腔式压电气流发电机结构与性能研究

王淑云 余 杰 阚君武 蒋永华 郑佳佳 谢心怡

(浙江师范大学精密机械与智能结构研究所， 金华 321004)

0 引言

为实现农业物联网状态实时监测与远程控制系统节点的能源自给，减少化学电池对水及土壤的污染，相继提出了基于环境能量回收的压电、静电、热电及电磁等原理的微小型发电机(又称俘能器或能量捕获器)[1-4]。每类发电机都有其自身的优势和适用领域，压电发电机具有结构简单、无电磁干扰、易于制作且易于实现结构上的微小化与集成化等优势，适用范围更广[5-6]。目前，压电发电机已可有效回收环境振动能[7]、旋转体动能[8]以及水流能/风能[9-10]等。前两类压电发电机研究较早且所获成果较多，已逐步用于无线传感器及健康监测系统等领域。然而，压电流体发电机的研究国内外还都刚开始，尚处于探索和起步阶段[11-13]。

根据激励方式，现有压电流体发电机主要可分为直激式[14]、钝体扰流式[15]和谐振腔式[16-17]三大类。前两类发电机是利用悬臂梁型压电换能器与流体直接耦合作用发电的，但其激励原理不同[18]。直激式发电机中，压电换能器与流体速度方向垂直或成一定的角度，流体流过压电换能器时漩涡的交替生成与脱落会引起流体压力变化，从而激励压电换能器产生电能，该类俘能器结构简单，适于低速气体环境，高速或液体环境下压电换能器因变形过大而易损毁。钝体扰流式发电机中，压电换能器与流体速度方向平行且置于钝体之后，通过流体绕过钝体时所产生的不对称漩涡间接激励(漩涡是由钝体与流体间的耦合作用产生的)，主要用于液体环境，缺点是结构复杂、体积较大，难以实现微小化与集成化。不同于直激式及钝体扰流式压电发电机的结构原理及应用场合，谐振腔式发电机是利用谐振腔内流体高频振荡激励圆形压电换能器发电的，具有结构简单、体积小、强度高等优势，适于高速气体环境，除构造各类自供电引信[19]外，还可用于航空器、高铁等载运工具(引起高速气流)以及气动控制系统等的自供电监测[16-17]。

本文在借鉴声学谐振腔俘能器结构的基础上设计腔式压电气流发电机，并从理论和试验两方面进行研究，获得主副腔长度及直径等对其发电性能的影响规律。

1 结构与工作原理

腔式压电气流发电机结构如图1所示，主要由压电换能器、主腔及副腔构成。发电机置于流场中时，外部气流迫使主副腔内的气体产生振动，从而迫使压电换能器振动并将流动动能转换成电能。所生成电压与腔内气体振动引起的气体压力差及压电换能器中心点变形量呈较好的线性关系，而腔内气体压力差及压电换能器中心变形量又是由主副腔结构尺寸所决定的。

图1 腔式压电气流发电机结构示意图Fig.1 Structure diagram of piezoelectric harvester1.出风口 2.副腔 3.腔盖 4.主腔 5.压电换能器

为便于性能对比及叙述，将主副腔尺度不同的发电机定义成4种不同类型：A型，主副腔同时存在，即图1所示结构；B型，仅有主腔和腔盖(图1中副腔长度为0)；C型，仅有主腔(图1中副腔长度为0，副腔内径等于主腔内径)；D型，无主副腔、腔盖，仅有压电换能器。

2 建模与仿真分析

为获得结构尺度不同时腔式发电机腔内流体的振动状态及压电换能器的变形特性，建立了A、B及C型发电机的COMSOL模型并进行了仿真分析，所用模拟仿真参数如表1所示。

表1 仿真及试验分析用相关参数Tab.1 Parameters for simulation and test

图2为风速30 m/s时A、B及C型压电气流发电机腔内稳态时流场的速度云图。从图2可以看出，3种结构发电机的腔体底部都有漩涡不断地生成，从而引起腔体内气流速度和压力不断变化，迫使压电换能器产生弯曲变形发电。因3种类型发电机结构不同，稳态时其腔内流场分布及漩涡形态都具有明显的区别，进而导致压电换能器的振动及发电特性不同。

图2 3种类型发电机内的气体速度云图Fig.2 Velocity nephograms of flow field under three different structures

图3给出了稳态时3种类型发电机中压电换能器中心点处的振动波形图，图中曲线表明，发电机的结构对压电换能器中心点的变形量、振动频率及静位移差异都有较大影响，其中A、C型发电机中压电换能器的变形量相对较小，B型发电机中压电换能器的变形量最大且产生了较大的静变形。上述现象表明，其他条件确定时可能存在最佳的副腔长度使发电机输出电压(压电换能器变形量)最大，而该最佳副腔长度还应与气流速度及主副腔孔径等其他参数有关。

图3 3种类型发电机压电换能器圆心点处振动波形图Fig.3 Displacement of the center of pzt vs time under three different structures

3 试验测试

为获得腔式压电气流发电机输出性能与相关参数的关系，设计了样机及测试系统(图4)。所用仪器设备为：DS5042M型数字存储示波器、AR2000型调压阀(气流压力范围0～0.5 MPa，调压步长0.05 MPa)、无油空气压缩机(额定排气压力0.7 MPa)等。试验中通过调节调压阀来改变出风口压力(间隔0.05 MPa，气流压力0.1～0.5 MPa，所对应的气流速度为6～30 m/s，气流速度与气流压力呈较好的线性关系)；圆形压电换能器尺寸为：铜片基板直径46 mm，厚度0.25 mm；压电陶瓷直径41 mm，厚度0.25 mm。

图4 试验样机及测试系统Fig.4 Piezoelectric energy harvester and test system1.调压阀 2.试验样机 3.空气压缩机

图5为气流压力为0.3 MPa时3种类型压电气流发电机(结构尺寸参数如表1所示)的稳态电压波形图。从图5可以看出，3种类型发电机的输出电压差异较大，其中B型的输出的电压峰值最高(16.6 V)，A型和C型的输出电压峰值相对较低(分别为11.6 V和4.6 V)，这与仿真分析中3种类型发电机中压电换能器变形量之间的关系是一致的，故研究中可采用压电换能器变形特性表征发电机的电压特性。由图5还可得，3种类型发电机中压电换能器的振动响应及输出电压波形都并非正弦波，这与声学谐振腔[15]中压电换能器的响应特性存在一定的差异，原因是实际气流速度及其流场分布并不均匀，而是存在一定的随机波动。在后续的试验中，利用稳态时5 s内电压波形的峰值代表实际输出电压。

图5 3种类型发电机输出电压与时间的关系Fig.5 Relationship between generated voltage and time under three different structures

图6 不同气流压力时发电机输出电压与激励距离的关系Fig.6 Relationship between generated voltage and distance under different wind pressures

图7 不同气流压力时输出电压与主腔长度的关系Fig.7 Relationship between generated voltage and length of cavity under different wind pressures

图8 不同气流压力时输出电压与腔盖孔径的关系Fig.8 Relationship between generated voltage and diameter of hole under different wind pressures

图9 不同气流压力下输出电压与副腔长度的关系Fig.9 Relationship between generated voltage and length of neck under different wind pressures

图10 气流压力为0.3 MPa时功率与负载的关系Fig.10 Relationship between output power and load resistance under p=0.3 MPa

4 结束语

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