王淑云 余 杰 闞君武 蔣永華 鄭佳佳 謝心怡

(浙江師范大學(xué)精密機械與智能結(jié)構(gòu)研究所， 金華 321004)

0 引言

為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)實時監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)節(jié)點的能源自給，減少化學(xué)電池對水及土壤的污染，相繼提出了基于環(huán)境能量回收的壓電、靜電、熱電及電磁等原理的微小型發(fā)電機(又稱俘能器或能量捕獲器)[1-4]。每類發(fā)電機都有其自身的優(yōu)勢和適用領(lǐng)域，壓電發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、易于制作且易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化與集成化等優(yōu)勢，適用范圍更廣[5-6]。目前，壓電發(fā)電機已可有效回收環(huán)境振動能[7]、旋轉(zhuǎn)體動能[8]以及水流能/風(fēng)能[9-10]等。前兩類壓電發(fā)電機研究較早且所獲成果較多，已逐步用于無線傳感器及健康監(jiān)測系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，壓電流體發(fā)電機的研究國內(nèi)外還都剛開始，尚處于探索和起步階段[11-13]。

根據(jù)激勵方式，現(xiàn)有壓電流體發(fā)電機主要可分為直激式[14]、鈍體擾流式[15]和諧振腔式[16-17]三大類。前兩類發(fā)電機是利用懸臂梁型壓電換能器與流體直接耦合作用發(fā)電的，但其激勵原理不同[18]。直激式發(fā)電機中，壓電換能器與流體速度方向垂直或成一定的角度，流體流過壓電換能器時漩渦的交替生成與脫落會引起流體壓力變化，從而激勵壓電換能器產(chǎn)生電能，該類俘能器結(jié)構(gòu)簡單，適于低速氣體環(huán)境，高速或液體環(huán)境下壓電換能器因變形過大而易損毀。鈍體擾流式發(fā)電機中，壓電換能器與流體速度方向平行且置于鈍體之后，通過流體繞過鈍體時所產(chǎn)生的不對稱漩渦間接激勵(漩渦是由鈍體與流體間的耦合作用產(chǎn)生的)，主要用于液體環(huán)境，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，難以實現(xiàn)微小化與集成化。不同于直激式及鈍體擾流式壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用場合，諧振腔式發(fā)電機是利用諧振腔內(nèi)流體高頻振蕩激勵圓形壓電換能器發(fā)電的，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、強度高等優(yōu)勢，適于高速氣體環(huán)境，除構(gòu)造各類自供電引信[19]外，還可用于航空器、高鐵等載運工具(引起高速氣流)以及氣動控制系統(tǒng)等的自供電監(jiān)測[16-17]。

本文在借鑒聲學(xué)諧振腔俘能器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計腔式壓電氣流發(fā)電機，并從理論和試驗兩方面進(jìn)行研究，獲得主副腔長度及直徑等對其發(fā)電性能的影響規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

腔式壓電氣流發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由壓電換能器、主腔及副腔構(gòu)成。發(fā)電機置于流場中時，外部氣流迫使主副腔內(nèi)的氣體產(chǎn)生振動，從而迫使壓電換能器振動并將流動動能轉(zhuǎn)換成電能。所生成電壓與腔內(nèi)氣體振動引起的氣體壓力差及壓電換能器中心點變形量呈較好的線性關(guān)系，而腔內(nèi)氣體壓力差及壓電換能器中心變形量又是由主副腔結(jié)構(gòu)尺寸所決定的。

圖1 腔式壓電氣流發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of piezoelectric harvester1.出風(fēng)口 2.副腔 3.腔蓋 4.主腔 5.壓電換能器

為便于性能對比及敘述，將主副腔尺度不同的發(fā)電機定義成4種不同類型：A型，主副腔同時存在，即圖1所示結(jié)構(gòu)；B型，僅有主腔和腔蓋(圖1中副腔長度為0)；C型，僅有主腔(圖1中副腔長度為0，副腔內(nèi)徑等于主腔內(nèi)徑)；D型，無主副腔、腔蓋，僅有壓電換能器。

2 建模與仿真分析

為獲得結(jié)構(gòu)尺度不同時腔式發(fā)電機腔內(nèi)流體的振動狀態(tài)及壓電換能器的變形特性，建立了A、B及C型發(fā)電機的COMSOL模型并進(jìn)行了仿真分析，所用模擬仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真及試驗分析用相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters for simulation and test

圖2為風(fēng)速30 m/s時A、B及C型壓電氣流發(fā)電機腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)時流場的速度云圖。從圖2可以看出，3種結(jié)構(gòu)發(fā)電機的腔體底部都有漩渦不斷地生成，從而引起腔體內(nèi)氣流速度和壓力不斷變化，迫使壓電換能器產(chǎn)生彎曲變形發(fā)電。因3種類型發(fā)電機結(jié)構(gòu)不同，穩(wěn)態(tài)時其腔內(nèi)流場分布及漩渦形態(tài)都具有明顯的區(qū)別，進(jìn)而導(dǎo)致壓電換能器的振動及發(fā)電特性不同。

圖2 3種類型發(fā)電機內(nèi)的氣體速度云圖Fig.2 Velocity nephograms of flow field under three different structures

圖3給出了穩(wěn)態(tài)時3種類型發(fā)電機中壓電換能器中心點處的振動波形圖，圖中曲線表明，發(fā)電機的結(jié)構(gòu)對壓電換能器中心點的變形量、振動頻率及靜位移差異都有較大影響，其中A、C型發(fā)電機中壓電換能器的變形量相對較小，B型發(fā)電機中壓電換能器的變形量最大且產(chǎn)生了較大的靜變形。上述現(xiàn)象表明，其他條件確定時可能存在最佳的副腔長度使發(fā)電機輸出電壓(壓電換能器變形量)最大，而該最佳副腔長度還應(yīng)與氣流速度及主副腔孔徑等其他參數(shù)有關(guān)。

圖3 3種類型發(fā)電機壓電換能器圓心點處振動波形圖Fig.3 Displacement of the center of pzt vs time under three different structures

3 試驗測試

為獲得腔式壓電氣流發(fā)電機輸出性能與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，設(shè)計了樣機及測試系統(tǒng)(圖4)。所用儀器設(shè)備為：DS5042M型數(shù)字存儲示波器、AR2000型調(diào)壓閥(氣流壓力范圍0～0.5 MPa，調(diào)壓步長0.05 MPa)、無油空氣壓縮機(額定排氣壓力0.7 MPa)等。試驗中通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥來改變出風(fēng)口壓力(間隔0.05 MPa，氣流壓力0.1～0.5 MPa，所對應(yīng)的氣流速度為6～30 m/s，氣流速度與氣流壓力呈較好的線性關(guān)系)；圓形壓電換能器尺寸為：銅片基板直徑46 mm，厚度0.25 mm；壓電陶瓷直徑41 mm，厚度0.25 mm。

圖4 試驗樣機及測試系統(tǒng)Fig.4 Piezoelectric energy harvester and test system1.調(diào)壓閥 2.試驗樣機 3.空氣壓縮機

圖5為氣流壓力為0.3 MPa時3種類型壓電氣流發(fā)電機(結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示)的穩(wěn)態(tài)電壓波形圖。從圖5可以看出，3種類型發(fā)電機的輸出電壓差異較大，其中B型的輸出的電壓峰值最高(16.6 V)，A型和C型的輸出電壓峰值相對較低(分別為11.6 V和4.6 V)，這與仿真分析中3種類型發(fā)電機中壓電換能器變形量之間的關(guān)系是一致的，故研究中可采用壓電換能器變形特性表征發(fā)電機的電壓特性。由圖5還可得，3種類型發(fā)電機中壓電換能器的振動響應(yīng)及輸出電壓波形都并非正弦波，這與聲學(xué)諧振腔[15]中壓電換能器的響應(yīng)特性存在一定的差異，原因是實際氣流速度及其流場分布并不均勻，而是存在一定的隨機波動。在后續(xù)的試驗中，利用穩(wěn)態(tài)時5 s內(nèi)電壓波形的峰值代表實際輸出電壓。

圖5 3種類型發(fā)電機輸出電壓與時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between generated voltage and time under three different structures

圖6 不同氣流壓力時發(fā)電機輸出電壓與激勵距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between generated voltage and distance under different wind pressures

圖7 不同氣流壓力時輸出電壓與主腔長度的關(guān)系Fig.7 Relationship between generated voltage and length of cavity under different wind pressures

圖8 不同氣流壓力時輸出電壓與腔蓋孔徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between generated voltage and diameter of hole under different wind pressures

圖9 不同氣流壓力下輸出電壓與副腔長度的關(guān)系Fig.9 Relationship between generated voltage and length of neck under different wind pressures

圖10 氣流壓力為0.3 MPa時功率與負(fù)載的關(guān)系Fig.10 Relationship between output power and load resistance under p=0.3 MPa

4 結(jié)束語

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