基于涡致振动的压电俘能技术研究进展

李 莉，林杉杉，王永耀，于慧慧，王 军

(沈阳化工大学计算机科学与技术学院，辽宁沈阳 110142)

近年来，微传感器、微机电系统和微电子器件等低功耗产品在各领域的应用越来越广泛。目前这些产品的供能大多使用传统的化学电池，但是传统的电池容量有限，质量较大，在水下等环境中更换和维护困难且容易污染环境[1]。因此将自然环境中的能源转化为电能，从而为微电子设备提供长期、稳定、绿色的供能则尤为重要。常见的自然能源有太阳能[2]、振动能[3]、风能[4]、波浪能[5]等。其中振动能收集是指将振动产生的机械能转化为电能，目前将振动能转化成电能有压电式[6]、电磁式[7]和静电式[8]三种方式，由于压电式能量收集技术具有结构简单、使用寿命长、无污染等优点，是目前较为常用的振动能收集方式之一[9-10]。涡致振动是自然界中的一种常见物理现象，广泛存在于流体运动中。近几年利用涡致振动进行压电能量收集的技术受到了学术界的重视和研究[11-12]。

当流体流经非流线型结构时，由于流体在结构边界层分离过程中表面压力分布不均而形成脉动力，从而在其尾流区产生交替脱落的漩涡，进而作用在后方弹性支撑的俘能结构上，致使俘能结构产生周期性振动。利用结构中压电材料的压电效应，俘能结构能将振动的机械能转化为电信号，通过能量收集电路对产生的电信号进行整流、滤波等操作后，即可收集到电能并为需要供电的传感器等微小型器件进行供电。

目前国内外学者在涡致振动压电俘能结构和收集技术方面已经取得了一些成果。俘能结构中常用的压电材料有聚偏二氟乙烯(PVDF)、压电纤维(MFC)以及压电陶瓷(PZT)等，而根据不同压电材料的特点，制作的不同形式的压电俘能结构，有“鳗鱼”结构、压电悬臂梁结构等。

本文根据目前涡致振动压电俘能技术的研究进展，介绍了国内外常用的基于涡致振动的压电俘能结构，并针对每一种结构的优缺点和适用环境等进行了总结和分析，详细介绍一种改进的基于涡致振动内置压电悬臂梁柔性圆筒俘能结构。列举了压电能量收集几种常用的电路，为该类技术的进一步研究提供了理论上的参考。

1 压电俘能结构研究现状

1.1 “鳗鱼”式压电俘能结构

“鳗鱼”式压电俘能结构最早由Talor 等[13]提出，其基本结构如图1 所示，主要由前置固定的钝体以及后端PVDF 膜构成，由于卡门涡街现象，当在前方钝体后方形成交替脱落的漩涡作用在PVDF 膜上时，PVDF 膜可以将机械能转化为电能。研究结果表明，该类俘能结构在流速小于1 m/s 时可产生微瓦级电量，并且能量收集效率可以达到37%，进而证明了利用涡致振动进行压电能量收集的可行性。自该结构提出后，近年来有许多学者对其进行了改进和优化[14-18]。Hu等[19]制作了带尾板的压电振子俘能结构，如图2 所示，该结构降低了俘能结构的固有频率，使其更易达到“锁频”状态，提高了发电性能。Hai 等[20]对PVDF 膜的形状进行了改进，如图3(a)-(c)所示，对折叠型、U 型和H 型PVDF 膜进行了实验研究。结果表明，H 型PVDF 具有更好的振动能量收集性能，可产生28.2 mV 的电压。由于PVDF 柔性较好，钝体尾部激励较小时即可产生较好振动响应，且柔性PVDF不易发生疲劳断裂，因此适用于多种振动环境，使用寿命较长。但PVDF 的压电系数较小，致使俘获的能量有限，不适用于所需压电能量较高的传感器供电。

图1 “鳗鱼”式压电俘能结构图[13]Fig.1 "EEL" piezoelectric energy harvester[13]

图2 带尾板的压电振子俘能结构[19]Fig.2 Piezoelectric energy harvester with tail plate[19]

图3 不同类型的PVDF 压电俘能结构[20]Fig.3 Different types of PVDF piezoelectric energy harvester[20]

1.2 单悬臂梁压电俘能结构

单悬臂梁式压电俘能结构由PZT 压电悬臂梁与前置钝体构成。该类俘能器中，PZT 压电悬臂梁连接于钝体后方。当流体流经单悬臂梁压电俘能结构时，在钝体后方产生交替脱落的漩涡，压电悬臂梁则可以随着钝体后方脱落的漩涡一起运动从而产生电能，其原理图如图4 所示。

图4 单悬臂梁式压电俘能结构图[21]Fig.4 Single cantilever piezoelectric energy harvester[21]

近年来，大量的研究人员对该类结构进行了理论及实验分析[21-22]。Sivadas 等[23]对其进行了数学建模和数值模拟，结果表明当雷诺数为900 时，俘能结构得到的最大平均功率为0.35 mW。Weinstein 等[14]设计了可以适应不同环境的可调式单悬臂梁涡致振动俘能器，该俘能器由前置圆柱钝体，后加单自由度的压电悬臂梁组成，它在5 m/s 风速下的输出功率高达3 mW，但体积较大不易实现微型化。Zhao 等[24]将PZT压电片连接在方柱后方，研究了钝体质量、负载电阻等参数对输出功率的影响。宋汝君等[25]在水流环境下对该类结构进行了分析和测试，负载电阻为0.5 MΩ、水流速为0.41 m/s 时，最大输出功率为8.3 μW，为水下涡致振动能量收集提供一种参考方案。Sun 等[26]对该俘能结构的钝体形状进行了研究(如图5 所示)，考察圆柱、方柱、D 型以及球茎型截面柱体，提出了球茎型截面柱体为最优钝体形状。Zhou[27]设计了一种新型的压电双晶片牵引式风能收集器，将该俘能结构安装在旋转机械上收集风能，为某些设备提供动力。该类结构大多应用于气流引起的涡致振动压电能量收集，由于PZT 压电常数较大、灵敏度较高，因此输出电压高、阻抗小，适用于需要高功率的传感器件供能；但由于PZT 压电陶瓷脆性较大，易疲劳断裂，从而不适用高周期载荷的压电能量收集系统。

1.3 垂直复摆式压电俘能结构

Molino-Minero-Re[28]于2012 年提出垂直复摆式压电俘能结构，原理图如图6 所示。垂直复摆式压电俘能结构由压电悬臂梁和尾端钝体连接，实验时，将尾端圆柱浸入流体中，当流体流经下端钝体时，由于涡致振动，下端钝体产生周期性的复摆振动，从而带动上方的压电悬臂梁产生周期性振动而产生电能。

图5 “球茎”阻流体俘能结构[26]Fig.5 Bulb-shaped bluff body energy harvester[26]

图6 垂直复摆式压电俘能结构图[28]Fig.6 Vertical compound pendulum piezoelectric energy harvester[28]

目前，研究在水下进行压电能量收集的俘能结构还较少，该类结构为水下涡致振动能量收集提供新的解决方案。Song 课题组[29-30]对该类结构进行了仿真和实验研究(如图7 所示)。结果表明，当水流速为0.3 m/s 时，可以达到“锁频”状态，此时输出功率最大为84.49 μW，能量密度为60.35 mW/m2。Zhang等[31]在该结构后方加不同形状的钝体，研究其对俘能结构的影响(如图8 所示)，结果表明，后方加方柱时俘能结构的输出功率比不加钝体时提高了380%。赵道利课题组[32-33]对压电片连接的钝体形状进行了实验研究，结果表明当钝体为三棱柱(70°)、流速为0.54 m/s 时，俘能结构的输出性能最好，最大功率为2.02 mW。该类结构制作工艺简单，压电材料直接与钝体连接，形成了I 型结构，降低了压电片的固有频率，使俘能结构在低水流速中也能够产生共振。此外，该结构除了受到流体的涡激力外，还增加了涡激力矩，增大俘能器的发电性能。但是由于该结构的压电悬臂梁未做封装绝缘处理，防腐和防水性能较差，因此不能直接浸入水中，使用环境受到了限制。

图7 垂直复摆式俘能结构实验图[29]Fig.7 Experimental diagram of vertical compound pendulum energy harvester[29]

图8 钝体形状对俘能结构的影响实验图[31]Fig.8 Experimental diagram of the influence of bluff bodies of different shapes on energy harvester[31]

1.4 阵列式压电俘能结构

阵列式压电俘能结构即将多个压电俘能结构进行串行或并行的放置，其更易实现规模化，能够产生较大的输出功率，可以给有较大功率需求的传感器进行供能。但是由于多个俘能结构之间的相互影响，使各个压电俘能结构之间难以达到共振状态，且后续的电路处理较复杂，因此目前的研究仍然较少。

Hobbs[34]提出了“Tree”型串列压电俘能器(如图9所示)，当串列的俘能结构同时工作时，可产生96 μW的输出功率。Abdelkefi 等[35]提出了圆柱和方柱串列式俘能结构，分析了上下游俘能结构的发电情况。结果表明，受上游圆柱尾部漩涡的影响，下游俘能结构的输出功率明显高于上游的俘能结构。Shan 等[36]将两个相同参数的俘能结构串列(如图10 所示)，研究了不同间距比的俘能结构的压电俘能特性。结果表明，与单个压电俘能结构相比，串列式压电俘能结构输出电压和流速的有效输出范围都有了明显的改善，为提高水下能量收集器的功率和拓宽频率范围提供了新的思路。

2 压电能量收集电路技术的研究现状

压电能量收集电路关乎着是否能够将压电能量收集装置产生的电能进行有效地收集。根据压电能量收集电路结构的不同，大致可以将压电能量收集电路分为四种:标准能量收集电路、同步开关电荷能量收集电路、串联同步电感能量收集电路以及并联同步电感能量收集电路。

图9 “Tree”型串列压电俘能器[34]Fig.9 "Tree" type tandem piezoelectric energy harvester[34]

图10 相同参数的俘能结构串列[36]Fig.10 Series of energy harvester with the same parameters[36]

2.1 标准能量收集电路

标准能量收集电路[37]由一个整流桥和一个滤波电容C 构成，RL为电路中的等效负载电阻。当压电元件(俘能结构)由于振动输出交流信号时，经整流桥将交流信号转化为负载需要的直流信号，当滤波电容足够大时，可以为负载电阻储存足够多的能量，保证电路能够输出平稳的电压。

2.2 同步开关电荷能量收集电路

同步开关电荷能量收集电路[38]在整流桥的后面并联一个电感和开关，当压电元件(俘能结构)两端的电压达到峰值时，开关闭合，等效电容Cp与电感L 形成振荡回路，然后存储在Cp中的由压电元件产生的电能完全转移至电感L 上，即1/4 振荡周期后，开关断开。

2.3 串联同步电感能量收集电路

串联同步电感能量收集电路[39]将电感和开关与压电元件进行串联。工作时与同步开关电荷能量收集电路类似，当压电元件产生的电压达到峰值时，开关闭合，此时电感与压电元件的内部等效电容形成一个振荡电路，然后产生的能量全部转移至后方的存储电容中，即经1/2 振荡周期后，开关断开。开关断开后，压电元件的极性翻转，则完成了一个周期的能量收集。

2.4 并联同步电感能量收集电路

并联同步电感能量收集电路[40]在压电元件与整流桥之间并联一个开关和一个电感，当压电元件(俘能结构)产生的电压达到峰值时，开关进行闭合，此时俘能结构内部的等效夹持电容Cp与并联的电感L 形成一个振荡电路，经过1/2 个周期后，开关断开，在夹持电容上的电压发生反向翻转时，整流桥导通，压电的电压方向与结构的振动方向一致，提升了机械能向电能转化的效率。

各电路简图及优缺点详见表1。俘能结构、负载电阻、开关的灵敏度等因素对能量收集电路的设计具有很大的影响。标准能量收集电路实现容易且能够实现自供电，负载的电阻需要准确把握，否则将会影响收集效率。同步开关电荷能量收集电路中输出功率恒定，电路实现容易，但是对于开关要求较高，不易实现电路自供电。串联和并联同步电感电路提高了能量收集效率，相比于前两种电路较复杂，且不易实现电路自供电。在能量收集的电路发展过程中，电路易实现以及与负载无关性已经取得了极大的进步，接下来电路的自供电特性和提高能量收集的效率将是能量收集电路的重要发展方向。

表1 不同能量收集电路比较Tab.1 Comparison of different energy harvesting circuits

3 内置压电梁柔性圆筒俘能结构

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆筒俘能结构[50]如图11 所示，俘能结构由柔性薄壁圆筒、压电双晶片、电极引线、密封盖以及固定支座组成。将压电陶瓷片对称粘附在金属基板的双侧构成双晶压电悬臂梁，并沿轴向置于柔性圆筒内部，使用电极引线与能量收集电路连接，圆筒顶端使用密封盖进行密封。使用时将俘能结构底端固定，双晶压电悬臂梁的中性面与来流方向平行，上端自由立于流体域内。该结构制作简单，压电悬臂梁置于柔性圆筒内部，不与流体直接接触，解决了直接使用压电悬臂梁易疲劳断裂的问题，且密封性和防腐性能较好，克服了以往俘能结构由于防水问题不能直接将海洋、江河底部的流体动能转换为电能的问题。将上述结构在水中进行实验测试，实验装置如图12 所示。

图11 内置压电梁柔性圆筒俘能结构Fig.11 Built-in piezoelectric beam flexible cylinder energy harvester

图12 实验装置图Fig.12 Experimental setup

测试流速为1.2 m/s，考察前置刚性阻流体与俘能结构不同间距对发电性能的影响，结果如图13 所示。随着间距的逐渐增大，其发电装置产生的电压峰-峰值先增大后降低，当间距为7 cm 时，电压峰-峰值达到最大，为4.869 V，此时的波形图如图14 所示，为平稳输出的正弦波。将该结构输出的电信号经能量收集芯片LTC3588 处理后连接一个发光二极管。实验结果显示，俘能结构每工作6 s，可点亮一次发光二极管，证明了该结构的实用性和可行性。

图13 不同间距下电压峰-峰值Fig.13 Peak-to-peak voltage at different intervals

图14 间距为7 cm 时波形图Fig.14 Waveform when the spacing is 7 cm

4 总结与展望

目前国内外对于涡致振动压电能量收集技术的研究已经取得了一些成果。本文对目前国内外的几种压电俘能结构和收集电路进行了总结和分析。结果表明，未来的研究中应着重解决俘能结构的实用性和提高能量收集效率的问题。

(1)针对压电俘能结构，目前大多数的研究方向均为单个的俘能结构的发电性能及影响因素，而对多个俘能结构的阵列研究较少。阵列结构更容易实现能量收集的规模化，并为不同供能需求的传感器提供电能，因此多个俘能结构阵列将是接下来的研究重点。

(2)目前的俘能结构大多适用高流速的气流中，而对于在低流速的水下环境、复杂流体如石油等环境中适用的俘能结构还较少，接下来应该考察不同环境对俘能结构发电性能的影响，以使俘能结构能在各种环境中广泛应用。

(3)目前大多数的能量收集电路所需的输入电压较高，导致一些产生较小电压的俘能结构能量转化效率不高，优化压电能量收集电路，提高转化效率是急需解决的问题。