分布式风能采集系统的多场耦合分析及结构设计

无线传感网络、微机电系统、野外监测系统、低功率超大规模集成电路等领域的发展对无线能源供给提出了新的挑战，而使用智能结构从自然能源中提取能量成为一种可行的解决方案。其中，风能是一种易于得到的清洁能源，使用俘能器将风能转换为电能，可以实现对上述应用的无线供电。然而目前关于风能俘能器的研究较少，分析理论缺乏，影响风能俘能器的应用。本项目针对不同风速下旗状压电俘能器的能量采集问题，建立流、电、弹多场耦合理论，分析稳态和失稳状态下俘能器的能量分布规律，探讨阵列式压电贴片的布局方式及各贴片的能量输出特性，结合优化算法，确定旗式压电俘能器的最优结构形式。设计能量采集电路和基于高速摄像机的实验系统，验证俘能器的运动规律及各种运动状态下的能量输出特性。为压电式风能俘能器的设计和开发提供理论支持和技术支撑。

本项目针对压电式风能俘能器的优化问题，通过理论推导、数值计算以及实验等方法，进行了系统的研究。利用阻流板尾流中的变化流场激励俘能器产生振动，从而将流体能量转变为电能。研究过程中首先给出了沉浸边界法求解纳维-斯托克斯方程的过程，推导了流体作用力模型，并通过模态扩展法求解其俘能器的动态响应。随后基于压电传感理论得到了俘能器在阻流板尾流中的开路电压以及开路能量。给出了有限差分法求解相应输出电压和功率的一般过程，分析了闭路条件下俘能器的电压以及有效功率。结合算例分析，研究了不同风速以及阻流板倾斜角度条件下俘能器的功率输出情况。当风速达到一定值时，阻流板尾流的脱落频率和悬臂梁固有频率接近，悬臂梁达到共振状态时的能量输出较大。随着阻流板倾角的减小，使悬臂梁共振所需要的风速随之降低。但是由于较小风速携带的流体能量较低，相应的输出功率也会降低。针对前三阶共振情况下压电片的长度进行了优化设计分析。结果显示，一阶共振下压电片的最佳粘贴位置为0~0.51L；二阶共振下有0~0.14L，0.29L~0.81L等两种情况；三阶共振下有0~0.09L，0.17L~0.45L，0.55L~0.88L等三种情况。搭建了实验平台，开展了风能俘能器的实验研究。通过测量外接负载上的电压并与理论和有限差分法求解结果进行比较，验证了压电悬臂梁能量采集理论以及数值求解过程的正确性。通过风洞实验，对压电悬臂梁在阻流板尾流中的能量采集也开展了相应的研究，在低风速条件下，压电悬臂梁俘能器随着风速以及阻流板倾角的变化趋势与数值计算过程基本一致。