王英廷， 程廷海， 包 鋼

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江哈爾濱 150080； 2. 長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 吉林長春 130000)

引言

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)俘獲環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲與再利用的環(huán)境微能源收集技術(shù)，以其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、裝置結(jié)構(gòu)簡單、不受電磁干擾以及使用壽命長等優(yōu)勢，成為系統(tǒng)自供能技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。隨著“中國制造2025”的提出， 裝備制造業(yè)的智能化水平在不斷提高，這使得MEMS技術(shù)已逐步深入到機(jī)械加工生產(chǎn)領(lǐng)域。因工業(yè)系統(tǒng)工況復(fù)雜、狀態(tài)參量多，往往需要采用多種傳感器對系統(tǒng)的壓力、流量、溫度及位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)檢測[3]，這促使大量MEMS器件應(yīng)用到工業(yè)系統(tǒng)中[4-5]。

氣動系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的組成部分也正向著智能化的方向發(fā)展，越來越多的無線傳感器供能裝置在氣體環(huán)境得到了深入研究[6-9]。AKAYDIN等[10-11]基于流-固耦合作用下的渦激振動原理，設(shè)計了一種圓筒型結(jié)構(gòu)風(fēng)能俘獲裝置，研究了單軸向渦激振動下壓電發(fā)電機(jī)理，并得出渦激振動下壓電梁振幅與風(fēng)能俘獲效率之間的關(guān)系。MCCARTHY等[12-13]則在壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的端部增加了三角形尾翼制作渦街，分析了漩渦脫落、壓力梯度對發(fā)電功率的影響規(guī)律，并研究了多流速狀態(tài)下邊界層變化與壓電發(fā)電效率間的耦合機(jī)理。國內(nèi)許多學(xué)者[14-16]進(jìn)行了高壓氣體環(huán)境微能源俘獲的研究工作，并且取得了較好的研究效果。闞君武等[17]提出一種可回收振動能量的壓電-氣動隔振器，該研究借助壓縮空氣進(jìn)行動力傳遞并實(shí)現(xiàn)了振動能量的收集。何楓等[18]則提出利用氣缸排出的廢氣進(jìn)行能量收集，并將所收集能量直接供給氣動無線傳感器從而實(shí)現(xiàn)傳感器自供能的思想。

本研究針對高壓氣體環(huán)境的特點(diǎn)，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)并結(jié)合壓電本構(gòu)方程對壓電發(fā)電機(jī)理進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明在高壓氣體環(huán)境下可采用盤型壓電片進(jìn)行氣體能量收集。為了提高壓電材料的能量轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計并制作了一種壓電發(fā)電陣列實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建了實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了利用壓電陣列對高壓氣體能量回收可以有效提高能量的轉(zhuǎn)化效率。

1 壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及發(fā)電原理

通過分析設(shè)計發(fā)電腔的尺寸與結(jié)構(gòu)，并分析了壓電片的布片位置以及多種情況下的俘能特性。依據(jù)研究結(jié)果得出發(fā)電腔并不影響氣缸正常工作，因此本部分設(shè)計結(jié)構(gòu)時將發(fā)電腔置于氣缸后端展開研究。

氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，壓電發(fā)電機(jī)由發(fā)電腔和氣缸兩部分組成，壓縮氣體由進(jìn)氣口流入氣缸內(nèi)部，通過氣缸底部通孔進(jìn)入發(fā)電腔，由于發(fā)電腔內(nèi)部壓力升高導(dǎo)致壓電片產(chǎn)生彎曲形變，從而將氣體能量轉(zhuǎn)化為電能。在此過程中， 由于氣缸內(nèi)部壓力升高推動活塞使氣正常運(yùn)動，多余氣體從氣缸排氣孔流出。

圖1 氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

盤型壓電單晶片由壓電晶體與銅板基板兩部分組成，由于金屬材料的彈性模量、泊松比較大，且兩種材料粘合在一起，因此需建立圓盤模型對盤型壓電單晶片的撓度與發(fā)電量進(jìn)行分析。如圖2為圓盤數(shù)學(xué)模型。盤型壓電片會在氣體載荷Δp的作用下產(chǎn)生彎曲變形，根據(jù)克?；舴蚣僭O(shè)：板彎曲時其中面保持中性，即板中面內(nèi)各點(diǎn)無應(yīng)變，只有沿中面法線的撓度；板形變前中面的法線，在板彎曲后仍為直線，且仍垂直于變形后的中面；平行于中面的各層材料互不擠壓，即板內(nèi)垂直于板面的正應(yīng)力不予考慮且不計算，可建立盤型壓電片彎曲撓度模型。

圖2 盤型壓電片理論模型

如圖2所示，設(shè)PZT-5H的厚度為hp，銅板基板的厚度為hs，建立rz平面坐標(biāo)系，在壓力Δp的作用下，盤型壓電片會發(fā)生彎曲形變：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Wr為Z方向上壓電片的彎曲撓度；r為從貼片中心到偏轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離；Mr和Mθ分別是r和θ方向上的力矩；v為泊松比； Δp是壓力差。Qr為剪切力；D為盤型壓電片的抗彎剛度。根據(jù)盤型壓電片的電量輸出方程可得[19]：

(5)

其中，Vout為輸出電壓，由式(5)可得輸出電壓與壓力變化量程正比。

2 OpenFOAM內(nèi)流場仿真分析

OpenFOAM是一個完全由C++編寫，在linux下運(yùn)行的計算流體力學(xué)(CFD)類庫，其具有強(qiáng)大的流體仿真能力。本研究通過OpenFOAM軟件對壓電發(fā)電機(jī)的內(nèi)流場進(jìn)行仿真分析。

如圖3所示為壓電發(fā)電機(jī)的網(wǎng)格模型，模型由發(fā)電腔及活塞組成，活塞設(shè)置為壓縮動網(wǎng)格，其最大行程為20 mm。當(dāng)解算開始時在氣體壓力的作用下，活塞的網(wǎng)格開始拉伸，直至行程達(dá)到20 mm停止。網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格。

圖3 壓電發(fā)電機(jī)網(wǎng)格模型圖

如圖4所示為壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場流速矢量圖。壓縮氣體由上端進(jìn)氣孔流入壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)部，因左側(cè)節(jié)流孔較小，而右側(cè)活塞端具有較大的氣體流動區(qū)域，壓縮氣體首先流入右側(cè)活塞部分。并在壁面的作用下產(chǎn)生了渦流。

圖4 壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場流速矢量圖

如圖5所示為壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場動態(tài)壓力分布圖。由圖5可知，高壓氣體首先流入活塞側(cè)，因此在活塞側(cè)會產(chǎn)生局部的高壓，以此推動活塞向前運(yùn)動。此時發(fā)電腔仍然是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖5 壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場動態(tài)壓力分布云圖

如圖6所示為壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場穩(wěn)態(tài)壓力分布云圖。當(dāng)內(nèi)流場達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，壓縮氣體幾乎不進(jìn)入壓電發(fā)電機(jī)，而此時的內(nèi)部壓力穩(wěn)定在300 kPa。

圖6 壓電發(fā)電機(jī)內(nèi)流場穩(wěn)態(tài)壓力分布云圖

如圖7所示為腔內(nèi)壓力與腔內(nèi)壓力變化量隨時間變化曲線，當(dāng)氣體進(jìn)入壓電發(fā)電機(jī)容腔內(nèi)部時，腔內(nèi)壓力開始增高，壓力增大到0.15 s左右時活塞開始運(yùn)動，活塞移動后腔內(nèi)壓力開始降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)0.2 s時活塞達(dá)到最大行程，此后腔內(nèi)壓力增加直至300 kPa。

圖7 腔內(nèi)壓力與壓力變化量隨時間變化曲線

3 樣機(jī)研制與測試系統(tǒng)搭建

整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別由調(diào)壓閥、換向閥、節(jié)流閥、流量傳感器、壓力傳感器、頻譜分析儀和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)組成。表1顯示了系統(tǒng)中設(shè)備及原件的型號。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)元件型號表

所設(shè)計樣機(jī)選用直徑為25.0 mm，厚度為0.2 mm的壓電陶瓷材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中銅板基板的厚度為0.3 mm，直徑為35.0 mm。為了產(chǎn)生壓力差，制作樣機(jī)時采用密封膠對壓電片進(jìn)行粘接， 處于基底與壓電片之間的密封膠厚度大約為0.3 mm。進(jìn)氣孔的直徑為10.0 mm，容腔的內(nèi)徑為60.0 mm， 氣缸直徑為63 mm，行程為150 mm。氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高壓氣體需通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力，其壓力數(shù)據(jù)由壓力傳感器進(jìn)行采集。換向閥可控制密閉腔內(nèi)高壓氣體的流入與流出，節(jié)流閥可進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，氣體流量參數(shù)可以通過流量傳感器進(jìn)行測量，調(diào)節(jié)好的氣體可通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上部的進(jìn)氣孔流入密閉容腔。在高壓氣體的作用下壓電發(fā)電陣列可進(jìn)行電能輸出，輸出的電壓通過頻譜分析儀進(jìn)行測試與記錄。

4 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

為了研究其發(fā)電性能，本研究搭建了實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)并對氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)都進(jìn)行了多次測量，圖9為發(fā)電機(jī)的電壓輸出曲線。當(dāng)交變載荷壓力為0.3 MPa、周期為2.0 s，氣缸行程為20 mm時，發(fā)電機(jī)輸出的峰值電壓可達(dá)78 V。

圖9 壓電發(fā)電機(jī)的電壓輸出曲線

如圖10所示為不同周期下輸出電壓與距離關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為壓力0.3 MPa，流量200 L/min，隨著距離的增加輸出電壓逐漸減小，最大的峰值電壓為79.60 V。周期越大輸出電壓越高。

圖10 不同周期下輸出電壓與距離關(guān)系曲線

圖11給出了交變載荷處于0.3 MPa、 氣體流量為200 L/min、周期為2.0 s時，氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)的電壓輸出波形圖。由圖可知，在交變的氣體載荷作用下，壓電片會產(chǎn)生交變的電壓輸出，且在峰值點(diǎn)過后，會產(chǎn)生電壓的波動。其原因在于當(dāng)高壓氣體進(jìn)入氣缸時，氣缸活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)，高壓氣流迅速沖擊活塞以及布置于氣缸后端密閉腔室底部的盤型壓電片，在高壓氣體的作用下，陶瓷壓電片會輸出電壓，而活塞在高壓氣體載荷的作用下會進(jìn)行加速移動，由于活塞的移動，氣缸缸筒內(nèi)部壓力會隨著腔內(nèi)容積的增大而減小，因此盤型壓電片的電壓會有所下降，當(dāng)活塞到達(dá)最大行程時又處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時缸筒內(nèi)部的壓力會逐漸升高一直達(dá)到壓力飽和，因此輸出電壓會出現(xiàn)升上而后下降。

圖11 氣動工況下壓電發(fā)電機(jī)的電壓輸出波形圖

5 結(jié)論

利用壓電材料可直接轉(zhuǎn)化氣動系統(tǒng)壓力能為電能，此部分能量可以滿足目前低功耗傳感器的能量需求。主要研究了氣缸正常工作下的壓電振子發(fā)電特性，通過理論分析了盤型壓電振子輸出電壓與所受壓力的正比關(guān)系，利用OpenFOAM軟件模擬了容腔內(nèi)部壓力場的變化規(guī)律，結(jié)合理論與仿真分析結(jié)果設(shè)計并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建了測試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，高壓氣體會首先進(jìn)入活塞所在區(qū)域并推動活塞移動；隨著距離的增加，壓電振子的輸出電壓逐漸下降；隨著流量的增加峰值電壓增加，當(dāng)周期為1.2 s、流量為200 L/min、壓力為0.3 MPa時最大的輸出最大電壓為79.60 V。本研究給出了樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，旨在提供一種壓力能轉(zhuǎn)化為電能的方法，分析能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，若合理的設(shè)計樣機(jī)結(jié)構(gòu)可有效提高能量利用率。