李 莉，林杉杉，王永耀，于慧慧，王 軍

(沈陽化工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

近年來，微傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和微電子器件等低功耗產(chǎn)品在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前這些產(chǎn)品的供能大多使用傳統(tǒng)的化學(xué)電池，但是傳統(tǒng)的電池容量有限，質(zhì)量較大，在水下等環(huán)境中更換和維護(hù)困難且容易污染環(huán)境[1]。因此將自然環(huán)境中的能源轉(zhuǎn)化為電能，從而為微電子設(shè)備提供長期、穩(wěn)定、綠色的供能則尤為重要。常見的自然能源有太陽能[2]、振動(dòng)能[3]、風(fēng)能[4]、波浪能[5]等。其中振動(dòng)能收集是指將振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，目前將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能有壓電式[6]、電磁式[7]和靜電式[8]三種方式，由于壓電式能量收集技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為常用的振動(dòng)能收集方式之一[9-10]。渦致振動(dòng)是自然界中的一種常見物理現(xiàn)象，廣泛存在于流體運(yùn)動(dòng)中。近幾年利用渦致振動(dòng)進(jìn)行壓電能量收集的技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界的重視和研究[11-12]。

當(dāng)流體流經(jīng)非流線型結(jié)構(gòu)時(shí)，由于流體在結(jié)構(gòu)邊界層分離過程中表面壓力分布不均而形成脈動(dòng)力，從而在其尾流區(qū)產(chǎn)生交替脫落的漩渦，進(jìn)而作用在后方彈性支撐的俘能結(jié)構(gòu)上，致使俘能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性振動(dòng)。利用結(jié)構(gòu)中壓電材料的壓電效應(yīng)，俘能結(jié)構(gòu)能將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過能量收集電路對(duì)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行整流、濾波等操作后，即可收集到電能并為需要供電的傳感器等微小型器件進(jìn)行供電。

目前國內(nèi)外學(xué)者在渦致振動(dòng)壓電俘能結(jié)構(gòu)和收集技術(shù)方面已經(jīng)取得了一些成果。俘能結(jié)構(gòu)中常用的壓電材料有聚偏二氟乙烯(PVDF)、壓電纖維(MFC)以及壓電陶瓷(PZT)等，而根據(jù)不同壓電材料的特點(diǎn)，制作的不同形式的壓電俘能結(jié)構(gòu)，有“鰻魚”結(jié)構(gòu)、壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)等。

本文根據(jù)目前渦致振動(dòng)壓電俘能技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了國內(nèi)外常用的基于渦致振動(dòng)的壓電俘能結(jié)構(gòu)，并針對(duì)每一種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用環(huán)境等進(jìn)行了總結(jié)和分析，詳細(xì)介紹一種改進(jìn)的基于渦致振動(dòng)內(nèi)置壓電懸臂梁柔性圓筒俘能結(jié)構(gòu)。列舉了壓電能量收集幾種常用的電路，為該類技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了理論上的參考。

1 壓電俘能結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

1.1 “鰻魚”式壓電俘能結(jié)構(gòu)

“鰻魚”式壓電俘能結(jié)構(gòu)最早由Talor 等[13]提出，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由前置固定的鈍體以及后端PVDF 膜構(gòu)成，由于卡門渦街現(xiàn)象，當(dāng)在前方鈍體后方形成交替脫落的漩渦作用在PVDF 膜上時(shí)，PVDF 膜可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。研究結(jié)果表明，該類俘能結(jié)構(gòu)在流速小于1 m/s 時(shí)可產(chǎn)生微瓦級(jí)電量，并且能量收集效率可以達(dá)到37%，進(jìn)而證明了利用渦致振動(dòng)進(jìn)行壓電能量收集的可行性。自該結(jié)構(gòu)提出后，近年來有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化[14-18]。Hu等[19]制作了帶尾板的壓電振子俘能結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，該結(jié)構(gòu)降低了俘能結(jié)構(gòu)的固有頻率，使其更易達(dá)到“鎖頻”狀態(tài)，提高了發(fā)電性能。Hai 等[20]對(duì)PVDF 膜的形狀進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3(a)-(c)所示，對(duì)折疊型、U 型和H 型PVDF 膜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，H 型PVDF 具有更好的振動(dòng)能量收集性能，可產(chǎn)生28.2 mV 的電壓。由于PVDF 柔性較好，鈍體尾部激勵(lì)較小時(shí)即可產(chǎn)生較好振動(dòng)響應(yīng)，且柔性PVDF不易發(fā)生疲勞斷裂，因此適用于多種振動(dòng)環(huán)境，使用壽命較長。但PVDF 的壓電系數(shù)較小，致使俘獲的能量有限，不適用于所需壓電能量較高的傳感器供電。

圖1 “鰻魚”式壓電俘能結(jié)構(gòu)圖[13]Fig.1 "EEL" piezoelectric energy harvester[13]

圖2 帶尾板的壓電振子俘能結(jié)構(gòu)[19]Fig.2 Piezoelectric energy harvester with tail plate[19]

圖3 不同類型的PVDF 壓電俘能結(jié)構(gòu)[20]Fig.3 Different types of PVDF piezoelectric energy harvester[20]

1.2 單懸臂梁壓電俘能結(jié)構(gòu)

單懸臂梁式壓電俘能結(jié)構(gòu)由PZT 壓電懸臂梁與前置鈍體構(gòu)成。該類俘能器中，PZT 壓電懸臂梁連接于鈍體后方。當(dāng)流體流經(jīng)單懸臂梁壓電俘能結(jié)構(gòu)時(shí)，在鈍體后方產(chǎn)生交替脫落的漩渦，壓電懸臂梁則可以隨著鈍體后方脫落的漩渦一起運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生電能，其原理圖如圖4 所示。

圖4 單懸臂梁式壓電俘能結(jié)構(gòu)圖[21]Fig.4 Single cantilever piezoelectric energy harvester[21]

近年來，大量的研究人員對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)分析[21-22]。Sivadas 等[23]對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬，結(jié)果表明當(dāng)雷諾數(shù)為900 時(shí)，俘能結(jié)構(gòu)得到的最大平均功率為0.35 mW。Weinstein 等[14]設(shè)計(jì)了可以適應(yīng)不同環(huán)境的可調(diào)式單懸臂梁渦致振動(dòng)俘能器，該俘能器由前置圓柱鈍體，后加單自由度的壓電懸臂梁組成，它在5 m/s 風(fēng)速下的輸出功率高達(dá)3 mW，但體積較大不易實(shí)現(xiàn)微型化。Zhao 等[24]將PZT壓電片連接在方柱后方，研究了鈍體質(zhì)量、負(fù)載電阻等參數(shù)對(duì)輸出功率的影響。宋汝君等[25]在水流環(huán)境下對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和測(cè)試，負(fù)載電阻為0.5 MΩ、水流速為0.41 m/s 時(shí)，最大輸出功率為8.3 μW，為水下渦致振動(dòng)能量收集提供一種參考方案。Sun 等[26]對(duì)該俘能結(jié)構(gòu)的鈍體形狀進(jìn)行了研究(如圖5 所示)，考察圓柱、方柱、D 型以及球莖型截面柱體，提出了球莖型截面柱體為最優(yōu)鈍體形狀。Zhou[27]設(shè)計(jì)了一種新型的壓電雙晶片牽引式風(fēng)能收集器，將該俘能結(jié)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上收集風(fēng)能，為某些設(shè)備提供動(dòng)力。該類結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用于氣流引起的渦致振動(dòng)壓電能量收集，由于PZT 壓電常數(shù)較大、靈敏度較高，因此輸出電壓高、阻抗小，適用于需要高功率的傳感器件供能；但由于PZT 壓電陶瓷脆性較大，易疲勞斷裂，從而不適用高周期載荷的壓電能量收集系統(tǒng)。

1.3 垂直復(fù)擺式壓電俘能結(jié)構(gòu)

Molino-Minero-Re[28]于2012 年提出垂直復(fù)擺式壓電俘能結(jié)構(gòu)，原理圖如圖6 所示。垂直復(fù)擺式壓電俘能結(jié)構(gòu)由壓電懸臂梁和尾端鈍體連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將尾端圓柱浸入流體中，當(dāng)流體流經(jīng)下端鈍體時(shí)，由于渦致振動(dòng)，下端鈍體產(chǎn)生周期性的復(fù)擺振動(dòng)，從而帶動(dòng)上方的壓電懸臂梁產(chǎn)生周期性振動(dòng)而產(chǎn)生電能。

圖5 “球莖”阻流體俘能結(jié)構(gòu)[26]Fig.5 Bulb-shaped bluff body energy harvester[26]

圖6 垂直復(fù)擺式壓電俘能結(jié)構(gòu)圖[28]Fig.6 Vertical compound pendulum piezoelectric energy harvester[28]

目前，研究在水下進(jìn)行壓電能量收集的俘能結(jié)構(gòu)還較少，該類結(jié)構(gòu)為水下渦致振動(dòng)能量收集提供新的解決方案。Song 課題組[29-30]對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究(如圖7 所示)。結(jié)果表明，當(dāng)水流速為0.3 m/s 時(shí)，可以達(dá)到“鎖頻”狀態(tài)，此時(shí)輸出功率最大為84.49 μW，能量密度為60.35 mW/m2。Zhang等[31]在該結(jié)構(gòu)后方加不同形狀的鈍體，研究其對(duì)俘能結(jié)構(gòu)的影響(如圖8 所示)，結(jié)果表明，后方加方柱時(shí)俘能結(jié)構(gòu)的輸出功率比不加鈍體時(shí)提高了380%。趙道利課題組[32-33]對(duì)壓電片連接的鈍體形狀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明當(dāng)鈍體為三棱柱(70°)、流速為0.54 m/s 時(shí)，俘能結(jié)構(gòu)的輸出性能最好，最大功率為2.02 mW。該類結(jié)構(gòu)制作工藝簡單，壓電材料直接與鈍體連接，形成了I 型結(jié)構(gòu)，降低了壓電片的固有頻率，使俘能結(jié)構(gòu)在低水流速中也能夠產(chǎn)生共振。此外，該結(jié)構(gòu)除了受到流體的渦激力外，還增加了渦激力矩，增大俘能器的發(fā)電性能。但是由于該結(jié)構(gòu)的壓電懸臂梁未做封裝絕緣處理，防腐和防水性能較差，因此不能直接浸入水中，使用環(huán)境受到了限制。

圖7 垂直復(fù)擺式俘能結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)圖[29]Fig.7 Experimental diagram of vertical compound pendulum energy harvester[29]

圖8 鈍體形狀對(duì)俘能結(jié)構(gòu)的影響實(shí)驗(yàn)圖[31]Fig.8 Experimental diagram of the influence of bluff bodies of different shapes on energy harvester[31]

1.4 陣列式壓電俘能結(jié)構(gòu)

陣列式壓電俘能結(jié)構(gòu)即將多個(gè)壓電俘能結(jié)構(gòu)進(jìn)行串行或并行的放置，其更易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，能夠產(chǎn)生較大的輸出功率，可以給有較大功率需求的傳感器進(jìn)行供能。但是由于多個(gè)俘能結(jié)構(gòu)之間的相互影響，使各個(gè)壓電俘能結(jié)構(gòu)之間難以達(dá)到共振狀態(tài)，且后續(xù)的電路處理較復(fù)雜，因此目前的研究仍然較少。

Hobbs[34]提出了“Tree”型串列壓電俘能器(如圖9所示)，當(dāng)串列的俘能結(jié)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)，可產(chǎn)生96 μW的輸出功率。Abdelkefi 等[35]提出了圓柱和方柱串列式俘能結(jié)構(gòu)，分析了上下游俘能結(jié)構(gòu)的發(fā)電情況。結(jié)果表明，受上游圓柱尾部漩渦的影響，下游俘能結(jié)構(gòu)的輸出功率明顯高于上游的俘能結(jié)構(gòu)。Shan 等[36]將兩個(gè)相同參數(shù)的俘能結(jié)構(gòu)串列(如圖10 所示)，研究了不同間距比的俘能結(jié)構(gòu)的壓電俘能特性。結(jié)果表明，與單個(gè)壓電俘能結(jié)構(gòu)相比，串列式壓電俘能結(jié)構(gòu)輸出電壓和流速的有效輸出范圍都有了明顯的改善，為提高水下能量收集器的功率和拓寬頻率范圍提供了新的思路。

2 壓電能量收集電路技術(shù)的研究現(xiàn)狀

壓電能量收集電路關(guān)乎著是否能夠?qū)弘娔芰渴占b置產(chǎn)生的電能進(jìn)行有效地收集。根據(jù)壓電能量收集電路結(jié)構(gòu)的不同，大致可以將壓電能量收集電路分為四種:標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路、同步開關(guān)電荷能量收集電路、串聯(lián)同步電感能量收集電路以及并聯(lián)同步電感能量收集電路。

圖9 “Tree”型串列壓電俘能器[34]Fig.9 "Tree" type tandem piezoelectric energy harvester[34]

圖10 相同參數(shù)的俘能結(jié)構(gòu)串列[36]Fig.10 Series of energy harvester with the same parameters[36]

2.1 標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路

標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路[37]由一個(gè)整流橋和一個(gè)濾波電容C 構(gòu)成，RL為電路中的等效負(fù)載電阻。當(dāng)壓電元件(俘能結(jié)構(gòu))由于振動(dòng)輸出交流信號(hào)時(shí)，經(jīng)整流橋?qū)⒔涣餍盘?hào)轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的直流信號(hào)，當(dāng)濾波電容足夠大時(shí)，可以為負(fù)載電阻儲(chǔ)存足夠多的能量，保證電路能夠輸出平穩(wěn)的電壓。

2.2 同步開關(guān)電荷能量收集電路

同步開關(guān)電荷能量收集電路[38]在整流橋的后面并聯(lián)一個(gè)電感和開關(guān)，當(dāng)壓電元件(俘能結(jié)構(gòu))兩端的電壓達(dá)到峰值時(shí)，開關(guān)閉合，等效電容Cp與電感L 形成振蕩回路，然后存儲(chǔ)在Cp中的由壓電元件產(chǎn)生的電能完全轉(zhuǎn)移至電感L 上，即1/4 振蕩周期后，開關(guān)斷開。

2.3 串聯(lián)同步電感能量收集電路

串聯(lián)同步電感能量收集電路[39]將電感和開關(guān)與壓電元件進(jìn)行串聯(lián)。工作時(shí)與同步開關(guān)電荷能量收集電路類似，當(dāng)壓電元件產(chǎn)生的電壓達(dá)到峰值時(shí)，開關(guān)閉合，此時(shí)電感與壓電元件的內(nèi)部等效電容形成一個(gè)振蕩電路，然后產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)移至后方的存儲(chǔ)電容中，即經(jīng)1/2 振蕩周期后，開關(guān)斷開。開關(guān)斷開后，壓電元件的極性翻轉(zhuǎn)，則完成了一個(gè)周期的能量收集。

2.4 并聯(lián)同步電感能量收集電路

并聯(lián)同步電感能量收集電路[40]在壓電元件與整流橋之間并聯(lián)一個(gè)開關(guān)和一個(gè)電感，當(dāng)壓電元件(俘能結(jié)構(gòu))產(chǎn)生的電壓達(dá)到峰值時(shí)，開關(guān)進(jìn)行閉合，此時(shí)俘能結(jié)構(gòu)內(nèi)部的等效夾持電容Cp與并聯(lián)的電感L 形成一個(gè)振蕩電路，經(jīng)過1/2 個(gè)周期后，開關(guān)斷開，在夾持電容上的電壓發(fā)生反向翻轉(zhuǎn)時(shí)，整流橋?qū)?，壓電的電壓方向與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方向一致，提升了機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的效率。

各電路簡圖及優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。俘能結(jié)構(gòu)、負(fù)載電阻、開關(guān)的靈敏度等因素對(duì)能量收集電路的設(shè)計(jì)具有很大的影響。標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路實(shí)現(xiàn)容易且能夠?qū)崿F(xiàn)自供電，負(fù)載的電阻需要準(zhǔn)確把握，否則將會(huì)影響收集效率。同步開關(guān)電荷能量收集電路中輸出功率恒定，電路實(shí)現(xiàn)容易，但是對(duì)于開關(guān)要求較高，不易實(shí)現(xiàn)電路自供電。串聯(lián)和并聯(lián)同步電感電路提高了能量收集效率，相比于前兩種電路較復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)電路自供電。在能量收集的電路發(fā)展過程中，電路易實(shí)現(xiàn)以及與負(fù)載無關(guān)性已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，接下來電路的自供電特性和提高能量收集的效率將是能量收集電路的重要發(fā)展方向。

表1 不同能量收集電路比較Tab.1 Comparison of different energy harvesting circuits

3 內(nèi)置壓電梁柔性圓筒俘能結(jié)構(gòu)

基于渦致振動(dòng)的內(nèi)置壓電懸臂梁柔性圓筒俘能結(jié)構(gòu)[50]如圖11 所示，俘能結(jié)構(gòu)由柔性薄壁圓筒、壓電雙晶片、電極引線、密封蓋以及固定支座組成。將壓電陶瓷片對(duì)稱粘附在金屬基板的雙側(cè)構(gòu)成雙晶壓電懸臂梁，并沿軸向置于柔性圓筒內(nèi)部，使用電極引線與能量收集電路連接，圓筒頂端使用密封蓋進(jìn)行密封。使用時(shí)將俘能結(jié)構(gòu)底端固定，雙晶壓電懸臂梁的中性面與來流方向平行，上端自由立于流體域內(nèi)。該結(jié)構(gòu)制作簡單，壓電懸臂梁置于柔性圓筒內(nèi)部，不與流體直接接觸，解決了直接使用壓電懸臂梁易疲勞斷裂的問題，且密封性和防腐性能較好，克服了以往俘能結(jié)構(gòu)由于防水問題不能直接將海洋、江河底部的流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的問題。將上述結(jié)構(gòu)在水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖12 所示。

圖11 內(nèi)置壓電梁柔性圓筒俘能結(jié)構(gòu)Fig.11 Built-in piezoelectric beam flexible cylinder energy harvester

圖12 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.12 Experimental setup

測(cè)試流速為1.2 m/s，考察前置剛性阻流體與俘能結(jié)構(gòu)不同間距對(duì)發(fā)電性能的影響，結(jié)果如圖13 所示。隨著間距的逐漸增大，其發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓峰-峰值先增大后降低，當(dāng)間距為7 cm 時(shí)，電壓峰-峰值達(dá)到最大，為4.869 V，此時(shí)的波形圖如圖14 所示，為平穩(wěn)輸出的正弦波。將該結(jié)構(gòu)輸出的電信號(hào)經(jīng)能量收集芯片LTC3588 處理后連接一個(gè)發(fā)光二極管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，俘能結(jié)構(gòu)每工作6 s，可點(diǎn)亮一次發(fā)光二極管，證明了該結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和可行性。

圖13 不同間距下電壓峰-峰值Fig.13 Peak-to-peak voltage at different intervals

圖14 間距為7 cm 時(shí)波形圖Fig.14 Waveform when the spacing is 7 cm

4 總結(jié)與展望

目前國內(nèi)外對(duì)于渦致振動(dòng)壓電能量收集技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一些成果。本文對(duì)目前國內(nèi)外的幾種壓電俘能結(jié)構(gòu)和收集電路進(jìn)行了總結(jié)和分析。結(jié)果表明，未來的研究中應(yīng)著重解決俘能結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和提高能量收集效率的問題。

(1)針對(duì)壓電俘能結(jié)構(gòu)，目前大多數(shù)的研究方向均為單個(gè)的俘能結(jié)構(gòu)的發(fā)電性能及影響因素，而對(duì)多個(gè)俘能結(jié)構(gòu)的陣列研究較少。陣列結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)能量收集的規(guī)模化，并為不同供能需求的傳感器提供電能，因此多個(gè)俘能結(jié)構(gòu)陣列將是接下來的研究重點(diǎn)。

(2)目前的俘能結(jié)構(gòu)大多適用高流速的氣流中，而對(duì)于在低流速的水下環(huán)境、復(fù)雜流體如石油等環(huán)境中適用的俘能結(jié)構(gòu)還較少，接下來應(yīng)該考察不同環(huán)境對(duì)俘能結(jié)構(gòu)發(fā)電性能的影響，以使俘能結(jié)構(gòu)能在各種環(huán)境中廣泛應(yīng)用。

(3)目前大多數(shù)的能量收集電路所需的輸入電壓較高，導(dǎo)致一些產(chǎn)生較小電壓的俘能結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)化效率不高，優(yōu)化壓電能量收集電路，提高轉(zhuǎn)化效率是急需解決的問題。