涡激振动压电能量收集技术的实验研究与分析

张昌宇， 李 莉， 陈兆一， 葛占岭， 王金亮

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142)

由于人类对能源的大肆开发，导致能源不断枯竭，各国开始大力发展如太阳能、水能、风能等新型可再生能源的应用.利用涡激振动的原理收集能量成为各国研究的热点，利用涡激振动收集能量可以在较低的流速下获得较大的驱动力以及振幅，较好地解决了流体速度慢，能量不易收集的难题，也为高效提取低流速中蕴含的能量提供了保障.近年来一些学者在利用涡激振动现象收集海洋能及风能方面做了许多研究工作，例如重庆大学的冉景煜教授和王军雷设计了一种基于流机电多物理场耦合下的涡激振动能量收集模型[1].美国佐治亚理工大学的Hobbs和Hu研发了一种“Tree”结构，基于压电转换效应，试图利用树枝收集风的流动能[2].风能是最为常见的可再生能源之一，具有环保，成本较低等优点.利用风绕流钝体产生的涡致振动收集能量的技术能够不断地获取环境中的能量并转化为电能，具有寿命长，环保和无需维护等优点.目前，利用涡激振动进行能量收集还有许多关键问题需要解决，例如如何激发涡致振动和维持振动状态(使振动频率与器件固有频率一致)，如何设计收集电路和匹配电阻等，最终目的都是为了尽可能高的将流体的动能转换为电能，即提高能量收集效率.本文设计和研制了一种利用空气绕流钝体产生涡激振动将风能转化为电能的能量收集装置，并通过实验方式对该能量收集结构进行了测试和分析.

1 涡激振动能量收集结构及参数设计

涡激振动是一种普遍的风致振动现象，在一定的雷诺系数范围内，当稳定流绕过一个非流线型的钝体时，会在钝体两侧的后面产生交替的漩涡脱落，形成所谓的卡门涡街，同时在钝体上产生交替的压力.当钝体是弹性体时，就会在横向发生振动，同时钝体的振动又会改变尾流的漩涡发放，这种流固耦合现象就是涡激振动[3],涡激振动原理如图1所示.

图1 涡激振动原理

1.1 涡致振动能量收集结构

涡激振动能量收集器结构如图2所示.收集器中的圆筒结构如图3所示.

图2 涡致振动能量收集器结构

图3 圆筒结构

将圆筒按照一定距离串列在一条直线上，下端连接PZT压电陶瓷片，右端为风机，当打开风机时，风从左端吹进，在满足一定的风速条件下，空气在圆筒后部产生稳定的不对称漩涡脱离，从而激发其本身和下一个圆筒在垂直于来流方向振动，进而带动PZT压电陶瓷片产生持续稳定的振动，最终将风能转化为电能，经收集电路将电能存储起来.当4个圆筒均处于稳定的涡致振动时，将得到更多的电能.

1.2 涡致振动相关参数

固定刚性圆柱绕流尾流中漩涡的脱落形态主要取决于雷诺数.雷诺数(Re)是黏性流体运动中最重要也是最基本的一个无量纲参数，其表达式为：

Re=ρD/μ=UD/v

(1)

其中：ρ为流体密度;U、D分别为来流的特征速度以及流体中结构物的特征长度，对于圆柱绕流，U表示流体的来流速度，D表示圆柱的直径；μ、v分别表示流体动力学黏性系数和运动学黏性系数，常温下，v=1.46×10-5m2/s.

对于圆柱绕流，光滑圆柱体的30≤Re≤2×105时都会产生周期性的旋涡脱落现象，随着Re的进一步增大，湍流成分增加，轨迹将变得不规则[4].已知来流风速约在0.358 m/s≤U≤8.833 m/s，通过Re的计算公式可得结构中所用细长圆柱体直径约为35 mm，圆柱体后会形成有规律的卡门涡街.

旋涡脱落现象可用斯特罗哈尔数(St)表示,漩涡脱落频率Fst与圆柱体直径D和流体来流速度U有公式(2)所示的关系.在300

(2)

经研究采用多个结构串列的方式能够采集更多的风能，但此时要考虑串列圆柱在流场中的涡激振动.串列圆柱流场的旋涡脱落形式主要与两圆柱中心之间的间距T与圆柱直径D的比值有关[6]，当3

2 材料的选取与器件的加工制备

小型压电涡激振动能量收集器的主要设计指标是由圆筒发生涡致振动的临界风速决定的，器件的工作风速必须在临界风速范围之内，才能使小型涡激振动能量收集器保持在涡致振动状态.根据风速及实验结构选取杨氏模量较小的聚合物薄膜作为圆筒材料，选取具有较大的压电常数、弹性系数及机电耦合系数的压电材料.

2.1 材料的选取

圆筒的结构参数根据风速、流体黏度系数及雷诺数计算得出，本文采用聚乙烯材料制成的圆筒.压电材料及其结构是压电能量采集装置的重点，压电材料的选择要综合考虑工作环境、材料性能等因素，本文采用PZT压电陶瓷材料，这是因为压电陶瓷具有较大的压电常数、弹性系数和机电耦合系数，其性能优异，微小的形变即可获得很大的电压.压电陶瓷中间层为黄铜梁，两边极化方向相反，将其串联连接，各材料参数见表1.

表1 材料参数

2.2 器件的加工制备

实验器件主要由风洞、圆筒结构和滑道组成.风洞的主要作用是消除气流的旋转性，使之变成均匀稳定的气流，风洞主体管道为透明PVC板制成的两端开口式的长方体，管道长度为1 000 mm，宽为500 mm，高为500 mm，风机与风洞的接口处用铁皮制成的梯形结构将管道与风机相连接，目的也是为了消除气流的涡旋.圆筒结构是由聚乙烯塑料，弹性支撑梁，压电悬臂梁组合而成，将聚乙烯制成的圆管通过2个垫片固定在弹性支撑梁上，弹性支撑梁与压电悬臂梁的一端相黏合，压电悬臂梁的另一端黏合一段长为20 mm的竹竿，再将竹竿的另一端黏合在滑道的底座上.滑道由含有刻度的固定支架、4个滑座组成，通过滑动滑座可以改变圆筒之间的距离.

3 实验平台的搭建

涡激振动小型风能收集器的工作实验平台主要有两部分：一个是风洞测试平台，用于在低风速的情况下对涡激振动小型风能收集器的气动力学性能进行测试；另一个是振动测试系统平台，用于对涡激振动小型风能收集器的振动频率等动力学性能进行测试.

3.1 风洞测试平台的搭建

风洞实验系统采用直流式的长方体形风洞，主要包括风洞管道、滑道、风速仪、圆筒结构等.实验过程中一方面观察风洞内小型涡激振动能量收集器的振动状态，另一方面用虚拟示波器测量引出电极上的输出电压.测量输出功率时，将负载电阻直接与收集器的输出引线相连接，测量电阻上的电压.风洞系统的风速在 0～8 m/s 范围内可以满足涡激振动的发生条件.

3.2 振动测试平台的搭建

振动测试平台主要是为了测试小型涡激振动能量收集器的动力学特性，主要包括虚拟示波仪、数据采集卡与能量采集模块和 PC 机等，振动测试原理见图4.风机在右侧转动，将风从左侧引入，以保证风速均匀稳定，当风吹动圆筒时，圆筒产生稳定的振动，并带动压电陶瓷片产生稳定的振动，从而产生稳定的电能.实验测试时将能量收集结构的正负电极连接到虚拟示波器，再通过虚拟示波器连接到PC机，从而可以在PC机上实时地显示器件产生的开路输出电压，振动测试系统见图4.

图4 振动测试原理

图5 涡致振动能量收集测试系统

4 实验结果及分析

打开风机，风吹动能量收集装置时，通过风速控制开关不断地调节风速.当风速调节到满足振动装置发生涡激振动的临界风速时，发现4个圆筒发生了不同程度的摆动，其中距离风源最远的圆筒摆动最为强烈，所获得的能量最多，测得的电压呈正弦波图像，其峰值点分别为4.097 V和-5.882 V，如图6所示.

图6 涡致振动能量收集器产生的电压波形

小型压电涡激振动能量收集器输出为交流电压，要实现供电必须经过整流、稳压等处理.为此，实验中对小型涡致振动能量收集器的整流和电容充电过程进行了处理.将小型涡致振动能量收集器连接到型号为CJMCU-3588的能量收集模块，能量收集模块上具有整流桥，再将正负端连接负载电阻，对其进行保护，当收集的能量达到临界值时将释放能量，产生的能量可以使小灯泡持续发光.

5 结 论

根据涡激振动具有稳定振动的特性，提出了一种基于涡激振动机理的风能采集装置，其主要由细长圆筒结构与压电陶瓷片组成，细长圆筒结构有助于结构发生涡激振动.实验采用多个圆筒结构串列的方式在适当的距离下激发持续稳定的涡激振动，进而采集更多的能量.当圆筒中心之间的间距为T=11.43 cm时，效果最为显著.通过雷诺数公式及风速等相关数据，计算得出了圆筒结构的实验数据，并根据环境风速和实验结构等条件，确定了实验的材料和装置.其中圆筒由聚乙烯材料制成，圆筒内径35 mm，长78 mm，厚0.4 mm，压电陶瓷片的材质为P8-1，压电陶瓷片长40 mm，宽30 mm.后经实验平台测试，该装置可在风速为5.5 m/s时产生最大电压值5.882 V.