趙興強，王軍雷，蔡 駿，郭 穎

(1.南京信息工程大學 信息與控制學院 江蘇省氣象能源利用與控制工程技術(shù)研究中心，南京 210044；2. 南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3. 鄭州大學 化工與能源學院，鄭州 450002)

基于風致振動效應(yīng)的微型風能收集器研究現(xiàn)狀

趙興強1，2，王軍雷3，蔡 駿1，2，郭 穎1，2

(1.南京信息工程大學 信息與控制學院 江蘇省氣象能源利用與控制工程技術(shù)研究中心，南京 210044；2. 南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3. 鄭州大學 化工與能源學院，鄭州 450002)

在環(huán)境能量收集技術(shù)領(lǐng)域，基于風致振動效應(yīng)的微型風能收集器已成為一個研究熱點，對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了總結(jié)與分析。分別討論了風到振動、振動到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，重點對基于渦激振動、顫振、馳振、共振腔的微型風能收集器的基本理論和典型結(jié)構(gòu)進行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前微型風能收集器的機電轉(zhuǎn)換方式以壓電效應(yīng)為主，風致振動方式以顫振和馳振為主要發(fā)展趨勢。

風能；能量收集；風致振動

近年來，環(huán)境能量收集器受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，它能夠源源不斷地將環(huán)境中各種形式的能量(太陽能、振動能、流體動能等)轉(zhuǎn)化為電能，具有體積小、壽命長、能量密度高等顯著優(yōu)點，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)、自供能系統(tǒng)等方面具有潛在的應(yīng)用前景[1]。風能作為一種清潔的可再生能源，在環(huán)境中廣泛存在。相對于其他幾種形式的環(huán)境能量收集技術(shù)，風能收集技術(shù)的研究起步較晚，在基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計加工等方面存在眾多關(guān)鍵的科學與技術(shù)問題。

與大型的風力發(fā)電機不同，微型風能收集器并非為了并網(wǎng)，其典型應(yīng)用是為微小型的自供能系統(tǒng)供電[2-3]。在研究初期，微型風能收集器的結(jié)構(gòu)基本都是轉(zhuǎn)動式的大型風力發(fā)電機的小型化，這種結(jié)構(gòu)存在兩個問題[4]：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微型結(jié)構(gòu)的加工和安裝較為困難；②軸承的摩擦力和材料疲勞在微尺度下更加顯著，可靠性和工作效率低。后來，研究者將風致振動結(jié)構(gòu)和振動能量收集器結(jié)合，形成了基于風致振動效應(yīng)的微型風能收集器。其中風致振動結(jié)構(gòu)在風作用下發(fā)生振動，用于風能的收集，如渦激振動的圓柱[5]、顫振的翼型結(jié)構(gòu)[6]和柔性膜[7]等，然后由振動能量收集器將前者的振動能轉(zhuǎn)化為電能。相對于轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，基于風致振動效應(yīng)的微型風能收集器的結(jié)構(gòu)相對簡單且成本較低，成為了微型風能收集器的主要發(fā)展趨勢。

基于風致振動效應(yīng)的微型風能收集器的能量轉(zhuǎn)換過程涉及到流(風)-機-電多場耦合的問題，可分為機電轉(zhuǎn)換和風致振動兩部分。本文首先介紹微型風能收集器的機電轉(zhuǎn)換機理的概況，然后按照風致振動機理的不同分類詳細討論微型風能收集器的研究現(xiàn)狀。

1 機電轉(zhuǎn)換機理

微型風能收集器機電轉(zhuǎn)換是機械振動能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的過程。振動產(chǎn)生電能，同時電能的輸出會進一步的抑制振動，即為機電耦合。微型風能收集器主要有三種機電轉(zhuǎn)換機理[8-9]：壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)和靜電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的收集器利用壓電梁將振動轉(zhuǎn)化為壓電材料的交替應(yīng)變，由正壓電效應(yīng)實現(xiàn)電荷的輸出，具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓和功率密度高的優(yōu)點，是微型風能收集器主要的機電轉(zhuǎn)換方式。電磁感應(yīng)機理的收集器由磁鐵和線圈組成，二者發(fā)生相對運動，引起線圈的磁通變化，產(chǎn)生電動勢，該結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，輸出電壓較小，但成本低。靜電效應(yīng)的收集器的輸出功率密度較低，且需要初始的充電等過程。

除了上述常規(guī)的機電轉(zhuǎn)換機理外，近年來研究者開始探索其他的能量轉(zhuǎn)換機理在能量收集領(lǐng)域的應(yīng)用。Yang等[10]將摩擦發(fā)電和靜電效應(yīng)結(jié)合，能量轉(zhuǎn)換效率可以達到55%，功率密度達到1 200 W/m2。Guo等[11]也開展了摩擦發(fā)電的研究工作。Krupenkin等[12]采用逆向電潤濕技術(shù)設(shè)計了靜電式的收集器，需要駐極體提供初始的電荷。Deng等[13]利用撓曲電效收集振動能量，發(fā)現(xiàn)這種原理的收集器隨著尺度減小，性能顯著提高，且材料的撓曲電效應(yīng)不受居里溫度限制，可以工作在高溫環(huán)境。

2 風致振動效應(yīng)的微型風能收集器

風致振動是流體動能與振動能之間相互轉(zhuǎn)換的流固耦合過程。結(jié)構(gòu)在風作用下發(fā)生振動，同時結(jié)構(gòu)的振動進一步的影響流場的分布。微型風能收集器的風致振動機理主要包括渦激振動、顫振、馳振、共振腔等，下面首先分析這些效應(yīng)的基本原理和相關(guān)理論，然后對一些典型的結(jié)構(gòu)和案例進行分析。

2.1 渦激振動

在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，當流體繞過鈍體時，會在鈍體后面的尾跡中產(chǎn)生交替脫落的旋渦，即卡門渦街[14]。在鈍體上產(chǎn)生交替變化的氣動力，同時在尾跡中形成交替變換的流體壓力場。當鈍體為彈性支撐時，氣動力使其發(fā)生渦激振動。旋渦的脫落頻率與風速成正比，當與鈍體的共振頻率接近時發(fā)生共振，且共振現(xiàn)象會鎖定在一定風速范圍內(nèi)。如圖1所示，隨著風速增加，渦激振動頻率f線性增加；當風速達到一定值時，渦激振動頻率鎖定在共振頻率f0附近，且振動幅度Ay出現(xiàn)一個峰值；風速繼續(xù)增加，渦激振動頻率又回到線性曲線上。微型風能收集器工作在鎖定區(qū)域內(nèi)時性能較高，而該區(qū)域的風速范圍通常較窄，導致其應(yīng)用受到了一定的限制。

Gao等將PZT懸臂梁作為圓柱的彈性支撐(見圖2)，柱體在交變的氣動力作用下發(fā)生渦激振動，在5 m/s下輸出功率30 μW。Lin等[15-16]對方柱、三角柱等柱體進行了仿真，建立了多物理場耦合方程，發(fā)現(xiàn)外接負載電阻對振動的振幅、輸出電壓有顯著影響，且能使鎖定區(qū)域變寬。Weinstein等[17]則將PZT壓電片置于圓柱后方的渦街內(nèi)，并在PZT梁自由端安裝一個葉片(見圖3)，在5 m/s風速下輸出功率3 mW，但器件整體尺寸較大。

圖1 振動頻率和幅度隨著風速的變化曲線Fig.1 The vibration frequency and amplitude as function of wind speed

圖2 基于渦激振動的風能收集器：鈍體由壓電梁彈性支撐Fig.2 The vortex-induced-vibration-based wind energy harvester： a bluff body fixed on a piezoelectric cantilever beam

圖3 基于渦激振動的風能收集器：壓電梁置于渦街中Fig.3 The vortex-induced-vibration-based wind energy harvester： a piezoelectric cantilever beam fixed in the vortex

目前，利用渦激振動效應(yīng)進行風能收集的研究大多是開展理論模型和軟件仿真等方面的工作，主要對流-機-電多場耦合問題進行探討，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸出性能的影響，而實驗方面開展較少[18-19]。

2.2 顫 振

典型的顫振是薄翼型結(jié)構(gòu)在氣流作用下發(fā)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)二自由度耦合的振動，具有自激、發(fā)散、非線性、大幅度和大變形的特征[20]。當風速大于某一臨界值時，結(jié)構(gòu)從風中吸取的能量大于自身的損耗，其振幅突然增大，就發(fā)生顫振。相對于渦激振動，顫振更為強烈，相應(yīng)的收集器的輸出電壓和功率等性能也更高，是微型風能收集器的重要發(fā)展方向。

從結(jié)構(gòu)上看，基于顫振的微型風能收集器主要有柔性結(jié)構(gòu)和彈性支撐的剛體結(jié)構(gòu)兩種。柔性結(jié)構(gòu)如柔性膜[21]、柔性帶[22]等，剛體結(jié)構(gòu)如翼型流線體[23-24]、板[25]等。雖然這些結(jié)構(gòu)都比較簡單，但發(fā)生風致振動的過程非常復(fù)雜，在理論模型建立、結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化等方面都存在困難，其關(guān)鍵在于氣動力如何確定。

對于柔性結(jié)構(gòu)，在風致振動過程中，變形的柔性體上氣動力具有分布的特性，直接由N-S方程計算氣動力則非常復(fù)雜。Kornecki等[26]對懸臂結(jié)構(gòu)的柔性膜在軸向風中顫振的氣動力建立了零環(huán)流模型，但在柔性膜前緣的固定端和后緣的自由端都存在奇異性。Tang等基于非定常的集總渦模型計算了懸臂梁上的氣動壓力，研究了顫振發(fā)生后的特性。Eloy等[27-28]對大振幅的長條結(jié)構(gòu)橫向運動時的Lighthill氣動力模型進行了修正，考慮了拖拽力和流體分離產(chǎn)生的壓力，做了進一步的完善工作。盡管對柔性結(jié)構(gòu)的流固耦合問題開展了相關(guān)研究，但在風能收集器的流-機-電多場耦合理論方面還有很多工作需要開展。

Li等[29]在柔性的PVDF膜的自由端橫向鉸鏈一個三角形的膜片(葉片)，設(shè)計了L型的壓電“樹葉”(見圖4)，葉片的顫振帶動PVDF膜發(fā)生振動，輸出功率0.6 mW。趙興強等提出了PZT梁-PET柔性膜的復(fù)合逆風顫振結(jié)構(gòu)，風從柔性膜的自由端吹向復(fù)合結(jié)構(gòu)的固定端，該結(jié)構(gòu)兼具了PET膜的低臨界風速和PZT高壓電性能的特點(見圖5)，其臨界風速2.4 m/s，最大輸出功率3.1 mW。Humdinger Wind Energy公司研制的Windbelt風能收集器是將柔性帶的兩端固定，磁鐵作為動子安裝在柔性帶上，線圈作為定子固定在柔性帶外，柔性帶發(fā)生顫振時磁鐵與線圈發(fā)生相對運動，可在2.6～8.8 m/s的風速范圍內(nèi)工作。2015年P(guān)erez等[30]則將軸向風中顫振的柔性膜與靜電轉(zhuǎn)換機理結(jié)合，研制出微型風能收集器如圖6所示，兩個平行的電極板表面覆有25 μm的Teflon聚四氟乙烯駐極體層，兩極板中間有一個聚合物膜，該膜在氣流作用下發(fā)生顫振，從而改變與極板的電容，并對外形成電流，該器件在30 m/s風速下，輸出功率2.1 mW。

圖4 L型壓電樹葉Fig.4 L shape piezo-leaf

圖5 PZT梁-PET膜復(fù)合逆風顫振結(jié)構(gòu)Fig.5 Upwind flutter structure with PZT beam-PET film

圖6 顫振機理的靜電風能收集器Fig.6 Electret-based flutter wind energy harvester

對于剛體結(jié)構(gòu)，氣動力主要分為升力和扭矩。在耦合過程中，氣動力可以看成剛體橫向位移和速度、扭角和扭轉(zhuǎn)角速度的函數(shù)，具有半經(jīng)驗的固定表示形式[31]。采用準靜態(tài)氣動失速模型，翼型結(jié)構(gòu)的氣動升力Fh和扭矩Ma表示為

(1)

式中：ρ為空氣密度；U為風速；b為半弦長；cla和cma分別為升力系數(shù)和扭矩系數(shù)；cs失速相關(guān)的非線性參數(shù)；αeff為有效攻角，可表示為

(2)

式中： a為彈性軸相對半弦處的偏移量；h和θ分別為橫向位移和轉(zhuǎn)角。

2011年Bryant等在PZT(Piezoe-LectricTransducer)壓電懸臂梁的自由端鉸鏈一個翼型結(jié)構(gòu)(見圖7)，風從懸臂梁固定端吹向自由端，翼型結(jié)構(gòu)顫振時帶動壓電梁振動，在8m/s風速下，輸出2.2mW。Erturk等[32-33]也對該結(jié)構(gòu)進行了研究，然而機翼結(jié)構(gòu)本身設(shè)計成流線型，往往是為了避免顫振的發(fā)生。

圖7 基于翼型顫振結(jié)構(gòu)的微型風致振動能量收集器Fig.7 Wing-based flutter wind energy harvester

2.3 馳 振

馳振是非流線型剖面的細長結(jié)構(gòu)因氣流的自激作用產(chǎn)生一種彎曲振動，通常與氣流對結(jié)構(gòu)的相對速度和流體對結(jié)構(gòu)的攻角有關(guān)[34]，如輸電線橫向風中的馳振等。與顫振類似，馳振也是一種自激的發(fā)散振動，具有大振幅和大變形的特征，因此基于馳振的微型風能收集器的性能也比較高。與顫振不同的是，馳振只有一個自由度的振動，氣動力模型較為簡單?；隈Y振的微型風能收集器典型結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示，懸臂梁的自由端安裝一個柱體，風從自由端沿著軸向吹向固定端。不考慮轉(zhuǎn)動因素，該結(jié)構(gòu)可以等效成圖8(b)所示的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)，把壓電梁等效成彈簧K，M為等效的質(zhì)量，C為機械阻尼，α為攻角，Urel為相對風速。在準靜態(tài)假設(shè)條件下，氣動力可以表示為

(3)

式中：Db為柱體迎風面的特征尺寸；a1和a3為與柱體截面形狀相關(guān)的系數(shù)。不同截面的柱體結(jié)構(gòu)氣動力具有固定形式，其系數(shù)a1和a3可以通過實驗等方法得到，這樣就簡化了建模的過程。Yang等[35-38]先后對方柱、矩形柱、三角柱、D型柱等彈性支撐的剛體結(jié)構(gòu)的馳振機理的風致振動能量收集器進行了研究。

圖8 馳振機理的風能收集基本結(jié)構(gòu)Fig.8 Fundamental structure of galloping wind energy harvester

2014年Ewere等在壓電懸臂梁的自由端安裝了方柱體(見圖9)，其臨界風速為2m/s，在8m/s風速下輸出功率13mW。2012年Sirohi等[39]在PZT壓電懸臂梁的自由端安裝了D型的柱體，在4.7m/s的風速下輸出功率1.14mW。2014年Vicente-Ludlam等[40]建立了D型柱體單自由度的馳振模型，同時結(jié)合電磁轉(zhuǎn)換機理完成了多場耦合模型的分析。Abdelkefi等則在壓電梁自由端沿著長度方向安裝了一個三角柱體，在橫向風中發(fā)生馳振，建立了壓電梁分布式非線性的馳振耦合模型。

圖9 方柱型馳振結(jié)構(gòu)的微型風能收集器Fig.9 Galloping wind energy harvester with a square bluff body

盡管基于顫振和馳振效應(yīng)的微型風能收集器具有較高的轉(zhuǎn)換效率，但由于大變形的非線性振動，結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生機械過載，導致結(jié)構(gòu)斷裂，因此對風能收集器的過載保護至關(guān)重要，但關(guān)于顫振或馳振的微型風能收集器的可靠性方面的研究則鮮有報道。

2.4 共振腔

這里的共振腔是指赫姆霍茲共鳴器，主要包括腔體和頸部兩部分。腔體內(nèi)的空氣的可壓縮性可以看成一個彈簧，與腔體連接的頸部的空氣質(zhì)量可以看成聲質(zhì)量，這樣就形成一個典型的彈簧-質(zhì)量塊二階系統(tǒng)。在頸部有一個開口，風在開口處的波動會引起這個彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)以自身的共振頻率發(fā)生振動。雷軍命[41]在腔體底部安裝了壓電片，腔體內(nèi)振蕩的氣體使得壓電片發(fā)生振動，實現(xiàn)了300 m/s高風速的能量收集器，輸出功率1.4 W。Zou等[42]也在開展高風速的風能收集器的研究，在共振腔的底部安裝了圓環(huán)形的壓電片，159 m/s的高風速下，輸出功率58 mW。Kim等[43]采用立體平板印刷技術(shù)和激光加工技術(shù)加工了的環(huán)氧樹脂共振腔，腔體底部安裝了微型電磁式振動能量收集器，在5 m/s的風速下輸出4 mV。2013年Wang等[44]在共振腔的出風口處安裝一個懸臂結(jié)構(gòu)的簧片，在風作用下簧片發(fā)生振動；動子磁鐵安裝在簧片末端1/3位置處，定子線圈固定在腔體上(見圖10)；該收集器在20.3 m/s的風速下，輸出功率56 mW。共振腔結(jié)構(gòu)的風能收集器需要大的腔體來形成空氣的振動，較難微型化，多適用于高風速環(huán)境，如武器裝備等。

圖10 共振腔結(jié)構(gòu)的風能收集器Fig.10 Wind energy harvester using resonant cavity

2.5 其 他

上述的微型風能收集器多是采用壓電效應(yīng)實現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，較少電磁轉(zhuǎn)換原理。Jung等[45]將兩個Φ5 cm×85 cm的圓管順風方向排列，后管處于前者的尾流馳振區(qū)域，在后管兩端安裝了電磁式振動能量收集器(見圖11)，在4.5 m/s的風速下，輸出功率370 mW。Zhu等[46]設(shè)計了電磁式的微型風致振動能量收集器，如圖12所示。一個葉片結(jié)構(gòu)安裝在懸臂梁的自由端，在葉片前緣的一側(cè)有一個擋風結(jié)構(gòu)以便形成非穩(wěn)定流，磁鐵作為動子安裝在葉片上，在5 m/s風速下輸出功率1.6 mW。

圖11 尾流馳振的風能收集器Fig.11 Wind energy harvester based on the wake galloping

圖12 電磁式風能收集器Fig.12 Electromagnetic wind energy harvester

為了實現(xiàn)微型化，MEMS技術(shù)開始應(yīng)用于風能收集器，特征尺寸已深入到μm的尺度。Liu等[47]用Sol-Gel方法在SOI片上制備了2.5 μm厚的PZT膜，采用MEMS技術(shù)加工了微型壓電懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(見圖13)，沿著梁寬度方向分布3個壓電單元，在15.6 m/s的風速下，輸出功率38.7 nW。He等[48]在硅片上制備了1 μm的AlN薄膜，采用MEMS技術(shù)加工了微型壓電懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)安裝在銅懸臂梁的自由端，如圖14所示，在一個鈍體后發(fā)生風致振動，在15.9 m/s風速下，輸出功率1.6 μW。

圖13 劉會聰?shù)腗EMS微型風能收集器Fig.13 MEMS wind energy harvester by Liu

3 結(jié) 論

本文從機電轉(zhuǎn)換和風致振動兩個方面對微型風能收集器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析，并根據(jù)風致振動機理的不同，重點分析了微型風能收集器的基本理論和典型結(jié)構(gòu)，總結(jié)為如下幾點：

圖14 賀學鋒的MEMS微型風致振動能量收集器Fig.14 MEMS wind energy harvester by He

(1)在環(huán)境能量收集技術(shù)領(lǐng)域，風能的收集與轉(zhuǎn)換已成為一個研究熱點。

(2)目前微型風能收集器的機電轉(zhuǎn)換方式以壓電式為主，摩擦發(fā)電等高效的機電轉(zhuǎn)換方式也開始受到重視。

(3)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的風能收集器小型化較難，風致振動結(jié)構(gòu)成為了微型風能收集器的主要趨勢，并以顫振和馳振為研究熱點。

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A review on micro wind energy harvesters based wind induced vibration

ZHAO Xingqiang1， 2， WANG Junlei3， CAI Jun1， 2， GUO Ying1，2

(1. Jiangsu Engineering Research Center on Meteorological Energy Using and Control， School of Information and Control， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China； 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；3. School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China)

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.

wind energy； energy harvesting； wind induced vibration

江蘇自然科學基金(KB20150921)；南京信息工程大學啟動基金(S8113108001)

2016-02-29 修改稿收到日期： 2016-06-23

趙興強 男，博士，講師，1982年9月生

王軍雷 男，博士，講師，1988年8月生

TK83；TN712

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.017