一种压电式微型俘能器作者：顾聪 陈远晟 郭家豪来源：《科学导报·学术》2020年第28期 摘 要：为实现较低风速下的能量回收，基于涡激振动原理，提出了一种三角阵列式的压电俘能器。对稳压电路进行仿真分析，研究了该俘能器在低风速下以不同形式连接的电压输出特性，验证了俘能器对锂电池充电的可行性。实验结果表明，当压电振子以串联形式连接时，输出电压较高，且随风速增加而增加，在风速较低时仍有较好发电性能。当风速为12m/s时，最大开路电压有效值为20V，最高输出功率为0.28mW，输出电压通过稳压电路后，可输出稳定电压对锂电池充电，实测充电功率为0.17mW。 关键词：涡激振动;阵列式;俘能器;风能;充电
引言
风能具有可持续性、清洁性和广泛性等优点，在世界范围内，风能的利用正在得到广泛的发展。由于体积大、成本高、运行维护困难，传统的发电系统很难与小而独立的电子系统集成，微型发电机已经成为无线传感器节点等微独立工作的电子解决方案，通过微型风力发电系统实现微电子系统的应用成为当前研究的热点。孙加存[1]等人进行了压电振子产生的电能作为电路电源可行性验证，设计了发电机的结构，进行了模拟实验，结果表明，利用该原理制成的压电发电机，具有无污染，活动部件少，激发时间短，产品易于小型化的特点。舒
畅[2]等人提出了一种带谐振腔的风能收集器，实验表明在较低风速范围内，带谐振腔的压电风能收集器可输出较多电能。阚君武[3]等人提出一种由压电梁及其端部附加质量构成的直激式压电风能捕获器，实验结果表明，根据实际风速范围确定合理的附加质量可提高发电能力。
本文提出了一种基于涡激振动原理[4]的阵列式压电俘能器，在较低风速时仍有较好发电性能。对其稳压电路特性进行了分析，研究了该俘能器对锂电池充电的可行性。
1 俘能器原理
在空气流体向装置方向运动的过程中，空气流体经过了装置非流线型钝体时，流体经钝体的当使得自身对钝体的压力升高。钝体朝向流体的表面处形成了流体停滞产生的高气压，之后高气压带不断扩展向钝体两侧。在钝体两侧最宽处，高气压带从钝体两侧表面脱离，脱离过程中朝向钝体尾部形成两个剪切层，形成了钝体尾部的两个不连续的旋涡流型，这种由钝体两侧产生的旋涡脱落在钝体两侧表面上形成了一个突变的压力，随着周期性的旋涡脱落产生，钝体两侧的表面就产生了周期性的压力，这种压力促使钝体进行振动[5]。钝体固定在压电片自由端，基于其正压电效应，将机械能转化为电能，最终经稳压电路输出稳定电压对
锂电池进行充电。本次实验使用的压电片采用了双叠片结构，长度60mm，宽度10mm，厚度0.7mm，自由长度50mm，其结构如图1所示。
2 稳压电路分析
该俘能器输出电压经标准接口电路转化为直流电压后，由于風速变化导致电压不恒定，无法对锂电池进行供能。本次实验使用LTC3588-1稳压电路进行稳压，使电压维持在3.8 V，对锂电池充电。在LTspice中对其进行仿真，将压电双晶片的等效电路转化为一个频率为的电流源与242 nF的电容并联，如图2所示：
本次实验中，俘能器振动幅值为3 mm，振动频率为10 Hz，通过改变等效电路中的幅值和频率大小，可以得到三种输入电压和输出电压的关系。压电双晶片等效电路在不同振动幅值不同频率下通过LTC3588-1仿真得到的芯片输入电压与输出电压的关系如图3所示。
仿真结果表明，压电双晶片的振动幅值和振动频率影响了压电双晶片的输出功率以及芯片的输入电压升高速度，同时改变幅值和频率仿真得到了在LTC3588-1中三种不同的输入和输出电压表现方式，反映了其工作特性。
3 实验研究与分析
实验装置实物图如图4所示，为实现轻小化，阵列式压电换能器以三角状排列，以做到节约空间。风机口部距离钝体15 cm，二者位于同一水平线上。当风速从0m/s变化至14m/s时，换能器之间以串联、并联形式连接，俘能器输出电压曲线如图5所示。即两种连接形式输出电压都随风速增加而增加，以串联形式连接时，输出电压较高，当风速为12m/s时，最大开路电压有效值为20V。将阵列式压电振子以串联形式连接，选取合适的负载阻值，其输出功率如图6所示，当风速为12m/s时最高输出功率为0.28mW。
将俘能器输出端与稳压电路连接，其输出电压随风速变化如图7所示，即当风速达到12m/s后，电压稳定在3.8V。实验需要对充电电流进行实时测量，充电电流的测量使用霍尔传感器对电压信号的测量与转换实现。
将3.8V的可充电锂电池与稳压电路输出端相连，利用霍尔传感器对电压信号的测量与转换实现对充电电流的测量，使用直流电源对霍尔传感器供能，整体实物图如图8所示。电压信号对电流信号的转换规则为：当检测到的电压信号为5V时，实际流经可充电直流电池的电流信号为1 mA。当风速达到12m/s时，实测霍尔电压为0.23V，此时电池的充电功率为0.17
mW，当风速继续增加时，可在维持充电状态的同时提升充电效率，验证了该俘能器在较低风速下对锂电池进行储能的可行性，对于12m/s以下的风速，仍可对某些微型电子器件供能。
4 结束语
为实现在较低风速时对无线传感节点等微小型独立工作的电子系统在户外工作时供能，设计了一种基于涡激振动原理的阵列式压电俘能器，压电振子以三角阵列式排列，自由端固定木制钝体。
（1）该俘能器压电振子以串联形式连接时可输出较高电压，电压随风速增加而增加，当风速为12 m/s时，最大开路电压有效值为20 V，最高输出功率0.28mW。
（2）使用稳压电路后在风速为12m/s时可输出稳定电压3.8V对锂电池进行充能，充电功率实测为0.17 mW。
参考文献
[1] 孙加存，陈荷娟.风动压电发电机的结构设计及实验研究[J].压电与声光，2012，34（6）：860-863，867.
[2] 舒 畅，张健滔，吴 松，等.一种带谐振腔的压电风能收集器[J].振动与冲击，2018，37（3）：22-26.
[3] 阚君武，张肖逸，王淑云，等.直激式压电风能捕获器的性能分析与实验[J].光学精密工程，2016，24（5）：1087-1092.
[4] 宋汝君，单小彪，杨先海，等.基于压电俘能器的流体能量俘获技术研究现状[J].振动与冲击，2019，38（17）：244- 250，275.
[5] 郭家豪.基于压电能量回收的涡激振动发电装置研究[D].南京理工大学，2018.
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