声光，2013， 35： 241-244.

[3]贺学锋，李江，赵兴强，温志渝等人，带质量块的微型压电式风能采集器研究[J]，传感技术学报，2011，24（7）：986-989.

[4]Reilly E K，Miller L M，Wright P K.Optimizing on-chippiezo electric energy scavenging for integration of medical sensors with low-power wireless networks[A].In： 4thInternational Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks[C]，Germany： Springer Berlin Heidelberg，2007：111～115.