基于风致振动的剪切模式压电能量收集结构的数值模拟

于慧慧，李 莉，王永耀，林杉杉

（沈阳化工大学 计算机科学与技术学院，辽宁 沈阳 110142）

0 引 言

电子设备通常都依赖于传统的化学电池获取能量，但是传统的化学电池体积较大，对环境有一定的污染，而且对许多领域来说频繁更换化学电池十分烦琐。风致振动效应是将环境中的风能通过某种方式转化为振动能量，进而通过压电效应、磁电效应以及磁致伸缩效应等转化为电能。由于压电效应具有结构简单、输出电压和功率密度高的优点，因此以压电效应的方式转化电能成为振动能量采集的主要研究方向之一[1,2]。

近年来，一些学者开始利用风致振动现象进行压电能量收集，其中利用涡致振动产生的漩涡作用在压电材料上，使压电材料产生机械振动后将机械能转化为电能是比较常用的方式[3]。目前国内外关于风致振动压电能量收集技术的研究已经取得了大量成果，其中Vatansever D等利用压电陶瓷材料进行压电能量收集实验的研究，研究结果表明在风速为10 m/s，压电陶瓷长度为14 cm的情况下，压电陶瓷单层复合样品产生的电压为45 V[4]。丁林等提出了一种下端为自由端，上端中心与压电片连接，压电片上部固定于风洞顶面的压电能量收集装置，研究结果表明钝体为方柱，压电片长度为10.5 cm时，其振幅、输出电压以及功率最大分别为0.15 m、0.55 V、0.378 μW[5]。郭修宇对圆柱或方柱后接柔性挡板进行了仿真与风力场实验研究，研究结果表明流速为10 m/s、圆柱体直径为60 mm、压电悬臂梁长度为75 mm时，产生的电压最大为7.2 V[6]。……