馳振式風能采集器的研究進展及應用

羅睿希，艾 兵，楊愛超，范亞軍，裴茂林，江雪玲，魯彩江

(1.國網(wǎng)四川省電力公司計量中心，四川成都 610045；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務管理中心，江西南昌 330032；3.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 引言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療、航空航天和軍事等方面得到了廣泛的應用，無線傳感器的供電問題也得到了廣泛的關注。由于傳統(tǒng)電池供電存在尺寸大、壽命短、需定期更換等缺點[1]，利用環(huán)境能量采集技術，將環(huán)境中存在的風能[2-4]、熱能[5]、太陽能[6]、電磁能[7-8]、振動能[9-11]等轉換為電能，為無線傳感器等低功耗電子設備供電，成為研究的熱點。風能作為自然界中廣泛存在的一種可再生清潔能源，其潛在能量極其巨大，對風能的利用和轉換成為自供能領域的一個重要研究方向。

目前，小型風能采集器主要有渦輪式和風致振動式2類[12]。相比于渦輪式結構，風致振動式采集器不需要轉動部件，結構更簡單、易于微型化，是風能采集器的主要發(fā)展方向。通過渦激振動、顫振和馳振等風致振動機理，將氣流轉換為機械振動，再利用壓電[13-14]、電磁[15-16]、靜電[17-18]和摩擦電能量轉換機制[19]最終實現(xiàn)風能到電能的轉換。

馳振式風能采集器具有寬風速范圍和大振幅的優(yōu)點，相比于其他風致振動式采集器性能更佳，具有極大的發(fā)展前景，成為目前研究的重點。馳振式風能采集系統(tǒng)主要由采集結構和管理電路組成。本文對馳振式風能采集器的發(fā)展過程進行回顧，分析總結各類馳振式采集器的性能及其特點，討論了采集器的性能提升方式及其在自供電無線傳感器中的應用。最后對馳振式壓電風能采集器的發(fā)展趨勢進行展望。

1 馳振式風能采集器

馳振是一種典型的風致振動現(xiàn)象，相比于渦激振動和顫振，具有更大的振動幅度和更寬的有效風速范圍，是風能采集領域的重要發(fā)展方向。根據(jù)產(chǎn)生機理的不同，馳振又可以分為尾流馳振和橫流馳振。研究人員根據(jù)不同的機理，設計出了多種結構的風能采集器。

1.1 基于橫流馳振的采集結構

橫流馳振是一種自激發(fā)散振動，通常發(fā)生在近矩形截面的結構中。早期，A. Barrero-gil等[20]從理論上分析了用單自由度模型從橫流馳振結構中采集能量的潛在可能，研究了截面幾何形狀和機械性能對能量轉換效率的影響。采集系統(tǒng)模型如圖1所示，為簡單的質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)。為以后馳振式采集器的設計奠定了基礎。最近，鄭州大學的靳遵龍等[21]通過等效電路建模方法研究了被動湍流控制(PTC)下圓柱馳振壓電能量采集的仿真模型，為分析高度耦合的流-機-電系統(tǒng)提供了一種簡單可行的解決途徑。

圖1 橫流馳振采集系統(tǒng)模型

2011年，J. Sirohi等[22]通過在壓電懸臂梁自由端固定D形截面馳振體制成了風能采集器。在風作用下，末端剛體的馳振將引起壓電梁的振動。該裝置的切入風速為2.51 m/s，在4.71 m/s的風速下可產(chǎn)生1.14 mW的最大功率。

Y. Yang等[23]在2013年研究了鈍體的橫截面幾何形狀對馳振壓電能量采集器的性能影響。實驗結果表明，帶有正方形截面鈍體的采集器具有最佳的輸出性能，且實現(xiàn)了2.5 m/s低切入風速，在8 m/s風速下，可產(chǎn)生8.4 mW的峰值功率。U. Javed等[24]研究了方形柱體以不同角度固定在懸臂梁末端時，對采集器性能的影響。該結構通過壓電和電磁實現(xiàn)能量的采集。結果表明，直立或小于15°的輕微向前傾斜的柱體有利于能量的高效采集，而任何向后傾斜的柱體則會降低采集功率。F. Ewere等[25]也對具有方形鈍體的馳振采集器進行了研究，并提出一種具有碰撞擋塊的改進結構，顯著降低了極限循環(huán)振蕩幅度，提高了采集器的壽命。

最近，K. Zhao等[26]在方柱鈍體的基礎上研究了一種V型馳振能量采集器，用于低速風速能量的采集。方柱鈍體V型凹槽在迎風面。對不同形狀的V型槽進行了比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的最小臨界速度為2.16 m/s。對于最佳結構，在10 m/s的風速下可以產(chǎn)生93 mW的功率。F. R. Liu等[27]提出一種Y型的3葉片鈍體，固定在壓電梁的自由端，如圖2所示。研究顯示，相比方形柱體，3葉片結構可獲得更高的能量輸出；當兩前葉片半角為60°～80°，后葉片與前葉片的長度比為4/3～5/3時，采集器能產(chǎn)生更高的輸出功率；垂直風能采集器的性能優(yōu)于水平風能采集器，在4 m/s的風速下，輸出電壓高達40 V。

圖2 Y型3葉片鈍體結構

G. Hu等[28]設計了一種基于相互干擾的雙壓電風能采集器，如圖3所示。分別研究了2個采集器以對齊或交錯方式放置時的輸出特性。實驗結果表明，2采集器交錯排列的輸出功率大于對齊排列，且存在最佳相對位置，即沿流向的中心間距為1.2B、橫向的中心間距為1.0B(B為鈍體的截面寬度)。放置在最佳相對位置的2個采集器的總輸出功率是2個獨立采集器的總輸出功率的2.2倍。該研究表明可以通過增加壓電懸臂梁數(shù)量并調(diào)整相對位置來提高整個采集系統(tǒng)的效率。

圖3 雙壓電采集器

1.2 基于尾流馳振的采集結構

尾流馳振是由于結構受到前方鈍體的波動性來流而激發(fā)的不穩(wěn)定振動。早期，H. J. Jung等[29]率先研究了基于尾流馳振的電磁式采集器的性能。實驗測試顯示，在1.8～5.6 m/s的流速范圍內(nèi)，可以獲得0.3～1.13 W的平均輸出功率。并提出將其應用于無線傳感器。

尾流馳振現(xiàn)象可以在相對較低的風速下發(fā)生，有助于低速風能的采集。2013年，A. Abdelkefi等[30]通過在采集器的上游放置一圓柱體，研究了尾流馳振對基于馳振的壓電能量采集器流速范圍的影響。采集器由末端帶有方棱柱的壓電懸臂梁組成，可以對0.4～1.7 m/s的風速進行采集，其切入速度為0.4 m/s。尾流效應極大地擴大了能量采集的有效風速范圍，降低了采集器的切入風速。

后來，M. Usman等[31]提出與上述結構類似的基于尾流馳振的壓電能量采集器。如圖4所示，該結構由上游圓柱、下游圓柱及可移動壓電梁組成。研究發(fā)現(xiàn)，兩圓柱的最佳間距為3倍上游圓柱直徑，采集器的切入風速為4 m/s，在7 m/s的風速下可獲得27 mV的峰值電壓。與其他尾流馳振能量采集系統(tǒng)相比，具有更大的有效風速范圍，且更加適合實際應用。

圖4 帶圓柱體懸臂梁的尾流馳振

尾流馳振能量的采集是涉及空氣動力學、氣動彈性和壓電效應的復雜多物理現(xiàn)象。最近，S. K. Al Nuaimi等[32]建立了尾流馳振壓電能量采集的現(xiàn)象學模型。通過該模型可以直接預測從尾流馳振物體的大振動中獲取的能量水平，且比現(xiàn)有的準穩(wěn)態(tài)模型更加精確。

2 馳振式風能采集器的性能提升

目前，越來越多的研究者開始致力于提升采集器的性能。更低的切入風速，有利于自然環(huán)境中低速能量的采集；更寬的有效風速范圍，能增加采集系統(tǒng)的適應性；更大的輸出功率，可以提高系統(tǒng)的采集效率。采集器結構和管理電路的優(yōu)化是提升性能的主要方式。

2.1 采集結構的優(yōu)化

采集結構是實現(xiàn)風能到振動能轉換的關鍵。結構優(yōu)化方法主要利用鈍體結構的設計、調(diào)整阻流體、引入非線性或多穩(wěn)態(tài)、多梁結構、混合能量采集等實現(xiàn)。

鈍體作為馳振式采集器的捕風結構，對采集器的性能有著很大的影響。L. Ding等[33]設計了一種基于圓柱鈍體的相似結構。一對鰭形桿對稱地固定在圓柱表面上。實驗結果顯示，桿的最佳放置角度為30°～60°；采集器的啟動風速為1 m/s，最大采集功率達到998 μW，是光滑圓柱的25.5倍，有效風速范圍擴大了2.4倍。W. Sun等[34]基于圓柱和方柱設計了一種燈泡型截面的鈍體，以利用耦合渦激振動和馳振現(xiàn)象的協(xié)同效應。實驗結果顯示，與方柱鈍體相比，帶有最佳形狀鈍體的風能采集器的平均輸出功率提高了75%；在2.95 m/s的風速下，可得到193%的最大功率提升率。

最近，C. F. Zhou等[35]利用彎曲板鈍體設計了一種新型馳振能量采集器，其結構如圖5所示。彎曲板鈍體具有改善空氣動力學性能的能力，在內(nèi)部循環(huán)中可以獲得更高的升力和負壓，驅(qū)動壓電懸臂梁以更大的幅度振動。研究表明，彎曲板結構可以產(chǎn)生比常規(guī)橫截面鈍體更高的輸出電壓，并且切入風速更低(2 m/s)。風速為5.5 m/s時，鈍體弧長為45 mm的采集器產(chǎn)生的平均功率為35.6 μW。有效地提高了馳振式風能采集器的輸出性能。

圖5 帶彎曲板鈍體的懸臂梁

2018年，L. Zhao等[36]在傳統(tǒng)馳振壓電能量采集器的基礎上，提出了一種基于碰撞的寬帶能量采集器，可以同時收集風能和基礎振動。如圖6所示，在帶D型鈍體的懸臂梁下面增加了一個機械制動器。通過鈍體與機械制動器的碰撞引入分段線性，增加采集器的帶寬和峰值功率。在5.5 m/s的風速和0.5g的基礎激勵下，輸出峰值功率為3.8 mW。

圖6 碰撞式寬帶能量采集器

為了拓寬尾流馳振式采集器的鎖定區(qū)域，M. Rezaei等[37]在2019年提出由4個自由端帶鈍體的壓電懸臂梁和上游阻流體組成的采集系統(tǒng)(見圖7)。理論研究表明，增加方形截面阻流體的橫流尺寸可以增加輸出功率。與典型的尾流馳振式采集器相比，該系統(tǒng)具有更寬的鎖定區(qū)域和更大的轉換系數(shù)。

圖7 基于尾流馳振的陣列結構

F. R. Liu等[38]對傳統(tǒng)馳振采集結構進行改進，提出一種具有雙板結構的風能采集器，其結構原理圖和實驗設置如圖8所示。由雙板引起的尾流可以增強鈍體上的空氣升力，并增加振動幅度。對于帶方柱鈍體的采集器而言，在上流放置雙板后，切入風速從3.5 m/s降低到了1 m/s；當風速為1.5 m/s，其輸出電壓從1 V增加到了12 V。且雙板結構具有良好的適應性，可用于基于不同鈍體的采集器的性能提升。與典型尾流馳振采集系統(tǒng)(在上游放置阻流體)相比，雙板采集結構可以產(chǎn)生更高的輸出電壓。

圖8 基于雙板結構的尾流采集器

近年來，許多研究者通過利用磁感應非線性來提升采集器的性能。A. H. Alhadidi等[39]設計了一種雙穩(wěn)態(tài)能量采集器，其結構原理如圖9所示。在傳統(tǒng)尾流馳振能量采集器的基礎上增加了2個磁鐵，引入了非線性，并通過磁鐵之間的排斥作用實現(xiàn)了系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特性。相比于線性尾流馳振能量采集器，雙穩(wěn)態(tài)設計顯著提高了風能采集器的帶寬。K. Yang等[40]提出另外一種由2個壓電懸臂梁組成的雙穩(wěn)態(tài)馳振能量采集器。2個豎直棱柱型鈍體的末端均嵌有磁鐵。實驗表明，與無磁鐵雙梁結構相比，上梁和下梁的馳振臨界風速分別降低了25%和41.9%。較大的磁鐵間距可實現(xiàn)弱雙穩(wěn)態(tài)非線性，有利于降低臨界風速并提高輸出電壓。

圖9 磁耦合尾流能量采集器

W. Qin等[41]在2019年設計了一種基于渦激振動和馳振的新型采集器，其結構原理圖如圖10所示。通過尖端磁鐵和2個固定磁鐵的相互作用引入多重穩(wěn)定性。對于低風速，系統(tǒng)發(fā)生渦激振動；對于高風速，系統(tǒng)則會發(fā)生疾馳。結果表明，該結構可以在2.0～7.0 m/s的風速范圍內(nèi)獲得較大的功率輸出。因此，通過引入非線性力并利用渦激振動和馳振之間的相互作用，可以有效拓寬采集器的風速范圍并提高其功率輸出。為未來的采集器結構設計提供了新的方向。

圖10 渦激振動-馳振式采集器的原理圖

2.2 電源管理與儲存電路

馳振式采集器產(chǎn)生的是交流電，通常比較微弱，需要采用相應的電路進行轉換與調(diào)節(jié)，才能用于電子設備，為其提供充足且穩(wěn)定的電能。電源管理電路通常由AC/DC整流器、穩(wěn)壓器和能量存儲設備組成。目前，主要有標準能量回收電路(SEH)、串聯(lián)同步電感開關電路(S-SSHI)、并聯(lián)同步開關電路(P-SSHI)、同步電荷提取電路(SECE)和雙同步開關電感電路[42]。優(yōu)化采集系統(tǒng)的電源管理和存儲電路有助于提升能量轉換效率，從而改善整個系統(tǒng)的性能。

南洋理工大學的L. Zhao等[43-44]對基于方形鈍體的馳振式壓電能量采集器的接口電路進行了大量的研究。為了提高馳振式采集器的功率輸出，該團隊提出一種自供能SCE接口電路，采集器的等效電路模型和SCE示意圖如圖11所示。建立了相應的理論模型，并進行實驗驗證。與SHE電路相比，SCE的輸出功率與負載電阻無關，消除了阻抗匹配的要求，提升了實際應用中采集器的靈活性；SCE節(jié)省了75%壓電材料；SCE有助于減小采集器的位移幅度，提高了采集系統(tǒng)的壽命。該團隊還提出了馳振式壓電能量采集器的響應解析解。分別研究了簡單交流電路、SEH電路和SCE電路，得出了功率、電壓和位移幅度的明確表達式。其中，SCE電路適用于低耦合、高風速情況；交流和SHE電路適用于高耦合采集器。

圖11 馳振能量采集系統(tǒng)中自供能SCE接口電路的示意圖

L. Zhao等研究了SSHI接口電路在馳振式采集器性能提升方面的應用[45-46]。圖12為整個系統(tǒng)的示意圖。結果表明，在風速為6 m/s的情況下，與標準橋式整流接口電路相比，P-SSHI的輸出功率增加了43.75%。SSHI電路適用于高風速環(huán)境和弱耦合或中耦合系統(tǒng)，可以顯著提升采集系統(tǒng)的功率輸出。此外，S-SSHI電路適用于高終端負載，而P-SSHI則適用于小終端負載[47-48]。

圖12 馳振能量采集系統(tǒng)中自供能P-SSHI接口電路的示意圖

哈爾濱工業(yè)大學的T. Ting等[49]在2017年比較了連接交流或直流接口電路的馳振式采集器的性能。在小風速下，這兩種能量采集系統(tǒng)的性能幾乎相同。與連接AC接口電路的采集系統(tǒng)相比，連接DC接口電路的采集系統(tǒng)具有更小的最大電阻尼和更大的最佳負載電阻。在大風速下，僅通過調(diào)整負載電阻即可達到最大電阻尼，采集器建議連接AC接口電路，以實現(xiàn)更高的峰值功率和更小的尖端位移。

為了解決純電阻接口電路中無法實現(xiàn)最佳電阻尼的問題，該團隊設計了一種通過與負載電阻串聯(lián)或并聯(lián)電感來改進電路的方法[49-51]。通過引入電感，采集系統(tǒng)在高風速下可獲得更高的峰值功率和更小的尖端位移幅度，提升了馳振系統(tǒng)的性能。

為了提升橫流馳振能量采集器的性能，L. Wang等[52]分析了4種直流電路對采集系統(tǒng)的影響。采集器和電路原理如圖13所示。由于電阻尼較大，SCE電路的啟動速度最高。2個SSHI電路可獲得最大輸出功率，且S-SSHI電路的振動幅度更小。通過適當?shù)碾娐吩O計可以有效提高輸出功率和能量轉換效率。

圖13 馳振式采集器及4種直流接口電路

最近，T. Tan等[53]提出一種新的帶超級電容的RLC電路(見圖14)，用以提升馳振式采集器對低速風能的采集性能。其接口電路通過取決于外部電容、電感和電阻的電阻尼來優(yōu)化。外部超級電容的引入使功率優(yōu)化所需的電感減小到可接受的值。研究發(fā)現(xiàn)，與純電阻情況相比，低速風能的采集功率提高了450%。

圖14 帶超級電容的RLC電路

孫凱利等[54]提出一種新型自供電、自感知式同步電感能量采集接口電路(如圖15所示)，該電路可以根據(jù)壓電片輸出的電壓判斷壓電片的形變量，實現(xiàn)同步電感開關的自動控制。仿真結果表明，新型接口電路能夠有效提高采集電路在非線性激勵下的能量采集效率，與傳統(tǒng)采集電路相比，新型采集電路可以使輸出功率提升30%。

圖15 自感知和自供電式P-SSHI電路示意圖

3 馳振式風能采集器在無線傳感器中的應用

目前，越來越多的研究將環(huán)境能量采集裝置應用于低功耗的自供能設備中[55]。而無線傳感器作為自供能設備的典型代表，其供能問題的研究是推動無線傳感網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵因素。小型馳振式風能采集器的主要目的之一就是為位于存在氣流的環(huán)境中的無線傳感器供電。

2011年，H. J. Jung等[56]設計了一種基于尾流馳振的電磁能量采集器，并可用于為橋梁結構健康監(jiān)測傳感器節(jié)點供電。采集器由兩圓柱、磁鐵和線圈組成，在風速為2.5～4.5 m/s的情況下，可以獲得50～370 mW的平均發(fā)電功率。圖16中分別描述了采集裝置安裝在橋軌、橋側面和橋底面，為傳感器節(jié)點供能的示意圖。實驗中假設橋周圍每天有1 h以4.5 m/s的速度在吹風，并使用可充電電池存儲能量。在Imote2傳感節(jié)點每d執(zhí)行2次感應過程的情況下，傳感器節(jié)點可以運行5 d以上。

圖16 采集器安裝在橋軌、橋側面和橋底面為無線傳感器供能的示意圖

為了實現(xiàn)對室外環(huán)境中無線傳感器節(jié)點的供電，J. Sirohi等[22，57]提出了多種馳振式采集器。具有代表性的是末端帶有三角形截面鈍體的雙壓電梁結構。風洞實驗顯示，該采集器在負載電阻為37 kΩ，風速為5.21 m/s時，可產(chǎn)生53 mW的最大功率，該功率水平足以為當前使用的大多數(shù)商用無線傳感器供電。其簡單性和耐用性非常適用于為結構健康監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測領域的無線傳感器節(jié)點供能。

近年來，對室內(nèi)微氣候控制的需求日益增長，F(xiàn). Li等[58]設計了第一個自維持室內(nèi)氣流感應系統(tǒng)，也被稱為Trinity系統(tǒng)，可以實現(xiàn)能量采集、同步占空比和傳感。該系統(tǒng)的原理如圖17所示。傳感器節(jié)點部署在HVAC出口處，便于采集與傳感。馳振式能量采集器由固定框架和末端帶有方形截面鈍體的壓電雙晶懸臂梁組成。電源管理模塊由低損耗全波橋式整流器、DC/DC轉換器和電池充電系統(tǒng)組成。電池充電系統(tǒng)在傳感器節(jié)點處于低功率睡眠模式時存儲剩余能量，在采集器暫時停止工作時也起著備用電源的作用。提出通過低功耗自校準策略和每鏈路同步策略實現(xiàn)同步占空比，以確保接收方及時被喚醒以接收來自各個發(fā)送方的數(shù)據(jù)包。氣流速度通過采集馳振式采集器的電壓，并依據(jù)采集器的輸出電壓峰值與氣流速度的關系進行預測。實驗發(fā)現(xiàn)，馳振式采集器可以有效采集2～6 m/s的室內(nèi)氣流；該自供能無線傳感裝置成功預測了16個HVAC出口處的風速(3～6 m/s之間)。該研究是將能量采集裝置應用于無線監(jiān)測系統(tǒng)的一個成功案例。

圖17 Trinity室內(nèi)傳感系統(tǒng)原理圖

后來，該團隊[59]還設計了一種可用于室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)和高度城市化區(qū)域中無線傳感節(jié)點供電的兩自由度馳振能量采集器。其結構如圖18所示，通過磁鐵之間的相互作用引入了剛度非線性，提升系統(tǒng)的采集性能。實驗表明，采集器的切入風速低至1 m/s，在2.5 m/s的風速下，其輸出功率大約是傳統(tǒng)單自由度采集器的4倍；在低于4.5 m/s的風速下，總功率一直在提升。適用于為處于低風速環(huán)境中的無線傳感設備供能。

圖18 兩自由度馳振式壓電能量采集器原理圖

G. Tomasini等[60]在2015年研究了使用馳振式壓電-氣動彈性能量采集器向安裝在貨運列車上以測量軸箱加速度的無線傳感器供電的可能性。采集器原型由壓電懸臂梁和末端鈍體組成。該監(jiān)視系統(tǒng)可用于檢測運行狀況的可能惡化，以避免車輛脫軌等危險的發(fā)生。

最近，L. B. Zhang等[61]設計了一種基于馳振的電磁能量采集器。如圖19(a)所示，采集器由自由端帶有Y型3葉片鈍體的懸臂梁、2個固定在鈍體底面的線圈和磁鐵組成。磁體布置成Halbach陣列并固定在底部，通過鈍體運動帶動線圈切割磁感應線從而產(chǎn)生電流。采集器在4 m/s的風速下獲得的平均功率為2.5 mW，當負載電阻為10 kΩ，啟動速度低至0.8 m/s。并且可以通過改變外部負載電阻來調(diào)節(jié)采集器的臨界失穩(wěn)速度，有利于低速氣流能量的采集。將采集器用于為工作電壓為1.1 V的溫濕度傳感器供電，實驗結果如圖19(b)。充電和放電同時進行，氣流以3.5 m/s的速度持續(xù)30 s，可以驅(qū)動傳感器運行約1 min。實際環(huán)境測試設置及其結果如圖19(c)所示。采集裝置放置在空調(diào)出風口處為傳感器供電。在空調(diào)工作的3次時間里，采集器成功為傳感器提供了所需電能，分別工作了65 s、56 s和57 s，具有良好的環(huán)境適應性。進一步促進了將馳振式采集器應用于建筑物和橋梁結構健康監(jiān)測傳感器自供電的實現(xiàn)。

(a)采集器原理圖

4 總結與展望

近年來，風能采集技術和無線傳感網(wǎng)絡高速發(fā)展，而馳振式風能采集器作為風能采集器的一種典型結構，在自供能領域展現(xiàn)出了極大的潛力。目前，已經(jīng)提出了多種馳振式采集結構，但其性能的提升仍是研究的主要方向。風能采集的一個主要目的是向處于氣流環(huán)境的無線傳感器供電?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC)、大型風電場等周圍都存在豐富的風能，對其進行采集利用，實現(xiàn)低功耗設備的自供能，有助于節(jié)約人力和物力成本。但是，當前馳振式風能采集器的研究和實際應用仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，有如下幾個方面還需要繼續(xù)深入研究：

(1)低切入風速、寬風速范圍的實現(xiàn)。大多數(shù)馳振式風能采集器有效風速范圍較窄，且切入風速一般較高，對環(huán)境適應性比較差，不適用于低風速環(huán)境。研究不同的方法降低采集器的切入風速，增加其有效風速范圍，對進一步提升能量采集器的性能及靈活性具有重要意義。

(2)多方向風能的采集。目前所提出的大部分馳振式采集器只能有效采集單個方向的風能，而自然界中風的風向通常是多變的，這樣將會造成采集器工作效率的低下以及風能的浪費。因此，對多方向風能的采集的研究將成為未來研究的熱點。

(3)基于多種機理的采集結構。風致振動有多種機理，基于不同機理的采集器有不同的風速范圍、切入風速等。將馳振式風能采集器與基于其他機理的(如渦激振動)相互結合，可以有效拓寬采集器的風速范圍并提高其功率輸出。目前，基于多種機理的采集器的研究較少，有很大的發(fā)展空間。

(4)接口電路的優(yōu)化。能量采集接口電路作為馳振式風能采集器的一部分，對采集的能量進行轉換、儲存與管理。對接口電路的設計與優(yōu)化有利于提高風能的轉換效率，促進其在實際環(huán)境中的應用。