基于風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器研究現(xiàn)狀

趙興強(qiáng)，王軍雷，蔡 駿，郭 穎

(1.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院 江蘇省氣象能源利用與控制工程技術(shù)研究中心，南京 210044；2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州 450002)

基于風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器研究現(xiàn)狀

趙興強(qiáng)1，2，王軍雷3，蔡 駿1，2，郭 穎1，2

(1.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院 江蘇省氣象能源利用與控制工程技術(shù)研究中心，南京 210044；2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州 450002)

在環(huán)境能量收集技術(shù)領(lǐng)域，基于風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，對(duì)其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)與分析。分別討論了風(fēng)到振動(dòng)、振動(dòng)到電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，重點(diǎn)對(duì)基于渦激振動(dòng)、顫振、馳振、共振腔的微型風(fēng)能收集器的基本理論和典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前微型風(fēng)能收集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換方式以壓電效應(yīng)為主，風(fēng)致振動(dòng)方式以顫振和馳振為主要發(fā)展趨勢(shì)。

風(fēng)能；能量收集；風(fēng)致振動(dòng)

近年來(lái)，環(huán)境能量收集器受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，它能夠源源不斷地將環(huán)境中各種形式的能量(太陽(yáng)能、振動(dòng)能、流體動(dòng)能等)轉(zhuǎn)化為電能，具有體積小、壽命長(zhǎng)、能量密度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、自供能系統(tǒng)等方面具有潛在的應(yīng)用前景[1]。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在環(huán)境中廣泛存在。相對(duì)于其他幾種形式的環(huán)境能量收集技術(shù)，風(fēng)能收集技術(shù)的研究起步較晚，在基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工等方面存在眾多關(guān)鍵的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。

與大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同，微型風(fēng)能收集器并非為了并網(wǎng)，其典型應(yīng)用是為微小型的自供能系統(tǒng)供電[2-3]。在研究初期，微型風(fēng)能收集器的結(jié)構(gòu)基本都是轉(zhuǎn)動(dòng)式的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的小型化，這種結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)問(wèn)題[4]：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微型結(jié)構(gòu)的加工和安裝較為困難；②軸承的摩擦力和材料疲勞在微尺度下更加顯著，可靠性和工作效率低。后來(lái)，研究者將風(fēng)致振動(dòng)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)能量收集器結(jié)合，形成了基于風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器。其中風(fēng)致振動(dòng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下發(fā)生振動(dòng)，用于風(fēng)能的收集，如渦激振動(dòng)的圓柱[5]、顫振的翼型結(jié)構(gòu)[6]和柔性膜[7]等，然后由振動(dòng)能量收集器將前者的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，基于風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且成本較低，成為了微型風(fēng)能收集器的主要發(fā)展趨勢(shì)。

基于風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程涉及到流(風(fēng))-機(jī)-電多場(chǎng)耦合的問(wèn)題，可分為機(jī)電轉(zhuǎn)換和風(fēng)致振動(dòng)兩部分。本文首先介紹微型風(fēng)能收集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)理的概況，然后按照風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的不同分類(lèi)詳細(xì)討論微型風(fēng)能收集器的研究現(xiàn)狀。

1 機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)理

微型風(fēng)能收集器機(jī)電轉(zhuǎn)換是機(jī)械振動(dòng)能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。振動(dòng)產(chǎn)生電能，同時(shí)電能的輸出會(huì)進(jìn)一步的抑制振動(dòng)，即為機(jī)電耦合。微型風(fēng)能收集器主要有三種機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)理[8-9]：壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)和靜電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的收集器利用壓電梁將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓電材料的交替應(yīng)變，由正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電荷的輸出，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓和功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，是微型風(fēng)能收集器主要的機(jī)電轉(zhuǎn)換方式。電磁感應(yīng)機(jī)理的收集器由磁鐵和線圈組成，二者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起線圈的磁通變化，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，輸出電壓較小，但成本低。靜電效應(yīng)的收集器的輸出功率密度較低，且需要初始的充電等過(guò)程。

除了上述常規(guī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)理外，近年來(lái)研究者開(kāi)始探索其他的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理在能量收集領(lǐng)域的應(yīng)用。Yang等[10]將摩擦發(fā)電和靜電效應(yīng)結(jié)合，能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到55%，功率密度達(dá)到1 200 W/m2。Guo等[11]也開(kāi)展了摩擦發(fā)電的研究工作。Krupenkin等[12]采用逆向電潤(rùn)濕技術(shù)設(shè)計(jì)了靜電式的收集器，需要駐極體提供初始的電荷。Deng等[13]利用撓曲電效收集振動(dòng)能量，發(fā)現(xiàn)這種原理的收集器隨著尺度減小，性能顯著提高，且材料的撓曲電效應(yīng)不受居里溫度限制，可以工作在高溫環(huán)境。

2 風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器

風(fēng)致振動(dòng)是流體動(dòng)能與振動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)換的流固耦合過(guò)程。結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)一步的影響流場(chǎng)的分布。微型風(fēng)能收集器的風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理主要包括渦激振動(dòng)、顫振、馳振、共振腔等，下面首先分析這些效應(yīng)的基本原理和相關(guān)理論，然后對(duì)一些典型的結(jié)構(gòu)和案例進(jìn)行分析。

2.1 渦激振動(dòng)

在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)流體繞過(guò)鈍體時(shí)，會(huì)在鈍體后面的尾跡中產(chǎn)生交替脫落的旋渦，即卡門(mén)渦街[14]。在鈍體上產(chǎn)生交替變化的氣動(dòng)力，同時(shí)在尾跡中形成交替變換的流體壓力場(chǎng)。當(dāng)鈍體為彈性支撐時(shí)，氣動(dòng)力使其發(fā)生渦激振動(dòng)。旋渦的脫落頻率與風(fēng)速成正比，當(dāng)與鈍體的共振頻率接近時(shí)發(fā)生共振，且共振現(xiàn)象會(huì)鎖定在一定風(fēng)速范圍內(nèi)。如圖1所示，隨著風(fēng)速增加，渦激振動(dòng)頻率f線性增加；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，渦激振動(dòng)頻率鎖定在共振頻率f0附近，且振動(dòng)幅度Ay出現(xiàn)一個(gè)峰值；風(fēng)速繼續(xù)增加，渦激振動(dòng)頻率又回到線性曲線上。微型風(fēng)能收集器工作在鎖定區(qū)域內(nèi)時(shí)性能較高，而該區(qū)域的風(fēng)速范圍通常較窄，導(dǎo)致其應(yīng)用受到了一定的限制。

Gao等將PZT懸臂梁作為圓柱的彈性支撐(見(jiàn)圖2)，柱體在交變的氣動(dòng)力作用下發(fā)生渦激振動(dòng)，在5 m/s下輸出功率30 μW。Lin等[15-16]對(duì)方柱、三角柱等柱體進(jìn)行了仿真，建立了多物理場(chǎng)耦合方程，發(fā)現(xiàn)外接負(fù)載電阻對(duì)振動(dòng)的振幅、輸出電壓有顯著影響，且能使鎖定區(qū)域變寬。Weinstein等[17]則將PZT壓電片置于圓柱后方的渦街內(nèi)，并在PZT梁自由端安裝一個(gè)葉片(見(jiàn)圖3)，在5 m/s風(fēng)速下輸出功率3 mW，但器件整體尺寸較大。

圖1 振動(dòng)頻率和幅度隨著風(fēng)速的變化曲線Fig.1 The vibration frequency and amplitude as function of wind speed

圖2 基于渦激振動(dòng)的風(fēng)能收集器：鈍體由壓電梁彈性支撐Fig.2 The vortex-induced-vibration-based wind energy harvester： a bluff body fixed on a piezoelectric cantilever beam

圖3 基于渦激振動(dòng)的風(fēng)能收集器：壓電梁置于渦街中Fig.3 The vortex-induced-vibration-based wind energy harvester： a piezoelectric cantilever beam fixed in the vortex

目前，利用渦激振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行風(fēng)能收集的研究大多是開(kāi)展理論模型和軟件仿真等方面的工作，主要對(duì)流-機(jī)-電多場(chǎng)耦合問(wèn)題進(jìn)行探討，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出性能的影響，而實(shí)驗(yàn)方面開(kāi)展較少[18-19]。

2.2 顫 振

典型的顫振是薄翼型結(jié)構(gòu)在氣流作用下發(fā)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)二自由度耦合的振動(dòng)，具有自激、發(fā)散、非線性、大幅度和大變形的特征[20]。當(dāng)風(fēng)速大于某一臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)從風(fēng)中吸取的能量大于自身的損耗，其振幅突然增大，就發(fā)生顫振。相對(duì)于渦激振動(dòng)，顫振更為強(qiáng)烈，相應(yīng)的收集器的輸出電壓和功率等性能也更高，是微型風(fēng)能收集器的重要發(fā)展方向。

從結(jié)構(gòu)上看，基于顫振的微型風(fēng)能收集器主要有柔性結(jié)構(gòu)和彈性支撐的剛體結(jié)構(gòu)兩種。柔性結(jié)構(gòu)如柔性膜[21]、柔性帶[22]等，剛體結(jié)構(gòu)如翼型流線體[23-24]、板[25]等。雖然這些結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)的過(guò)程非常復(fù)雜，在理論模型建立、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面都存在困難，其關(guān)鍵在于氣動(dòng)力如何確定。

對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)，在風(fēng)致振動(dòng)過(guò)程中，變形的柔性體上氣動(dòng)力具有分布的特性，直接由N-S方程計(jì)算氣動(dòng)力則非常復(fù)雜。Kornecki等[26]對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)的柔性膜在軸向風(fēng)中顫振的氣動(dòng)力建立了零環(huán)流模型，但在柔性膜前緣的固定端和后緣的自由端都存在奇異性。Tang等基于非定常的集總渦模型計(jì)算了懸臂梁上的氣動(dòng)壓力，研究了顫振發(fā)生后的特性。Eloy等[27-28]對(duì)大振幅的長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的Lighthill氣動(dòng)力模型進(jìn)行了修正，考慮了拖拽力和流體分離產(chǎn)生的壓力，做了進(jìn)一步的完善工作。盡管對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的流固耦合問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，但在風(fēng)能收集器的流-機(jī)-電多場(chǎng)耦合理論方面還有很多工作需要開(kāi)展。

Li等[29]在柔性的PVDF膜的自由端橫向鉸鏈一個(gè)三角形的膜片(葉片)，設(shè)計(jì)了L型的壓電“樹(shù)葉”(見(jiàn)圖4)，葉片的顫振帶動(dòng)PVDF膜發(fā)生振動(dòng)，輸出功率0.6 mW。趙興強(qiáng)等提出了PZT梁-PET柔性膜的復(fù)合逆風(fēng)顫振結(jié)構(gòu)，風(fēng)從柔性膜的自由端吹向復(fù)合結(jié)構(gòu)的固定端，該結(jié)構(gòu)兼具了PET膜的低臨界風(fēng)速和PZT高壓電性能的特點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，其臨界風(fēng)速2.4 m/s，最大輸出功率3.1 mW。Humdinger Wind Energy公司研制的Windbelt風(fēng)能收集器是將柔性帶的兩端固定，磁鐵作為動(dòng)子安裝在柔性帶上，線圈作為定子固定在柔性帶外，柔性帶發(fā)生顫振時(shí)磁鐵與線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可在2.6～8.8 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)工作。2015年P(guān)erez等[30]則將軸向風(fēng)中顫振的柔性膜與靜電轉(zhuǎn)換機(jī)理結(jié)合，研制出微型風(fēng)能收集器如圖6所示，兩個(gè)平行的電極板表面覆有25 μm的Teflon聚四氟乙烯駐極體層，兩極板中間有一個(gè)聚合物膜，該膜在氣流作用下發(fā)生顫振，從而改變與極板的電容，并對(duì)外形成電流，該器件在30 m/s風(fēng)速下，輸出功率2.1 mW。

圖4 L型壓電樹(shù)葉Fig.4 L shape piezo-leaf

圖5 PZT梁-PET膜復(fù)合逆風(fēng)顫振結(jié)構(gòu)Fig.5 Upwind flutter structure with PZT beam-PET film

圖6 顫振機(jī)理的靜電風(fēng)能收集器Fig.6 Electret-based flutter wind energy harvester

對(duì)于剛體結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)力主要分為升力和扭矩。在耦合過(guò)程中，氣動(dòng)力可以看成剛體橫向位移和速度、扭角和扭轉(zhuǎn)角速度的函數(shù)，具有半經(jīng)驗(yàn)的固定表示形式[31]。采用準(zhǔn)靜態(tài)氣動(dòng)失速模型，翼型結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)升力Fh和扭矩Ma表示為

(1)

式中：ρ為空氣密度；U為風(fēng)速；b為半弦長(zhǎng)；cla和cma分別為升力系數(shù)和扭矩系數(shù)；cs失速相關(guān)的非線性參數(shù)；αeff為有效攻角，可表示為

(2)

式中： a為彈性軸相對(duì)半弦處的偏移量；h和θ分別為橫向位移和轉(zhuǎn)角。

2011年Bryant等在PZT(Piezoe-LectricTransducer)壓電懸臂梁的自由端鉸鏈一個(gè)翼型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)，風(fēng)從懸臂梁固定端吹向自由端，翼型結(jié)構(gòu)顫振時(shí)帶動(dòng)壓電梁振動(dòng)，在8m/s風(fēng)速下，輸出2.2mW。Erturk等[32-33]也對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，然而機(jī)翼結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)成流線型，往往是為了避免顫振的發(fā)生。

圖7 基于翼型顫振結(jié)構(gòu)的微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器Fig.7 Wing-based flutter wind energy harvester

2.3 馳 振

馳振是非流線型剖面的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)因氣流的自激作用產(chǎn)生一種彎曲振動(dòng)，通常與氣流對(duì)結(jié)構(gòu)的相對(duì)速度和流體對(duì)結(jié)構(gòu)的攻角有關(guān)[34]，如輸電線橫向風(fēng)中的馳振等。與顫振類(lèi)似，馳振也是一種自激的發(fā)散振動(dòng)，具有大振幅和大變形的特征，因此基于馳振的微型風(fēng)能收集器的性能也比較高。與顫振不同的是，馳振只有一個(gè)自由度的振動(dòng)，氣動(dòng)力模型較為簡(jiǎn)單。基于馳振的微型風(fēng)能收集器典型結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示，懸臂梁的自由端安裝一個(gè)柱體，風(fēng)從自由端沿著軸向吹向固定端。不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)因素，該結(jié)構(gòu)可以等效成圖8(b)所示的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)，把壓電梁等效成彈簧K，M為等效的質(zhì)量，C為機(jī)械阻尼，α為攻角，Urel為相對(duì)風(fēng)速。在準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)條件下，氣動(dòng)力可以表示為

(3)

式中：Db為柱體迎風(fēng)面的特征尺寸；a1和a3為與柱體截面形狀相關(guān)的系數(shù)。不同截面的柱體結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力具有固定形式，其系數(shù)a1和a3可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)等方法得到，這樣就簡(jiǎn)化了建模的過(guò)程。Yang等[35-38]先后對(duì)方柱、矩形柱、三角柱、D型柱等彈性支撐的剛體結(jié)構(gòu)的馳振機(jī)理的風(fēng)致振動(dòng)能量收集器進(jìn)行了研究。

圖8 馳振機(jī)理的風(fēng)能收集基本結(jié)構(gòu)Fig.8 Fundamental structure of galloping wind energy harvester

2014年Ewere等在壓電懸臂梁的自由端安裝了方柱體(見(jiàn)圖9)，其臨界風(fēng)速為2m/s，在8m/s風(fēng)速下輸出功率13mW。2012年Sirohi等[39]在PZT壓電懸臂梁的自由端安裝了D型的柱體，在4.7m/s的風(fēng)速下輸出功率1.14mW。2014年Vicente-Ludlam等[40]建立了D型柱體單自由度的馳振模型，同時(shí)結(jié)合電磁轉(zhuǎn)換機(jī)理完成了多場(chǎng)耦合模型的分析。Abdelkefi等則在壓電梁自由端沿著長(zhǎng)度方向安裝了一個(gè)三角柱體，在橫向風(fēng)中發(fā)生馳振，建立了壓電梁分布式非線性的馳振耦合模型。

圖9 方柱型馳振結(jié)構(gòu)的微型風(fēng)能收集器Fig.9 Galloping wind energy harvester with a square bluff body

盡管基于顫振和馳振效應(yīng)的微型風(fēng)能收集器具有較高的轉(zhuǎn)換效率，但由于大變形的非線性振動(dòng)，結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生機(jī)械過(guò)載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂，因此對(duì)風(fēng)能收集器的過(guò)載保護(hù)至關(guān)重要，但關(guān)于顫振或馳振的微型風(fēng)能收集器的可靠性方面的研究則鮮有報(bào)道。

2.4 共振腔

這里的共振腔是指赫姆霍茲共鳴器，主要包括腔體和頸部?jī)刹糠帧Ｇ惑w內(nèi)的空氣的可壓縮性可以看成一個(gè)彈簧，與腔體連接的頸部的空氣質(zhì)量可以看成聲質(zhì)量，這樣就形成一個(gè)典型的彈簧-質(zhì)量塊二階系統(tǒng)。在頸部有一個(gè)開(kāi)口，風(fēng)在開(kāi)口處的波動(dòng)會(huì)引起這個(gè)彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)以自身的共振頻率發(fā)生振動(dòng)。雷軍命[41]在腔體底部安裝了壓電片，腔體內(nèi)振蕩的氣體使得壓電片發(fā)生振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了300 m/s高風(fēng)速的能量收集器，輸出功率1.4 W。Zou等[42]也在開(kāi)展高風(fēng)速的風(fēng)能收集器的研究，在共振腔的底部安裝了圓環(huán)形的壓電片，159 m/s的高風(fēng)速下，輸出功率58 mW。Kim等[43]采用立體平板印刷技術(shù)和激光加工技術(shù)加工了的環(huán)氧樹(shù)脂共振腔，腔體底部安裝了微型電磁式振動(dòng)能量收集器，在5 m/s的風(fēng)速下輸出4 mV。2013年Wang等[44]在共振腔的出風(fēng)口處安裝一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)的簧片，在風(fēng)作用下簧片發(fā)生振動(dòng)；動(dòng)子磁鐵安裝在簧片末端1/3位置處，定子線圈固定在腔體上(見(jiàn)圖10)；該收集器在20.3 m/s的風(fēng)速下，輸出功率56 mW。共振腔結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集器需要大的腔體來(lái)形成空氣的振動(dòng)，較難微型化，多適用于高風(fēng)速環(huán)境，如武器裝備等。

圖10 共振腔結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集器Fig.10 Wind energy harvester using resonant cavity

2.5 其 他

上述的微型風(fēng)能收集器多是采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，較少電磁轉(zhuǎn)換原理。Jung等[45]將兩個(gè)Φ5 cm×85 cm的圓管順風(fēng)方向排列，后管處于前者的尾流馳振區(qū)域，在后管兩端安裝了電磁式振動(dòng)能量收集器(見(jiàn)圖11)，在4.5 m/s的風(fēng)速下，輸出功率370 mW。Zhu等[46]設(shè)計(jì)了電磁式的微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器，如圖12所示。一個(gè)葉片結(jié)構(gòu)安裝在懸臂梁的自由端，在葉片前緣的一側(cè)有一個(gè)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)以便形成非穩(wěn)定流，磁鐵作為動(dòng)子安裝在葉片上，在5 m/s風(fēng)速下輸出功率1.6 mW。

圖11 尾流馳振的風(fēng)能收集器Fig.11 Wind energy harvester based on the wake galloping

圖12 電磁式風(fēng)能收集器Fig.12 Electromagnetic wind energy harvester

為了實(shí)現(xiàn)微型化，MEMS技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)能收集器，特征尺寸已深入到μm的尺度。Liu等[47]用Sol-Gel方法在SOI片上制備了2.5 μm厚的PZT膜，采用MEMS技術(shù)加工了微型壓電懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖13)，沿著梁寬度方向分布3個(gè)壓電單元，在15.6 m/s的風(fēng)速下，輸出功率38.7 nW。He等[48]在硅片上制備了1 μm的AlN薄膜，采用MEMS技術(shù)加工了微型壓電懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)安裝在銅懸臂梁的自由端，如圖14所示，在一個(gè)鈍體后發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)，在15.9 m/s風(fēng)速下，輸出功率1.6 μW。

圖13 劉會(huì)聰?shù)腗EMS微型風(fēng)能收集器Fig.13 MEMS wind energy harvester by Liu

3 結(jié) 論

本文從機(jī)電轉(zhuǎn)換和風(fēng)致振動(dòng)兩個(gè)方面對(duì)微型風(fēng)能收集器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并根據(jù)風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的不同，重點(diǎn)分析了微型風(fēng)能收集器的基本理論和典型結(jié)構(gòu)，總結(jié)為如下幾點(diǎn)：

圖14 賀學(xué)鋒的MEMS微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器Fig.14 MEMS wind energy harvester by He

(1)在環(huán)境能量收集技術(shù)領(lǐng)域，風(fēng)能的收集與轉(zhuǎn)換已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

(2)目前微型風(fēng)能收集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換方式以壓電式為主，摩擦發(fā)電等高效的機(jī)電轉(zhuǎn)換方式也開(kāi)始受到重視。

(3)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集器小型化較難，風(fēng)致振動(dòng)結(jié)構(gòu)成為了微型風(fēng)能收集器的主要趨勢(shì)，并以顫振和馳振為研究熱點(diǎn)。

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A review on micro wind energy harvesters based wind induced vibration

ZHAO Xingqiang1， 2， WANG Junlei3， CAI Jun1， 2， GUO Ying1，2

(1. Jiangsu Engineering Research Center on Meteorological Energy Using and Control， School of Information and Control， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China； 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；3. School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China)

In the field of environmental energy harvesting， it has become a hot topic on the micro wind energy harvester based on wind induced vibration. The present situation and development trends about the wind harvesters were reviewed in this paper. Two processes of energy conversion， wind flow to vibration and vibration to electricity， were discussed. The fundamental theory and typical structures of the micro wind energy harvester were mainly analyzed based on vortex-induced-vibration， flutter， galloping and resonant cavity. It is found that the piezoelectric effect is the main mode for electromechanical conversion， and the flutter and galloping are the main trend for wind-induced vibration.

wind energy； energy harvesting； wind induced vibration

江蘇自然科學(xué)基金(KB20150921)；南京信息工程大學(xué)啟動(dòng)基金(S8113108001)

2016-02-29 修改稿收到日期： 2016-06-23

趙興強(qiáng) 男，博士，講師，1982年9月生

王軍雷 男，博士，講師，1988年8月生

TK83；TN712

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.017