一種壓電式微型俘能器

顧聰 陳遠(yuǎn)晟 郭家豪

摘? 要：為實(shí)現(xiàn)較低風(fēng)速下的能量回收，基于渦激振動(dòng)原理，提出了一種三角陣列式的壓電俘能器。對穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真分析，研究了該俘能器在低風(fēng)速下以不同形式連接的電壓輸出特性，驗(yàn)證了俘能器對鋰電池充電的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)壓電振子以串聯(lián)形式連接時(shí)，輸出電壓較高，且隨風(fēng)速增加而增加，在風(fēng)速較低時(shí)仍有較好發(fā)電性能。當(dāng)風(fēng)速為12m/s時(shí)，最大開路電壓有效值為20V，最高輸出功率為0.28mW，輸出電壓通過穩(wěn)壓電路后，可輸出穩(wěn)定電壓對鋰電池充電，實(shí)測充電功率為0.17mW。

關(guān)鍵詞：渦激振動(dòng);陣列式;俘能器;風(fēng)能;充電

引言

風(fēng)能具有可持續(xù)性、清潔性和廣泛性等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)，風(fēng)能的利用正在得到廣泛的發(fā)展。由于體積大、成本高、運(yùn)行維護(hù)困難，傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)很難與小而獨(dú)立的電子系統(tǒng)集成，微型發(fā)電機(jī)已經(jīng)成為無線傳感器節(jié)點(diǎn)等微獨(dú)立工作的電子解決方案，通過微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微電子系統(tǒng)的應(yīng)用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。孫加存[1]等人進(jìn)行了壓電振子產(chǎn)生的電能作為電路電源可行性驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，利用該原理制成的壓電發(fā)電機(jī)，具有無污染，活動(dòng)部件少，激發(fā)時(shí)間短，產(chǎn)品易于小型化的特點(diǎn)。舒暢[2]等人提出了一種帶諧振腔的風(fēng)能收集器，實(shí)驗(yàn)表明在較低風(fēng)速范圍內(nèi)，帶諧振腔的壓電風(fēng)能收集器可輸出較多電能。闞君武[3]等人提出一種由壓電梁及其端部附加質(zhì)量構(gòu)成的直激式壓電風(fēng)能捕獲器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)實(shí)際風(fēng)速范圍確定合理的附加質(zhì)量可提高發(fā)電能力。

本文提出了一種基于渦激振動(dòng)原理[4]的陣列式壓電俘能器，在較低風(fēng)速時(shí)仍有較好發(fā)電性能。對其穩(wěn)壓電路特性進(jìn)行了分析，研究了該俘能器對鋰電池充電的可行性。

1? 俘能器原理

在空氣流體向裝置方向運(yùn)動(dòng)的過程中，空氣流體經(jīng)過了裝置非流線型鈍體時(shí)，流體經(jīng)鈍體的當(dāng)使得自身對鈍體的壓力升高。鈍體朝向流體的表面處形成了流體停滯產(chǎn)生的高氣壓，之后高氣壓帶不斷擴(kuò)展向鈍體兩側(cè)。在鈍體兩側(cè)最寬處，高氣壓帶從鈍體兩側(cè)表面脫離，脫離過程中朝向鈍體尾部形成兩個(gè)剪切層，形成了鈍體尾部的兩個(gè)不連續(xù)的旋渦流型，這種由鈍體兩側(cè)產(chǎn)生的旋渦脫落在鈍體兩側(cè)表面上形成了一個(gè)突變的壓力，隨著周期性的旋渦脫落產(chǎn)生，鈍體兩側(cè)的表面就產(chǎn)生了周期性的壓力，這種壓力促使鈍體進(jìn)行振動(dòng)[5]。鈍體固定在壓電片自由端，基于其正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終經(jīng)穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定電壓對鋰電池進(jìn)行充電。本次實(shí)驗(yàn)使用的壓電片采用了雙疊片結(jié)構(gòu)，長度60mm，寬度10mm，厚度0.7mm，自由長度50mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 穩(wěn)壓電路分析

該俘能器輸出電壓經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)接口電路轉(zhuǎn)化為直流電壓后，由于風(fēng)速變化導(dǎo)致電壓不恒定，無法對鋰電池進(jìn)行供能。本次實(shí)驗(yàn)使用LTC3588-1穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，使電壓維持在3.8 V，對鋰電池充電。在LTspice中對其進(jìn)行仿真，將壓電雙晶片的等效電路轉(zhuǎn)化為一個(gè)頻率為的電流源與242 nF的電容并聯(lián)，如圖2所示：

本次實(shí)驗(yàn)中，俘能器振動(dòng)幅值為3 mm，振動(dòng)頻率為10 Hz，通過改變等效電路中的幅值和頻率大小，可以得到三種輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系。壓電雙晶片等效電路在不同振動(dòng)幅值不同頻率下通過LTC3588-1仿真得到的芯片輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系如圖3所示。

仿真結(jié)果表明，壓電雙晶片的振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率影響了壓電雙晶片的輸出功率以及芯片的輸入電壓升高速度，同時(shí)改變幅值和頻率仿真得到了在LTC3588-1中三種不同的輸入和輸出電壓表現(xiàn)方式，反映了其工作特性。

3? 實(shí)驗(yàn)研究與分析

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖4所示，為實(shí)現(xiàn)輕小化，陣列式壓電換能器以三角狀排列，以做到節(jié)約空間。風(fēng)機(jī)口部距離鈍體15 cm，二者位于同一水平線上。當(dāng)風(fēng)速從0m/s變化至14m/s時(shí)，換能器之間以串聯(lián)、并聯(lián)形式連接，俘能器輸出電壓曲線如圖5所示。即兩種連接形式輸出電壓都隨風(fēng)速增加而增加，以串聯(lián)形式連接時(shí)，輸出電壓較高，當(dāng)風(fēng)速為12m/s時(shí)，最大開路電壓有效值為20V。將陣列式壓電振子以串聯(lián)形式連接，選取合適的負(fù)載阻值，其輸出功率如圖6所示，當(dāng)風(fēng)速為12m/s時(shí)最高輸出功率為0.28mW。

將俘能器輸出端與穩(wěn)壓電路連接，其輸出電壓隨風(fēng)速變化如圖7所示，即當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12m/s后，電壓穩(wěn)定在3.8V。實(shí)驗(yàn)需要對充電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，充電電流的測量使用霍爾傳感器對電壓信號(hào)的測量與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。

將3.8V的可充電鋰電池與穩(wěn)壓電路輸出端相連，利用霍爾傳感器對電壓信號(hào)的測量與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對充電電流的測量，使用直流電源對霍爾傳感器供能，整體實(shí)物圖如圖8所示。電壓信號(hào)對電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換規(guī)則為：當(dāng)檢測到的電壓信號(hào)為5V時(shí)，實(shí)際流經(jīng)可充電直流電池的電流信號(hào)為1 mA。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12m/s時(shí)，實(shí)測霍爾電壓為0.23V，此時(shí)電池的充電功率為0.17mW，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，可在維持充電狀態(tài)的同時(shí)提升充電效率，驗(yàn)證了該俘能器在較低風(fēng)速下對鋰電池進(jìn)行儲(chǔ)能的可行性，對于12m/s以下的風(fēng)速，仍可對某些微型電子器件供能。

4? 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)在較低風(fēng)速時(shí)對無線傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶外工作時(shí)供能，設(shè)計(jì)了一種基于渦激振動(dòng)原理的陣列式壓電俘能器，壓電振子以三角陣列式排列，自由端固定木制鈍體。

（1）該俘能器壓電振子以串聯(lián)形式連接時(shí)可輸出較高電壓，電壓隨風(fēng)速增加而增加，當(dāng)風(fēng)速為12 m/s時(shí)，最大開路電壓有效值為20 V，最高輸出功率0.28mW。

（2）使用穩(wěn)壓電路后在風(fēng)速為12m/s時(shí)可輸出穩(wěn)定電壓3.8V對鋰電池進(jìn)行充能，充電功率實(shí)測為0.17 mW。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫加存，陳荷娟.風(fēng)動(dòng)壓電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].壓電與聲光，2012，34（6）：860-863，867.

[2] 舒? 暢，張健滔，吳? 松，等.一種帶諧振腔的壓電風(fēng)能收集器[J].振動(dòng)與沖擊，2018，37（3）：22-26.

[3] 闞君武，張肖逸，王淑云，等.直激式壓電風(fēng)能捕獲器的性能分析與實(shí)驗(yàn)[J].光學(xué)精密工程，2016，24（5）：1087-1092.

[4] 宋汝君，單小彪，楊先海，等.基于壓電俘能器的流體能量俘獲技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].振動(dòng)與沖擊，2019，38（17）：244- 250，275.

[5] 郭家豪.基于壓電能量回收的渦激振動(dòng)發(fā)電裝置研究[D].南京理工大學(xué)，2018.