基于涡激振动的压电风能收集器研究进展1)

黄浩博 曹 迪 周志勇 杜文风

(河南大学土木建筑学院,河南开封 475004)

引言

近年来,石油、煤炭等化石燃料造成的温室效应等环境问题日益严重,而且化石能源是不可再生能源,如何从环境中获取和利用清洁的可再生能源,是目前国内外的一个研究热点.人们对从自然与工业环境中收集能量给予了极大地关注,因为这项技术有望实现微型电子设备的自供电,具有巨大的潜力和广泛的应用前景[1],比如将其应用于无线传感器[2]、健康监测器、可植入可穿戴微电子设备[3-4]和交通设施的结构健康监测系统[5]等.能量收集的目标是提取环境中的绿色能源,提取的能量可以转换成可用的电能.自然环境中存在着各种形式的振动源和取之不尽用之不竭的天然能源,包括机械振动[6]、潮汐能[7]、风能[8]、太阳能[9]和地热能[10]等.

在上述这些有潜力的绿色能源中,风能广泛存在于自然界,其分布广泛、能量丰富且可持续收集,是一种绿色、清洁的生态友好型能源[11-13].目前,风能收集装置主要可分为涡轮风力发电机和风致振动能量收集器两大类,其中涡轮风力发电机主要是利用旋转的叶片将风能转化为机械动能,然后通过与电磁发电机相连的转轴将其转化为电能.发电功率可达千瓦甚至兆瓦级[14].尽管涡轮风力发电机已经实现了大规模的工业运行,成为供电系统的主要补充,但涡轮风力发电机启动风速相对较高[15]且体型巨大,运行中的涡轮风力发电机也会产生较大的噪音,会影响人们的身体健康[16].此外,涡轮风力发电机的运行还会造成鸟类撞击死亡[17-18],影响环境中鸟类和动物的生存,会对生态环境造成一定的破坏.所以涡轮风力发电机一般都分布在地广人稀的僻远地区或人类无法居住的浅海地区,无法长期有效地为分布广泛、数量庞大的无线传感器网络和其他各种微电子设备供电.风致振动式风能收集器主要是基于涡激振动[19]、驰振[20]和颤振[21]等流固耦合失稳机理将风能转换为振动能,再利用压电效应[22-24]、电磁感应[25-26]与摩擦电效应[27-28]等转换机制,将振动能转换为电能.涡激振动是在低风速下出现的一种典型的风致振动现象,在低风速环境下的风能收集具有独特优势[29-30],而且利用压电效应的涡激振动风能收集器具有成本低、功率密度高、结构简单且易于小型化等优点而受到广泛关注[31],目前相关领域的学者们已经进行了比较深入的研究.本文总结了涡激振动能量收集器的工作原理、研究现状,并综述近些年相关领域最新的性能增强方法,最后对涡激振动压电风能收集器的发展趋势进行展望.

1 涡激振动压电风能收集器的工作原理和研究进展

1.1 工作原理

涡激振动压电风能收集器是一种利用流体动力学效应将机械能转换为电能的设备.其基本工作原理是将流体介质(如空气、水等)在通过固定的结构物表面时所产生的涡激振动能量收集下来,并将其转化为电能.在合理的风速范围内,当涡脱落频率接近系统固有频率时,系统会出现频率锁定(lockin)现象[29],这意味着在一定的风速范围内,涡脱落的频率不再随流速变化,这种锁定现象类似于结构动力学中的共振现象,可以激发显著的振动,有利于风能的收集,风能收集结构产生频率锁定现象时对应的风速称为锁定风速.旋涡脱落频率f定义为f=uS t/L[32],其中S t为斯特劳哈尔数,并且在一定雷诺数范围内(300

涡激振动压电风能收集器的流-固-电耦合动力学方程可以表示为[34]

式中,ωs为脱落频率,D为钝体直径,λ 和A为可以通过实验得到的经验值,ri(t)为位移的模态坐标,φi(x)和 φj(x)为悬臂梁的振型,CP为压电片的等效电容,R为外部电阻,Θ 为机电耦合系数,L0为钝体的长度,U0为输入流体的速度

式中,wp为压电片的宽度,tb为衬底的厚度.

1.2 研究进展

一些研究已经证明雷诺数变化对圆柱的涡激振动现象有很显著的影响[35-36].近几年,Zhang 等[37]研究了亚临界雷诺数下光滑圆柱的涡激振动气动阻尼模型,并分析了雷诺数500～33 000 范围内的模型动力学响应,研究发现该模型可以模拟弹性支承下的刚性圆柱在不同质量阻尼参数对结构振幅的影响.后来,Zhang 等[38]又探索了不同雷诺数对涡激振动压电能量收集器的功率输出的影响,通过数值模拟和实验验证,探究了两种典型雷诺数下与振幅相关的气动参数.Cheng 等[39]研究了低雷诺数下具有非线性恢复力的弹簧结构对圆柱的涡激振动响应的影响.通过数值模拟研究发现,加入非线性弹簧的结构,圆柱的频率锁定范围与纯线性结构有明显的差异,涡激振动响应的初始分支的范围得到扩展,而高分支和低分支范围受到抑制.可以通过线性弹簧和不同刚度的非线性弹簧的组合来调节频率锁定范围,以增强能量收集.

此外,优化能量收集结构的各项物理参数是增强收集性能的有效方式.Mehdipour 等[40]研究了钝体的横截面形状、压电梁和压电材料的尺寸对风能收集效率的影响.研究发现,钝体的阻力系数越大,其背后的压差越大,从而产生的电压幅值也越大.在低风速下,使用完全覆盖压电材料的较长悬臂梁的结构有更好的电能输出性能;而在高风速下,使用完全覆盖压电材料的较短悬臂梁能够输出更高的电能.Karimzadeh 等[41]探究了梁长度、圆柱直径、负载电阻和压电层厚度等参数在不同流速下对电能输出功率密度的影响规律.研究发现通过优化结构参数能够有效增加电能输出功率密度.Alam[42]利用数值模拟研究了雷诺数为150 时圆柱与另一圆柱尾迹相互作用引起的结构振动,阐明了风速、圆柱间距、圆柱直径、圆柱质量、阻尼和质量阻尼比等参数对响应振幅的影响规律.Ambrożkiewicz 等[43]利用5 种不同的钝体分析了粘贴压电纤维复合材料的悬臂梁在风载荷和基础激励共同作用下的电能输出效率,在风速范围为4～15 m/s 和基础激励频率为0～10 Hz 的条件下开展了实验研究,在整个风速测试范围内,钝体质量和激励频率对电能输出有着非常大的影响.Verma 等[44]探索了带狭缝圆柱的涡激振动压电能量收集结构的动力学响应特性,研究发现狭缝位置对结构振动影响较大,当狭缝位置靠近前驻点时,气流会较早地脱离圆柱表面,导致圆柱后方压力增加,使升力系数和圆柱体振幅变大,有利于电能输出.Tang 等[45]研究了上游圆柱尾流对下游具有超表面结构(meta-surface structure)振动圆柱的风能收集结构能量输出的影响,研究发现: 布置较长的上游圆柱体能够使下游风能收集结构具有更高效的电能输出效率,另外在下游振动圆柱表面布置合适的超表面结构可以进一步增加风能收集效率.Jebelli等[46]通过数值模拟研究了自由振动平板对圆柱结构下游尾流涡街的影响,研究发现,板和剪切层的相互作用能够强化涡街的形成,随着圆柱和平板间距的减小,结构振动幅度逐渐增加.Ramírez[47]推导出了多个任意位置的涡激振动压电能量收集结构的耦合公式,并利用该公式开发了一个新的OpenFOAM库并用于模拟多组收集结构的耦合工作.通过对单组和两组串联放置的收集结构的仿真模拟结果与实验数据进行对比,验证了所提出公式的准确性.该公式不仅能够准确预测结构机电变量和结构位移,也能够对能量收集结构的电量输出性能进行评估.Zhao 等[48]推导出了压电能量收集结构在涡激力作用下的弯曲-扭转耦合强迫振动的闭合解,并重点研究了扭转效应对能量收集的影响,研究发现结构激发扭转共振会使得风能收集器在更大的风速范围内保持高电压输出.Lu 等[49]提出一种新型的二自由度涡激振动压电风能收集器,并建立了相应的动力学方程,通过对其气动特性的深入研究,发现该二自由度涡激振动压电风能收集器具有两个频率锁定风速区域,两个风速区域分别对应于结构的一阶共振和二阶共振,非常有利于宽风速范围内的风能高效收集.

Naseer 等[50]探究了在涡激振动和基础激励耦合作用下磁耦合单稳态和双稳态能量收集结构的动力学响应和电能输出特性,通过改变磁铁的相对位置,能够实现单稳态和双稳态特性.引入单稳态和双稳态特性能够有效增加结构振动响应幅值,且基础激励的强度对阱间跳跃影响很大.Huang等[51]提出了一种具有可调刚度的电磁双稳态能量收集器,考虑了涡激力、尾迹振荡效应、负线性刚度和混合激励的影响,推导出了该结构的磁-机-电耦合数学模型,并通过数值仿真对频率锁定现象风速范围内的涡激振动进行了初步验证.Ma 等[52]提出了一种具有三稳态特性的压电风能收集器,考虑了等效非线性恢复力,建立了该结构的动力学模型,通过数值分析和实验验证,与不同非线性特性下双稳态结构的能量收集特性进行对比,研究结果表明具有三稳态特性压电风能收集器相比于相应的双稳态结构,易于实现阱间运动,具有较宽的高效工作风速范围.Mishra 等[53]研究了结构非线性对刚性圆柱体涡激振动的影响规律,研究结果表明,阻尼比和非线性刚度对涡激振动响应有较大影响,与线性弹簧相比,软化结构刚度会使结构振幅峰值减小,反之,硬化结构刚度则能够增加结构响应振幅.Li 等[54]考虑了几何非线性对风能收集结构的影响,基于哈密顿原理建立了压电风能收集器的数学模型,通过数值模拟和实验分析来验证准确性,所提出的几何非线性模型能够准确预测涡激振动和驰振耦合作用下结构的动力学响应.

2 涡激振动压电风能收集器的效率提升

在实际风环境中,存在着很多制约涡激振动压电风能收集器高效工作的因素,如: 风速不稳定、风速持续过低或过高,可能会导致风能收集结构无法起振[55]或产生过大的振幅受到破坏[56];自然风可能来自各个方向而风能收集器可能只有在特定的攻角下才可以保持高性能等.经典的涡激振动能量收集器收集往往只能在一个很小的风速区间内产生频率锁定现象.在风速多变的环境中,其输出功率通常较低,难以保障无线传感器网络的电能需求.对涡激振动压电风能收集器的结构进行优化,是扩展其高效工作风速区域和增加输出功率的有效途径.为了进一步增加涡激振动能量收集器在实际风环境下的性能和可靠性,研究人员提出了许多提高风能收集性能的方法,如: 优化钝体的形态、加入非线性恢复力、构造几何非线性构型、构造多自由度收集结构、设计多向收集结构等.

2.1 钝体形态优化

改变收集结构中的钝体形态是优化涡激振动风能收集器的一种有效途径,很多学者在这方面进行了大量的研究.Wang 等[57]研究发现,改变圆柱与来流之间的倾角,可以拓宽涡激振动压电能量收集器的高效工作风速区间.当倾角为60°时,高效风速区间增加229%,并且在合适的倾角和风速下会使横向弯曲振动与扭转振动叠加,从而产生高电压输出.Azadeh-Ranjbar 等[58]通过减小圆柱的长度与直径之比,有效地扩大了涡激振动频率锁定的风速区域,并增加结构振动的振幅,发现圆柱的长度与直径之比从28.8 减小到5 的过程中,功率输出最高增加了22 倍.

Wang 等[59]研究了布置不同凸出形状的超表面(metasurface)圆柱体对风能收集效率的影响,如图2(a)所示.通过数值仿真和实验研究,发现选择合适凸出形状的超表面可以显著扩大锁定区域,例如,圆柱表面布置凸半球图形的收集器最大电压和位移幅值分别提高了15.56%和31.34%.随后,Wang 等[60]研究了布置不同凹陷图形的超表面圆柱钝体对风能收集效率的影响,如图2(b)所示.发现“凹H”模型可以增强圆柱体的振幅幅值,与光滑圆柱体相比,“凹H”模型不仅使输出的最大电压均方根提高了9.44%,而且将高效工作区间扩大了30.77%.

图2 (a)4 种突出的超表面图形[59];(b)几种凹陷的超表面图形[60];(c)安装对称分流板的风能收集器[61];(d)安装非对称分流板的风能收集器[62]Fig.2 (a)Four prominent metasurface patterns [59];(b)Several kinds of dented meta-surface patterns [60];(c)Wind energy harvester with two symmetric splitting plates [61];(d)Wind energy harvester with two asymmetrical splitting plates [62]

此外,Wang 等[61]还尝试在圆柱表面安装两个对称的分流板,来增强风能收集效率,收集器结构如图2(c)所示.通过数值模拟和风洞实验研究了7 种不同安装角度的双分流板对能量收集效率的影响.当双分流板安装角度 α=60°时,与无分流板的传统涡激振动压电风能收集器相比最大输出电压提升188.61%.后来,Wang 等[62]另一项研究又提出一种安装两个非对称分流板的涡激振动风能收集器,如图2(d)所示.研究表明安装非对称分流板改变了涡脱落特性,将振动模式从涡激振动转变为驰振,可以显著拓宽工作风速区间,提高能量收集性能.与传统的涡激振动风能收集器相比,安装夹角α=60°和β=90°的分流板使得收集器输出功率最高提升了471.2%.

Li 等[63]研究了变截面钝体对涡激振动能量收集性能的影响,设计了一系列由D 形(D)柱和原圆形(O)柱组合而成的组合钝体,如图3(a)所示.将3 种实验混合钝体分别命名为ODO,ODODO 和DOD.通过数值模拟和风洞实验研究,发现与原圆柱相比,ODODO,DOD 等混合钝体可以显著提高收集效率,锁定区域将分别增大12.5%和62.5%,最大输出电压分别提高了38.2%和41.4%,而ODO 形钝体会抑制结构振动,不利于风能收集.

图3 (a)变截面钝体的风能收集器[63];(b)钝体前部含V 型槽的风能收集器[64];(c)使用六瓣型圆柱钝体的风能收集器[65]Fig.3 (a)Wind energy harvester owning a bluff body with variable sections [63];(b)Wind energy harvester owning a bluff body with V-shaped groove at the front [64];(c)Wind energy harvester with six-petal cylinder bluff body [65]

Siritham 等[64]对一个标准圆柱钝体进行了改进,使其前端具有V 形槽,如图3(b)所示.实验研究结果表明,当风速持续增大时,槽角在45°～68°之间的槽型具有高效功率输出性能,当在槽角为68°、风速为7 m/s 时,可提供20.33 mW 的最大均方根功率输出,约为标准圆柱体的140 倍.

Hosseini 等[65]提出了一种具有类似花瓣横截面钝体的新型仿生风能收集器,如图3(c)所示.并对凹凸两种攻角下的六瓣形的圆柱体进行研究,发现六瓣形圆柱体凹面迎风时,不仅显著提高了最大输出电压,最大输出电压增加260%以上,而且还拓展了适合能量收集的雷诺数范围.

2.2 非线性恢复力的引入

在风能收集结构中引入非线性力会使梁在发生弯曲变形时,所产生的恢复力与其位移或变形之间关系不再是简单的线性关系.过往的基础激励的振动能量收集研究已经证实引入非线性力可以改变收集结构的等效刚度,能够使得结构在较宽的频率范围激励下,产生大幅振动[66-67],有效提高振动能的收集效率.并且一些学者的研究中已经通过引入非线性特性来增强收集结构的输出性能[68-69].基于这些过往的研究思路,通过在涡激振动能量收集器引入非线性特性,是提高流体动能收集的一条有效途径.本节介绍了国内外一些学者利用非线性特性改善收集器在实际风环境中的收集性能的研究.

Wu 等[70]设计了一种新型的双稳态压电风能收集器,如图4(a)所示.该结构在风载荷作用下,能够在两个稳定状态之间产生大挠度弯曲和局部高频振动,从而输出较高的电能.在2.5～8.5 m/s 的风速范围内实验测试了该收集器的工作特性,风速达到8.5 m/s 时,电阻值为47 kΩ、输出功率达到了4.216 mW.Joy 等[71]提出了一种圆柱体附有可旋转重力摆的非线性涡激振动压电风能收集器,如图4(b)所示.在风场中,圆柱能够产生涡激振动并带动重力摆摆动.研究发现: 当风速超出涡激振动频率锁定区间,若涡街脱落频率为重力摆摆动频率的两倍时,会发生耦合共振,能够显著增加风能收集效率.

图4 (a)新型双稳态压电风能收集器[70];(b)附着非线性旋转重力摆的风能收集器[71];(c)新型多稳态涡激-驰振风能收集器[72];(d)双稳态涡激-驰振风能收集器[73];(e)磁耦合弯曲-扭转风能收集器[74];(f)磁耦合间接激励风能收集器[75]Fig.4 (a)Bi-stable piezoelectric wind energy harvester [70];(b)Wind energy harvester with non-linear rotating gravity pendulum [71];(c)Multi-stable wind energy harvester integratinggalloping and vortex-induced vibration [72];(d)Bi-stable wind energy harvester integrating vortex-induced vibration and galloping[73];(e)Magnetically coupling bending-torsion wind energy harvester [74];(f)Wind energy harvester by magnetic force coupling [75]

为了从变速风中获取更多的能量,Zhou 等[72]提出了一种涡激振动和驰振耦合多稳态压电风能收集器,其结构原理图如图4(c)所示,通过引入一个圆柱体和两个方柱体用于实现涡激振动和驰振耦合,并引入磁引力实现多稳态特性.实验研究表明结构能够在1 m/s 以上的低速弱风环境下具有较高的风能收集效率.并且在3 m/s 风速下,三稳态风能收集器的均方根输出电压高达1.03 V,相比双稳态结构风能收集器(0.7 V)提高了约47%.后来Wang 等[73]提出了一种二自由度双稳态耦合涡激-驰振压电风能收集器,如图4(d)所示.该收集器可以在1.5 m/s 的低风速下产生阱间跳跃,输出较高的电压.在高风速下也能保持稳定的高输出.

Sui 等[74]提出了一种采用圆柱非对称放置的磁耦合弯扭压电能量收集器,如图4(e)所示.并基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程,推导出了该系统的分布参数模型.通过数值模拟和实验研究发现,与非磁耦合收集结构相比,所提出收集器的输出功率和频率锁定风速区间分别提高了180%和230%.

Kan 等[75]提出了一种新型磁耦合间接激励压电风能收集器,如图4(f)所示.该结构将压电结构密封在顶部腔室中,在恶劣天气环境中能够避免被无定向的大风破坏,通过仿真模拟和实验验证发现: 该结构可以实现涡激振动与驰振的耦合,最大输出功率可达4.73 mW.

2.3 多风向压电风能收集器

目前的大多数研究都集中在提高收集效率或扩大收集器的工作风速范围上[76-77],这使得收集器只能在某一特定的风向下才能具有较高的风能收集效率.而实际环境中自然风的风向往往不稳定且没有规律,甚至可能来自任何方向[78],这就导致面向单风向的风能收集器无法高效工作,不利于实际应用.因此,如何提升风能收集器在多风向下的收集性能成为了重要研究方向之一,目前该研究仍处于起步阶段.

Shi 等[79]设计了一种基于涡激振动的正交双梁全向风能收集结构,如图5(a)所示.通过风洞实验研究发现: 传统的单梁风能收集器只能在风攻角为0° <θ≤22.5°时具有较大的振幅和电能输出效率.对所有风向,该正交双梁风能收集器的总位移响应几乎总是垂直于风向,并保持较大的横风振动响应和较大的输出功率.Li 等[80]提出了一种全风向压电风能收集器,如图5(b)所示.该结构由外部位移圆柱壳和内部支承圆柱壳的3 个半圆形的压电梁组成,仿真和实验研究结果表明,风向对总功率的影响较小,在9 m/s 的风速下,不同风向下的最小总功率与最大总功率之比仅为0.88.

图5 (a)具有正交双梁的压电风能收集器[79];(b)全风向压电风能收集器[80];(c)磁耦合双向风能收集器[81];(d)可旋转的方向自适应的风能收集器[82];(e)双圆柱风向自适应型风能收集器[83]Fig.5 (a)Piezoelectric wind energy harvester with orthogonal bi-beam [79];(b)In-plane omnidirectional piezoelectric wind energy harvester [80];(c)Bi-directional energy harvester with magnetic interaction [81];(d)Rotating and direction-adaptive wind energy harvester [82];(e)Direction-adaptive wind energy harvester fitted with double cylinders [83]

Su 等[81]提出了一种双向风能收集器,如图5(c)所示.该结构将两个圆柱钝体水平固定在一U 形梁中心,并在U 型梁上部的两端布置了4 个磁铁,能够在垂直的两个风向下进行风能收集.通过风洞测试发现,收集结构水平放置可以利用磁力相互作用,显著提高峰值电压并拓展高效收集的风速范围.

Zhang 等[82]提出了一种可随着风向旋转的自适应风向的风能收集器,如图5(d)所示.该结构将一对可旋转的铰链固定在旋转轴上,在任意风向下均能通过旋转自动调整压电梁方向,使得收集结构可以保持最优的迎风方向进行风能收集.

侯成伟等[83]提出了一种有两个L 型压电梁连接圆柱的风向自适应型涡激振动压电风能收集器,如图5(e)所示.此收集器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度.通过风洞测试得出: 受不同方向来风激励时,收集器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;收集器开启风向自适应状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%.

2.4 混合结构的压电风能收集器

为了使涡激振动风能收集器能够适应自然风环境并具有较高的电能输出效率,一些学者针对同时利用不同风致振动机理和能量转换机制,对风能收集进行了深入研究.不同的钝体结构具有不同的最佳风能收集环境,通过结合不同的钝体结构可以拓宽收集器的工作风速区间,从而提高风能收集效率.并且一些研究发现同时利用多种能量转换机制,也能够能显著提高电能输出.

涡激振动和驰振能量收集器的高效工作风速范围一般是不同的,涡激振动往往在低风速环境下的某一小段风速区间具有较高的风能收集效率.而驰振能量收集器只有在高风速下具有较高的风能收集效率.Wang 等[84]使用由两个圆柱形和一个长方体段组成的组合钝体进行风能收集,如图6(a)所示.利用组合钝体诱导驰振-涡激振动耦合现象.研究发现,方柱长度为一倍圆柱直径的组合钝体,能产生的最大电压幅值约为6.48 V.在低风速区间,该结构的风能收集效率,高于传统的驰振风能收集器.当风速超出涡激振动锁定的风速范围时,也能保持较高的电压输出.

图6 (a)具有混合钝体的风能收集器[84];(b)双圆柱二自由度风能收集器[85];(c)涡激颤振耦合的压电风能收集器[86];(d)混合压电-介电风能收集器[29];(e)压电-电磁混合风能收集器[76];(f)压电-电磁混合风能收集器[87]Fig.6 (a)Wind energy harvester with hybridized bluff bodies [84];(b)2-DOF aeroelastic wind energy harvester with double cylinders [85];(c)Piezoelectric energy harvester by vortex-induced flutter coupling [86];(d)Hybrid piezo-dielectric wind energy harvester [29];(e)Piezoelectromagnetic hybrid wind energy harvester [76];(f)Hybrid piezoelectric and electromagnetic wind energy harvester [87]

Chen 等[85]提出了一种二自由度涡激振动和尾流驰振耦合的压电风能收集器,如图6(b)所示.该结构由于两个平行圆柱体和一根粘贴有压电片的悬臂梁组成.风洞实验的研究结果表明,与传统的涡激振动风能收集器和单自由度尾流驰振器相比,该结构高效工作风速区间和输出电压都得到了明显改善.两个圆柱之间的间距对风能收集特性有较大影响,当圆柱间距为135 mm 时,该结构有0.8～1.3 m/s 和2.5～3.5 m/s 两个锁定区域,并且峰值电压都高于单圆柱结构.当风速高于4.5 m/s 时,还会发生尾流驰振.与单圆柱收集结构对应的电压值相比,在风速为1.1,3.1 和6.0 m/s 时,该结构的输出电压幅值高达3.0,2.2 和5.3 V,分别提高了64%,650%和800%.

Li 等[86]设计了一种涡激振动-颤振耦合的复合压电风能收集器,如图6(c)所示.该结构由一圆柱体和两个翼型构件产生涡激振动与颤振耦合效应拓宽高效风能收集的风速区间,与相同尺寸下传统的涡激振动风能收集器和颤振风能收集器相比,该结构在2～15 m/s 的测试风速范围具有较高的电能输出性能,最大输出电压高达60.2 V,分别是涡激振动能量收集器(3.59 V)和颤振能量收集器(9.53 V)最大输出电压的16.8 倍和6.3 倍.

Lai 等[29]提出了一种混合压电-介电弹性体风能收集器,如图6(d)所示.介电弹性体发电结构嵌入到圆柱钝体内,在涡激振动作用下,能够同时利用压电陶瓷片和介电弹性体输出电能,产生更高的输出功率.Hou 等[76]提出了一种压电-电磁式混合能量收集器,如图6(e)所示.电能转换部分由一个压电陶瓷和一个电磁线圈组成,以同时收集涡激和基础激励振动能量,与传统涡激振动能量收集器相比,该收集器输出功率提高了1242.86%,高效工作风速区间增大了400%.Al-Riyami 等[87]也结合了涡激振动和电磁感应原理提出了一种压电-电磁混合风能收集器,如图6(e)所示.在空心圆柱筒内部放置了电磁感应线圈,通过参数分析研究了设计参数对风能收集器输出功率和宽风速范围内整体性能的影响.由于能量转换部分布局紧凑,从而具有高效的风能收集效率.

Du 等[88]将风车与涡激振动压电风能收集器相结合,设计了一种能够利用风车带动鼓风机增强辅助风洞内空气流速的风能收集器,如图7 所示.收集结构可以利用风车和传动装置在低风速环境下使得辅助风洞内产生较高的空气流速.当辅助风洞内空气流速为19 m/s,钝体直径为30 mm,电阻为650 kΩ时,最大输出功率为8.97 μW.

图7 微型风车-压电风能收集器[88]Fig.7 Micro-windmill-piezoelectric wind energy harvester [88]

2.4 布置扰流结构

目前一些学者的研究发现,通过在钝体结构下游放置挡流板能够改变流场特性,可以有效抑制或增强圆柱体的涡激振动[89],并对涡激振动能量收集器的能量输出和工作风速区间有一定的调节作用.Wang 等[90]针对下游矩形板的最优位置和尺寸进行研究,研究结果表明: 在下游靠近圆柱体的位置布置较小尺寸挡流板可以更容易引起风能收集器在高风速区间发生驰振.最优布置方案为在下游0.2～0.4倍圆柱直径的位置放置一块2 倍圆柱直径的方板.

Kan 等[91]设计了一种布置下游菱形挡板的间接激励风能收集器,如图8(a)所示.利用菱形挡板不仅能够改变空心圆柱的气动弹性不稳定性,更加容易实现涡激振动与驰振耦合,使预弯压电振子具有较高的电能输出效率,而且还可以抑制圆柱壳的振幅,确保高可靠性和良好的环境适应性.研究发现,与不带菱形挡板的风能收集器相比,最大输出电压从19.8 V 提高到200 V,提高了900%以上.该风能收集器在负载电阻为最佳阻值200 kΩ 情况下,能够输出5.493 mW/cm3的最大功率密度.Liao 等[92]提出一种放置下游方形挡板的嵌套结构压电风能收集器,如图8(b)所示.该结构利用方形挡板在高风速下实现了涡激振动向驰振的转变,实验结果表明,该收集器的最大综合电压输出性能与传统单圆柱的压电风能收集器相比提高了1040%.

图8 (a)圆柱壳与菱形挡板相互作用的风能收集器[91];(b)布置矩形扰流板的嵌套结构压电风能收集器[92];(c)布置下游扰流板的风能收集器[93];(d)双钝体间接激励风能收集器[94]Fig.8 (a)Wind energy harvester by interaction of cylindrical shell and diamond-shaped baffle [91];(b)Joint-nested structure piezoelectric energy harvester with rectangle-shaped spoiler [92];(c)Wind energy harvester with downstream baffle [93];(d)Wind energy harvester with two bluff bodies [94]

Kan 等[93]提出了一种放置下游挡流板的悬臂式压电风能收集器,如图8(c)所示.实验研究发现通过优化挡板宽度、悬臂梁长度和挡板与钝体之间的距离,能够有效提高输出电压和降低启动风速.在风速为16 m/s,电阻为100 kΩ的情况下,最大输出功率高达0.42 mW,能够驱动20 个串联的蓝色led 灯.Wang 等[94]提出了一种放置下游挡流板的间接激励压电风能收集器,如图8(d)所示.压电梁结构安装在矩形挡板下游的空心圆柱内,实验发现该结构具有较高的可靠性和较宽的工作风速区间.当挡板与圆柱距离为0.6 倍的圆柱直径、挡板高宽均为1 倍圆柱直径时,收集器的临界风速可以低至0.96 m/s,最大输出电压可达90.35 V.当风速为15 m/s,负载电阻为2000 kΩ时,最大输出功率高达2.57 mW.

Liao 等[95]将一挡板固定在磁耦合间接激励压电风能收集器的下游,如图9 所示.通过仿真和实验验证了该俘获器结构和工作原理的可行性.与不加方板的情况相比,引入方板后,最大输出电压不仅由7.5 V 提高到14.8 V,而且相应的激励风速降低了10.5 m/s.

图9 具有复合嵌套结构的磁耦合非接触风能收集器[95]Fig.9 Magnetically coupling non-contact wind energy harvester with nested structure [95]

3 总结和展望

本文介绍了涡激振动压电风能收集器的研究进展,以及涡激振动压电风能收集器的工作原理和控制方程.涡激振动压电风能收集器目前也存在一些不足: 锁定风速区间较短,对时变风速和不同风向环境适应性差等.因此,如何使涡激振动压电风能收集器在自然风环境下保持稳定高效的能量输出是约束涡激振动压电风能收集器实际应用的一个关键问题.

针对这些问题,为了提供解决思路,提高涡激振动风能收集器在现实风环境中的实用性,本文着重综述和分析了增强涡激振动压电风能收集器工作性能和环境适应性的关键技术.在不同的增强方法中,优化钝体结构、改变钝体表面粗糙度和钝体形态是最直接的增强方案.引入非线性力可以改变收集结构的共振频率.该方法可以拓宽频率锁定风速范围,提高收集器的风能转换效率.引入多稳态特性可以改变收集结构的恢复力平衡点个数,改善收集器的风能转换效率.多向风能收集器能够在变风向的环境中实现风能的高效收集.采用间接激励结构和布置下游挡流板等方案也可以改善风能收集器的振幅和频率锁定风速范围,并且能够有效防止因振幅过大而导致发生机械过载,受到破坏.此外,通过结合各种形式的收集结构和不同的能量转换机制来制作混合能量收集器的方案,也可以显著提高风能收集器的高效工作风速范围或提高输出电压和能量转换效率.

综上所述,目前涡激振动风能收集器在现实风环境中的工作性能还具有很大的局限性,要实现实际应用,仍旧需要在进一步扩大收集器的高效收集风速区域、提高输出功率并保持稳定功率输出、适应变风向和变风速风环境、保证风能收集结构的环境适应性和稳定工作不损坏等方面进行研究.

总的来看,涡激振动能量收集技术具有广阔的应用前景,是实现低功耗微电子设备和物联网传感器自供电非常有潜力的解决方案.目前,随着研究人员不断的深入研究,涡激振动风能收集器的性能和环境适应性已经有了显著的进步,随着相关研究不断地推进,小型结构风能收集的优势更加明显,这项技术在未来一定会进入实际应用.