基于渦激振動(dòng)的壓電式微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)*

顧 聰， 陳遠(yuǎn)晟， 王 浩， 郭家豪

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引 言

傳統(tǒng)槳葉發(fā)電系統(tǒng)存在著體積較大、成本較高、運(yùn)維難度高等問(wèn)題，不易與微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)集成。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶(hù)外工作時(shí)一般使用電池進(jìn)行供能，而電池普遍存在體積尺寸大、存儲(chǔ)能量有限、需定期更換以及易產(chǎn)生環(huán)境污染等缺點(diǎn)，這限制了微型電子系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。無(wú)槳葉風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶(hù)外工作時(shí)的供能問(wèn)題提供一個(gè)有效的手段，相比于傳統(tǒng)的有槳葉發(fā)電系統(tǒng)，微型的壓電式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為了一種解決無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶(hù)外工作時(shí)供能的有效方法[1]。通過(guò)微型風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能供給微型電子系統(tǒng)使用，是目前針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶(hù)外工作時(shí)的供能的研究熱點(diǎn)，在房屋橋梁檢測(cè)、森林防火等領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用前景。

Taylor G W等人[2]提出的類(lèi)似鰻魚(yú)的裝置，利用在鈍體后產(chǎn)生的周期性渦流使壓電片產(chǎn)生振動(dòng)。Zhang J等人[3]通過(guò)圓盤(pán)型壓電裝置在風(fēng)中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。Zhao L等人[4]設(shè)計(jì)一種二自由度的壓電能量收集器，壓電懸臂梁通過(guò)兩塊磁鐵提高了低風(fēng)速下的收集效率，當(dāng)風(fēng)速低于4.5 m/s時(shí)，這種二自由度結(jié)構(gòu)風(fēng)能回收效率更高。舒暢等人[5]提出一種結(jié)合了諧振腔設(shè)計(jì)的風(fēng)致振動(dòng)壓電風(fēng)能發(fā)電裝置，裝置的諧振腔為矩形，諧振腔體可改善壓電振子周?chē)鲌?chǎng)，以提高其能量轉(zhuǎn)換效率。趙江信[6]提出一種壓電式多方向風(fēng)致振動(dòng)發(fā)電裝置能在2～17 m/s內(nèi)有電能輸出，并能在各個(gè)方向的風(fēng)作用下有不同的工作模式。曹旸[7]提出的應(yīng)用于車(chē)載胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的風(fēng)致振動(dòng)式微型風(fēng)能發(fā)電裝置，通過(guò)汽車(chē)行駛時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能來(lái)進(jìn)行能量收集回收。Gao X等人[8]提出了一種由圓柱體外延壓電懸臂組成的壓電流能量收集器，其輸出功率最大值為30 μW。

本文以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易小型化、收集能量高效為目標(biāo)，采用壓電陶瓷雙晶片作為振動(dòng)能—電能的轉(zhuǎn)換材料，根據(jù)該裝置的固有頻率選取了合適的風(fēng)力發(fā)生器，設(shè)計(jì)了一種高效的渦激振動(dòng)式無(wú)槳葉風(fēng)力發(fā)電裝置，對(duì)其接口電路進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)兩種接口電路進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了在使用VD接口電路后，風(fēng)速、負(fù)載對(duì)輸出電壓、功率的影響，找到了最優(yōu)負(fù)載，提升了系統(tǒng)的輸出電壓及功率，驗(yàn)證了接口電路的可靠性，可解決無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶(hù)外工作時(shí)獨(dú)立供能的問(wèn)題，具有較大應(yīng)用前景。

1 渦激振動(dòng)發(fā)電裝置原理

1.1 風(fēng)—電轉(zhuǎn)換原理

裝置原理圖如圖1所示，當(dāng)裝置處在風(fēng)能環(huán)境下，風(fēng)吹向裝置的鈍體部分，在鈍體垂直于風(fēng)向的兩側(cè)產(chǎn)生周期性的作用力，鈍體形成渦激振動(dòng)。之后由于鈍體與壓電雙晶片為彈性支撐，同時(shí)壓電雙晶片遠(yuǎn)離鈍體一端固定，渦激振動(dòng)[9,10]將引起壓電雙晶片另一端產(chǎn)生周期性位移，由于壓電雙晶片的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能造成的形變轉(zhuǎn)換為交流電能。最終經(jīng)接口電路轉(zhuǎn)換的電能傳輸至負(fù)載中以備使用。

圖1 渦激振動(dòng)原理

裝置組成部分包括鈍體、壓電雙晶片、底座固定臺(tái)以及接口電路模塊，在所述底座固定臺(tái)上固定一個(gè)壓電雙晶片，在壓電雙晶片的頂端設(shè)置鈍體，底座固定臺(tái)內(nèi)部設(shè)置接口電路轉(zhuǎn)換模塊，其中接口電路轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與壓電雙晶片的正負(fù)極相連，所述接口電路使用了一種VD整流電壓，其輸出端與負(fù)載或儲(chǔ)能裝置連接。由銅合金基板和壓電基片粘結(jié)而成的雙層壓電片在風(fēng)力與頂端質(zhì)量塊的綜合作用下產(chǎn)生彎曲形變時(shí)，其產(chǎn)生的電壓可通過(guò)如下計(jì)算進(jìn)行表示[11]

式中l(wèi),d及h=hp+hm分別為壓電片長(zhǎng)、寬及厚度；hp,hm分別為壓電片以及銅合金基板的厚度；λh=hm/h為厚度比；λE=Em/Ep為彈性模量比；Ep為壓電片的彈性模量；g31為壓電電壓常數(shù)；K,F分別為壓電梁的等效剛度和自由端所受等效作用力。由式(1)可通過(guò)改變裝置材料、尺寸等屬性以提高輸出交流電壓。

1.2 固有頻率

如圖2所示,通過(guò)Ansys Workbench中的DesignModeler 軟件來(lái)對(duì)渦激振動(dòng)發(fā)電裝置進(jìn)行建模，在模型中，上部分鈍體材料為木材，下部分細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)方片為壓電雙晶片材料屬性見(jiàn)表1。在通過(guò)Ansys Workbench仿真得到了不同鈍體形狀裝置模型的共6階模態(tài)分析振型中，其中第二階模態(tài)振型為以裝置正面中心豎軸為軸的扭轉(zhuǎn)振型，第三階模態(tài)振型為以壓電雙晶片靠近鈍體側(cè)為中心前后搖擺振型，第四階模態(tài)振型為在裝置正面角度左右搖擺振型，第五階模態(tài)振型為以壓電雙晶片中間側(cè)為中心前后搖擺振型，第六階模態(tài)振型為以壓電雙晶片靠近鈍體側(cè)為中心左右搖擺振型。最終，第一階模態(tài)振型是在壓電雙晶片遠(yuǎn)離鈍體端固定的前后搖擺振型，是在渦激振動(dòng)條件下所需要的振型，同時(shí)第一階的固有頻率是后面計(jì)算所需要用到的裝置頻率,裝置一階頻率為9.839 5 Hz。

圖2 裝置建模

表1 材料的屬性參數(shù)

1.3 能量回收電路

如圖3所示，接口電路部分采用一種VD接口電路作為能量回收電路。相較于標(biāo)準(zhǔn)(Standard)電路，該電路僅使用2個(gè)二極管，使損耗降到最低;相較于升降壓電路，該電路在不需要外部供能的同時(shí)可將電壓升高至2倍。第一個(gè)半周時(shí)，輸入電壓上正下負(fù)，電流依次流過(guò)D1和C1，此時(shí)C1開(kāi)始充電，當(dāng)UC1=Umax時(shí)充電結(jié)束；第二個(gè)半周時(shí)，Uin上負(fù)下正，電流依次流過(guò)C2和D2,C2充電至UC2=Umax，由基爾霍夫定律可知：UDC=2Umax。

圖3 二種能量回收電路仿真

由能量守恒可知,壓電元件在一個(gè)周期輸出的電荷量等于負(fù)載在一個(gè)周期內(nèi)消耗的有功功率,于是可以得到[12]

最終求得負(fù)載兩端電壓為

負(fù)載輸出功率為

本實(shí)驗(yàn)看作恒定激振位移下進(jìn)行。對(duì)能量采集功率的公式進(jìn)行分析，假設(shè)激振位移賦值UM固定，當(dāng)負(fù)載RL由0開(kāi)始逐漸增大時(shí)，能量采集功率先增大后減小，很明顯存在著一個(gè)最優(yōu)負(fù)載值Ropt使得P取到最大值。對(duì)輸出功率進(jìn)行求導(dǎo),可得最優(yōu)負(fù)載值和最大功率分別為

如圖3所示，在Multisim中對(duì)VD電路及Standard電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，二者參數(shù)設(shè)置完全相同，左側(cè)電壓源和電容可等效為[12]壓電雙晶片，輸出電壓波形圖如圖4所示。

圖4 二種接口電路輸出電壓變化曲線(xiàn)

從圖4中可以看出，本次實(shí)驗(yàn)所使用的能量回收電路相對(duì)于傳統(tǒng)的Standard電路，其整流性能更優(yōu)。在接通后較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始輸出更高的直流電壓，并且在2個(gè)半周后輸出相當(dāng)于Standard接口電路2倍的直流電壓；當(dāng)改變負(fù)載阻值大小后，VD接口電路的輸出功率明顯高于Standard接口電路。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該電路的可靠性，接下來(lái)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)上面的分析計(jì)算可知，該發(fā)電裝置輸出功率隨負(fù)載改變而改變，在通常實(shí)際回收環(huán)境中，需要考慮負(fù)載的大小選擇合適的負(fù)載，從而使渦激振動(dòng)式無(wú)槳葉風(fēng)力發(fā)電裝置的接口電路輸出功率最大化。

2 實(shí)驗(yàn)研究與分析

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖5所示，總體方案如圖6所示。當(dāng)外部風(fēng)的激勵(lì)頻率與裝置的固有頻率相接近時(shí)，裝置的振動(dòng)響應(yīng)越劇烈。根據(jù)該裝置的固有頻率，本實(shí)驗(yàn)采用CZ—TD250型號(hào)風(fēng)機(jī)，使得產(chǎn)生風(fēng)的頻率與該裝置的一階頻率較為接近。通過(guò)調(diào)速裝置產(chǎn)生不同風(fēng)速的穩(wěn)流氣流，壓電陶瓷片型號(hào)為QDA60—20—0.7，尺寸為60 mm×20 mm×0.7 mm，自由長(zhǎng)度50 mm，木質(zhì)鈍體尺寸為59 mm×29 mm×29 mm。將裝置固定于臺(tái)鉗上，在風(fēng)機(jī)的作用下，裝置開(kāi)始振動(dòng)，將壓電雙晶片的正負(fù)電極引出，接入示波器當(dāng)中，得到渦激振動(dòng)發(fā)電裝置的開(kāi)路交流電壓示意圖如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)速裝置分別產(chǎn)生14,16,18,20,22 m/s的風(fēng)速。之后通過(guò)測(cè)速儀確定風(fēng)機(jī)所輸出的風(fēng)速大小，將鈍體與壓電雙晶片固定在臺(tái)鉗上，鈍體迎風(fēng)面距離風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的最近距離為30 cm。經(jīng)鈍體振動(dòng)和壓電雙晶片的正壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的能量回收電路，再傳送至負(fù)載上使用，通過(guò)示波器對(duì)測(cè)量所需要的參數(shù)進(jìn)行分析。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

圖6 實(shí)驗(yàn)總體方框圖

圖7 開(kāi)路電壓示意

實(shí)驗(yàn)中，改變可調(diào)電阻阻值，使其在裝置的最優(yōu)負(fù)載附近變化，同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速在14～22 m/s范圍里變化，得到裝置接在負(fù)載兩端的電壓值，再由負(fù)載的電壓值和負(fù)載阻值求得經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口電路輸出在負(fù)載上面的功率大小。能量回收電路使用前后，其開(kāi)路電壓有效值隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)如圖8(a)所示，可以看出，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，開(kāi)路電壓也隨之增加，最大開(kāi)路電壓有效值分別為14.2，36.2 V。使用能量回收電路后，如圖8(b)所示，風(fēng)速一定時(shí)，負(fù)載兩端電壓隨負(fù)載增加而增加，直至接近于開(kāi)路電壓；負(fù)載一定時(shí)，負(fù)載對(duì)電壓隨風(fēng)速增加而增加。當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，風(fēng)速增加，輸出的功率也隨之增大，在風(fēng)速22 m/s時(shí)達(dá)到最大值。如圖8(c)所示，負(fù)載一定時(shí)，輸出功率隨風(fēng)速增加而增加；風(fēng)速一定時(shí)，隨著負(fù)載增大，輸出功率先增加后減小，當(dāng)風(fēng)速為22 m/s，負(fù)載為560 kΩ時(shí)，輸出功率最高可達(dá)到375.5 μW,相比于Standard接口電路的350.7 μW[13]提升了7.07 %。

圖8 風(fēng)速、負(fù)載對(duì)輸出的影響

3 結(jié) 論

本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)在戶(hù)外工作時(shí)供能的需求，提出了一種基于渦激振動(dòng)的壓電式微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用了一種高效的接口電路，對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析，該電路無(wú)需外部供能，可滿(mǎn)足微電子器件或電池戶(hù)外獨(dú)立供能的需求。對(duì)VD電路和Standard電路進(jìn)行了理論分析，研究了本文發(fā)電裝置在使用VD接口電路后，在不同風(fēng)速與不同負(fù)載下的輸出特性。本文系統(tǒng)輕小、高效，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的回收，并為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)等微小型獨(dú)立工作的電子系統(tǒng)獨(dú)立供能，有較大的應(yīng)用前景。