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    基于壓電俘能器的流體能量俘獲技術(shù)研究現(xiàn)狀

    2019-09-17 06:38:08宋汝君單小彪楊先海許同樂(lè)楊小輝
    振動(dòng)與沖擊 2019年17期
    關(guān)鍵詞:俘能器渦激尾流

    宋汝君, 單小彪, 楊先海, 許同樂(lè), 楊小輝, 謝 濤

    (1. 山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150001)

    隨著傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、便攜式電子器件等低能耗電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,以電池、電子作為其主要供能源存在的弊端越發(fā)明顯,如:環(huán)境污染、回收困難、需定期更換等,尤其在一些難以更換設(shè)備的特殊場(chǎng)合(如:太空,深海,森林腹地,人體內(nèi)等)表現(xiàn)更為顯著[1]。因此,探究如何持續(xù)穩(wěn)定的為電子產(chǎn)品供能是研究者面臨的主要問(wèn)題。當(dāng)前新能源的研究主要集中在太陽(yáng)能、生物能、地?zé)崮堋⒑四芎驼駝?dòng)能,其中振動(dòng)能常見(jiàn)于流體動(dòng)能(水動(dòng)能、風(fēng)動(dòng)能、海洋能)及機(jī)械動(dòng)能。振動(dòng)能的轉(zhuǎn)化方式主要有電磁式[2-3],靜電式[4]和壓電式[5-6]。壓電式因綠色環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、加工簡(jiǎn)單、易于微型化、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的研究報(bào)道。

    起初研究者的工作重心主要放在壓電俘能器本身的理論建模和構(gòu)型研究上,忽視了其與環(huán)境的耦合影響。壓電俘能系統(tǒng)是由環(huán)境振動(dòng)源、俘能器以及外接電路組成,是多物理場(chǎng)相互耦合的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。隨著研究的深入,研究重心也從俘能器本身研究逐步發(fā)展為耦合環(huán)境振動(dòng)源的壓電俘能系統(tǒng)研究。流體是一種分布廣泛,綠色環(huán)保,且可持續(xù)發(fā)展的能源。流體激勵(lì)壓電俘能器振動(dòng)俘能同時(shí)涉及流體場(chǎng)、固體場(chǎng)和電場(chǎng),是一個(gè)多物理場(chǎng)相互耦合的振動(dòng)俘能過(guò)程,具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

    本文圍繞壓電俘能器的流體能俘獲方式,分析了單一壓電振子和多陣子陣列流激振動(dòng)俘能的研究進(jìn)展,總結(jié)出各類壓電俘能器的研究方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用環(huán)境,并探究其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

    1 單一壓電振子俘能

    單一壓電振子俘能器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的壓電俘能器構(gòu)型,可直接應(yīng)用于流體俘能。單一壓電振子俘能器根據(jù)流激振動(dòng)形式的不同,可分為渦激振動(dòng)式、尾流致振式、顫振式和馳振式。

    1.1 渦激振動(dòng)式壓電俘能

    流體流過(guò)彈性支撐的圓柱時(shí),圓柱表面交替脫落的渦旋會(huì)在圓柱兩側(cè)形成交替變化的渦激力,此渦激力可激勵(lì)圓柱產(chǎn)生渦激振動(dòng)。當(dāng)渦旋脫落頻率接近圓柱的固有頻率時(shí),振動(dòng)幅值會(huì)明顯增大,產(chǎn)生渦激共振。渦激振動(dòng)存在 “鎖定(Lock-in)”特性,即渦旋脫落頻率在一定的流速范圍內(nèi)與結(jié)構(gòu)固有頻率一致,使渦激共振區(qū)域增大。渦激共振可在較低流速下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng),其振動(dòng)能可通過(guò)壓電俘能器轉(zhuǎn)換成電能輸出。

    目前,渦激振動(dòng)式壓電俘能器根據(jù)激勵(lì)源和構(gòu)型特點(diǎn),可分為兩種形式:一種是將壓電片直接貼到圓柱體上,例如,華中科技大學(xué)的胡元太教授課題組研制了管狀式渦激振動(dòng)壓電俘能器,如圖 1所示,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)渦旋脫落頻率與圓管的一階彎曲固有頻率接近時(shí),輸出功率最大[7]。

    另一種方式是將圓柱體與壓電懸臂梁連接。研究者可根據(jù)不同的應(yīng)用背景和流場(chǎng)特點(diǎn),提出不同構(gòu)型的壓電振子,如圖2所示的橫向振動(dòng)壓電俘能器[8]和豎向擺動(dòng)壓電俘能器[9]。

    針對(duì)渦激振動(dòng)式壓電俘能器,分析方法包括流場(chǎng)仿真分析、線性和非線性建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等。例如:Wang等[10]采用流場(chǎng)仿真技術(shù)分析了低雷諾數(shù)下橫向梁壓電俘能器的發(fā)電性能;Zhang等[11]通過(guò)線性和非線性分析了雙梁、雙晶壓電俘能器在風(fēng)速0~3 m/s范圍內(nèi)的振動(dòng)俘能情況,以及外接電阻對(duì)振動(dòng)幅值、輸出電壓和功率的影響規(guī)律;Dai等[12-15]通過(guò)線性和非線性

    (a) 橫向振動(dòng)壓電俘能器[8]

    分析了壓電俘能器在低風(fēng)速范圍下的渦激振動(dòng)響應(yīng)和發(fā)電性能;Song等[16]和Zhang等分別在水槽和風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)測(cè)試了渦激豎向擺動(dòng)壓電俘能器的發(fā)電能力。

    1.2 尾流致振式壓電俘能

    當(dāng)流體流經(jīng)非流線物體時(shí),會(huì)在物體后方形成兩排交替排列渦旋,交替脫落的渦旋可激勵(lì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。因此,尾流激勵(lì)壓電振子可產(chǎn)生周期性振動(dòng)并輸出電能。研究較早的是eel型壓電俘能器,Taylor等[17]利用尾流激勵(lì)原理,設(shè)計(jì)了eel型壓電俘能器,如圖 3所示,研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)并列排列的尺寸為1 422.4 mm×152.4 mm×0.4 mm的eel俘能器在水流為1 m/s時(shí)可輸出約1 W的功率。Allen等[18-19]對(duì)多個(gè)并行排列的eel型俘能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)俘能器的固有頻率與渦街的脫落頻率相吻合時(shí)俘能效果最佳;輸出功率隨eel長(zhǎng)度的增大而先增大后減小,過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)的eel型俘能器發(fā)電效果均不佳。

    圖3 Eel壓電俘能器

    隨后,鈍體繞流激勵(lì)壓電振子發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展,研究最多的是圓柱體和具有棱角的柱體(如三角柱)。例如:美國(guó)紐約城市大學(xué)的Akaydin等[20-21]先后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析了圓柱體卡門渦街中壓電俘能振子的振動(dòng)和發(fā)電情況,研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)改變圓柱與壓電振子相對(duì)位置,分析壓電振子的能量輸出,發(fā)現(xiàn)壓電振子處于圓柱正后方并且距離圓柱d=60 mm時(shí)輸出功率最大。Nguyen等[22]研制了一個(gè)微小型壓電俘能器,該裝置利用三角形鈍體繞流產(chǎn)生渦旋,渦旋激勵(lì)壓電薄膜振動(dòng)發(fā)電,并設(shè)計(jì)了串行排列的雙三角形鈍體來(lái)增強(qiáng)激勵(lì)響應(yīng)。

    學(xué)者同時(shí)注意到,由于尾流激勵(lì)力相對(duì)較小,尾流致振的壓電振子適合采用柔性壓電材料,以上的研究均采用PVDF壓電材料制作壓電振子,可獲得較好的振動(dòng)響應(yīng),但PVDF的壓電系數(shù)d31較小,致使能量俘獲能力有限。因此,有研究者尋求更高壓電系數(shù)的壓電材料制作尾流致振的壓電振子,例如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝濤教授課題組采用MFC壓電材料制作壓電振子,分析了壓電俘能器在水流卡門渦場(chǎng)中的俘能情況[23]。Petrini等[24]分析了柔性壓電振子在尾流場(chǎng)中的振動(dòng)和發(fā)電性能。值得注意的是,Hu等[25]為了提高壓電振子的激勵(lì)響應(yīng),制作了帶尾板(Flaping sheet)的壓電振子,如圖 4所示,此壓電振子一方面降低了固有頻率,使固有頻率易與渦街脫落頻率接近,產(chǎn)生共振提高發(fā)電能力;另一方面提高了流激力和流激振動(dòng)響應(yīng),可獲得最佳的能量輸出。

    圖4 帶尾板壓電俘能器

    1.3 顫振式壓電俘能

    渦激振動(dòng)式和尾流致振式壓電俘能器均可在較低流速(雷諾數(shù))下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng),可用于俘獲低速流體動(dòng)能,解決低速流體動(dòng)能難以有效俘獲和利用的難題。而對(duì)于高速(高雷諾數(shù))環(huán)境,研究者又提出了顫振式和馳振式壓電俘能技術(shù)。顫振是一種發(fā)散式振動(dòng),存在一個(gè)臨界速度,當(dāng)來(lái)流速度小于臨界速度時(shí),結(jié)構(gòu)靜止;當(dāng)來(lái)流速度大于臨界速度時(shí),結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值隨著流速的增大而逐漸增大,其具有自激、發(fā)散、非線性、大幅度和大變形的特點(diǎn)。當(dāng)壓電俘能器在來(lái)流中發(fā)生顫振時(shí),其發(fā)電能力會(huì)隨著來(lái)流速度的增大而增大。因此,顫振式壓電俘能器在較高流速情況下有較好的能量輸出,常應(yīng)用于風(fēng)能俘能。目前,按照俘能器的結(jié)構(gòu)形式,顫振式壓電俘能器可分為柔性體和翼型兩種。

    針對(duì)柔性體壓電振子顫振俘能,Michelin等[26]和Orrego等[27]分別采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法研究了旗式壓電俘能器的振動(dòng)和俘能特性,分析了流固耦合方式、電路負(fù)載特性、流場(chǎng)特征、機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)壓電俘能器發(fā)電性能的影響。Pieirua等[28]分析了柔性壓電梁在不同質(zhì)量比、不同長(zhǎng)度比下的振動(dòng)模態(tài),并參考振動(dòng)模態(tài),提出了電極配置方法,該方法可提高壓電俘能器的俘能性能。Akcabay等[29-30]以PZT壓電梁驗(yàn)證了梁式壓電俘能器在層流中自激拍振俘能的可行性。Nishigaki[31]研制了不同形狀的PVDF壓電旗:如長(zhǎng)方形、正方形、不同尺寸的梯形等。趙興強(qiáng)[32]提出了一種由懸臂梁和尾端柔性壓電片組成的風(fēng)致顫振式壓電俘能器,如圖5所示,研制了體積為0.1 cm3的樣機(jī),通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為12.2 m/s時(shí),該裝置可獲得16.4 V的開(kāi)路電壓和3.1 mW的輸出功率。

    圖5 顫振壓電俘能器

    對(duì)于翼型壓電俘能器,主要是采用翼型結(jié)構(gòu)在流體激勵(lì)下產(chǎn)生的升力和扭矩,激勵(lì)壓電振子產(chǎn)生周期性的振動(dòng),是同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)的二自由度系統(tǒng)。Erturketal提出了空氣彈性壓電俘能系統(tǒng),采用翼型結(jié)構(gòu)俘獲風(fēng)能為電能,如圖 6所示,研究發(fā)現(xiàn):在負(fù)載為100 kΩ,風(fēng)速為9.3 m/s的情況下可獲得10.7 mW的功率輸出[33]。因翼型結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)下存在橫向和扭轉(zhuǎn)兩種狀態(tài),研究者可采用半經(jīng)驗(yàn)公式展開(kāi)分析,Abdelkefi等[34-36]通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)氣動(dòng)失速模型,分析了翼型氣動(dòng)壓電系統(tǒng)的能量輸出特性,主要包括輸出電壓隨時(shí)間的演變特性和輸出功率隨風(fēng)速的變化情況。為了提高俘能系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)和發(fā)電性能,研究者在二自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將翼型結(jié)構(gòu)尾端添加一個(gè)副翼,形成三自由度翼型俘能系統(tǒng)[37-38]。

    圖6 二自由度翼型壓電俘能器

    1.4 馳振式壓電俘能

    馳振也是一種非線性、發(fā)散式的流致振動(dòng),與顫振不同的是馳振僅存在一個(gè)橫向振動(dòng),其常見(jiàn)于帶有棱邊柱體,如:方柱、三角柱、半圓柱、D-型柱。馳振式壓電俘能器也得到了較快的發(fā)展,具有代表學(xué)者有美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的Abdelkefi等[39-44],得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Sirohi等[45-46]和新加坡南洋理工大學(xué)的Zhao等[47-51]。

    Abdelkefi等和Zhao等都對(duì)不同截面形狀柱體進(jìn)行了分析總結(jié),其中Abdelkefi等通過(guò)引入氣動(dòng)響應(yīng)參數(shù),分析了方柱,等腰三角柱(頂角分別為30°和53°)和D型柱等馳振式壓電俘能器的振動(dòng)和發(fā)電性能,分析發(fā)現(xiàn):① 在相同外接電阻下D型柱的臨界振動(dòng)速度最大,30°三角柱、方柱次之,53°三角柱最??;② D型柱振動(dòng)幅值最大,方柱的振動(dòng)幅值最小,兩個(gè)三角柱介于兩者中間;③ 在低風(fēng)速下,30°三角柱和方柱的輸出功率相對(duì)較大;在高風(fēng)速下,D型柱輸出功率最大。Sirohi等主要分析了三角柱俘能器的振動(dòng)和發(fā)電性能,實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)尺寸為160 mm×250 mm的壓電俘能器在風(fēng)速為11.6 mph下可最大輸出53 mW的電能。隨后又研制了半圓柱壓電俘能器,實(shí)驗(yàn)測(cè)試尺寸為235 mm×25 mm的樣機(jī)能夠在風(fēng)速10.5 mph下輸出1.14 mW的功率。此外,為了提高俘能器的發(fā)電性能,Zhao等實(shí)驗(yàn)研究了雙自由度馳振式壓電俘能器,懸臂梁部分由外部彈性梁和內(nèi)部壓電梁組成,外部彈性梁連接方柱,內(nèi)部壓電梁連接磁鐵,并與方柱的磁鐵形成極性相反的磁鐵組,結(jié)構(gòu)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙自由度俘能器的臨界速度相比于單自由度俘能器降低,在風(fēng)速為1~4.5 m/s的范圍內(nèi),其輸出功率大于單自由度壓電俘能器,但在過(guò)高流速下并不占優(yōu)勢(shì)。

    圖7 雙自由度馳振式壓電俘能器

    1.5 雨滴沖擊式壓電俘能

    降雨是最普遍的自然現(xiàn)象之一,雨滴(raindrop)沖擊激勵(lì)壓電振子可產(chǎn)生較大變形的彎曲振動(dòng),并將雨滴的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能收集利用。因此,雨滴沖擊壓電俘能技術(shù)得到了眾多學(xué)者的重視。

    法國(guó)CEA-LETI-MINATEC實(shí)驗(yàn)室的Guigon等[52-53]提出了一種收集雨滴動(dòng)能的PVDF雨滴沖擊壓電俘能器,通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),速度為3.2 m/s、直徑為1.6 mm和速度為4.5 m/s、直徑為3 mm的雨滴可激勵(lì)25 μm厚的PVDF俘能器可分別產(chǎn)生8 μW和73 μW的功率。Ilyas等[54]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了雨滴的能量密度,測(cè)試發(fā)現(xiàn)一個(gè)雨滴沖擊能夠產(chǎn)生2.5 μW功率,能量轉(zhuǎn)換效率約為0.12%。Wong等[55]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雨滴俘能器的最佳功率輸出發(fā)生在雨滴擴(kuò)散到壓電振子邊緣之前,一個(gè)雨滴沖擊最多可產(chǎn)生0.228 V的電壓和3.47 μW功率。Abidin等[56]和Acciari等[57]分別研究了后處理電路(電壓倍增器)和Arduino測(cè)試系統(tǒng)對(duì)雨滴俘能系統(tǒng)的能量收集能力的影響,雨滴俘能系統(tǒng)如圖8所示,研究發(fā)現(xiàn),兩種技術(shù)均可有效的應(yīng)用于雨滴俘能系統(tǒng),提高系統(tǒng)的能量輸出能力。

    圖8 雨滴壓電俘能系統(tǒng)

    2 陣列式流激振動(dòng)壓電俘能

    當(dāng)單一壓電振子俘能器不能滿足功能需求時(shí),需探究多個(gè)壓電振子在流場(chǎng)中陣列俘能?;诹骷ふ駝?dòng)的多壓電振子陣列俘能主要有兩種形式,一種是旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器,以壓電風(fēng)車為主;另一種是多壓電俘能器的陣列俘能,以串行排列壓電俘能器為主。旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器結(jié)構(gòu)集成化高,易于實(shí)現(xiàn)微型化;俘能器陣列俘能便于實(shí)現(xiàn)規(guī)?;岣哒w俘能效率,滿足較高能耗產(chǎn)品/系統(tǒng)的供能要求。

    2.1 旋轉(zhuǎn)式陣列俘能

    旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器是借助風(fēng)車/水車葉片,將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,然后葉片旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)陣列的壓電振子振動(dòng),將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。2005年,美國(guó)德克薩斯州州大學(xué)的Priya等提出了一種袖珍式壓電風(fēng)車,如圖 9所示。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為16 km/h時(shí),可激勵(lì)周長(zhǎng)約為10 cm的壓電風(fēng)車工作,得到的7.5 mW的輸出功率可滿足微型壓電俘能和無(wú)線傳感器供電的需求[58-59]。壓電風(fēng)車的提出對(duì)壓電俘能器流體俘能技術(shù)的發(fā)展具有重要意義,Nature雜志對(duì)壓電風(fēng)車也做了積極的報(bào)道和評(píng)價(jià)。之后2007年,德克薩斯大學(xué)的Myers等[60]研制了一種微型壓電風(fēng)車,該裝置由18個(gè)壓電雙晶梁組成,研究發(fā)現(xiàn),該裝置工作的臨界風(fēng)速為5.4英里/h,在10英里/h的風(fēng)速下可輸出5 mW的功率。Kim等[61]研究了壓電水車俘能器,俘能器由四爪旋轉(zhuǎn)輪和并排的四個(gè)雙晶壓電懸臂梁組成,水流流動(dòng)激勵(lì)旋轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng),并先后撥動(dòng)壓電懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動(dòng),研究發(fā)現(xiàn)在水流流速為2 m/s時(shí),該裝置能夠產(chǎn)生58 mW的功率。

    2.2 多俘能器陣列俘能

    多個(gè)壓電俘能器陣列布置于流場(chǎng)中,受到流場(chǎng)的激勵(lì)作用,其流激耦合振動(dòng)更加復(fù)雜。受脫落渦旋的影響,多柱體在不同的排列方式下會(huì)呈現(xiàn)不同的振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)幅值,尤其為串行排列時(shí),隨著兩柱體的間距的變化,下游柱體會(huì)出現(xiàn)渦激振動(dòng),尾流馳振等不同的振動(dòng)形式,且受到上游柱體脫落渦旋的激勵(lì),下游柱體的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)增大[62-63]。因此,學(xué)者提出了陣列式流激振動(dòng)壓電俘能。

    圖9 袖珍壓電風(fēng)車

    Shan等[64]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了串行雙圓柱壓電俘能器在低速水流激勵(lì)下振動(dòng)發(fā)電能力,如圖 10所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,上游俘能器在間距比為2.5時(shí),水流速度為0.306 m/s獲得最大輸出功率167.8 μW;下游俘能器在較低流速下,其發(fā)電能力收到了限制,而在相對(duì)較高的流速下,其發(fā)電能力大幅提升,實(shí)驗(yàn)中在流速為0.412 m/s時(shí)獲得了533.2 μW的輸出功率,是此時(shí)單一俘能器發(fā)電能力的29倍。Abdelkefi等[65-66]實(shí)驗(yàn)分析了圓柱型和方柱型壓電俘能器串行排列情況下兩者的振動(dòng)俘能情況,圓柱在上游,方柱在下游,受上游圓柱產(chǎn)生的渦街的影響,下游方柱的振動(dòng)幅值增大,尤其在較高流速下更加明顯,以致下游壓電俘能器的輸出功率明顯提高。他同樣實(shí)驗(yàn)測(cè)試了串行的雙方柱型壓電俘能器,發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙柱體壓電俘能器串行排列產(chǎn)生耦合振動(dòng),能夠提高俘能系統(tǒng)的發(fā)電能力。此外,Hobbs等[67]提出了四個(gè)串聯(lián)的壓電俘能器的流致振動(dòng)俘能情況,研究發(fā)現(xiàn),下游俘能器的發(fā)電能力是上游俘能器的數(shù)倍且發(fā)現(xiàn)峰值功率只有當(dāng)上游脫落的渦旋徹底分離了上游俘能器后激勵(lì)下游俘能器才能獲得。

    圖10 雙柱體壓電俘能器系統(tǒng)

    3 結(jié) 論

    本文對(duì)基于壓電俘能器流體能量俘獲技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,總結(jié)了當(dāng)前研究重點(diǎn),分析了流激振動(dòng)式壓電俘能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用環(huán)境和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前的研究主要集中在俘能器的模型建立和構(gòu)型設(shè)計(jì)方面,提出了單一壓電振子俘能和多壓電振子陣列俘能。但壓電俘能器距實(shí)際應(yīng)用尚有關(guān)鍵性問(wèn)題需解決,今后在以下幾個(gè)方面需要有更深入的研究。

    (1) 渦激振動(dòng)式和尾流馳振式壓電俘能器,均可應(yīng)用于低速流體的能量俘獲,以解決低速流體動(dòng)能難以有效俘獲利用的問(wèn)題。因渦激振動(dòng)特有“鎖定(Lock-in)”現(xiàn)象,渦激振動(dòng)式壓電俘能具有較大的渦激共振區(qū)域,可在較低流速下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)和較好的能量輸出。由于尾流致振的尾流激勵(lì)力相對(duì)較小,目前尾流馳振式壓電俘能器的研究以柔性壓電材料為主,如:PVDF、MFC等,但柔性壓電材料一般壓電系數(shù)較低,致使尾流馳振式壓電俘能器的發(fā)電能力有限。因此,探索如何提高尾流致振的振動(dòng)響應(yīng)和探究高性能的柔性壓電材料,是研究尾流致振式俘能器的關(guān)鍵問(wèn)題。

    (2) 顫振式和馳振式壓電俘能器因具有自激、發(fā)散、非線性、大幅度和大變形的特點(diǎn),在較高流速環(huán)境中的振動(dòng)響應(yīng)和發(fā)電性能顯著提升,因此更適合于高速流體的能量俘獲。但高速流體激勵(lì)下,壓電俘能器的振動(dòng)穩(wěn)定性降低,因此,如何提高顫振式和馳振式壓電俘能器的高速振動(dòng)穩(wěn)定性,提高電信號(hào)輸出穩(wěn)定性是顫振式和馳振式壓電俘能器研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

    (3) 雨滴沖擊式壓電俘能器可廣泛收集自然界的雨滴動(dòng)能并轉(zhuǎn)換為電能,持續(xù)的雨滴脈沖激勵(lì)可產(chǎn)生較高的脈沖電壓。然而,產(chǎn)生的電信號(hào)持續(xù)性和穩(wěn)定性較差,且單一壓電振子的發(fā)電能力有限,因此,面向雨滴沖擊壓電俘能的后處理電路和陣列俘能是未來(lái)的重要研究方向。

    (4) 目前對(duì)壓電俘能器性能指標(biāo)多以峰值功率體現(xiàn),而面向?qū)捔魉俜秶碌木C合俘能能力研究較少。自然界流體流速時(shí)刻變化,如何使俘能系統(tǒng)能夠持續(xù)高效的能量輸出是流激振動(dòng)俘能面臨的關(guān)鍵問(wèn)題,因此,面向流速時(shí)變的寬頻帶俘能是一個(gè)重要的研究方向。

    (5) 當(dāng)單一壓電俘能器不能滿足供能需求式,多壓電振子的協(xié)同俘能是必然的發(fā)展趨勢(shì)。目前針對(duì)多壓電振子協(xié)同俘能的研究主要集中在旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器和多壓電俘能器的陣列俘能兩個(gè)方面。其中,旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器具有結(jié)構(gòu)集成化高,易于實(shí)現(xiàn)微型化的優(yōu)點(diǎn);俘能器陣列俘能易于實(shí)現(xiàn)俘能規(guī)?;?,可滿足較高能耗產(chǎn)品/系統(tǒng)的供能要求。但基于多壓電振子的協(xié)同俘能的后處理電路復(fù)雜,目前的研究較少,因此,提出適合多壓電振子協(xié)同俘能的后處理電路,解決耦合電信號(hào)難以處理的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電能的同步采集存儲(chǔ)也是一個(gè)重要的研究方向。

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