带谐振腔的微型压电风能采集器*

杜志刚，贺学锋*

(1.重庆大学微系统研究中心，重庆400044;2.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044)

传统电池尺寸大、需更换或充电、对使用环境要求高，难以满足无线传感网络等的需求。将环境中广泛存在的机械能(转动能、振动能、冲击能、流体动能等)、热能、光能、电磁辐射能等能量转换为电能的微能源具有重量轻、体积小、寿命长、不需更换或充电等优点[1－2]，是无线传感网络节点的一种理想电源，逐步成为国际上微能源研究的热点。

风能是自然界广泛存在的一种能量形式，研究将风能转换为电能的微型风能采集器是微能源研究的一个重要方向。传统的风力风能采集器利用风载荷引起转子转动，进一步利用转子与定子间的相对运动切割磁力线产生感生电动势，实现对负载的供电。但是这种风能采集器需要制作磁体、线圈、涡轮等零部件，加工与装配工艺复杂，制作成本高[3－4]。基于风致振动机理的微型风能采集器利用风致振动机理将风能转化为微结构的振动能，进一步利用压电等效应将微结构振动能转换为电能，具有结构简单、易于加工等优点[5－11]。通过引入质量块可以降低微型压电风能采集器的固有频率，进而降低其临界风速[12]。Clair等采用谐振腔结构，在谐振腔出口处安装固定有压电片的金属片，利用气流引起金属片的振荡，输出功率达到0.8 mW，其风向垂直于梁的上表面[13]。

为了降低基于风致振动机理的微型风能采集器的临界风速并提高其输出功率，本文设计了一种带谐振腔的微型压电风能采集器新结构，其特点是振动梁斜对着来流方向，下面分别对该采集器的结构和性能进行介绍。

1 带谐振腔的微型压电风能采集器结构

设计的带谐振腔的微型压电风能采集器如图1所示，其由一个开口的长方体谐振腔和振动梁构成，振动梁由压电梁和柔性梁组成，在风载荷作用下，压电梁和柔性梁将发生振动。柔性梁上表面斜对着来流风向，压电梁末端固定于谐振腔顶部并引出电极。借鉴口琴簧片安装方法，使压电梁与腔体呈一定的倾斜角。

对带谐振腔的微型压电风能采集器而言，外界气流流入谐振腔后减速，使腔内气压升高。柔性梁刚度很小，将向上弯曲，机械回复力使其回到原位。当外界风速达到一定值时，柔性梁形成自激振荡，使压电梁产生周期性形变，在压电梁上、下表面引出电极便可以为负载供电，实现风能的获取与转换。谐振腔结构改变了振动梁附近的流场分布，扩大作用于振动梁的动风载荷，从而提高了采集器在低风速下的输出功率。

图1 带谐振腔的微型压电风能采集器结构示意图

2 加工与测试

图2为微型压电风能采集器实物图。谐振腔材料为铁，采用线切割工艺加工而成，其尺寸见表1。压电梁采用Piezo Systems公司生产的含PZT压电层的复合梁，其型号为T215－H4－203X，抗弯刚度为3.5×10－3N·m2。谐振腔顶部开口长度和宽度分别为38 mm和6.8 mm。压电梁与柔性梁的宽度均为6.4 mm，厚度分别为 0.38 mm 和 0.25 mm，振动梁的倾斜角α约为12°。

图2 微型压电风能采集器实物图

表1 谐振腔结构尺寸 单位:mm

柔性梁材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，PET柔性梁与压电梁重叠部分长度为8 mm，由于PET弹性模量比PZT小四个数量级，重叠部分只计入压电梁长度。振动梁总长38 mm，与顶部开口长度一致。为了分析压电梁或柔性梁长度的相对变化对风能采集器输出性能的影响，振动梁设计了3组尺寸，其压电梁长度lp分别为8 mm、12 mm和18 mm，柔性梁长度ls分别为30 mm、26 mm和20 mm。

3 实验结果及分析

在小型风洞内对以上带谐振腔的微型压电风能采集器进行测试，风速范围为0～17 m/s。采用热线式风速仪(KIMO，CTV100)对风速进行测量，其量程0～30 m/s，分辨率为0.1 m/s。实验表明，当风速达到一定值时，柔性梁会形成稳定的自激振荡，压电梁的输出电压波形比较稳定，近似于正弦波。图3是lp=18 mm，ls=20 mm的风能采集器在13.7 m/s的临界风速下的输出电压波形。

图3 风能采集器输出电压

图4 压电梁和柔性梁长度对开路输出电压的影响

对以上设计的3组风能采集器的性能进行了测试，在不同风速下的开路电压(有效值)如图4所示。从图中可以看出，在风速较低时，风能采集器输出电压极低，这是由于柔性梁还没有形成强烈的自激振荡，当风速达到一定值时(临界风速)，柔性梁克服系统阻尼，形成强烈的自激振荡，产生较高的输出电压。3组风能采集器的临界风速分别为6.1 m/s、8.5 m/s、13.7 m/s。

风速继续增大，柔性梁自激振荡幅度变大，输出电压变大。对于ls为26 mm和30 mm的风能采集器，当风速增大到一定程度时，输出电压开始下降。这种现象可以理解为，当风速超过一定值时，柔性梁受到的向上的静风载荷过大，其振动幅度反而减小，输出电压将降低。由于实验风洞最高只能产生17 m/s的风速，梁长ls为20 mm的微型风能采集器没有观察到输出电压的下降段。

在最大开路电压对应的风速作用下，接上不同大小的负载电阻(10 kΩ～1 MΩ)测量风能采集器的输出电压，进一步得到其输出功率(见表2)。从表2可以看出，lp和ls分别取18 mm和20 mm的风能采集器在17 m/s的风速下，输出功率达到1.28 mW。

从以上实验结果可知，对于带谐振腔的微型压电风能采集器，当振动梁总长度一定时，压电梁越长，临界风速越高，但其输出功率更大。因此应用于高风速环境，微型风能采集器应该采用较长的压电梁，较短的柔性梁;如果应用于低风速环境，可以通过加长柔性梁，缩短压电梁，达到降低临界风速的目的。

表2 三组微型压电风能采集器输出性能比较

4 结论

对基于风致振动机理的微型风能采集器而言，当风速在某个范围内时采集器具有较高功率输出，利用类似于口琴结构的带谐振腔的微型压电风能采集器，可以有效降低其临界风速，提高其在低风速下的输出功率。针对风速不同的应用环境，可以通过改变压电梁和柔性梁的相对长度来优化采集器的临界风速和输出功率。当谐振腔尺寸64 mm×22 mm×14 mm，振动梁长度和宽度分别为38 mm和6.4 mm时，微型风能采集器在17 m/s风载荷作用下的最大输出功率达到1.28 mW。

[1]秦冲，苑伟政，孙磊.微能源发展概述[J].光电子技术，2005，25(4):218－225.

[2]沈修成，方华斌，王亚军，等.基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试[J].传感技术学报，2008，21(4):692－694.

[3]Herrault F，Ji C H，Kim S H，et al.A Micro Fluidic-Electric Package for Power MEMS Generators[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)，2008:112－115.

[4]Bansal A，Howey D A，Holmes A S.CM-scale Air Turbine and Generator for Energy Harvesting from Low-speed Flows[C]//TRANSDUCERS 2009－15th International Conference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems，2009:529－532.

[5]Kim S H，Ji C H，Galle P.An Electromagnetic Energy Scavenger from Direct Airflow[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2009，19:094010.

[6]Williamson C H K，Govardhan R.A Breif Review of Recent Results in Vortex-Induced Vibrations[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96:713－735.

[7]Akaydin H D，Elvin N，Andreopoulos Y.Wake of a Cylinder:a Paradigm for Energy Harvesting with Piezoelectric Materials[J].Experiments in Fluids，2010，49(1):291－304.

[8]Li S G，Yuan J P，Lipson H.Ambient Wind Energy Harvesting using Cross-Flow Fluttering[J].Journal of Applied Physics，2011，109:026104.

[9]Frayne S M.Fluid-Induced Energy Converter with Curved Parts[P].US，007772712B2.

[10]Wang D A，Ko H H.Piezoelectric Energy Harvesting from Flow-Induced Vibration[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20:025019.

[11]Hu H，Clemons L，Igarashi H.An Experimental Study of the Unsteady Vortex Structures in the Wake of a Root-fixed Flapping Wing[J].Experiments in Fluids，2011，51:347－359.

[12]贺学锋，李江，赵兴强，等.带质量块的微型压电式风能采集器研究[J].传感技术学报，2011，24(7):986－989.

[13]Clair D S，Bibo A，Sennakesavababu V R，et al.A Scalable Concept for Micropower Generation using Flow-induced Self-excited Oscillations[J].Applied Physics Letters，2010，96，144103.