利用流体中钝体绕流的压电发电技术研究

The focus of this research is on the piezoelectric power generation technology using fluid flow energy. By using vortices generated when flow pass bluff body, the piezoelectric ceramic attached to the generator can be activated, and thus conversion from fluid energy to electrical energy is realized. The piezoelectric generator is capable of energy harvest in river and ocean and meets the energy requirement of small power devices like wireless sensor network nodes. The influence of flow around bluff body on the activation process and mechanism of piezoelectric generator will be studied and then the energy harvest device with high efficiency will be built. The vibration model of piezoelectric generator will be investigated and the configuration will be optimized to expand the frequency response bandwidth. The energy collection circuit that matches the generator will be developed according to the characteristics of piezoelectric energy harvest as well as the randomness and fluctuation of flow energy. The prototype machine and the test platform will be built and systematic experiments will be conducted. The objective of this research is to develop the underwater energy harvest device by using fluid flow around bluff body and make contribution to the development of ocean monitoring.

本项目研究一种在水下利用海流或者水流的能量进行压电发电的技术，利用流体流过钝体时产生的发射漩涡激励发电机上的压电材料产生振动，从而实现流体能到振动能再到电能的转变。该发电机可以应用在海洋、河流中进行能量收集，可以满足无线传感网络节点类小功率能源需求。项目研究钝体绕流对压电发电机的激励过程和机理，通过流体分析，建立仿真模型，研究高效的能量收集装置；研究压电发电机的振动模型，优化其结构尺寸，扩大响应频带宽度，适应流体所产生激励；针对压电能量收集特点，以及海流、水流能量的随机性和波动性，研制该发电机匹配的微电能收集电路；制作样机并搭建系统的测试平台，进行系统性能测试。项目目标研究利用流体中钝体绕流激励压电陶瓷振动机理和分析模型，构造一种水下压电能量收集装置，并且为海洋监测发展做出贡献。

项目研究了一种利用水下水流能量进行压电发电的技术。项目利用流体流过钝体时产生的发射漩涡激励发电机上的压电材料产生振动，从而实现流体能到振动能再到电能的转变。项目采用钝体扰流的方法产生涡街流场，将压电薄膜置于涡街流场中，研究了钝体结构在流体中的扰流机理，建模分析了卡门涡街的形成条件，以及钝体结构尺寸对涡街强度的影响；项目研究了含损耗的压电陶瓷等效电路模型，为研究机电能量转换模型打下基础；项目建立压压电薄膜的振动响应分析模型，研究提高频率响应范围的方法，优化了压电薄膜的结构尺寸；项目使用多物理场耦合仿真的方法研究压电薄膜在流场中的受力，薄膜在压电效应的作用下产生电能输出，结合压电薄膜的振动特性的研究，通过使用有限元仿真软件XFlow、ANSYS以及COMSOL等工具，分析了压电薄膜受力与流场速度与扰流体直径的关系，优化了流场结构和扰流体尺寸；项目结合理论建模分析，以实验结果验证了仿真模型的正确性，通过流体仿真分析，搭建试验平台对薄膜输出电压进行测试，阐述了能量转化效率与扰流体直径、薄膜振动特性的关系。项目最后研制了水流能量收集装置的样机，并进行了相关实验，测定样机的功率及效率，实验结果和仿真结果对比基本吻合。