帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器*

杜志剛，賀學(xué)鋒*

(1.重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心，重慶400044;2.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

傳統(tǒng)電池尺寸大、需更換或充電、對(duì)使用環(huán)境要求高，難以滿足無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等的需求。將環(huán)境中廣泛存在的機(jī)械能(轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能、沖擊能、流體動(dòng)能等)、熱能、光能、電磁輻射能等能量轉(zhuǎn)換為電能的微能源具有重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、不需更換或充電等優(yōu)點(diǎn)[1－2]，是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一種理想電源，逐步成為國(guó)際上微能源研究的熱點(diǎn)。

風(fēng)能是自然界廣泛存在的一種能量形式，研究將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的微型風(fēng)能采集器是微能源研究的一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)的風(fēng)力風(fēng)能采集器利用風(fēng)載荷引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)子與定子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供電。但是這種風(fēng)能采集器需要制作磁體、線圈、渦輪等零部件，加工與裝配工藝復(fù)雜，制作成本高[3－4]?；陲L(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器利用風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能，進(jìn)一步利用壓電等效應(yīng)將微結(jié)構(gòu)振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工等優(yōu)點(diǎn)[5－11]。通過(guò)引入質(zhì)量塊可以降低微型壓電風(fēng)能采集器的固有頻率，進(jìn)而降低其臨界風(fēng)速[12]。Clair等采用諧振腔結(jié)構(gòu)，在諧振腔出口處安裝固定有壓電片的金屬片，利用氣流引起金屬片的振蕩，輸出功率達(dá)到0.8 mW，其風(fēng)向垂直于梁的上表面[13]。

為了降低基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速并提高其輸出功率，本文設(shè)計(jì)了一種帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器新結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是振動(dòng)梁斜對(duì)著來(lái)流方向，下面分別對(duì)該采集器的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行介紹。

1 帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器如圖1所示，其由一個(gè)開口的長(zhǎng)方體諧振腔和振動(dòng)梁構(gòu)成，振動(dòng)梁由壓電梁和柔性梁組成，在風(fēng)載荷作用下，壓電梁和柔性梁將發(fā)生振動(dòng)。柔性梁上表面斜對(duì)著來(lái)流風(fēng)向，壓電梁末端固定于諧振腔頂部并引出電極。借鑒口琴簧片安裝方法，使壓電梁與腔體呈一定的傾斜角。

對(duì)帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器而言，外界氣流流入諧振腔后減速，使腔內(nèi)氣壓升高。柔性梁剛度很小，將向上彎曲，機(jī)械回復(fù)力使其回到原位。當(dāng)外界風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，柔性梁形成自激振蕩，使壓電梁產(chǎn)生周期性形變，在壓電梁上、下表面引出電極便可以為負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的獲取與轉(zhuǎn)換。諧振腔結(jié)構(gòu)改變了振動(dòng)梁附近的流場(chǎng)分布，擴(kuò)大作用于振動(dòng)梁的動(dòng)風(fēng)載荷，從而提高了采集器在低風(fēng)速下的輸出功率。

圖1 帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器結(jié)構(gòu)示意圖

2 加工與測(cè)試

圖2為微型壓電風(fēng)能采集器實(shí)物圖。諧振腔材料為鐵，采用線切割工藝加工而成，其尺寸見(jiàn)表1。壓電梁采用Piezo Systems公司生產(chǎn)的含PZT壓電層的復(fù)合梁，其型號(hào)為T215－H4－203X，抗彎剛度為3.5×10－3N·m2。諧振腔頂部開口長(zhǎng)度和寬度分別為38 mm和6.8 mm。壓電梁與柔性梁的寬度均為6.4 mm，厚度分別為 0.38 mm 和 0.25 mm，振動(dòng)梁的傾斜角α約為12°。

圖2 微型壓電風(fēng)能采集器實(shí)物圖

表1 諧振腔結(jié)構(gòu)尺寸 單位:mm

柔性梁材料為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)，PET柔性梁與壓電梁重疊部分長(zhǎng)度為8 mm，由于PET彈性模量比PZT小四個(gè)數(shù)量級(jí)，重疊部分只計(jì)入壓電梁長(zhǎng)度。振動(dòng)梁總長(zhǎng)38 mm，與頂部開口長(zhǎng)度一致。為了分析壓電梁或柔性梁長(zhǎng)度的相對(duì)變化對(duì)風(fēng)能采集器輸出性能的影響，振動(dòng)梁設(shè)計(jì)了3組尺寸，其壓電梁長(zhǎng)度lp分別為8 mm、12 mm和18 mm，柔性梁長(zhǎng)度ls分別為30 mm、26 mm和20 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在小型風(fēng)洞內(nèi)對(duì)以上帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器進(jìn)行測(cè)試，風(fēng)速范圍為0～17 m/s。采用熱線式風(fēng)速儀(KIMO，CTV100)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，其量程0～30 m/s，分辨率為0.1 m/s。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，柔性梁會(huì)形成穩(wěn)定的自激振蕩，壓電梁的輸出電壓波形比較穩(wěn)定，近似于正弦波。圖3是lp=18 mm，ls=20 mm的風(fēng)能采集器在13.7 m/s的臨界風(fēng)速下的輸出電壓波形。

圖3 風(fēng)能采集器輸出電壓

圖4 壓電梁和柔性梁長(zhǎng)度對(duì)開路輸出電壓的影響

對(duì)以上設(shè)計(jì)的3組風(fēng)能采集器的性能進(jìn)行了測(cè)試，在不同風(fēng)速下的開路電壓(有效值)如圖4所示。從圖中可以看出，在風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)能采集器輸出電壓極低，這是由于柔性梁還沒(méi)有形成強(qiáng)烈的自激振蕩，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)(臨界風(fēng)速)，柔性梁克服系統(tǒng)阻尼，形成強(qiáng)烈的自激振蕩，產(chǎn)生較高的輸出電壓。3組風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速分別為6.1 m/s、8.5 m/s、13.7 m/s。

風(fēng)速繼續(xù)增大，柔性梁自激振蕩幅度變大，輸出電壓變大。對(duì)于ls為26 mm和30 mm的風(fēng)能采集器，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，輸出電壓開始下降。這種現(xiàn)象可以理解為，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定值時(shí)，柔性梁受到的向上的靜風(fēng)載荷過(guò)大，其振動(dòng)幅度反而減小，輸出電壓將降低。由于實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞最高只能產(chǎn)生17 m/s的風(fēng)速，梁長(zhǎng)ls為20 mm的微型風(fēng)能采集器沒(méi)有觀察到輸出電壓的下降段。

在最大開路電壓對(duì)應(yīng)的風(fēng)速作用下，接上不同大小的負(fù)載電阻(10 kΩ～1 MΩ)測(cè)量風(fēng)能采集器的輸出電壓，進(jìn)一步得到其輸出功率(見(jiàn)表2)。從表2可以看出，lp和ls分別取18 mm和20 mm的風(fēng)能采集器在17 m/s的風(fēng)速下，輸出功率達(dá)到1.28 mW。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器，當(dāng)振動(dòng)梁總長(zhǎng)度一定時(shí)，壓電梁越長(zhǎng)，臨界風(fēng)速越高，但其輸出功率更大。因此應(yīng)用于高風(fēng)速環(huán)境，微型風(fēng)能采集器應(yīng)該采用較長(zhǎng)的壓電梁，較短的柔性梁;如果應(yīng)用于低風(fēng)速環(huán)境，可以通過(guò)加長(zhǎng)柔性梁，縮短壓電梁，達(dá)到降低臨界風(fēng)速的目的。

表2 三組微型壓電風(fēng)能采集器輸出性能比較

4 結(jié)論

對(duì)基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器而言，當(dāng)風(fēng)速在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)采集器具有較高功率輸出，利用類似于口琴結(jié)構(gòu)的帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器，可以有效降低其臨界風(fēng)速，提高其在低風(fēng)速下的輸出功率。針對(duì)風(fēng)速不同的應(yīng)用環(huán)境，可以通過(guò)改變壓電梁和柔性梁的相對(duì)長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化采集器的臨界風(fēng)速和輸出功率。當(dāng)諧振腔尺寸64 mm×22 mm×14 mm，振動(dòng)梁長(zhǎng)度和寬度分別為38 mm和6.4 mm時(shí)，微型風(fēng)能采集器在17 m/s風(fēng)載荷作用下的最大輸出功率達(dá)到1.28 mW。

[1]秦沖，苑偉政，孫磊.微能源發(fā)展概述[J].光電子技術(shù)，2005，25(4):218－225.

[2]沈修成，方華斌，王亞軍，等.基于MEMS的壓電微能量采集器的電路研究與測(cè)試[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(4):692－694.

[3]Herrault F，Ji C H，Kim S H，et al.A Micro Fluidic-Electric Package for Power MEMS Generators[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)，2008:112－115.

[4]Bansal A，Howey D A，Holmes A S.CM-scale Air Turbine and Generator for Energy Harvesting from Low-speed Flows[C]//TRANSDUCERS 2009－15th International Conference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems，2009:529－532.

[5]Kim S H，Ji C H，Galle P.An Electromagnetic Energy Scavenger from Direct Airflow[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2009，19:094010.

[6]Williamson C H K，Govardhan R.A Breif Review of Recent Results in Vortex-Induced Vibrations[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96:713－735.

[7]Akaydin H D，Elvin N，Andreopoulos Y.Wake of a Cylinder:a Paradigm for Energy Harvesting with Piezoelectric Materials[J].Experiments in Fluids，2010，49(1):291－304.

[8]Li S G，Yuan J P，Lipson H.Ambient Wind Energy Harvesting using Cross-Flow Fluttering[J].Journal of Applied Physics，2011，109:026104.

[9]Frayne S M.Fluid-Induced Energy Converter with Curved Parts[P].US，007772712B2.

[10]Wang D A，Ko H H.Piezoelectric Energy Harvesting from Flow-Induced Vibration[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20:025019.

[11]Hu H，Clemons L，Igarashi H.An Experimental Study of the Unsteady Vortex Structures in the Wake of a Root-fixed Flapping Wing[J].Experiments in Fluids，2011，51:347－359.

[12]賀學(xué)鋒，李江，趙興強(qiáng)，等.帶質(zhì)量塊的微型壓電式風(fēng)能采集器研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(7):986－989.

[13]Clair D S，Bibo A，Sennakesavababu V R，et al.A Scalable Concept for Micropower Generation using Flow-induced Self-excited Oscillations[J].Applied Physics Letters，2010，96，144103.