氣體動(dòng)載荷下壓電振子能量轉(zhuǎn)化特性實(shí)驗(yàn)研究

王英廷， 程廷海， 包 鋼

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江哈爾濱 150080； 2. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 吉林長(zhǎng)春 130000)

引言

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)俘獲環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)與再利用的環(huán)境微能源收集技術(shù)，以其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受電磁干擾以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，成為系統(tǒng)自供能技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。隨著“中國(guó)制造2025”的提出， 裝備制造業(yè)的智能化水平在不斷提高，這使得MEMS技術(shù)已逐步深入到機(jī)械加工生產(chǎn)領(lǐng)域。因工業(yè)系統(tǒng)工況復(fù)雜、狀態(tài)參量多，往往需要采用多種傳感器對(duì)系統(tǒng)的壓力、流量、溫度及位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)檢測(cè)[3]，這促使大量MEMS器件應(yīng)用到工業(yè)系統(tǒng)中[4-5]。

氣動(dòng)系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的組成部分也正向著智能化的方向發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)線傳感器供能裝置在氣體環(huán)境得到了深入研究[6-9]。AKAYDIN等[10-11]基于流-固耦合作用下的渦激振動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種圓筒型結(jié)構(gòu)風(fēng)能俘獲裝置，研究了單軸向渦激振動(dòng)下壓電發(fā)電機(jī)理，并得出渦激振動(dòng)下壓電梁振幅與風(fēng)能俘獲效率之間的關(guān)系。MCCARTHY等[12-13]則在壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的端部增加了三角形尾翼制作渦街，分析了漩渦脫落、壓力梯度對(duì)發(fā)電功率的影響規(guī)律，并研究了多流速狀態(tài)下邊界層變化與壓電發(fā)電效率間的耦合機(jī)理。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者[14-16]進(jìn)行了高壓氣體環(huán)境微能源俘獲的研究工作，并且取得了較好的研究效果。闞君武等[17]提出一種可回收振動(dòng)能量的壓電-氣動(dòng)隔振器，該研究借助壓縮空氣進(jìn)行動(dòng)力傳遞并實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)能量的收集。何楓等[18]則提出利用氣缸排出的廢氣進(jìn)行能量收集，并將所收集能量直接供給氣動(dòng)無(wú)線傳感器從而實(shí)現(xiàn)傳感器自供能的思想。

本研究針對(duì)高壓氣體環(huán)境的特點(diǎn)，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)并結(jié)合壓電本構(gòu)方程對(duì)壓電發(fā)電機(jī)理進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明在高壓氣體環(huán)境下可采用盤(pán)型壓電片進(jìn)行氣體能量收集。為了提高壓電材料的能量轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)并制作了一種壓電發(fā)電陣列實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了利用壓電陣列對(duì)高壓氣體能量回收可以有效提高能量的轉(zhuǎn)化效率。

1 壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及發(fā)電原理

通過(guò)分析設(shè)計(jì)發(fā)電腔的尺寸與結(jié)構(gòu)，并分析了壓電片的布片位置以及多種情況下的俘能特性。依據(jù)研究結(jié)果得出發(fā)電腔并不影響氣缸正常工作，因此本部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)將發(fā)電腔置于氣缸后端展開(kāi)研究。

氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，壓電發(fā)電機(jī)由發(fā)電腔和氣缸兩部分組成，壓縮氣體由進(jìn)氣口流入氣缸內(nèi)部，通過(guò)氣缸底部通孔進(jìn)入發(fā)電腔，由于發(fā)電腔內(nèi)部壓力升高導(dǎo)致壓電片產(chǎn)生彎曲形變，從而將氣體能量轉(zhuǎn)化為電能。在此過(guò)程中， 由于氣缸內(nèi)部壓力升高推動(dòng)活塞使氣正常運(yùn)動(dòng)，多余氣體從氣缸排氣孔流出。

圖1 氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

盤(pán)型壓電單晶片由壓電晶體與銅板基板兩部分組成，由于金屬材料的彈性模量、泊松比較大，且兩種材料粘合在一起，因此需建立圓盤(pán)模型對(duì)盤(pán)型壓電單晶片的撓度與發(fā)電量進(jìn)行分析。如圖2為圓盤(pán)數(shù)學(xué)模型。盤(pán)型壓電片會(huì)在氣體載荷Δp的作用下產(chǎn)生彎曲變形，根據(jù)克?；舴蚣僭O(shè)：板彎曲時(shí)其中面保持中性，即板中面內(nèi)各點(diǎn)無(wú)應(yīng)變，只有沿中面法線的撓度；板形變前中面的法線，在板彎曲后仍為直線，且仍垂直于變形后的中面；平行于中面的各層材料互不擠壓，即板內(nèi)垂直于板面的正應(yīng)力不予考慮且不計(jì)算，可建立盤(pán)型壓電片彎曲撓度模型。

圖2 盤(pán)型壓電片理論模型

如圖2所示，設(shè)PZT-5H的厚度為hp，銅板基板的厚度為hs，建立rz平面坐標(biāo)系，在壓力Δp的作用下，盤(pán)型壓電片會(huì)發(fā)生彎曲形變：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Wr為Z方向上壓電片的彎曲撓度；r為從貼片中心到偏轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離；Mr和Mθ分別是r和θ方向上的力矩；v為泊松比； Δp是壓力差。Qr為剪切力；D為盤(pán)型壓電片的抗彎剛度。根據(jù)盤(pán)型壓電片的電量輸出方程可得[19]：

(5)

其中，Vout為輸出電壓，由式(5)可得輸出電壓與壓力變化量程正比。

2 OpenFOAM內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

OpenFOAM是一個(gè)完全由C++編寫(xiě)，在linux下運(yùn)行的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)類庫(kù)，其具有強(qiáng)大的流體仿真能力。本研究通過(guò)OpenFOAM軟件對(duì)壓電發(fā)電機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

如圖3所示為壓電發(fā)電機(jī)的網(wǎng)格模型，模型由發(fā)電腔及活塞組成，活塞設(shè)置為壓縮動(dòng)網(wǎng)格，其最大行程為20 mm。當(dāng)解算開(kāi)始時(shí)在氣體壓力的作用下，活塞的網(wǎng)格開(kāi)始拉伸，直至行程達(dá)到20 mm停止。網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格。

圖3 壓電發(fā)電機(jī)網(wǎng)格模型圖

如圖4所示為壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)流速矢量圖。壓縮氣體由上端進(jìn)氣孔流入壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)部，因左側(cè)節(jié)流孔較小，而右側(cè)活塞端具有較大的氣體流動(dòng)區(qū)域，壓縮氣體首先流入右側(cè)活塞部分。并在壁面的作用下產(chǎn)生了渦流。

圖4 壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)流速矢量圖

如圖5所示為壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力分布圖。由圖5可知，高壓氣體首先流入活塞側(cè)，因此在活塞側(cè)會(huì)產(chǎn)生局部的高壓，以此推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)。此時(shí)發(fā)電腔仍然是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖5 壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力分布云圖

如圖6所示為壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)壓力分布云圖。當(dāng)內(nèi)流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，壓縮氣體幾乎不進(jìn)入壓電發(fā)電機(jī)，而此時(shí)的內(nèi)部壓力穩(wěn)定在300 kPa。

圖6 壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)壓力分布云圖

如圖7所示為腔內(nèi)壓力與腔內(nèi)壓力變化量隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)氣體進(jìn)入壓電發(fā)電機(jī)容腔內(nèi)部時(shí)，腔內(nèi)壓力開(kāi)始增高，壓力增大到0.15 s左右時(shí)活塞開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，活塞移動(dòng)后腔內(nèi)壓力開(kāi)始降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)0.2 s時(shí)活塞達(dá)到最大行程，此后腔內(nèi)壓力增加直至300 kPa。

圖7 腔內(nèi)壓力與壓力變化量隨時(shí)間變化曲線

3 樣機(jī)研制與測(cè)試系統(tǒng)搭建

整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別由調(diào)壓閥、換向閥、節(jié)流閥、流量傳感器、壓力傳感器、頻譜分析儀和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)組成。表1顯示了系統(tǒng)中設(shè)備及原件的型號(hào)。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)元件型號(hào)表

所設(shè)計(jì)樣機(jī)選用直徑為25.0 mm，厚度為0.2 mm的壓電陶瓷材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中銅板基板的厚度為0.3 mm，直徑為35.0 mm。為了產(chǎn)生壓力差，制作樣機(jī)時(shí)采用密封膠對(duì)壓電片進(jìn)行粘接， 處于基底與壓電片之間的密封膠厚度大約為0.3 mm。進(jìn)氣孔的直徑為10.0 mm，容腔的內(nèi)徑為60.0 mm， 氣缸直徑為63 mm，行程為150 mm。氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高壓氣體需通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力，其壓力數(shù)據(jù)由壓力傳感器進(jìn)行采集。換向閥可控制密閉腔內(nèi)高壓氣體的流入與流出，節(jié)流閥可進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，氣體流量參數(shù)可以通過(guò)流量傳感器進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)好的氣體可通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上部的進(jìn)氣孔流入密閉容腔。在高壓氣體的作用下壓電發(fā)電陣列可進(jìn)行電能輸出，輸出的電壓通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試與記錄。

4 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

為了研究其發(fā)電性能，本研究搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)并對(duì)氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都進(jìn)行了多次測(cè)量，圖9為發(fā)電機(jī)的電壓輸出曲線。當(dāng)交變載荷壓力為0.3 MPa、周期為2.0 s，氣缸行程為20 mm時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的峰值電壓可達(dá)78 V。

圖9 壓電發(fā)電機(jī)的電壓輸出曲線

如圖10所示為不同周期下輸出電壓與距離關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為壓力0.3 MPa，流量200 L/min，隨著距離的增加輸出電壓逐漸減小，最大的峰值電壓為79.60 V。周期越大輸出電壓越高。

圖10 不同周期下輸出電壓與距離關(guān)系曲線

圖11給出了交變載荷處于0.3 MPa、 氣體流量為200 L/min、周期為2.0 s時(shí)，氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)的電壓輸出波形圖。由圖可知，在交變的氣體載荷作用下，壓電片會(huì)產(chǎn)生交變的電壓輸出，且在峰值點(diǎn)過(guò)后，會(huì)產(chǎn)生電壓的波動(dòng)。其原因在于當(dāng)高壓氣體進(jìn)入氣缸時(shí)，氣缸活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)，高壓氣流迅速?zèng)_擊活塞以及布置于氣缸后端密閉腔室底部的盤(pán)型壓電片，在高壓氣體的作用下，陶瓷壓電片會(huì)輸出電壓，而活塞在高壓氣體載荷的作用下會(huì)進(jìn)行加速移動(dòng)，由于活塞的移動(dòng)，氣缸缸筒內(nèi)部壓力會(huì)隨著腔內(nèi)容積的增大而減小，因此盤(pán)型壓電片的電壓會(huì)有所下降，當(dāng)活塞到達(dá)最大行程時(shí)又處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)缸筒內(nèi)部的壓力會(huì)逐漸升高一直達(dá)到壓力飽和，因此輸出電壓會(huì)出現(xiàn)升上而后下降。

圖11 氣動(dòng)工況下壓電發(fā)電機(jī)的電壓輸出波形圖

5 結(jié)論

利用壓電材料可直接轉(zhuǎn)化氣動(dòng)系統(tǒng)壓力能為電能，此部分能量可以滿足目前低功耗傳感器的能量需求。主要研究了氣缸正常工作下的壓電振子發(fā)電特性，通過(guò)理論分析了盤(pán)型壓電振子輸出電壓與所受壓力的正比關(guān)系，利用OpenFOAM軟件模擬了容腔內(nèi)部壓力場(chǎng)的變化規(guī)律，結(jié)合理論與仿真分析結(jié)果設(shè)計(jì)并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建了測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，高壓氣體會(huì)首先進(jìn)入活塞所在區(qū)域并推動(dòng)活塞移動(dòng)；隨著距離的增加，壓電振子的輸出電壓逐漸下降；隨著流量的增加峰值電壓增加，當(dāng)周期為1.2 s、流量為200 L/min、壓力為0.3 MPa時(shí)最大的輸出最大電壓為79.60 V。本研究給出了樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，旨在提供一種壓力能轉(zhuǎn)化為電能的方法，分析能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，若合理的設(shè)計(jì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)可有效提高能量利用率。