基于空气动力学颤振效应的压电电磁复合能量采集技术研究

Methods to harvest energy from environment have been widely explored in recent years. "Flutter" is a phenomenon that describes the structural self-excited oscillation due to the positive-feedback between elastic structures and aerodynamic forces.It has been proven to be an effective way to extract energy from airflows. In this project, we will explore a novel type of energy converter using the aerodynamics principle known as flutter. The objective is to harvest energy from low-speed wind flows in order to power up electric applications such as wireless sensor networks. We will provide a systematic approach to optimize the efficiency of the low-speed wind energy conversion system, i.e., by providing a theoretical background to analyze and illustrate the entire energy transducer process and experimental results to validate the theoretical formulation. The proposed low-speed wind energy harvesting research consists of several aspects: a)The elastic wind-belt based approach to transfer airflows into mechanical vibration; b)The electromagnetic device or flexible piezoelectric unit to transfer the mechanical vibration into electrical power; c)The power management circuit which can store electrical energy into supercapacitors and provide regulated voltage to support commercial electronic devices; d)Powering up wireless sensor nodes to validate the feasibility for long-term applications.Our research will provide new approaches for distributed self-powered applications and systems.

近年来，面向周围环境获取能源的技术得到了广泛的研究，以弥补传统的能源储存单元（如化学电池等）的不足，减少环境污染和维护费用。颤振来源于弹性结构体与气流的正反馈效应，可导致结构体的周期自激励振动，继而可以利用颤振效应中气体和弹性结构体的相互作用，将低风速的风力能高效率地转换为振动能。本项目将开展基于空气动力学颤振效应的新型能源采集方法的研究，以获取城市建筑物之间或者室内通风设备中的低风速风能，用于驱动分布式应用节点。主要研究内容包括：对低风速下弹性体的颤振现象进行理论分析，建立基于自激力的颤振能量转换模型；设计和优化弹性体-风力耦合装置，实现风能到振动能的高效率转换；设计基于电磁感应以及柔性压电材料的共振单元，将振动能高效地转换为电能；研究基于超级电容器阵列的能量采集单元管理机制和驱动电路，实现分布式节点的长期自供电运行，为分布式低功耗器件的供能研究提供新的方法和途径。

近年来，能量采集技术的兴起为此提供一种合理可行的解决方案，用于环境能量采集的无线传感器网络自供电技术具有极高的发展潜力和应用前景。本项目针对基于颤振的新型风能能量转换和方法进行了研究，其研究内容包括进行空气动力学以及流体-弹性结构体的能量耦合分析，探索利用颤振效应所产生的气动力驱动电磁感应能量单元，在压电弹性体颤振能量转换以及电磁共振能量转换模型的基础上，实现从低速风能到机械能以及电能的高效率转换，本项目的具体实验工作如下：.（1）设计并制作了一种压电-电磁复合能量采集装置，用于采集流致振动产生的机械能，能量密度为98.88μW/cm3，装置包括支撑结构、流固耦合结构、压电双晶片、线圈、磁铁和管理电路。耦合结构在流场中发生流致振动，将流体能量转换成电能，通过管理电路把俘获的能量存储在电容中。.（2）使用COMSOL Multiphysics软件对能量采集装置工作中的物理过程进行仿真分析，包括三项内容：流固耦合仿真、压电振动仿真和电磁振动仿真，并将仿真结果用进行优化设计。.（3）使用多种重量的质量块对PZT压电悬臂梁进行频率响应测试，研究合理的质量块范围；设计了一种可根据系统需求叠加片数的圆形平面线圈，有效增加电磁单元的采集效率；设计制作了一种磁极互斥装置并测试输出特性，验证其收集低频振动能的可行性，并提出其与压电悬臂梁复合进行能量采集的设计思路。.（4）使用SolidWorks软件设计耦合结构并通过3D打印制作实物，包括圆形、多边形、翼形等多种截面形状的柱体，在风洞中对所设计的结构进行性能测试，分析不同耦合结构在流场中产生的振动响应。 .（5）为实现对俘获能量的存储与利用，针对压电单元的高压高阻特性和电磁单元的低压高电流特性，采用基于LTC3588-1和LTC3108-1芯片的能量管理电路，实现对储能元件的充放电，并通过风洞对其实际工作情况进行测试。