基于渦激振動-顫振的壓電俘能系統(tǒng)設(shè)計

張 丹，鄭 述，竇亞萍，隋文濤，宋汝君

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000;2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

自供能技術(shù)是微型電子裝置將自然環(huán)境中的熱能、風(fēng)能、太陽能等轉(zhuǎn)化為自身需要的能量，以滿足微小型電子設(shè)備的供能需求。

本文研究的是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)能是我們生活中隨處可見的、清潔無污染、可再生的一種能源，也是能量收集最可能實現(xiàn)的一種能源。從結(jié)構(gòu)來看，目前研究的風(fēng)能采集器[1]主要有兩種結(jié)構(gòu)：利用渦輪轉(zhuǎn)動的方式和利用風(fēng)能的風(fēng)致振動原理。相對于渦輪轉(zhuǎn)動而言，利用風(fēng)致振動發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為物體的振動能，從而轉(zhuǎn)化為電能。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，適用于微機(jī)電設(shè)備，是目前較主要的研究方向。

目前研究的風(fēng)能采集器多數(shù)都只適用于單一風(fēng)向，然而自然環(huán)境中的風(fēng)向和風(fēng)速都是不可控的，因此會出現(xiàn)風(fēng)能利用效率不高的問題。本文研究的裝置采用圓柱鈍體-懸臂梁-翼型擋板結(jié)構(gòu)。圓柱鈍體可繞固定軸自由轉(zhuǎn)動，這樣可以由翼型擋板感受風(fēng)向帶動圓柱鈍體轉(zhuǎn)動，解決了只能適用于單一風(fēng)向激勵的問題，實現(xiàn)多風(fēng)向發(fā)電，從而保證了被供能設(shè)備長時間相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

1 基本原理介紹

1.1 渦激振動原理

當(dāng)環(huán)境中流體流過非線性結(jié)構(gòu)時，由于流體自身具有粘性特質(zhì)，在結(jié)構(gòu)與流體接觸的表面和接觸面垂直的方向上流體流動的速度不同。當(dāng)有風(fēng)流過鈍體時會在兩側(cè)產(chǎn)生漩渦脫落，而渦激振動[2]產(chǎn)生的原因是漩渦脫落所產(chǎn)生的流體激勵力，大部分結(jié)構(gòu)都會有相似的漩渦脫落。當(dāng)漩渦交替地從結(jié)構(gòu)兩側(cè)脫落時，在物體上會產(chǎn)生周期性力的分量并與風(fēng)向垂直，由于力的不對稱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，渦脫頻率(f)與流體流速(v)成正比，與圓柱鈍體的直徑成反比，則有：

f=St×(v/D)

(1)

式中：St≈0.2為斯圖哈爾數(shù)；D為圓柱鈍體的直徑。在某些條件下，脫落的漩渦經(jīng)過其他作用會形成卡門渦街。

1.2 顫振原理

顫振[3]也是風(fēng)致振動中一類典型的振動現(xiàn)象，彈性結(jié)構(gòu)在均勻的氣流中受到氣動力的激勵而發(fā)生變形，與此同時，結(jié)構(gòu)的變形反作用于氣流場，使氣流分布發(fā)生改變。在此過程中，結(jié)構(gòu)體振動產(chǎn)生的機(jī)械能與氣體的動能相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)能量轉(zhuǎn)化不平衡時將發(fā)生顫振。顫振是一種自激振動，所以也可以作為自供能風(fēng)能采集器的一個研究方向。

1.3 壓電材料參數(shù)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 壓電俘能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓電俘能系統(tǒng)主要由支架、圓柱鈍體、懸臂梁和翼型擋板組成。轉(zhuǎn)動部件(見圖1)由支架支撐，圓柱鈍體[4]內(nèi)部設(shè)有一根軸，軸通過下底座與梁上的上底座固定，軸兩側(cè)有軸承連接，軸承固定在上、下兩個底座中，以便軸自由旋轉(zhuǎn)。絕緣套筒與中心軸相連，導(dǎo)電套筒通過配合安裝在絕緣套筒的外側(cè)。圓柱鈍體中間部分橫向連接懸臂梁，懸臂梁的右側(cè)與翼型擋板連接，當(dāng)有流體流過時，圓柱鈍體產(chǎn)生的渦激振動與翼型擋板產(chǎn)生的顫振相互影響，以便提高懸臂梁的振動效率。壓電片置于懸臂梁上，壓電片[5]與中心軸間通有小孔，便于導(dǎo)線的接通，連接處還安有接線螺釘，用于導(dǎo)線輸出的固定。壓電片的輸出由兩根導(dǎo)線完成，一極通過導(dǎo)線連接至電源輸出+/-，另外一極則通過導(dǎo)線連接至電源輸出-/+。

圖1 轉(zhuǎn)動部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

此設(shè)計利用渦激振動[6]-顫振機(jī)理，同時滿足獲取多風(fēng)向激勵的能量。本文設(shè)計結(jié)構(gòu)的初步模型如圖2所示。

圖2 三維結(jié)構(gòu)模型

風(fēng)能采集器的工作原理為：圓柱套筒作為水平方向的圓柱俘能系統(tǒng)，翼形擋板作為感受風(fēng)向帶動圓柱套筒轉(zhuǎn)動，圓柱套筒與支架中間的軸之間通過軸承配合，形成可以自由旋轉(zhuǎn)的鈍體。鈍體通過懸臂梁與平凸翼型連接。平凸翼型感受風(fēng)力如果提供的扭矩足夠大，便可以使圓柱套筒與固定軸間發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，表現(xiàn)為繞固定軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)風(fēng)向自適用。若將圓柱鈍體、懸臂梁、平凸翼型作為整體并稱其為“旗狀”機(jī)構(gòu)[7],當(dāng)有水平任意方向氣流時，“旗狀”機(jī)構(gòu)會隨著氣體流動方向而做出調(diào)整。本裝置合理地利用了渦激振動、顫振的優(yōu)勢且能夠響應(yīng)任意水平風(fēng)向激勵，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。

2.2 電能輸出

為了使采集器所產(chǎn)生的電能[8]可供負(fù)載使用，本文對電能輸出的可能性進(jìn)行了分析。本課題所設(shè)計的采集器將壓電片置于懸臂梁上，即將2個壓電片中間放置1個銅膜后一起嵌入懸臂梁，兩側(cè)壓電片采用極性相反的方式放置，銅膜作為公共端。在轉(zhuǎn)動軸與懸臂梁[9]嵌入壓電片處設(shè)有通孔，在通孔中加入導(dǎo)線，實現(xiàn)銅膜與接線螺釘?shù)倪B接，電流由壓電片引出，通過導(dǎo)線連通最終將電流傳輸?shù)诫娫摧敵?/-端，壓電片所產(chǎn)生的另一極電流則由導(dǎo)電套筒傳輸?shù)诫娫摧敵?/+端。綜上所述，此采集器可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并具有將電能輸出的可能。

3 仿真分析

3.1 Solidworks流體仿真

用Solidworks繪制圓柱鈍體[10]、懸臂梁和翼型擋板構(gòu)成一個聯(lián)合體(見圖3)。構(gòu)建完成后，選擇Solidworks的流動模擬(Flow simulation)模塊，由于渦激振動是流體繞流產(chǎn)生，故選擇外部流動方式。

圖3 轉(zhuǎn)動部件靜壓分析

1) 擺件靜應(yīng)力分析。為了保證結(jié)構(gòu)的實用性，在自然環(huán)境中振動時，保證結(jié)構(gòu)不被損壞，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力分析(見圖3)。將系統(tǒng)擺動部件的上、下兩個面用夾具固定，對結(jié)構(gòu)施加不同大小的力，尋找結(jié)構(gòu)適用的最大壓力，受力點主要在圓柱鈍體與懸臂梁連接的位置。為了保證系統(tǒng)在振動時不被破壞，進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將連接處改為弧形連接，使其能夠承受更大的靜壓。

2) COMSOL仿真。通過COMSOL進(jìn)行二維模型的層流仿真(見圖4)，以此確定采集器工作時壓電片的最優(yōu)放置位置，在定義好各種初始條件后，經(jīng)過計算后得到仿真動畫，振動效果最好的位置位于橫坐標(biāo)軸600 mm處。

圖4 二維層流仿真結(jié)果

3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

對俘能裝置的轉(zhuǎn)動部件進(jìn)行力和平均靜壓的測量，測量的位置為圓柱鈍體、懸臂梁一側(cè)和翼型擋板。在不同風(fēng)速(0、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s、16 m/s)下對力和平均靜壓進(jìn)行測量的結(jié)果分別如圖5、6所示。

圖5 受壓變化示意圖

圖6 受力變化示意圖

由圖5、6可知，當(dāng)風(fēng)速大于4 m/s時，俘能裝置的3個部位受壓與受力變化較明顯，此時懸臂梁振動壓電片在壓電效應(yīng)下產(chǎn)生電荷，翼型擋板可以隨風(fēng)向變化帶動圓柱鈍體轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水平方向的自適應(yīng)。

4 儲能電路設(shè)計

壓電材料的壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電流為交流電，而采集器需要低壓直流電，因此，首先選擇電橋整流電路將壓電片產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹绷麟?，再?jīng)過電容濾波，最后得到浮動較小的直流電為微型電子設(shè)備供能。粘貼在懸臂梁上的壓電片所產(chǎn)生的交流電在電路結(jié)構(gòu)中等效為一個交流電源(電流為I)與壓電靜態(tài)夾持電容(Cp)并聯(lián)，交流電源的電流為

I=Ipsin(2πf1t)

(7)

式中：Ip為幅值；f1為壓電能量收集器的振動頻率；t為時間。

若壓電材料的開路電壓是正弦波信號，那么壓電元件的輸出功率為

(8)

式中Vrect為輸出電壓。

當(dāng)Vrect=Ip/(4πfCp)時，可得到輸出負(fù)載為

Ropt=1/(4fCp)

(9)

并聯(lián)同步開關(guān)電感收集電路是在較簡單的壓電俘能收集電路的基礎(chǔ)上添加了電感和開關(guān)兩部分。開關(guān)和電感通過并聯(lián)的方式放置在壓電元件的兩側(cè)。由于壓電器件有較長的時間處于開路狀態(tài)，因此,并聯(lián)開關(guān)與電感相當(dāng)于在收集電路中加入了非線性電路。當(dāng)壓電器件的電壓達(dá)到最大值或最小值時，開關(guān)處于閉合狀態(tài)，與壓電元件的整個工作周期相比，開關(guān)處于閉合狀態(tài)的時間可忽略。加入電感后，收集電路中與壓電元件等效的夾持電容和加入的電感組成了振蕩電路，夾持電容上的電壓將發(fā)生反向翻轉(zhuǎn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)過程結(jié)束后，開關(guān)又將處于斷開狀態(tài)。由于開關(guān)閉合狀態(tài)的時間可忽略，故可以認(rèn)為裝置向外釋放的電能高于損耗的電能。當(dāng)風(fēng)向改變導(dǎo)致振動方向改變時，電壓的方向也將改變。因此，壓電器件輸出的電壓方向?qū)⑴c采集裝置結(jié)構(gòu)的振動方向保持一致,可輸出更多電能。

5 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一種基于渦激振動-顫振的壓電俘能系統(tǒng)。首先對壓電材料和振動結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并選取，采用單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過Solidworks進(jìn)行系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)繪制并進(jìn)行流體仿真，分析轉(zhuǎn)動部件在不同風(fēng)速下承受的壓力和壓強(qiáng)，以便保證在自然環(huán)境中裝置不被破壞且可正常供能。在COMSOL中構(gòu)建流固耦合模型，通過仿真確定懸臂梁的最佳振動位置。設(shè)計的處理電路滿足對交流電信號實現(xiàn)整流和濾波的供能，最后選取超級電容作為儲能元件，進(jìn)行電能的充放電控制。