基于分布式压电薄膜的管道振动能量收集方法研究

To fulfill the energy requirement of future wireless sensor networks in hydraulic systems, the project puts forward a pipe vibration energy harvesting scheme based on distributed piezoelectric thin film. Based on the fluid structure interaction between the fluid pressure fluctuations and the elastic pipe, structure schemes of the energy conversion unit and the energy harvesting unit will be devised. With the studied coupling between the pressure fluctuations and the output of energy conversion unit and the designed control strategy of the energy harvesting circuit, the nonlinear dynamic model of the energy harvesting system is built with its dynamical behaviors analyzed and studied. With the help of theoretical analysis, numerical simulation and experimental observation, pipe vibration energy will be harvested with high power output and stored with high efficiency, so as to meet the demand for sustainable, renewable, pollution-free small power energy sources and enhance the application of wireless sensor networks in hydraulic systems.

为满足未来液压系统中无线传感网络的供电问题，本项目提出一种基于分布式压电薄膜的管道振动能量收集系统方案。通过探索流体压力脉动与管道振动的相互耦合关系，设计能量转换单元和能量收集电路的结构方案，揭示流体压力脉动与能量转换单元电输出特性之间的相互影响规律，提出能量收集电路的控制策略，构建管道振动能量收集系统的非线性模型并分析其动力学行为。在理论分析、数值模拟和实验研究的基础上，实现管道振动能量的高功率收集和高效率存储，以满足传感器节点对可持续、可再生、无污染小功率电源的迫切需求，为推进无线传感器网络在液压系统中的应用奠定基础。

振动能量收集系统是直接将环境中的振动能转化为电能的技术，具有替代电池的潜能，在未来物联网和无线传感器网络的应用中具有非常广阔的前景。本项目针对应用于液压系统的无线传感器网络的供电问题，开展基于分布式压电薄膜的管道振动能量收集方法研究，取得了如下成果：1）基于流体压力脉动条件下管道的径向受迫振动和横向失稳振动，明确了流体压力脉动与管道振动之间的耦合机理，设计了管道振动能量收集系统的结构方案，探究了不同振动条件下能量收集系统的输出性能，分析了负载条件对于能量收集系统的输出功率等的影响，为指导管道振动能量收集系统的设计奠定了理论基础；2）针对单个管道振动能量收集系统存在的输出功率不足和有效带宽较小等缺点，考虑多能量来源、采用多机电转换机制，并引入非线性元件和效应，探索了振动能量收集系统的性能提升方法，揭示了不同耦合条件下振动能量收集系统的性能变化规律。研究结果表明，通过采用多机电转换机制和引入柔性附着结构能够有效提高振动能量收集系统的输出功率、输出电压和有效带宽；3）特别的，针对引入非线性元件后振动能量收集系统的动力学模型所呈现的复杂非线性特性，以带柔性附着结构的经典压电复合悬臂梁结构为切入点，建立系统的非线性动力学模型，并通过线性化方法和数值计算，探索了不同的结构参数和系统参数对系统能量收集性能的影响。本项目发表SCI论文8篇，申请发明专利2项，培养硕士研究生3名。