基于涡激振动-颤振的压电俘能系统设计

张 丹，郑 述，窦亚萍，隋文涛，宋汝君

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255000;2.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000)

0 引言

自供能技术是微型电子装置将自然环境中的热能、风能、太阳能等转化为自身需要的能量，以满足微小型电子设备的供能需求。

本文研究的是将风能转化为电能，风能是我们生活中随处可见的、清洁无污染、可再生的一种能源，也是能量收集最可能实现的一种能源。从结构来看，目前研究的风能采集器[1]主要有两种结构：利用涡轮转动的方式和利用风能的风致振动原理。相对于涡轮转动而言，利用风致振动发电是将风能转化为物体的振动能，从而转化为电能。这种方式结构简单，适用于微机电设备，是目前较主要的研究方向。

目前研究的风能采集器多数都只适用于单一风向，然而自然环境中的风向和风速都是不可控的，因此会出现风能利用效率不高的问题。本文研究的装置采用圆柱钝体-悬臂梁-翼型挡板结构。圆柱钝体可绕固定轴自由转动，这样可以由翼型挡板感受风向带动圆柱钝体转动，解决了只能适用于单一风向激励的问题，实现多风向发电，从而保证了被供能设备长时间相对稳定的工作状态。

1 基本原理介绍

1.1 涡激振动原理

当环境中流体流过非线性结构时，由于流体自身具有粘性特质，在结构与流体接触的表面和接触面垂直的方向上流体流动的速度不同。当有风流过钝体时会在两侧产生漩涡脱落，而涡激振动[2]产生的原因是漩涡脱落所产生的流体激励力，大部分结构都会有相似的漩涡脱落。当漩涡交替地从结构两侧脱落时，在物体上会产生周期性力的分量并与风向垂直，由于力的不对称导致结构的振动。经过研究发现，涡脱频率(f)与流体流速(v)成正比，与圆柱钝体的直径成反比，则有：

f=St×(v/D)

(1)

式中：St≈0.2为斯图哈尔数；D为圆柱钝体的直径。在某些条件下，脱落的漩涡经过其他作用会形成卡门涡街。

1.2 颤振原理

颤振[3]也是风致振动中一类典型的振动现象，弹性结构在均匀的气流中受到气动力的激励而发生变形，与此同时，结构的变形反作用于气流场，使气流分布发生改变。在此过程中，结构体振动产生的机械能与气体的动能相互转化，当能量转化不平衡时将发生颤振。颤振是一种自激振动，所以也可以作为自供能风能采集器的一个研究方向。

1.3 压电材料参数

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(3)

(4)

(5)

(6)

2 压电俘能系统结构设计

2.1 系统结构设计

压电俘能系统主要由支架、圆柱钝体、悬臂梁和翼型挡板组成。转动部件(见图1)由支架支撑，圆柱钝体[4]内部设有一根轴，轴通过下底座与梁上的上底座固定，轴两侧有轴承连接，轴承固定在上、下两个底座中，以便轴自由旋转。绝缘套筒与中心轴相连，导电套筒通过配合安装在绝缘套筒的外侧。圆柱钝体中间部分横向连接悬臂梁，悬臂梁的右侧与翼型挡板连接，当有流体流过时，圆柱钝体产生的涡激振动与翼型挡板产生的颤振相互影响，以便提高悬臂梁的振动效率。压电片置于悬臂梁上，压电片[5]与中心轴间通有小孔，便于导线的接通，连接处还安有接线螺钉，用于导线输出的固定。压电片的输出由两根导线完成，一极通过导线连接至电源输出+/-，另外一极则通过导线连接至电源输出-/+。

图1 转动部件结构设计

此设计利用涡激振动[6]-颤振机理，同时满足获取多风向激励的能量。本文设计结构的初步模型如图2所示。

图2 三维结构模型

风能采集器的工作原理为：圆柱套筒作为水平方向的圆柱俘能系统，翼形挡板作为感受风向带动圆柱套筒转动，圆柱套筒与支架中间的轴之间通过轴承配合，形成可以自由旋转的钝体。钝体通过悬臂梁与平凸翼型连接。平凸翼型感受风力如果提供的扭矩足够大，便可以使圆柱套筒与固定轴间发生旋转运动，表现为绕固定轴旋转，实现风向自适用。若将圆柱钝体、悬臂梁、平凸翼型作为整体并称其为“旗状”机构[7],当有水平任意方向气流时，“旗状”机构会随着气体流动方向而做出调整。本装置合理地利用了涡激振动、颤振的优势且能够响应任意水平风向激励，将风能转化为电能。

2.2 电能输出

为了使采集器所产生的电能[8]可供负载使用，本文对电能输出的可能性进行了分析。本课题所设计的采集器将压电片置于悬臂梁上，即将2个压电片中间放置1个铜膜后一起嵌入悬臂梁，两侧压电片采用极性相反的方式放置，铜膜作为公共端。在转动轴与悬臂梁[9]嵌入压电片处设有通孔，在通孔中加入导线，实现铜膜与接线螺钉的连接，电流由压电片引出，通过导线连通最终将电流传输到电源输出+/-端，压电片所产生的另一极电流则由导电套筒传输到电源输出-/+端。综上所述，此采集器可以将风能转化为电能并具有将电能输出的可能。

3 仿真分析

3.1 Solidworks流体仿真

用Solidworks绘制圆柱钝体[10]、悬臂梁和翼型挡板构成一个联合体(见图3)。构建完成后，选择Solidworks的流动模拟(Flow simulation)模块，由于涡激振动是流体绕流产生，故选择外部流动方式。

图3 转动部件静压分析

1) 摆件静应力分析。为了保证结构的实用性，在自然环境中振动时，保证结构不被损坏，需要对结构进行静应力分析(见图3)。将系统摆动部件的上、下两个面用夹具固定，对结构施加不同大小的力，寻找结构适用的最大压力，受力点主要在圆柱钝体与悬臂梁连接的位置。为了保证系统在振动时不被破坏，进一步对结构进行优化，将连接处改为弧形连接，使其能够承受更大的静压。

2) COMSOL仿真。通过COMSOL进行二维模型的层流仿真(见图4)，以此确定采集器工作时压电片的最优放置位置，在定义好各种初始条件后，经过计算后得到仿真动画，振动效果最好的位置位于横坐标轴600 mm处。

图4 二维层流仿真结果

3.2 仿真数据分析

对俘能装置的转动部件进行力和平均静压的测量，测量的位置为圆柱钝体、悬臂梁一侧和翼型挡板。在不同风速(0、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s、16 m/s)下对力和平均静压进行测量的结果分别如图5、6所示。

图5 受压变化示意图

图6 受力变化示意图

由图5、6可知，当风速大于4 m/s时，俘能装置的3个部位受压与受力变化较明显，此时悬臂梁振动压电片在压电效应下产生电荷，翼型挡板可以随风向变化带动圆柱钝体转动，实现水平方向的自适应。

4 储能电路设计

压电材料的压电效应所产生的电流为交流电，而采集器需要低压直流电，因此，首先选择电桥整流电路将压电片产生的交流电转变为所需的直流电，再经过电容滤波，最后得到浮动较小的直流电为微型电子设备供能。粘贴在悬臂梁上的压电片所产生的交流电在电路结构中等效为一个交流电源(电流为I)与压电静态夹持电容(Cp)并联，交流电源的电流为

I=Ipsin(2πf1t)

(7)

式中：Ip为幅值；f1为压电能量收集器的振动频率；t为时间。

若压电材料的开路电压是正弦波信号，那么压电元件的输出功率为

(8)

式中Vrect为输出电压。

当Vrect=Ip/(4πfCp)时，可得到输出负载为

Ropt=1/(4fCp)

(9)

并联同步开关电感收集电路是在较简单的压电俘能收集电路的基础上添加了电感和开关两部分。开关和电感通过并联的方式放置在压电元件的两侧。由于压电器件有较长的时间处于开路状态，因此,并联开关与电感相当于在收集电路中加入了非线性电路。当压电器件的电压达到最大值或最小值时，开关处于闭合状态，与压电元件的整个工作周期相比，开关处于闭合状态的时间可忽略。加入电感后，收集电路中与压电元件等效的夹持电容和加入的电感组成了振荡电路，夹持电容上的电压将发生反向翻转，当翻转过程结束后，开关又将处于断开状态。由于开关闭合状态的时间可忽略，故可以认为装置向外释放的电能高于损耗的电能。当风向改变导致振动方向改变时，电压的方向也将改变。因此，压电器件输出的电压方向将与采集装置结构的振动方向保持一致,可输出更多电能。

5 结束语

本文构建了一种基于涡激振动-颤振的压电俘能系统。首先对压电材料和振动结构进行分析并选取，采用单臂悬臂梁结构，通过Solidworks进行系统的三维结构绘制并进行流体仿真，分析转动部件在不同风速下承受的压力和压强，以便保证在自然环境中装置不被破坏且可正常供能。在COMSOL中构建流固耦合模型，通过仿真确定悬臂梁的最佳振动位置。设计的处理电路满足对交流电信号实现整流和滤波的供能，最后选取超级电容作为储能元件，进行电能的充放电控制。