黃浩博 曹 迪 周志勇 杜文風(fēng)

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南開封 475004)

引言

近年來,石油、煤炭等化石燃料造成的溫室效應(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)重,而且化石能源是不可再生能源,如何從環(huán)境中獲取和利用清潔的可再生能源,是目前國內(nèi)外的一個研究熱點.人們對從自然與工業(yè)環(huán)境中收集能量給予了極大地關(guān)注,因為這項技術(shù)有望實現(xiàn)微型電子設(shè)備的自供電,具有巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景[1],比如將其應(yīng)用于無線傳感器[2]、健康監(jiān)測器、可植入可穿戴微電子設(shè)備[3-4]和交通設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[5]等.能量收集的目標(biāo)是提取環(huán)境中的綠色能源,提取的能量可以轉(zhuǎn)換成可用的電能.自然環(huán)境中存在著各種形式的振動源和取之不盡用之不竭的天然能源,包括機械振動[6]、潮汐能[7]、風(fēng)能[8]、太陽能[9]和地?zé)崮躘10]等.

在上述這些有潛力的綠色能源中,風(fēng)能廣泛存在于自然界,其分布廣泛、能量豐富且可持續(xù)收集,是一種綠色、清潔的生態(tài)友好型能源[11-13].目前,風(fēng)能收集裝置主要可分為渦輪風(fēng)力發(fā)電機和風(fēng)致振動能量收集器兩大類,其中渦輪風(fēng)力發(fā)電機主要是利用旋轉(zhuǎn)的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械動能,然后通過與電磁發(fā)電機相連的轉(zhuǎn)軸將其轉(zhuǎn)化為電能.發(fā)電功率可達(dá)千瓦甚至兆瓦級[14].盡管渦輪風(fēng)力發(fā)電機已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)運行,成為供電系統(tǒng)的主要補充,但渦輪風(fēng)力發(fā)電機啟動風(fēng)速相對較高[15]且體型巨大,運行中的渦輪風(fēng)力發(fā)電機也會產(chǎn)生較大的噪音,會影響人們的身體健康[16].此外,渦輪風(fēng)力發(fā)電機的運行還會造成鳥類撞擊死亡[17-18],影響環(huán)境中鳥類和動物的生存,會對生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞.所以渦輪風(fēng)力發(fā)電機一般都分布在地廣人稀的僻遠(yuǎn)地區(qū)或人類無法居住的淺海地區(qū),無法長期有效地為分布廣泛、數(shù)量龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他各種微電子設(shè)備供電.風(fēng)致振動式風(fēng)能收集器主要是基于渦激振動[19]、馳振[20]和顫振[21]等流固耦合失穩(wěn)機理將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為振動能,再利用壓電效應(yīng)[22-24]、電磁感應(yīng)[25-26]與摩擦電效應(yīng)[27-28]等轉(zhuǎn)換機制,將振動能轉(zhuǎn)換為電能.渦激振動是在低風(fēng)速下出現(xiàn)的一種典型的風(fēng)致振動現(xiàn)象,在低風(fēng)速環(huán)境下的風(fēng)能收集具有獨特優(yōu)勢[29-30],而且利用壓電效應(yīng)的渦激振動風(fēng)能收集器具有成本低、功率密度高、結(jié)構(gòu)簡單且易于小型化等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注[31],目前相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了比較深入的研究.本文總結(jié)了渦激振動能量收集器的工作原理、研究現(xiàn)狀,并綜述近些年相關(guān)領(lǐng)域最新的性能增強方法,最后對渦激振動壓電風(fēng)能收集器的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望.

1 渦激振動壓電風(fēng)能收集器的工作原理和研究進(jìn)展

1.1 工作原理

渦激振動壓電風(fēng)能收集器是一種利用流體動力學(xué)效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備.其基本工作原理是將流體介質(zhì)(如空氣、水等)在通過固定的結(jié)構(gòu)物表面時所產(chǎn)生的渦激振動能量收集下來,并將其轉(zhuǎn)化為電能.在合理的風(fēng)速范圍內(nèi),當(dāng)渦脫落頻率接近系統(tǒng)固有頻率時,系統(tǒng)會出現(xiàn)頻率鎖定(lockin)現(xiàn)象[29],這意味著在一定的風(fēng)速范圍內(nèi),渦脫落的頻率不再隨流速變化,這種鎖定現(xiàn)象類似于結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的共振現(xiàn)象,可以激發(fā)顯著的振動,有利于風(fēng)能的收集,風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)產(chǎn)生頻率鎖定現(xiàn)象時對應(yīng)的風(fēng)速稱為鎖定風(fēng)速.旋渦脫落頻率f定義為f=uS t/L[32],其中S t為斯特勞哈爾數(shù),并且在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)(300

渦激振動壓電風(fēng)能收集器的流-固-電耦合動力學(xué)方程可以表示為[34]

式中,ωs為脫落頻率,D為鈍體直徑,λ 和A為可以通過實驗得到的經(jīng)驗值,ri(t)為位移的模態(tài)坐標(biāo),φi(x)和 φj(x)為懸臂梁的振型,CP為壓電片的等效電容,R為外部電阻,Θ 為機電耦合系數(shù),L0為鈍體的長度,U0為輸入流體的速度

式中,wp為壓電片的寬度,tb為襯底的厚度.

1.2 研究進(jìn)展

一些研究已經(jīng)證明雷諾數(shù)變化對圓柱的渦激振動現(xiàn)象有很顯著的影響[35-36].近幾年,Zhang 等[37]研究了亞臨界雷諾數(shù)下光滑圓柱的渦激振動氣動阻尼模型,并分析了雷諾數(shù)500～33 000 范圍內(nèi)的模型動力學(xué)響應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)該模型可以模擬彈性支承下的剛性圓柱在不同質(zhì)量阻尼參數(shù)對結(jié)構(gòu)振幅的影響.后來,Zhang 等[38]又探索了不同雷諾數(shù)對渦激振動壓電能量收集器的功率輸出的影響,通過數(shù)值模擬和實驗驗證,探究了兩種典型雷諾數(shù)下與振幅相關(guān)的氣動參數(shù).Cheng 等[39]研究了低雷諾數(shù)下具有非線性恢復(fù)力的彈簧結(jié)構(gòu)對圓柱的渦激振動響應(yīng)的影響.通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),加入非線性彈簧的結(jié)構(gòu),圓柱的頻率鎖定范圍與純線性結(jié)構(gòu)有明顯的差異,渦激振動響應(yīng)的初始分支的范圍得到擴展,而高分支和低分支范圍受到抑制.可以通過線性彈簧和不同剛度的非線性彈簧的組合來調(diào)節(jié)頻率鎖定范圍,以增強能量收集.

此外,優(yōu)化能量收集結(jié)構(gòu)的各項物理參數(shù)是增強收集性能的有效方式.Mehdipour 等[40]研究了鈍體的橫截面形狀、壓電梁和壓電材料的尺寸對風(fēng)能收集效率的影響.研究發(fā)現(xiàn),鈍體的阻力系數(shù)越大,其背后的壓差越大,從而產(chǎn)生的電壓幅值也越大.在低風(fēng)速下,使用完全覆蓋壓電材料的較長懸臂梁的結(jié)構(gòu)有更好的電能輸出性能;而在高風(fēng)速下,使用完全覆蓋壓電材料的較短懸臂梁能夠輸出更高的電能.Karimzadeh 等[41]探究了梁長度、圓柱直徑、負(fù)載電阻和壓電層厚度等參數(shù)在不同流速下對電能輸出功率密度的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠有效增加電能輸出功率密度.Alam[42]利用數(shù)值模擬研究了雷諾數(shù)為150 時圓柱與另一圓柱尾跡相互作用引起的結(jié)構(gòu)振動,闡明了風(fēng)速、圓柱間距、圓柱直徑、圓柱質(zhì)量、阻尼和質(zhì)量阻尼比等參數(shù)對響應(yīng)振幅的影響規(guī)律.Ambro?kiewicz 等[43]利用5 種不同的鈍體分析了粘貼壓電纖維復(fù)合材料的懸臂梁在風(fēng)載荷和基礎(chǔ)激勵共同作用下的電能輸出效率,在風(fēng)速范圍為4～15 m/s 和基礎(chǔ)激勵頻率為0～10 Hz 的條件下開展了實驗研究,在整個風(fēng)速測試范圍內(nèi),鈍體質(zhì)量和激勵頻率對電能輸出有著非常大的影響.Verma 等[44]探索了帶狹縫圓柱的渦激振動壓電能量收集結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)特性,研究發(fā)現(xiàn)狹縫位置對結(jié)構(gòu)振動影響較大,當(dāng)狹縫位置靠近前駐點時,氣流會較早地脫離圓柱表面,導(dǎo)致圓柱后方壓力增加,使升力系數(shù)和圓柱體振幅變大,有利于電能輸出.Tang 等[45]研究了上游圓柱尾流對下游具有超表面結(jié)構(gòu)(meta-surface structure)振動圓柱的風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)能量輸出的影響,研究發(fā)現(xiàn): 布置較長的上游圓柱體能夠使下游風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)具有更高效的電能輸出效率,另外在下游振動圓柱表面布置合適的超表面結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步增加風(fēng)能收集效率.Jebelli等[46]通過數(shù)值模擬研究了自由振動平板對圓柱結(jié)構(gòu)下游尾流渦街的影響,研究發(fā)現(xiàn),板和剪切層的相互作用能夠強化渦街的形成,隨著圓柱和平板間距的減小,結(jié)構(gòu)振動幅度逐漸增加.Ramírez[47]推導(dǎo)出了多個任意位置的渦激振動壓電能量收集結(jié)構(gòu)的耦合公式,并利用該公式開發(fā)了一個新的OpenFOAM庫并用于模擬多組收集結(jié)構(gòu)的耦合工作.通過對單組和兩組串聯(lián)放置的收集結(jié)構(gòu)的仿真模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證了所提出公式的準(zhǔn)確性.該公式不僅能夠準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)機電變量和結(jié)構(gòu)位移,也能夠?qū)δ芰渴占Y(jié)構(gòu)的電量輸出性能進(jìn)行評估.Zhao 等[48]推導(dǎo)出了壓電能量收集結(jié)構(gòu)在渦激力作用下的彎曲-扭轉(zhuǎn)耦合強迫振動的閉合解,并重點研究了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對能量收集的影響,研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)激發(fā)扭轉(zhuǎn)共振會使得風(fēng)能收集器在更大的風(fēng)速范圍內(nèi)保持高電壓輸出.Lu 等[49]提出一種新型的二自由度渦激振動壓電風(fēng)能收集器,并建立了相應(yīng)的動力學(xué)方程,通過對其氣動特性的深入研究,發(fā)現(xiàn)該二自由度渦激振動壓電風(fēng)能收集器具有兩個頻率鎖定風(fēng)速區(qū)域,兩個風(fēng)速區(qū)域分別對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的一階共振和二階共振,非常有利于寬風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能高效收集.

Naseer 等[50]探究了在渦激振動和基礎(chǔ)激勵耦合作用下磁耦合單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)能量收集結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)和電能輸出特性,通過改變磁鐵的相對位置,能夠?qū)崿F(xiàn)單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)特性.引入單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)特性能夠有效增加結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)幅值,且基礎(chǔ)激勵的強度對阱間跳躍影響很大.Huang等[51]提出了一種具有可調(diào)剛度的電磁雙穩(wěn)態(tài)能量收集器,考慮了渦激力、尾跡振蕩效應(yīng)、負(fù)線性剛度和混合激勵的影響,推導(dǎo)出了該結(jié)構(gòu)的磁-機-電耦合數(shù)學(xué)模型,并通過數(shù)值仿真對頻率鎖定現(xiàn)象風(fēng)速范圍內(nèi)的渦激振動進(jìn)行了初步驗證.Ma 等[52]提出了一種具有三穩(wěn)態(tài)特性的壓電風(fēng)能收集器,考慮了等效非線性恢復(fù)力,建立了該結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型,通過數(shù)值分析和實驗驗證,與不同非線性特性下雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的能量收集特性進(jìn)行對比,研究結(jié)果表明具有三穩(wěn)態(tài)特性壓電風(fēng)能收集器相比于相應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),易于實現(xiàn)阱間運動,具有較寬的高效工作風(fēng)速范圍.Mishra 等[53]研究了結(jié)構(gòu)非線性對剛性圓柱體渦激振動的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明,阻尼比和非線性剛度對渦激振動響應(yīng)有較大影響,與線性彈簧相比,軟化結(jié)構(gòu)剛度會使結(jié)構(gòu)振幅峰值減小,反之,硬化結(jié)構(gòu)剛度則能夠增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)振幅.Li 等[54]考慮了幾何非線性對風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)的影響,基于哈密頓原理建立了壓電風(fēng)能收集器的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值模擬和實驗分析來驗證準(zhǔn)確性,所提出的幾何非線性模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測渦激振動和馳振耦合作用下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng).

2 渦激振動壓電風(fēng)能收集器的效率提升

在實際風(fēng)環(huán)境中,存在著很多制約渦激振動壓電風(fēng)能收集器高效工作的因素,如: 風(fēng)速不穩(wěn)定、風(fēng)速持續(xù)過低或過高,可能會導(dǎo)致風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)無法起振[55]或產(chǎn)生過大的振幅受到破壞[56];自然風(fēng)可能來自各個方向而風(fēng)能收集器可能只有在特定的攻角下才可以保持高性能等.經(jīng)典的渦激振動能量收集器收集往往只能在一個很小的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生頻率鎖定現(xiàn)象.在風(fēng)速多變的環(huán)境中,其輸出功率通常較低,難以保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電能需求.對渦激振動壓電風(fēng)能收集器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,是擴展其高效工作風(fēng)速區(qū)域和增加輸出功率的有效途徑.為了進(jìn)一步增加渦激振動能量收集器在實際風(fēng)環(huán)境下的性能和可靠性,研究人員提出了許多提高風(fēng)能收集性能的方法,如: 優(yōu)化鈍體的形態(tài)、加入非線性恢復(fù)力、構(gòu)造幾何非線性構(gòu)型、構(gòu)造多自由度收集結(jié)構(gòu)、設(shè)計多向收集結(jié)構(gòu)等.

2.1 鈍體形態(tài)優(yōu)化

改變收集結(jié)構(gòu)中的鈍體形態(tài)是優(yōu)化渦激振動風(fēng)能收集器的一種有效途徑,很多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究.Wang 等[57]研究發(fā)現(xiàn),改變圓柱與來流之間的傾角,可以拓寬渦激振動壓電能量收集器的高效工作風(fēng)速區(qū)間.當(dāng)傾角為60°時,高效風(fēng)速區(qū)間增加229%,并且在合適的傾角和風(fēng)速下會使橫向彎曲振動與扭轉(zhuǎn)振動疊加,從而產(chǎn)生高電壓輸出.Azadeh-Ranjbar 等[58]通過減小圓柱的長度與直徑之比,有效地擴大了渦激振動頻率鎖定的風(fēng)速區(qū)域,并增加結(jié)構(gòu)振動的振幅,發(fā)現(xiàn)圓柱的長度與直徑之比從28.8 減小到5 的過程中,功率輸出最高增加了22 倍.

Wang 等[59]研究了布置不同凸出形狀的超表面(metasurface)圓柱體對風(fēng)能收集效率的影響,如圖2(a)所示.通過數(shù)值仿真和實驗研究,發(fā)現(xiàn)選擇合適凸出形狀的超表面可以顯著擴大鎖定區(qū)域,例如,圓柱表面布置凸半球圖形的收集器最大電壓和位移幅值分別提高了15.56%和31.34%.隨后,Wang 等[60]研究了布置不同凹陷圖形的超表面圓柱鈍體對風(fēng)能收集效率的影響,如圖2(b)所示.發(fā)現(xiàn)“凹H”模型可以增強圓柱體的振幅幅值,與光滑圓柱體相比,“凹H”模型不僅使輸出的最大電壓均方根提高了9.44%,而且將高效工作區(qū)間擴大了30.77%.

圖2 (a)4 種突出的超表面圖形[59];(b)幾種凹陷的超表面圖形[60];(c)安裝對稱分流板的風(fēng)能收集器[61];(d)安裝非對稱分流板的風(fēng)能收集器[62]Fig.2 (a)Four prominent metasurface patterns [59];(b)Several kinds of dented meta-surface patterns [60];(c)Wind energy harvester with two symmetric splitting plates [61];(d)Wind energy harvester with two asymmetrical splitting plates [62]

此外,Wang 等[61]還嘗試在圓柱表面安裝兩個對稱的分流板,來增強風(fēng)能收集效率,收集器結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示.通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗研究了7 種不同安裝角度的雙分流板對能量收集效率的影響.當(dāng)雙分流板安裝角度 α=60°時,與無分流板的傳統(tǒng)渦激振動壓電風(fēng)能收集器相比最大輸出電壓提升188.61%.后來,Wang 等[62]另一項研究又提出一種安裝兩個非對稱分流板的渦激振動風(fēng)能收集器,如圖2(d)所示.研究表明安裝非對稱分流板改變了渦脫落特性,將振動模式從渦激振動轉(zhuǎn)變?yōu)轳Y振,可以顯著拓寬工作風(fēng)速區(qū)間,提高能量收集性能.與傳統(tǒng)的渦激振動風(fēng)能收集器相比,安裝夾角α=60°和β=90°的分流板使得收集器輸出功率最高提升了471.2%.

Li 等[63]研究了變截面鈍體對渦激振動能量收集性能的影響,設(shè)計了一系列由D 形(D)柱和原圓形(O)柱組合而成的組合鈍體,如圖3(a)所示.將3 種實驗混合鈍體分別命名為ODO,ODODO 和DOD.通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗研究,發(fā)現(xiàn)與原圓柱相比,ODODO,DOD 等混合鈍體可以顯著提高收集效率,鎖定區(qū)域?qū)⒎謩e增大12.5%和62.5%,最大輸出電壓分別提高了38.2%和41.4%,而ODO 形鈍體會抑制結(jié)構(gòu)振動,不利于風(fēng)能收集.

圖3 (a)變截面鈍體的風(fēng)能收集器[63];(b)鈍體前部含V 型槽的風(fēng)能收集器[64];(c)使用六瓣型圓柱鈍體的風(fēng)能收集器[65]Fig.3 (a)Wind energy harvester owning a bluff body with variable sections [63];(b)Wind energy harvester owning a bluff body with V-shaped groove at the front [64];(c)Wind energy harvester with six-petal cylinder bluff body [65]

Siritham 等[64]對一個標(biāo)準(zhǔn)圓柱鈍體進(jìn)行了改進(jìn),使其前端具有V 形槽,如圖3(b)所示.實驗研究結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大時,槽角在45°～68°之間的槽型具有高效功率輸出性能,當(dāng)在槽角為68°、風(fēng)速為7 m/s 時,可提供20.33 mW 的最大均方根功率輸出,約為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的140 倍.

Hosseini 等[65]提出了一種具有類似花瓣橫截面鈍體的新型仿生風(fēng)能收集器,如圖3(c)所示.并對凹凸兩種攻角下的六瓣形的圓柱體進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)六瓣形圓柱體凹面迎風(fēng)時,不僅顯著提高了最大輸出電壓,最大輸出電壓增加260%以上,而且還拓展了適合能量收集的雷諾數(shù)范圍.

2.2 非線性恢復(fù)力的引入

在風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)中引入非線性力會使梁在發(fā)生彎曲變形時,所產(chǎn)生的恢復(fù)力與其位移或變形之間關(guān)系不再是簡單的線性關(guān)系.過往的基礎(chǔ)激勵的振動能量收集研究已經(jīng)證實引入非線性力可以改變收集結(jié)構(gòu)的等效剛度,能夠使得結(jié)構(gòu)在較寬的頻率范圍激勵下,產(chǎn)生大幅振動[66-67],有效提高振動能的收集效率.并且一些學(xué)者的研究中已經(jīng)通過引入非線性特性來增強收集結(jié)構(gòu)的輸出性能[68-69].基于這些過往的研究思路,通過在渦激振動能量收集器引入非線性特性,是提高流體動能收集的一條有效途徑.本節(jié)介紹了國內(nèi)外一些學(xué)者利用非線性特性改善收集器在實際風(fēng)環(huán)境中的收集性能的研究.

Wu 等[70]設(shè)計了一種新型的雙穩(wěn)態(tài)壓電風(fēng)能收集器,如圖4(a)所示.該結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷作用下,能夠在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間產(chǎn)生大撓度彎曲和局部高頻振動,從而輸出較高的電能.在2.5～8.5 m/s 的風(fēng)速范圍內(nèi)實驗測試了該收集器的工作特性,風(fēng)速達(dá)到8.5 m/s 時,電阻值為47 kΩ、輸出功率達(dá)到了4.216 mW.Joy 等[71]提出了一種圓柱體附有可旋轉(zhuǎn)重力擺的非線性渦激振動壓電風(fēng)能收集器,如圖4(b)所示.在風(fēng)場中,圓柱能夠產(chǎn)生渦激振動并帶動重力擺擺動.研究發(fā)現(xiàn): 當(dāng)風(fēng)速超出渦激振動頻率鎖定區(qū)間,若渦街脫落頻率為重力擺擺動頻率的兩倍時,會發(fā)生耦合共振,能夠顯著增加風(fēng)能收集效率.

圖4 (a)新型雙穩(wěn)態(tài)壓電風(fēng)能收集器[70];(b)附著非線性旋轉(zhuǎn)重力擺的風(fēng)能收集器[71];(c)新型多穩(wěn)態(tài)渦激-馳振風(fēng)能收集器[72];(d)雙穩(wěn)態(tài)渦激-馳振風(fēng)能收集器[73];(e)磁耦合彎曲-扭轉(zhuǎn)風(fēng)能收集器[74];(f)磁耦合間接激勵風(fēng)能收集器[75]Fig.4 (a)Bi-stable piezoelectric wind energy harvester [70];(b)Wind energy harvester with non-linear rotating gravity pendulum [71];(c)Multi-stable wind energy harvester integratinggalloping and vortex-induced vibration [72];(d)Bi-stable wind energy harvester integrating vortex-induced vibration and galloping[73];(e)Magnetically coupling bending-torsion wind energy harvester [74];(f)Wind energy harvester by magnetic force coupling [75]

為了從變速風(fēng)中獲取更多的能量,Zhou 等[72]提出了一種渦激振動和馳振耦合多穩(wěn)態(tài)壓電風(fēng)能收集器,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4(c)所示,通過引入一個圓柱體和兩個方柱體用于實現(xiàn)渦激振動和馳振耦合,并引入磁引力實現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)特性.實驗研究表明結(jié)構(gòu)能夠在1 m/s 以上的低速弱風(fēng)環(huán)境下具有較高的風(fēng)能收集效率.并且在3 m/s 風(fēng)速下,三穩(wěn)態(tài)風(fēng)能收集器的均方根輸出電壓高達(dá)1.03 V,相比雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)風(fēng)能收集器(0.7 V)提高了約47%.后來Wang 等[73]提出了一種二自由度雙穩(wěn)態(tài)耦合渦激-馳振壓電風(fēng)能收集器,如圖4(d)所示.該收集器可以在1.5 m/s 的低風(fēng)速下產(chǎn)生阱間跳躍,輸出較高的電壓.在高風(fēng)速下也能保持穩(wěn)定的高輸出.

Sui 等[74]提出了一種采用圓柱非對稱放置的磁耦合彎扭壓電能量收集器,如圖4(e)所示.并基于歐拉-伯努利梁理論和拉格朗日方程,推導(dǎo)出了該系統(tǒng)的分布參數(shù)模型.通過數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn),與非磁耦合收集結(jié)構(gòu)相比,所提出收集器的輸出功率和頻率鎖定風(fēng)速區(qū)間分別提高了180%和230%.

Kan 等[75]提出了一種新型磁耦合間接激勵壓電風(fēng)能收集器,如圖4(f)所示.該結(jié)構(gòu)將壓電結(jié)構(gòu)密封在頂部腔室中,在惡劣天氣環(huán)境中能夠避免被無定向的大風(fēng)破壞,通過仿真模擬和實驗驗證發(fā)現(xiàn): 該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)渦激振動與馳振的耦合,最大輸出功率可達(dá)4.73 mW.

2.3 多風(fēng)向壓電風(fēng)能收集器

目前的大多數(shù)研究都集中在提高收集效率或擴大收集器的工作風(fēng)速范圍上[76-77],這使得收集器只能在某一特定的風(fēng)向下才能具有較高的風(fēng)能收集效率.而實際環(huán)境中自然風(fēng)的風(fēng)向往往不穩(wěn)定且沒有規(guī)律,甚至可能來自任何方向[78],這就導(dǎo)致面向單風(fēng)向的風(fēng)能收集器無法高效工作,不利于實際應(yīng)用.因此,如何提升風(fēng)能收集器在多風(fēng)向下的收集性能成為了重要研究方向之一,目前該研究仍處于起步階段.

Shi 等[79]設(shè)計了一種基于渦激振動的正交雙梁全向風(fēng)能收集結(jié)構(gòu),如圖5(a)所示.通過風(fēng)洞實驗研究發(fā)現(xiàn): 傳統(tǒng)的單梁風(fēng)能收集器只能在風(fēng)攻角為0° <θ≤22.5°時具有較大的振幅和電能輸出效率.對所有風(fēng)向,該正交雙梁風(fēng)能收集器的總位移響應(yīng)幾乎總是垂直于風(fēng)向,并保持較大的橫風(fēng)振動響應(yīng)和較大的輸出功率.Li 等[80]提出了一種全風(fēng)向壓電風(fēng)能收集器,如圖5(b)所示.該結(jié)構(gòu)由外部位移圓柱殼和內(nèi)部支承圓柱殼的3 個半圓形的壓電梁組成,仿真和實驗研究結(jié)果表明,風(fēng)向?qū)偣β实挠绊戄^小,在9 m/s 的風(fēng)速下,不同風(fēng)向下的最小總功率與最大總功率之比僅為0.88.

圖5 (a)具有正交雙梁的壓電風(fēng)能收集器[79];(b)全風(fēng)向壓電風(fēng)能收集器[80];(c)磁耦合雙向風(fēng)能收集器[81];(d)可旋轉(zhuǎn)的方向自適應(yīng)的風(fēng)能收集器[82];(e)雙圓柱風(fēng)向自適應(yīng)型風(fēng)能收集器[83]Fig.5 (a)Piezoelectric wind energy harvester with orthogonal bi-beam [79];(b)In-plane omnidirectional piezoelectric wind energy harvester [80];(c)Bi-directional energy harvester with magnetic interaction [81];(d)Rotating and direction-adaptive wind energy harvester [82];(e)Direction-adaptive wind energy harvester fitted with double cylinders [83]

Su 等[81]提出了一種雙向風(fēng)能收集器,如圖5(c)所示.該結(jié)構(gòu)將兩個圓柱鈍體水平固定在一U 形梁中心,并在U 型梁上部的兩端布置了4 個磁鐵,能夠在垂直的兩個風(fēng)向下進(jìn)行風(fēng)能收集.通過風(fēng)洞測試發(fā)現(xiàn),收集結(jié)構(gòu)水平放置可以利用磁力相互作用,顯著提高峰值電壓并拓展高效收集的風(fēng)速范圍.

Zhang 等[82]提出了一種可隨著風(fēng)向旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)能收集器,如圖5(d)所示.該結(jié)構(gòu)將一對可旋轉(zhuǎn)的鉸鏈固定在旋轉(zhuǎn)軸上,在任意風(fēng)向下均能通過旋轉(zhuǎn)自動調(diào)整壓電梁方向,使得收集結(jié)構(gòu)可以保持最優(yōu)的迎風(fēng)方向進(jìn)行風(fēng)能收集.

侯成偉等[83]提出了一種有兩個L 型壓電梁連接圓柱的風(fēng)向自適應(yīng)型渦激振動壓電風(fēng)能收集器,如圖5(e)所示.此收集器可以根據(jù)風(fēng)向的變化,自主調(diào)節(jié)迎風(fēng)角度.通過風(fēng)洞測試得出: 受不同方向來風(fēng)激勵時,收集器的輸出功率絕對積分面積的平均相對偏差不大于6.1%;收集器開啟風(fēng)向自適應(yīng)狀態(tài)相對關(guān)閉狀態(tài),兩個壓電俘能梁的輸出功率絕對積分面積平均值分別提升了468.2%和492.3%.

2.4 混合結(jié)構(gòu)的壓電風(fēng)能收集器

為了使渦激振動風(fēng)能收集器能夠適應(yīng)自然風(fēng)環(huán)境并具有較高的電能輸出效率,一些學(xué)者針對同時利用不同風(fēng)致振動機理和能量轉(zhuǎn)換機制,對風(fēng)能收集進(jìn)行了深入研究.不同的鈍體結(jié)構(gòu)具有不同的最佳風(fēng)能收集環(huán)境,通過結(jié)合不同的鈍體結(jié)構(gòu)可以拓寬收集器的工作風(fēng)速區(qū)間,從而提高風(fēng)能收集效率.并且一些研究發(fā)現(xiàn)同時利用多種能量轉(zhuǎn)換機制,也能夠能顯著提高電能輸出.

渦激振動和馳振能量收集器的高效工作風(fēng)速范圍一般是不同的,渦激振動往往在低風(fēng)速環(huán)境下的某一小段風(fēng)速區(qū)間具有較高的風(fēng)能收集效率.而馳振能量收集器只有在高風(fēng)速下具有較高的風(fēng)能收集效率.Wang 等[84]使用由兩個圓柱形和一個長方體段組成的組合鈍體進(jìn)行風(fēng)能收集,如圖6(a)所示.利用組合鈍體誘導(dǎo)馳振-渦激振動耦合現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn),方柱長度為一倍圓柱直徑的組合鈍體,能產(chǎn)生的最大電壓幅值約為6.48 V.在低風(fēng)速區(qū)間,該結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集效率,高于傳統(tǒng)的馳振風(fēng)能收集器.當(dāng)風(fēng)速超出渦激振動鎖定的風(fēng)速范圍時,也能保持較高的電壓輸出.

圖6 (a)具有混合鈍體的風(fēng)能收集器[84];(b)雙圓柱二自由度風(fēng)能收集器[85];(c)渦激顫振耦合的壓電風(fēng)能收集器[86];(d)混合壓電-介電風(fēng)能收集器[29];(e)壓電-電磁混合風(fēng)能收集器[76];(f)壓電-電磁混合風(fēng)能收集器[87]Fig.6 (a)Wind energy harvester with hybridized bluff bodies [84];(b)2-DOF aeroelastic wind energy harvester with double cylinders [85];(c)Piezoelectric energy harvester by vortex-induced flutter coupling [86];(d)Hybrid piezo-dielectric wind energy harvester [29];(e)Piezoelectromagnetic hybrid wind energy harvester [76];(f)Hybrid piezoelectric and electromagnetic wind energy harvester [87]

Chen 等[85]提出了一種二自由度渦激振動和尾流馳振耦合的壓電風(fēng)能收集器,如圖6(b)所示.該結(jié)構(gòu)由于兩個平行圓柱體和一根粘貼有壓電片的懸臂梁組成.風(fēng)洞實驗的研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的渦激振動風(fēng)能收集器和單自由度尾流馳振器相比,該結(jié)構(gòu)高效工作風(fēng)速區(qū)間和輸出電壓都得到了明顯改善.兩個圓柱之間的間距對風(fēng)能收集特性有較大影響,當(dāng)圓柱間距為135 mm 時,該結(jié)構(gòu)有0.8～1.3 m/s 和2.5～3.5 m/s 兩個鎖定區(qū)域,并且峰值電壓都高于單圓柱結(jié)構(gòu).當(dāng)風(fēng)速高于4.5 m/s 時,還會發(fā)生尾流馳振.與單圓柱收集結(jié)構(gòu)對應(yīng)的電壓值相比,在風(fēng)速為1.1,3.1 和6.0 m/s 時,該結(jié)構(gòu)的輸出電壓幅值高達(dá)3.0,2.2 和5.3 V,分別提高了64%,650%和800%.

Li 等[86]設(shè)計了一種渦激振動-顫振耦合的復(fù)合壓電風(fēng)能收集器,如圖6(c)所示.該結(jié)構(gòu)由一圓柱體和兩個翼型構(gòu)件產(chǎn)生渦激振動與顫振耦合效應(yīng)拓寬高效風(fēng)能收集的風(fēng)速區(qū)間,與相同尺寸下傳統(tǒng)的渦激振動風(fēng)能收集器和顫振風(fēng)能收集器相比,該結(jié)構(gòu)在2～15 m/s 的測試風(fēng)速范圍具有較高的電能輸出性能,最大輸出電壓高達(dá)60.2 V,分別是渦激振動能量收集器(3.59 V)和顫振能量收集器(9.53 V)最大輸出電壓的16.8 倍和6.3 倍.

Lai 等[29]提出了一種混合壓電-介電彈性體風(fēng)能收集器,如圖6(d)所示.介電彈性體發(fā)電結(jié)構(gòu)嵌入到圓柱鈍體內(nèi),在渦激振動作用下,能夠同時利用壓電陶瓷片和介電彈性體輸出電能,產(chǎn)生更高的輸出功率.Hou 等[76]提出了一種壓電-電磁式混合能量收集器,如圖6(e)所示.電能轉(zhuǎn)換部分由一個壓電陶瓷和一個電磁線圈組成,以同時收集渦激和基礎(chǔ)激勵振動能量,與傳統(tǒng)渦激振動能量收集器相比,該收集器輸出功率提高了1242.86%,高效工作風(fēng)速區(qū)間增大了400%.Al-Riyami 等[87]也結(jié)合了渦激振動和電磁感應(yīng)原理提出了一種壓電-電磁混合風(fēng)能收集器,如圖6(e)所示.在空心圓柱筒內(nèi)部放置了電磁感應(yīng)線圈,通過參數(shù)分析研究了設(shè)計參數(shù)對風(fēng)能收集器輸出功率和寬風(fēng)速范圍內(nèi)整體性能的影響.由于能量轉(zhuǎn)換部分布局緊湊,從而具有高效的風(fēng)能收集效率.

Du 等[88]將風(fēng)車與渦激振動壓電風(fēng)能收集器相結(jié)合,設(shè)計了一種能夠利用風(fēng)車帶動鼓風(fēng)機增強輔助風(fēng)洞內(nèi)空氣流速的風(fēng)能收集器,如圖7 所示.收集結(jié)構(gòu)可以利用風(fēng)車和傳動裝置在低風(fēng)速環(huán)境下使得輔助風(fēng)洞內(nèi)產(chǎn)生較高的空氣流速.當(dāng)輔助風(fēng)洞內(nèi)空氣流速為19 m/s,鈍體直徑為30 mm,電阻為650 kΩ時,最大輸出功率為8.97 μW.

圖7 微型風(fēng)車-壓電風(fēng)能收集器[88]Fig.7 Micro-windmill-piezoelectric wind energy harvester [88]

2.4 布置擾流結(jié)構(gòu)

目前一些學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),通過在鈍體結(jié)構(gòu)下游放置擋流板能夠改變流場特性,可以有效抑制或增強圓柱體的渦激振動[89],并對渦激振動能量收集器的能量輸出和工作風(fēng)速區(qū)間有一定的調(diào)節(jié)作用.Wang 等[90]針對下游矩形板的最優(yōu)位置和尺寸進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明: 在下游靠近圓柱體的位置布置較小尺寸擋流板可以更容易引起風(fēng)能收集器在高風(fēng)速區(qū)間發(fā)生馳振.最優(yōu)布置方案為在下游0.2～0.4倍圓柱直徑的位置放置一塊2 倍圓柱直徑的方板.

Kan 等[91]設(shè)計了一種布置下游菱形擋板的間接激勵風(fēng)能收集器,如圖8(a)所示.利用菱形擋板不僅能夠改變空心圓柱的氣動彈性不穩(wěn)定性,更加容易實現(xiàn)渦激振動與馳振耦合,使預(yù)彎壓電振子具有較高的電能輸出效率,而且還可以抑制圓柱殼的振幅,確保高可靠性和良好的環(huán)境適應(yīng)性.研究發(fā)現(xiàn),與不帶菱形擋板的風(fēng)能收集器相比,最大輸出電壓從19.8 V 提高到200 V,提高了900%以上.該風(fēng)能收集器在負(fù)載電阻為最佳阻值200 kΩ 情況下,能夠輸出5.493 mW/cm3的最大功率密度.Liao 等[92]提出一種放置下游方形擋板的嵌套結(jié)構(gòu)壓電風(fēng)能收集器,如圖8(b)所示.該結(jié)構(gòu)利用方形擋板在高風(fēng)速下實現(xiàn)了渦激振動向馳振的轉(zhuǎn)變,實驗結(jié)果表明,該收集器的最大綜合電壓輸出性能與傳統(tǒng)單圓柱的壓電風(fēng)能收集器相比提高了1040%.

圖8 (a)圓柱殼與菱形擋板相互作用的風(fēng)能收集器[91];(b)布置矩形擾流板的嵌套結(jié)構(gòu)壓電風(fēng)能收集器[92];(c)布置下游擾流板的風(fēng)能收集器[93];(d)雙鈍體間接激勵風(fēng)能收集器[94]Fig.8 (a)Wind energy harvester by interaction of cylindrical shell and diamond-shaped baffle [91];(b)Joint-nested structure piezoelectric energy harvester with rectangle-shaped spoiler [92];(c)Wind energy harvester with downstream baffle [93];(d)Wind energy harvester with two bluff bodies [94]

Kan 等[93]提出了一種放置下游擋流板的懸臂式壓電風(fēng)能收集器,如圖8(c)所示.實驗研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化擋板寬度、懸臂梁長度和擋板與鈍體之間的距離,能夠有效提高輸出電壓和降低啟動風(fēng)速.在風(fēng)速為16 m/s,電阻為100 k?的情況下,最大輸出功率高達(dá)0.42 mW,能夠驅(qū)動20 個串聯(lián)的藍(lán)色led 燈.Wang 等[94]提出了一種放置下游擋流板的間接激勵壓電風(fēng)能收集器,如圖8(d)所示.壓電梁結(jié)構(gòu)安裝在矩形擋板下游的空心圓柱內(nèi),實驗發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性和較寬的工作風(fēng)速區(qū)間.當(dāng)擋板與圓柱距離為0.6 倍的圓柱直徑、擋板高寬均為1 倍圓柱直徑時,收集器的臨界風(fēng)速可以低至0.96 m/s,最大輸出電壓可達(dá)90.35 V.當(dāng)風(fēng)速為15 m/s,負(fù)載電阻為2000 k?時,最大輸出功率高達(dá)2.57 mW.

Liao 等[95]將一擋板固定在磁耦合間接激勵壓電風(fēng)能收集器的下游,如圖9 所示.通過仿真和實驗驗證了該俘獲器結(jié)構(gòu)和工作原理的可行性.與不加方板的情況相比,引入方板后,最大輸出電壓不僅由7.5 V 提高到14.8 V,而且相應(yīng)的激勵風(fēng)速降低了10.5 m/s.

圖9 具有復(fù)合嵌套結(jié)構(gòu)的磁耦合非接觸風(fēng)能收集器[95]Fig.9 Magnetically coupling non-contact wind energy harvester with nested structure [95]

3 總結(jié)和展望

本文介紹了渦激振動壓電風(fēng)能收集器的研究進(jìn)展,以及渦激振動壓電風(fēng)能收集器的工作原理和控制方程.渦激振動壓電風(fēng)能收集器目前也存在一些不足: 鎖定風(fēng)速區(qū)間較短,對時變風(fēng)速和不同風(fēng)向環(huán)境適應(yīng)性差等.因此,如何使渦激振動壓電風(fēng)能收集器在自然風(fēng)環(huán)境下保持穩(wěn)定高效的能量輸出是約束渦激振動壓電風(fēng)能收集器實際應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題.

針對這些問題,為了提供解決思路,提高渦激振動風(fēng)能收集器在現(xiàn)實風(fēng)環(huán)境中的實用性,本文著重綜述和分析了增強渦激振動壓電風(fēng)能收集器工作性能和環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵技術(shù).在不同的增強方法中,優(yōu)化鈍體結(jié)構(gòu)、改變鈍體表面粗糙度和鈍體形態(tài)是最直接的增強方案.引入非線性力可以改變收集結(jié)構(gòu)的共振頻率.該方法可以拓寬頻率鎖定風(fēng)速范圍,提高收集器的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率.引入多穩(wěn)態(tài)特性可以改變收集結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力平衡點個數(shù),改善收集器的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率.多向風(fēng)能收集器能夠在變風(fēng)向的環(huán)境中實現(xiàn)風(fēng)能的高效收集.采用間接激勵結(jié)構(gòu)和布置下游擋流板等方案也可以改善風(fēng)能收集器的振幅和頻率鎖定風(fēng)速范圍,并且能夠有效防止因振幅過大而導(dǎo)致發(fā)生機械過載,受到破壞.此外,通過結(jié)合各種形式的收集結(jié)構(gòu)和不同的能量轉(zhuǎn)換機制來制作混合能量收集器的方案,也可以顯著提高風(fēng)能收集器的高效工作風(fēng)速范圍或提高輸出電壓和能量轉(zhuǎn)換效率.

綜上所述,目前渦激振動風(fēng)能收集器在現(xiàn)實風(fēng)環(huán)境中的工作性能還具有很大的局限性,要實現(xiàn)實際應(yīng)用,仍舊需要在進(jìn)一步擴大收集器的高效收集風(fēng)速區(qū)域、提高輸出功率并保持穩(wěn)定功率輸出、適應(yīng)變風(fēng)向和變風(fēng)速風(fēng)環(huán)境、保證風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定工作不損壞等方面進(jìn)行研究.

總的來看,渦激振動能量收集技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景,是實現(xiàn)低功耗微電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器自供電非常有潛力的解決方案.目前,隨著研究人員不斷的深入研究,渦激振動風(fēng)能收集器的性能和環(huán)境適應(yīng)性已經(jīng)有了顯著的進(jìn)步,隨著相關(guān)研究不斷地推進(jìn),小型結(jié)構(gòu)風(fēng)能收集的優(yōu)勢更加明顯,這項技術(shù)在未來一定會進(jìn)入實際應(yīng)用.