基于弛振效应的压电风能收集系统
基于压电技术的振动能量收集器的研究分析牛进才
基于压电技术的振动能量收集器的研究分析牛进才作者：刘文慧来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2019年第02期摘要：以压电技术为原理设计的振动能量收集系统，将环境中广泛存在的振动能量收集起来，为无线传感器网络的供电方式提供了一种有效途径.本文研究了国内外基于振动方式的能量回收系统电路，并对这些电路进行了仿真分析比较.关键词：自供式电源;压电技术;振动能量系统;接口电路中图分类号：TN712.5; 文献标识码：A; 文章编号：1673-260X（2019）02-0022-04随着“物联网+”和人工智能的快速发展，无线传感器网络技术得到广泛应用.而无线传感器网络技术的一个重要因素就是其供电问题.若采用常规电源为无线传感网络供电，必须定期对电源进行更换维护，且物联网中节点数较多，维护起来较为繁琐.自供式电源为无线传感器网络的供电问题提供了一种有效的解决方案.自然界中存在各种形式的能源，例如太阳能，风能，热能，振动能等.不同能量的密度不同，虽然振动能量的回收功率仅有微瓦或毫瓦级，但可以满足微功耗系统以及无线传感网络的电源需求.1 振动能量的收集装置能够收集振动能量的装置种类较多，根据振动电源所需的能量来源途径以及收集方式的不同，可将其分为静电式、电磁式和压电式等.静电式电源利用静电效应，将机械振动的能量转变成电能，但其需要外部电源来维持系统工作.当静电式收集装置在搜集振动能量时，先有外部电源对其电容进行充电.当振动源发生振动时，电容储存的电荷发生移动，进而在收集装置内部形成电流，为外部负载提供电能.由于静电式需外部电源，因此限制了其在无线传感网络领域的应用.电磁式收集装置利用法拉第电磁感应原理进行能量的收集.感应电动势的大小与磁通对时间的变化率成正比，线圈匝数和电磁频率影响感应电动势的大小.增大线圈匝数，则回收装置系统的体积也相对增大，且振动源的振动频率分布范围较.若将回收装置放在低频的振动源中，此时回收装置输出的电压较小，不能驱动无线传感器网络的工作.且电磁式收集装置容易受到电磁干扰，限制了其在无线传感器网络的应用.压电式能量回收器是利用压电材料进行能量收集.当压电片受力时，压电材料发生形变并在其内部产生电场，压电片发生极化效应，此时压电片表面形成极性相反的电荷.当振动源的振动力消失时，压电片又恢复原来不带电状态.在振动力的作用使附在压电材料表面的电荷间距减小，极化强度变小，此时若有导线连接，电荷就会沿着导线定向移动.在此过程中，利用压电材料将振动能转化成电能，进而为低功耗无线网络供电.压电式能量回收器具有能量密度较高，不受电磁干扰，回收器装置结构简单等优点，因此可将其作为无线传感网络电源的一种有效方式.2 振动能量回收系统的设计为低功耗无线网络提供电源，要求能量回收系统高效地提取压电材料从振动源俘获的能量，而且还要满足负载系统的功率要求.因此在系统设计时不仅要保证收集系统自身损耗较低，而且还需要从复杂的振动源里面俘获更多的能量，同时高效率地为负载系统供电.为了满足上述指标，首先对能量回收系统的发电装置进行优化设计，使能量收集器以最大功率从振动源获取能量;其次对能量回收系统的接口电路进行设计，尽可能将压电材料获取的振动能高效地提供给负载;其次要满足能量收集器能够为负载提供足够的功率，同时还要保证设计的能量收集系统自身损耗较低.传统的压电片是由压电陶瓷（Piezoelectric ceramic transducer，PZT）做成，压电陶瓷具有较大的压电常数，适合做能量收集器的发电装置材料.但其在振动源受到较大的机械振动时，压电陶瓷容易碎裂，因此限制了其在能量回收系统的利用.随着高分子材料的发展，利用柔性更大的压电材料聚偏氟乙烯制作成压电片（Polyvinylidene fluoride，PVDF）.相对于压电陶瓷，PVDF有着更好的柔性，在高频和压力下获取的能量更多，可利用时间更长，压电片的阻抗更小，质量较轻[1].Sun和Qin等学者用新型复合材料驰豫型铁电体PMN-PT做成压电片，经过大量实验证明用PMN-PT作为能量收集系统的发电装置，压电片也可以输出较高的电压和功率[2].影响能量收集装置的因素不仅与收集装置的材料有关，而且与采集装置的结构相关.目前压电式能量采集装置的结构主要有悬臂梁、简支梁，矩形梁以及圆形和钹型结构等.悬臂梁结构的压电片应用较早，其主要优点为：压电片结构简单，制造方便;有利于降低悬臂梁的自振频率，使采集装置在振动源更容易发生共振，提高采集装置的俘获能量的能力.除悬臂梁的结构外，还可以采用圆形和钹型结构等来设计能量收集装置.当压电片受到振动源的压力时，由于采集装置设计成圆盘形结构，其受力相对于其他结构来说，圆盘形面积受力更加均匀，能量采集装置可以更为有效俘获振动源的能量，提高收集能量的效率.压电装置的工作状态影响采集装置俘获的能量，目前压电装置的有效工作状态主要有d31转换模式，这种转换模式是振动方向与极化方向处于垂直状态.Roundy等人对d31转换模式通过大量实验研究发现，d31模式下的机电耦合系数较高，在低频振动下，利用压电材料能够俘获更多的振动能.d31转化模式的材料结构更容易制作，其系统的固有频率较低，适合于在振动源频率低的环境中应用.d33转换模式也是压电装置的一种有效工作状态，其特点有：当振动源对压电材料施加压力时，压电材料发生形变的作用力方向与极化方向相同;d33模式与d31模式相比，d33模式的机电耦合系数更大，俘获振动源的能量更多，其将机械能转化成电能的效率更高.3 振动能量收集器的电路设计分析3.1 经典采集电路由于环境中的振动源比较复杂，振动频率的范围较大，压电片受到的压力波动较大，高效和适应范围广的能量回收系统接口电路很难实现.因此在设计能量回收系统的接口电路时，首先建立起压电片的等效电路模型，然后根據振动源的物理特性来设计高效的能量收集器.Ottman和Hofmann等学者经过实验发现可以将压电片的模型等效为一个交流电流源和一个电容的并联[3]，如图1所示.经典的能量回收系统的接口电路如图2所示，接口电路有四个二极管构成一个全波整流电路，四个二极管交替导通，当压电片两端电压大于二极管的导通电压时，对电容Cr充电获取电能，同时对负载供电.若选择合适的电容Cr，当压电片电压较小时，电容Cr将会对负载供电.对接口电路进行仿真分析，得出负载和频率的功率关系如图3-4所示.由此可以看出，经典的振动能量回收系统的功率与负载有关，且随着负载变化先增大后减小.说明能量回收系统存在一个最大功率负载，且功率随着频率的增大下降较快.然而环境中振动源的频率范围较广，低功耗无线传感器阻抗范围波动较大，因此传统的接口电路并不能适应实际的物联网电源需求.3.2 同步电荷提取电路文献[4]设计了一种新型的接口电路，同步电荷提取电路（Synchronous charge extraction circuit，SCE），电路图如图5所示.当压电片两端电荷达到最大值时，闭合开关S1A，此时可将压电片的电荷转移至电感上，当压电片的电荷全部转移至电感时断开开关，此时电感对滤波电容C1充电，实现对负载供电.在电感对Cr充电时要保证充电时间小于压电片的积累电荷的时间，即小于机械振动周期.对同步电荷提取电路进行仿真，其仿真结果如图6-7所示，从图中可知将同步电荷提取电路用作接口电路时，能量收集系统得到的功率随负载变化波动较小，且获得的功率数值是经典接口电路的2倍，因此同步电荷提取电路适合做接口电路.但其也有一些弊端，当振动源的频率波动较大时，同步电荷提取电路收集的能量波动较大，且此接口电路需要脉冲信号控制系统对压电片的电荷积累和提取进行控制，不适用于做自供电式的电源.基于上述原因文献[5]对经典的同步电荷提取电路进行了改进，如图8所示.改进型的同步电荷提取电路工作状态共分为四个阶段：第一阶段，电流经过晶体管Q1，D2正向对电容C1，C2充电;第二阶段，当压电片受到反向压力时，电容C1两端电压降低，晶闸管D1，D2反向截止不能对电容C2充电;第三阶段为能量提取阶段，电容C2与晶闸管D1，电感L2，晶体管Q4构成LC振荡电路，当电容C1经过1/4LC振荡周期时，电容C2经过D4，D1，Q2，Q4放电，此时L2储存能量较大，C2经过放电之后两端电压不能使Q2，Q4导通;第四阶段L2经过二极管D5，把能量存储到C4供给负载.负载获取的能量是标准提取电路的3倍，且不需要额外的控制电路，为自供电式电源的设计提供了一种有效的途径.3.3 并联电感同步收集电路Guyomar和Badel等人建立了并联电感同步收集电路（Synchronized Switch Harvesting on Inductor，P-SSHI）如图9所示[6]，电路中压电片并联电感和开关后与整流电路连接，当压电材料受到振动源的最大压力时，开关闭合，电感发生LC振荡，开关经过半个振荡周期后断开.此时电流桥处于截止状态，当振动源对压电片的压力达到一定程度时，整流桥导通，压电片开始对滤波电容C1和负载充电.对P-SSHI电路仿真结果如图10-11所示，并联电感同步开关电路作为接口电路时，获得的功率比经典接口电路和同步电荷接口电路高，但其需要脉冲控制，且随着频率的波动，收集功率也会波动.因此原始的并联电感同步开关接口电路也不适合自供式的振动能量收集器.文献[7-8]对并联电感同步开关接口电路进行了改进，称之为自供电式接口电路，如图12所示.此接口电路由三部分组成：第一部分主要是由壓电材料和外围电路的控制电路开关MOS 管组成，用于收集振动源的能量;第二部分主要是由异或门和放大器搭建的控制电路，控制电路接入了两个二阶RC电路，再由异或门电路搭建的数字电路连接RC电路，将压电片输出的电压进入异或门的输入，将输出的电压作为同步开关的控制电压.从异或门输出的即为同步开关的控制电压，此控制电路避免了外部电源供电;第三部分是由电容C5，二极管D6-D8组成的直流供电部分，为负载供电.自供电式同步开关控制接口电路能够有效提高输出功率，且不需要外部电源.4 结束语本文研究分析了基于压电方式的振动能量收集系统的设计过程.首先介绍了振动能量收集器在低功耗无线传感器技术的应用前景，然后研究分析了能量收集系统的发电装置和接口电路.对国内外振动能量收集器的接口电路，进行了仿真分析，重点分析负载和频率对功率的影响.振动能量收集系统的功率随着负载的变化发生变化，能量收集系统存在一个最优负载，且收集系统对负载提供的功率受振动源频率的波动较大.目前适用于复杂振动源的振动收集装置尚在研究之中，且经典的接口电路不能广泛适用实际的复杂振动源.要针对环境中具体的振动源的特性，通过改进各种经典的接口电路来设计振动能量收集器，才能广泛应用到低功耗的无线传感网络.参考文献：〔1〕Churchill D L， Townsend C P， Arms S W. Strain energy harvesting for wireless sensor networks[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 2003，5055：319-327.〔2〕Sun C， Qin L， Li F， et al. Piezoelectric energy harvesting using single crystal Pb （Mg1/3Nb2/3）O 3-xPbTiO3 （PMN-PT） Device[J]. Journal of Intelligent Material Systems & Structures， 2009， 20（5）：559-568.〔3〕Ottman G K， Hofmann H F， Lesieutre G A. Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode[C]// Power Electronics Specialists Conference， 2002. Pesc 02. 2002 IEEE. IEEE， 2002：1988-1994.〔4〕Lefeuvre E， Badel A， Richard C， et al. A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems[J]. Sensors & Actuators A Physical，2006， 126（2）：405-416.〔5〕屈凤霞，夏银水，施阁，等.自供电的同步电荷提取电路的优化设计[J].传感技术学报，2016，29（3）：349-355.〔6〕Guyomar D， Badel A， Lefeuvre E， et al. Toward energy harvesting using active materials and conversion improvement by nonlinear processing.[J]. Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control IEEE Transactions on， 2005， 52（4）：584-595.〔7〕Mitcheson P D， Yeatman E M， Rao G K， et al. Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices[J]. Proceedings of the IEEE， 2008， 96（9）：1457-1486.〔8〕張淼，孟庆丰，王宏金.自供电式并联电感同步开关压电能量收集电路实现方法研究[J].振动与冲击，2015，34（9）：120-124.。
压电能量收集系统及其应用研究
压电能量收集系统及其应用研究作者：夏奥孙勇智来源：《海峡科技与产业》2016年第12期摘要：随着微机电系统（MEMS）的发展，无线传感网络使用越来越广泛。
本文简要介绍了采用压电陶瓷片作为能量来源，提出一种基于高效的微弱能量收集芯片LTC-3588的能量收集方案；通过对比试验，针对CC2541低功耗蓝牙模块，设计出能量存储方案，实现了设备的“无源”供电。
关键词：压电发电；能量收集；LTC-3588；电容器；低功耗；蓝牙0 引言随着无线通讯与微机电系统（MEMS）的不断发展，使得分布式微电子设备、微传感器等等微型机电系统的应用范围不断扩大，这些应用包括为健康监测的分布式传感器节点、大型系统的电池监测、汽车轮胎压力监测系统等。
在很多情况下，这些系统不能使用电缆或电线供电，电池（镍氢电池、锂聚合物电池）供电也受到很多限制，甚至是不可使用。
其中原因有：（1）电池的使用增加了系统的体积，限制了系统的进一步微型化；（2）二是供能寿命有限，使用一段时间后需要更换电池或者充电；（3）一些场合如易燃易爆等危险情况下的更换问题难以解决；（4）电池本身还包含对身体或环境有害的铅、镉、汞等多种物质。
因此，人们开始研究各种能量收集技术，作为电池的替代品，某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电。
用于微功率电子产品供电的各种能量收集技术的研究已成为国际上的一个研究热点。
1 压电陶瓷发电压电效应分为正压电效应和逆压电效应。
所谓正压电效应是指晶体由于机械应力的作用而使其介质化，并使其表面荷电的效应。
反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变，这边称之为逆压电效应。
压电发电是利用压电材料的正压电效应将机械振动能量转变为电能，为网络传感器等微机电系统供。
压电发电有很多优点：结构简单、无电磁干扰、不发热、易于加工制作易于实现结构上的微型化、集成化等。
这些特点决定了压电发电特别适用于为监测系统、传感器和微电子设备供能。
压电陶瓷具有压电性，即某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷将其所产生的电荷用电容器或微电池等储存起来，然后通过设计的控制电路，可输出稳定的电流或电。
一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器[发明专利]
![一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d6000cb96429647d27284b73f242336c1eb9306e.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010399918.3(22)申请日 2020.05.13(71)申请人 中北大学地址 030051 山西省太原市学院路3号(72)发明人 薛小斌 薛晨阳 郑永秋 翟聪 和珊珊 李瑜 王茹 杨婷婷 吴彬 郝聪聪 段树文 (74)专利代理机构 太原科卫专利事务所(普通合伙) 14100代理人 朱源 武建云(51)Int.Cl.H02K 35/02(2006.01)H02N 2/18(2006.01)(54)发明名称一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器(57)摘要本发明公开了一种基于磁钟摆式的电磁-压电复合能量收集器。
主要包括外部壳体，壳体内部的磁铁，放在壳体底部前后侧的线圈，位于壳体左右内侧的双晶压电片，后端采集存储控制模块。
位于壳体内部的磁铁接收机械振动，外部的激励会引起封闭壳内磁铁的摆动，从而对壳体内侧的双晶压电片产生压力，进而将机械能转化为电能。
该复合能量收集器使用磁钟摆式结构，以机械振动致磁铁摆动引起电磁效应和压电效应为检测原理，其能量收集频带宽、灵敏度高、输出功率大，适合于无源便携智能电子设备等领域。
解决了传统的复合能量收集器长时间工作机械性能差，灵敏度低，频率范围窄，体积大的问题。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 111525769 A 2020.08.11C N 111525769A1.一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，其特征在于：包括扇环形壳体（1），所述扇环形壳体（1）的内环处设有圆心腔（4），所述圆心腔（4）内间隙配合放置有圆心磁铁（5）；所述扇环形壳体（1）内依次放置有圆形磁铁Ⅰ（6a）和圆形磁铁Ⅱ（6b ），所述圆形磁铁Ⅰ（6a）和圆形磁铁Ⅱ（6b ）之间相切，所述圆形磁铁Ⅰ（6a）与圆心腔（4）外表面相切，所述圆形磁铁Ⅱ（6b ）与扇环形壳体（1）外环面相切；所述扇环形壳体（1）的前后扇面底部对称设有突出的线圈放置腔（2），所述线圈放置腔（2）内放置有铜线圈（3）；所述扇环形壳体（1）两侧面内对称设有双晶压电片（8）；所述铜线圈（3）和双晶压电片（8）分别通过导线依次连接有超低功耗采集模块（9）、升压模块（10）、稳压模块（11）、存储模块（12）。
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》范文
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着物联网（IoT）和可穿戴设备的快速发展，能源问题逐渐成为限制其广泛应用的关键因素之一。
为解决此问题，能量采集技术因其能够将环境中的能量转化为电能而备受关注。
在众多能量采集技术中，基于压电效应的振动能量采集器因结构简单、效率高、成本低等优点，已成为研究的热点。
本文将重点探讨基于压电效应的宽带振动能量采集系统以及无铅纳米发电机的研究进展。
二、压电效应与振动能量采集系统压电效应是指某些材料在受到压力作用时，会产生电压的现象。
利用这一原理，我们可以将机械能转化为电能。
在振动能量采集系统中，压电材料被用于将环境中的振动能量转化为电能。
传统的压电振动能量采集系统主要依赖于特定的频率和振幅来产生电能。
然而，在实际应用中，由于环境中的振动频率和振幅变化较大，导致传统系统的能量采集效率较低。
因此，研究宽带振动能量采集系统成为提高能量采集效率的关键。
近年来，研究者们通过优化压电材料的性能、设计合理的结构以及采用先进的制造工艺，成功开发出了一系列宽带振动能量采集系统。
这些系统能够适应不同频率和振幅的振动环境，从而提高了能量采集的效率。
三、无铅纳米发电机的研究传统的压电材料中往往含有铅等有害元素，对环境造成污染。
因此，研究无铅压电材料成为当前的研究热点。
无铅纳米发电机是其中的一种重要形式。
无铅纳米发电机采用纳米级别的无铅压电材料，具有体积小、重量轻、环保等优点。
同时，纳米级别的压电材料具有更高的压电性能，能够更好地将机械能转化为电能。
此外，纳米发电机还具有较高的灵敏度和响应速度，能够适应快速变化的振动环境。
近年来，研究者们通过采用不同的制备工艺和掺杂技术，成功制备出了多种无铅纳米发电机。
这些发电机在能源收集、自供电传感器等领域具有广泛的应用前景。
四、宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的结合应用将无铅纳米发电机应用于宽带振动能量采集系统中，可以进一步提高系统的能量采集效率。
曲面驰振风能采集器动力学设计与性能研究
曲面驰振风能采集器动力学设计与性能研究作者：王琼黄良沛周程峰唐谦魏克湘来源：《振动工程学报》2022年第03期關键词：驰振;风能采集;动力学设计;曲面阻流体中图分类号：TM614;TU311.3 文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2022）03-0635-08DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2022.03.013引言自然环境中风能无处不在，从环境中采集风能为无线传感系统供电具有可持续、便捷和环境友好等优点。
在悬臂梁末端设置平行或垂直的阻流体，当阻流体受到流体作用或流固耦合作用，导致梁振动，然后通过压电效应、电磁感应、静电感应、摩擦电效应等机制将振动转换为电能。
风致振动能量采集器主要采用方形、三角形、D形等截面的阻流体。
Alhadidi等在驰振能量收集中使用四棱柱形状的阻流体，其后表面用不同长度和叉角的Y形翅片进行了加固，翅片的添加可以显著提高法向力系数随迎角增长的速度。
Liu等提出了Y形和叉形阻流体用于提高风能采集的输出功率，通过流体仿真与实验研究，验证了Y形和叉形风能采集器的输出功率明显高于传统阻流体风能采集器的输出功率。
王淑云等提出一种由压电梁与其端部柔性梁构成的刚柔复合梁风能采集器，可满足弱风时微功率监测系统的自供电需求。
对于利用风致振动获取风能的采集器，为了提高风能采集器的效率，对阻流体进行气动性能改造是有效的方法之一。
在结构的内部开槽可以减少顺风和横风方向的风振，在结构的边缘安装附加翼会加剧风振。
Ding等采用被动湍流控制的方法，在圆柱阻流体前缘两侧安装增加粗糙度的附翼从而提高阻流体吸收流能的性能，相比于实验研究的方形和正三角形截面阻流体，被动湍流控制的圆柱振动响应更优。
Hu等和Wang等在圆柱阻流体侧面安装小圆棒和Y 形附加翼，并发现附件安装夹角为60°时可以显著扩展气动弹性不稳定范围，采集器的输出功率因此显著提高。
曲面阻流体气动性能调节能有效地提高风能采集器性能，但相关研究还比较少。
驰振式风能采集器的研究进展及应用
摘要：驰振式风能采集器作为风致振动式采集器的典型结构，具有良好的采集性能，在低功率设 备，如微机电系统（ ＭＥＭＳ） 和无线传感设备等方面有着极大的应用前景。 文中介绍了基于不同原理的 驰振式风能采集器的最新进展，主要分为基于横流驰振和基于尾流驰振的风能采集器，分析总结了各 种采集器的特点及性能，包括结构设计、切入风速、输出功率及有效风速范围。 然后讨论了采集器在性 能方面的提升方法，包括结构和接口电路的优化，以及在自供能无线传感器中的应用。 最后对驰振式 风能采集器的发展趋势进行了展望。 关键词：驰振；风能采集；管理电路；无线传感器 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０６－００３０－１１
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Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｊｕｎ．２０２１
图 ３ 双压电采集器
尾流驰振现象可以在相对较低的风速下发生，有 助于低速风能的采集。 ２０１３ 年，Ａ． Ａｂｄｅｌｋｅｆｉ 等［３０］ 通 过在采集器的上游放置一圆柱体，研究了尾流驰振对 基于驰振的压电能量采集器流速范围的影响。 采集 器由末端带有方棱柱的压电悬臂梁组成，可以对 ０．４ ～ １．７ ｍ ／ ｓ 的风速进行采集，其切入速度为 ０．４ ｍ ／ ｓ。 尾 流效应极大地扩大了能量采集的有效风速范围，降低 了采自然环境中低速能 量的采集；更宽的有效风速范围，能增加采集系统的 适应性；更大的输出功率，可以提高系统的采集效率。 采集器 结 构 和 管 理 电 路 的 优 化 是 提 升 性 能 的 主 要 方式。 ２．１ 采集结构的优化
基金项目：国家电网公司科研资助项目（５７００－２０２０２５１６５Ａ－０－０－００） 收稿日期：２０２０－０８－２４
目前，小型风能采集器主要有涡轮式和风致振动 式 ２ 类［１２］ 。 相比于涡轮式结构，风致振动式采集器不 需要转动部件，结构更简单、易于微型化，是风能采集 器的主要发展方向。 通过涡激振动、颤振和驰振等风 致振动 机 理， 将 气 流 转 换 为 机 械 振 动， 再 利 用 压 电［１３－１４］ 、电 磁［１５－１６］ 、 静 电［１７－１８］ 和 摩 擦 电 能 量 转 换 机 制［１９］ 最终实现风能到电能的转换。
一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置[发明专利]
![一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/527c246fec3a87c24128c459.png)
专利名称：一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置专利类型：发明专利
发明人：颜志淼,谭婷,雷鸿,邹雅健,张通,陈鑫昊,王萌,杨小炽申请号：CN201810682047.9
申请日：20180627
公开号：CN108828361A
公开日：
20181116
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，涉及一种压电能收集器测试装置。
本发明为了解决现有的能量收集器在能量收集、疲劳寿命与振动抑制上都有较大的限制，进而提供一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置。
该装置包括激振器、底板、拱形支撑、主振动系统、动力吸振器和两个固定组件，激振器固定安装在底板的下表面，拱形支撑的两端通过两个所述固定组件安装在底板的上表面上，所述主振动系统安装在拱形支撑上，所述动力吸振器安装在所述主振动系统上。
本发明属于能量收集技术领域。
申请人：哈尔滨工业大学
地址：150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
国籍：CN
代理机构：哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人：杨立超
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基于风致振动效应的微型风能收集器研究现状
基于风致振动效应的微型风能收集器研究现状赵兴强;王军雷;蔡骏;郭颖【摘要】In the field of environmental energy harvesting,it has become a hot topic on the micro wind energy harvester based on wind induced vibration.The present situation and development trends about the wind harvesters were reviewed in this paper.Two processes of energy conversion,wind flow to vibration and vibration to electricity,were discussed.The fundamental theory and typical structures of the micro wind energy harvester were mainly analyzed based on vortex-induced-vibration,flutter,galloping and resonant cavity.It is found that the piezoelectric effect is the main mode for electromechanical conversion,and the flutter and galloping are the main trend for wind-induced vibration.%在环境能量收集技术领域,基于风致振动效应的微型风能收集器已成为一个研究热点,对其研究现状和发展趋势进行了总结与分析.分别讨论了风到振动、振动到电能的能量转换过程,重点对基于涡激振动、颤振、驰振、共振腔的微型风能收集器的基本理论和典型结构进行了分析.结果发现,目前微型风能收集器的机电转换方式以压电效应为主,风致振动方式以颤振和驰振为主要发展趋势.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)016【总页数】7页(P106-112)【关键词】风能;能量收集;风致振动【作者】赵兴强;王军雷;蔡骏;郭颖【作者单位】南京信息工程大学信息与控制学院江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心,南京210044;南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,南京210044;郑州大学化工与能源学院,郑州450002;南京信息工程大学信息与控制学院江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心,南京210044;南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,南京210044;南京信息工程大学信息与控制学院江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心,南京210044;南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,南京210044【正文语种】中文【中图分类】TK83;TN712近年来，环境能量收集器受到了国内外研究者的广泛关注，它能够源源不断地将环境中各种形式的能量(太阳能、振动能、流体动能等)转化为电能，具有体积小、寿命长、能量密度高等显著优点，在无线传感网络、自供能系统等方面具有潜在的应用前景[1]。
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* 引言 为了持续向低功耗器件供电，可以收集环境中的太阳能、
风能、热能等 清 洁 能 源。 其 中 风 能 是 一 种 普 遍 存 在 的 清 洁 能 源，因此，风能 回 收 系 统 的 研 究 成 为 能 量 回 收 领 域 的 热 点［１］。 风能发电的一般途径是首先将风能转换为机械能，之后再将机 械能转换为电能［２］，对于前过程，主要利用起振风速低、转换效 率高的弛振［３］；对于后者主要使用结构简单、输出电压高的压 电结构 ［４］。前期研究主要 利 用 标 准 接 口 电 路 实 现 交 流 电 到 直 流电的转换，但这种接口电路回收功率低，为了提高风能回收 效率，Ｇｕｙｏｍａｒ等人提出了同步开关电感电路 。 ［５］ 在本文中， 对该结构匹配了两种接口电路，并进行了实验分析。 ! 结构设计和仿真分析 １．１ 结构设计
图 １是基于弛振效应的 Ｌ型压电风能回收结构示意图，该 结构主要分为三个部分：Ｌ型悬臂梁、钝体以及压电元件。Ｌ型 压电悬臂梁由不锈钢直梁弯曲 ９０°制成，分为主梁以及副梁两 个部分；钝体是由亚克力板材料制成的中空长方体，安装在副 梁的自由端，其主要作用是调节结构的固有频率；压电元件采 用 ＰＺＴ－４，两个压电陶瓷片分别粘贴在主梁固定端的上、下表 面，一个作为能量收集，另一个产生传感信号。
图 １ Ｌ型悬臂梁示意图
１．２ 仿真分析 为了研究 Ｌ型悬臂梁的应变分布，单独对该悬臂梁进行了
仿真分析，一阶振动状态下的仿真结果如图 ２所示，在这里只 是提取了主梁的应变图，原点设置在主梁的固定端。
图 ２ 应变图 该应变值只是表示相对大小，不代表实际应变量，从仿真 结果中可以看出，在固定端处应变值最大，随着距离的增加应 变值越来越小，因应变值越大压电陶瓷片电压输出能力越强， 所以可知压电陶瓷片应粘贴在靠近固定端的位置。 " 控制电路 并联同步开关电感电路需要控制信号去控制开关的闭合 与开启，在本文中利用压电元件产生的信号来获取振动状态， 控制电路的示意图如图 ３（ａ）所示，其中控制电路的前两级主 要作用是滤除高次谐波以及对原始信号移位，这两级电路与后 续的低通滤波器共同作用使原始信号移位 ９０°，最后一级是产 生方波控制信号的比较器，最终产生的方波信号与原始信号相 差 ９０°。在图 ３（ｂ）中，使用 ＮＭＯＳ管和 ＰＭＯＳ管用于简化开关 的控制。通 过 使 用 二 极 管，开 关 将 在 电 压 翻 转 的 时 刻 自 动 断开。 # 实验和结果 首先分析了 在 不 同 风 速 下 的 开 路 输 出 电 压，实 验 结 果 如 图 ４所示，从实验结果中可以看出，在风速低于２ｍ／ｓ时，压电
ｖｅｓｔｉｎｇｕｓｉｎｇａｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｂｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴＵｌｔｒａｓｏｎＦｅｒｒ，２００５，５２ （４）：５８４－５９４．
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图 ５ 不同负载下输出电压和功率对比图
结语 本文对 Ｌ型压电风能收集结构以及接口电路组成的风能
收集系统进行了分析、测试和比较。由实验结果可以看出，并 联同步开关电感电路相对于标准电路提高了输出功率。 参考文献： ［１］ 白建华，辛颂旭，刘俊，等．中国实现高比例可再生能源发
展路径 研 究 ［Ｊ］．中 国 电 机 工 程 学 报，２０１５，３５（１４）： ３６９９－３７０５． ［２］ 曹，陈仁文．基于风致振动机理的微型压电风能采集器
创新与实践
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．８，２０１９
基于弛振效应的压电风能收集系统
宋光欣，王洪宾，胡晋升，昂晨晨，张晓妍
（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要：压电风能收集系统可把外界风能转换成电能以供无线传感网络使用，该系统主要包含风能收集结构以及接口电 路两个部分。介绍了 Ｌ型压电悬臂梁风能收集结构，并对该结构进行了仿真分析，对接有标准接口电路以及并联同步开 关电感电路的压电风能收集系统进行了实验研究和数值分析。 关键词：压电陶瓷；风能收集；悬臂梁；接口电路 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．０８．０１８
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技术与市场 ２０１９年 第２６卷 第８期
创新与实践
（ａ）开关控制电路 （ｂ）开关简化电路 图 ３ 并联同步开关电感电路
图 ４ 不同风速下输出电压
风能收集装置不起振，无电压输出，当风速大于 ２ｍ／ｓ时，输出 电压随着风速的增加以一种近似线性的方式增加。
当风速设定在 ６ｍ／ｓ时，我们测试了不同接口电路输出电 压的负载响应图，并计算得出了输出功率图，如图 ５所示。
从结果中可以看出，两种接口电路的输出电压随着电阻的 增加而变大，输出功率随着电阻先增大后减少，即存在各自的 最优负载和最大输出功率。标准接口的最优负载为 ０．９０ＭΩ， 最大输出功率为 ０．６９ｍＷ；并联同步开关电感电路的最优负载 为 １．４５ＭΩ，最大输出功率为 １．２２ｍＷ，其最大输出功率以及 最优负载分别是标准接口电路的 １．７７倍和 １．６１倍。
Hale Waihona Puke ［Ｊ］．压电与声光，２０１６，３８（４）：５５８－５６１． ［３］ 徐佳文．基于直角压电悬臂梁的振动能量回收系统的研
究［Ｄ］．合肥：中国科学技术大学，２０１１． ［４］ 刘祥建，陈仁文．压电振动能量收集装置研究现状及发展
趋势［Ｊ］．振动与冲击，２０１２，３１（１６）：１６９－１７６． ［５］ ＧｕｙｏｍａｒＤ，ＢａｄｅｌＡ，ＬｅｆｅｕｖｒｅＥ，ｅｔａｌ．Ｔｏｗａｒｄｅｎｅｒｇｙｈａｒ