驰振式风能采集器的研究进展及应用

罗睿希，艾 兵，杨爱超，范亚军，裴茂林，江雪玲，鲁彩江

(1.国网四川省电力公司计量中心，四川成都 610045；2.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心，江西南昌 330032；3.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

近年来，无线传感器网络在环境监测、生物医疗、航空航天和军事等方面得到了广泛的应用，无线传感器的供电问题也得到了广泛的关注。由于传统电池供电存在尺寸大、寿命短、需定期更换等缺点[1]，利用环境能量采集技术，将环境中存在的风能[2-4]、热能[5]、太阳能[6]、电磁能[7-8]、振动能[9-11]等转换为电能，为无线传感器等低功耗电子设备供电，成为研究的热点。风能作为自然界中广泛存在的一种可再生清洁能源，其潜在能量极其巨大，对风能的利用和转换成为自供能领域的一个重要研究方向。

目前，小型风能采集器主要有涡轮式和风致振动式2类[12]。相比于涡轮式结构，风致振动式采集器不需要转动部件，结构更简单、易于微型化，是风能采集器的主要发展方向。通过涡激振动、颤振和驰振等风致振动机理，将气流转换为机械振动，再利用压电[13-14]、电磁[15-16]、静电[17-18]和摩擦电能量转换机制[19]最终实现风能到电能的转换。

驰振式风能采集器具有宽风速范围和大振幅的优点，相比于其他风致振动式采集器性能更佳，具有极大的发展前景，成为目前研究的重点。驰振式风能采集系统主要由采集结构和管理电路组成。本文对驰振式风能采集器的发展过程进行回顾，分析总结各类驰振式采集器的性能及其特点，讨论了采集器的性能提升方式及其在自供电无线传感器中的应用。最后对驰振式压电风能采集器的发展趋势进行展望。

1 驰振式风能采集器

驰振是一种典型的风致振动现象，相比于涡激振动和颤振，具有更大的振动幅度和更宽的有效风速范围，是风能采集领域的重要发展方向。根据产生机理的不同，驰振又可以分为尾流驰振和横流驰振。研究人员根据不同的机理，设计出了多种结构的风能采集器。

1.1 基于横流驰振的采集结构

横流驰振是一种自激发散振动，通常发生在近矩形截面的结构中。早期，A. Barrero-gil等[20]从理论上分析了用单自由度模型从横流驰振结构中采集能量的潜在可能，研究了截面几何形状和机械性能对能量转换效率的影响。采集系统模型如图1所示，为简单的质量-弹簧-阻尼器系统。为以后驰振式采集器的设计奠定了基础。最近，郑州大学的靳遵龙等[21]通过等效电路建模方法研究了被动湍流控制(PTC)下圆柱驰振压电能量采集的仿真模型，为分析高度耦合的流-机-电系统提供了一种简单可行的解决途径。

图1 横流驰振采集系统模型

2011年，J. Sirohi等[22]通过在压电悬臂梁自由端固定D形截面驰振体制成了风能采集器。在风作用下，末端刚体的驰振将引起压电梁的振动。该装置的切入风速为2.51 m/s，在4.71 m/s的风速下可产生1.14 mW的最大功率。

Y. Yang等[23]在2013年研究了钝体的横截面几何形状对驰振压电能量采集器的性能影响。实验结果表明，带有正方形截面钝体的采集器具有最佳的输出性能，且实现了2.5 m/s低切入风速，在8 m/s风速下，可产生8.4 mW的峰值功率。U. Javed等[24]研究了方形柱体以不同角度固定在悬臂梁末端时，对采集器性能的影响。该结构通过压电和电磁实现能量的采集。结果表明，直立或小于15°的轻微向前倾斜的柱体有利于能量的高效采集，而任何向后倾斜的柱体则会降低采集功率。F. Ewere等[25]也对具有方形钝体的驰振采集器进行了研究，并提出一种具有碰撞挡块的改进结构，显著降低了极限循环振荡幅度，提高了采集器的寿命。

最近，K. Zhao等[26]在方柱钝体的基础上研究了一种V型驰振能量采集器，用于低速风速能量的采集。方柱钝体V型凹槽在迎风面。对不同形状的V型槽进行了比较分析。研究发现，系统的最小临界速度为2.16 m/s。对于最佳结构，在10 m/s的风速下可以产生93 mW的功率。F. R. Liu等[27]提出一种Y型的3叶片钝体，固定在压电梁的自由端，如图2所示。研究显示，相比方形柱体，3叶片结构可获得更高的能量输出；当两前叶片半角为60°～80°，后叶片与前叶片的长度比为4/3～5/3时，采集器能产生更高的输出功率；垂直风能采集器的性能优于水平风能采集器，在4 m/s的风速下，输出电压高达40 V。

图2 Y型3叶片钝体结构

G. Hu等[28]设计了一种基于相互干扰的双压电风能采集器，如图3所示。分别研究了2个采集器以对齐或交错方式放置时的输出特性。实验结果表明，2采集器交错排列的输出功率大于对齐排列，且存在最佳相对位置，即沿流向的中心间距为1.2B、横向的中心间距为1.0B(B为钝体的截面宽度)。放置在最佳相对位置的2个采集器的总输出功率是2个独立采集器的总输出功率的2.2倍。该研究表明可以通过增加压电悬臂梁数量并调整相对位置来提高整个采集系统的效率。

图3 双压电采集器

1.2 基于尾流驰振的采集结构

尾流驰振是由于结构受到前方钝体的波动性来流而激发的不稳定振动。早期，H. J. Jung等[29]率先研究了基于尾流驰振的电磁式采集器的性能。实验测试显示，在1.8～5.6 m/s的流速范围内，可以获得0.3～1.13 W的平均输出功率。并提出将其应用于无线传感器。

尾流驰振现象可以在相对较低的风速下发生，有助于低速风能的采集。2013年，A. Abdelkefi等[30]通过在采集器的上游放置一圆柱体，研究了尾流驰振对基于驰振的压电能量采集器流速范围的影响。采集器由末端带有方棱柱的压电悬臂梁组成，可以对0.4～1.7 m/s的风速进行采集，其切入速度为0.4 m/s。尾流效应极大地扩大了能量采集的有效风速范围，降低了采集器的切入风速。

后来，M. Usman等[31]提出与上述结构类似的基于尾流驰振的压电能量采集器。如图4所示，该结构由上游圆柱、下游圆柱及可移动压电梁组成。研究发现，两圆柱的最佳间距为3倍上游圆柱直径，采集器的切入风速为4 m/s，在7 m/s的风速下可获得27 mV的峰值电压。与其他尾流驰振能量采集系统相比，具有更大的有效风速范围，且更加适合实际应用。

图4 带圆柱体悬臂梁的尾流驰振

尾流驰振能量的采集是涉及空气动力学、气动弹性和压电效应的复杂多物理现象。最近，S. K. Al Nuaimi等[32]建立了尾流驰振压电能量采集的现象学模型。通过该模型可以直接预测从尾流驰振物体的大振动中获取的能量水平，且比现有的准稳态模型更加精确。

2 驰振式风能采集器的性能提升

目前，越来越多的研究者开始致力于提升采集器的性能。更低的切入风速，有利于自然环境中低速能量的采集；更宽的有效风速范围，能增加采集系统的适应性；更大的输出功率，可以提高系统的采集效率。采集器结构和管理电路的优化是提升性能的主要方式。

2.1 采集结构的优化

采集结构是实现风能到振动能转换的关键。结构优化方法主要利用钝体结构的设计、调整阻流体、引入非线性或多稳态、多梁结构、混合能量采集等实现。

钝体作为驰振式采集器的捕风结构，对采集器的性能有着很大的影响。L. Ding等[33]设计了一种基于圆柱钝体的相似结构。一对鳍形杆对称地固定在圆柱表面上。实验结果显示，杆的最佳放置角度为30°～60°；采集器的启动风速为1 m/s，最大采集功率达到998 μW，是光滑圆柱的25.5倍，有效风速范围扩大了2.4倍。W. Sun等[34]基于圆柱和方柱设计了一种灯泡型截面的钝体，以利用耦合涡激振动和驰振现象的协同效应。实验结果显示，与方柱钝体相比，带有最佳形状钝体的风能采集器的平均输出功率提高了75%；在2.95 m/s的风速下，可得到193%的最大功率提升率。

最近，C. F. Zhou等[35]利用弯曲板钝体设计了一种新型驰振能量采集器，其结构如图5所示。弯曲板钝体具有改善空气动力学性能的能力，在内部循环中可以获得更高的升力和负压，驱动压电悬臂梁以更大的幅度振动。研究表明，弯曲板结构可以产生比常规横截面钝体更高的输出电压，并且切入风速更低(2 m/s)。风速为5.5 m/s时，钝体弧长为45 mm的采集器产生的平均功率为35.6 μW。有效地提高了驰振式风能采集器的输出性能。

图5 带弯曲板钝体的悬臂梁

2018年，L. Zhao等[36]在传统驰振压电能量采集器的基础上，提出了一种基于碰撞的宽带能量采集器，可以同时收集风能和基础振动。如图6所示，在带D型钝体的悬臂梁下面增加了一个机械制动器。通过钝体与机械制动器的碰撞引入分段线性，增加采集器的带宽和峰值功率。在5.5 m/s的风速和0.5g的基础激励下，输出峰值功率为3.8 mW。

图6 碰撞式宽带能量采集器

为了拓宽尾流驰振式采集器的锁定区域，M. Rezaei等[37]在2019年提出由4个自由端带钝体的压电悬臂梁和上游阻流体组成的采集系统(见图7)。理论研究表明，增加方形截面阻流体的横流尺寸可以增加输出功率。与典型的尾流驰振式采集器相比，该系统具有更宽的锁定区域和更大的转换系数。

图7 基于尾流驰振的阵列结构

F. R. Liu等[38]对传统驰振采集结构进行改进，提出一种具有双板结构的风能采集器，其结构原理图和实验设置如图8所示。由双板引起的尾流可以增强钝体上的空气升力，并增加振动幅度。对于带方柱钝体的采集器而言，在上流放置双板后，切入风速从3.5 m/s降低到了1 m/s；当风速为1.5 m/s，其输出电压从1 V增加到了12 V。且双板结构具有良好的适应性，可用于基于不同钝体的采集器的性能提升。与典型尾流驰振采集系统(在上游放置阻流体)相比，双板采集结构可以产生更高的输出电压。

图8 基于双板结构的尾流采集器

近年来，许多研究者通过利用磁感应非线性来提升采集器的性能。A. H. Alhadidi等[39]设计了一种双稳态能量采集器，其结构原理如图9所示。在传统尾流驰振能量采集器的基础上增加了2个磁铁，引入了非线性，并通过磁铁之间的排斥作用实现了系统的双稳态特性。相比于线性尾流驰振能量采集器，双稳态设计显著提高了风能采集器的带宽。K. Yang等[40]提出另外一种由2个压电悬臂梁组成的双稳态驰振能量采集器。2个竖直棱柱型钝体的末端均嵌有磁铁。实验表明，与无磁铁双梁结构相比，上梁和下梁的驰振临界风速分别降低了25%和41.9%。较大的磁铁间距可实现弱双稳态非线性，有利于降低临界风速并提高输出电压。

图9 磁耦合尾流能量采集器

W. Qin等[41]在2019年设计了一种基于涡激振动和驰振的新型采集器，其结构原理图如图10所示。通过尖端磁铁和2个固定磁铁的相互作用引入多重稳定性。对于低风速，系统发生涡激振动；对于高风速，系统则会发生疾驰。结果表明，该结构可以在2.0～7.0 m/s的风速范围内获得较大的功率输出。因此，通过引入非线性力并利用涡激振动和驰振之间的相互作用，可以有效拓宽采集器的风速范围并提高其功率输出。为未来的采集器结构设计提供了新的方向。

图10 涡激振动-驰振式采集器的原理图

2.2 电源管理与储存电路

驰振式采集器产生的是交流电，通常比较微弱，需要采用相应的电路进行转换与调节，才能用于电子设备，为其提供充足且稳定的电能。电源管理电路通常由AC/DC整流器、稳压器和能量存储设备组成。目前，主要有标准能量回收电路(SEH)、串联同步电感开关电路(S-SSHI)、并联同步开关电路(P-SSHI)、同步电荷提取电路(SECE)和双同步开关电感电路[42]。优化采集系统的电源管理和存储电路有助于提升能量转换效率，从而改善整个系统的性能。

南洋理工大学的L. Zhao等[43-44]对基于方形钝体的驰振式压电能量采集器的接口电路进行了大量的研究。为了提高驰振式采集器的功率输出，该团队提出一种自供能SCE接口电路，采集器的等效电路模型和SCE示意图如图11所示。建立了相应的理论模型，并进行实验验证。与SHE电路相比，SCE的输出功率与负载电阻无关，消除了阻抗匹配的要求，提升了实际应用中采集器的灵活性；SCE节省了75%压电材料；SCE有助于减小采集器的位移幅度，提高了采集系统的寿命。该团队还提出了驰振式压电能量采集器的响应解析解。分别研究了简单交流电路、SEH电路和SCE电路，得出了功率、电压和位移幅度的明确表达式。其中，SCE电路适用于低耦合、高风速情况；交流和SHE电路适用于高耦合采集器。

图11 驰振能量采集系统中自供能SCE接口电路的示意图

L. Zhao等研究了SSHI接口电路在驰振式采集器性能提升方面的应用[45-46]。图12为整个系统的示意图。结果表明，在风速为6 m/s的情况下，与标准桥式整流接口电路相比，P-SSHI的输出功率增加了43.75%。SSHI电路适用于高风速环境和弱耦合或中耦合系统，可以显著提升采集系统的功率输出。此外，S-SSHI电路适用于高终端负载，而P-SSHI则适用于小终端负载[47-48]。

图12 驰振能量采集系统中自供能P-SSHI接口电路的示意图

哈尔滨工业大学的T. Ting等[49]在2017年比较了连接交流或直流接口电路的驰振式采集器的性能。在小风速下，这两种能量采集系统的性能几乎相同。与连接AC接口电路的采集系统相比，连接DC接口电路的采集系统具有更小的最大电阻尼和更大的最佳负载电阻。在大风速下，仅通过调整负载电阻即可达到最大电阻尼，采集器建议连接AC接口电路，以实现更高的峰值功率和更小的尖端位移。

为了解决纯电阻接口电路中无法实现最佳电阻尼的问题，该团队设计了一种通过与负载电阻串联或并联电感来改进电路的方法[49-51]。通过引入电感，采集系统在高风速下可获得更高的峰值功率和更小的尖端位移幅度，提升了驰振系统的性能。

为了提升横流驰振能量采集器的性能，L. Wang等[52]分析了4种直流电路对采集系统的影响。采集器和电路原理如图13所示。由于电阻尼较大，SCE电路的启动速度最高。2个SSHI电路可获得最大输出功率，且S-SSHI电路的振动幅度更小。通过适当的电路设计可以有效提高输出功率和能量转换效率。

图13 驰振式采集器及4种直流接口电路

最近，T. Tan等[53]提出一种新的带超级电容的RLC电路(见图14)，用以提升驰振式采集器对低速风能的采集性能。其接口电路通过取决于外部电容、电感和电阻的电阻尼来优化。外部超级电容的引入使功率优化所需的电感减小到可接受的值。研究发现，与纯电阻情况相比，低速风能的采集功率提高了450%。

图14 带超级电容的RLC电路

孙凯利等[54]提出一种新型自供电、自感知式同步电感能量采集接口电路(如图15所示)，该电路可以根据压电片输出的电压判断压电片的形变量，实现同步电感开关的自动控制。仿真结果表明，新型接口电路能够有效提高采集电路在非线性激励下的能量采集效率，与传统采集电路相比，新型采集电路可以使输出功率提升30%。

图15 自感知和自供电式P-SSHI电路示意图

3 驰振式风能采集器在无线传感器中的应用

目前，越来越多的研究将环境能量采集装置应用于低功耗的自供能设备中[55]。而无线传感器作为自供能设备的典型代表，其供能问题的研究是推动无线传感网络发展的关键因素。小型驰振式风能采集器的主要目的之一就是为位于存在气流的环境中的无线传感器供电。

2011年，H. J. Jung等[56]设计了一种基于尾流驰振的电磁能量采集器，并可用于为桥梁结构健康监测传感器节点供电。采集器由两圆柱、磁铁和线圈组成，在风速为2.5～4.5 m/s的情况下，可以获得50～370 mW的平均发电功率。图16中分别描述了采集装置安装在桥轨、桥侧面和桥底面，为传感器节点供能的示意图。实验中假设桥周围每天有1 h以4.5 m/s的速度在吹风，并使用可充电电池存储能量。在Imote2传感节点每d执行2次感应过程的情况下，传感器节点可以运行5 d以上。

图16 采集器安装在桥轨、桥侧面和桥底面为无线传感器供能的示意图

为了实现对室外环境中无线传感器节点的供电，J. Sirohi等[22，57]提出了多种驰振式采集器。具有代表性的是末端带有三角形截面钝体的双压电梁结构。风洞实验显示，该采集器在负载电阻为37 kΩ，风速为5.21 m/s时，可产生53 mW的最大功率，该功率水平足以为当前使用的大多数商用无线传感器供电。其简单性和耐用性非常适用于为结构健康监测和环境监测领域的无线传感器节点供能。

近年来，对室内微气候控制的需求日益增长，F. Li等[58]设计了第一个自维持室内气流感应系统，也被称为Trinity系统，可以实现能量采集、同步占空比和传感。该系统的原理如图17所示。传感器节点部署在HVAC出口处，便于采集与传感。驰振式能量采集器由固定框架和末端带有方形截面钝体的压电双晶悬臂梁组成。电源管理模块由低损耗全波桥式整流器、DC/DC转换器和电池充电系统组成。电池充电系统在传感器节点处于低功率睡眠模式时存储剩余能量，在采集器暂时停止工作时也起着备用电源的作用。提出通过低功耗自校准策略和每链路同步策略实现同步占空比，以确保接收方及时被唤醒以接收来自各个发送方的数据包。气流速度通过采集驰振式采集器的电压，并依据采集器的输出电压峰值与气流速度的关系进行预测。实验发现，驰振式采集器可以有效采集2～6 m/s的室内气流；该自供能无线传感装置成功预测了16个HVAC出口处的风速(3～6 m/s之间)。该研究是将能量采集装置应用于无线监测系统的一个成功案例。

图17 Trinity室内传感系统原理图

后来，该团队[59]还设计了一种可用于室内监测系统和高度城市化区域中无线传感节点供电的两自由度驰振能量采集器。其结构如图18所示，通过磁铁之间的相互作用引入了刚度非线性，提升系统的采集性能。实验表明，采集器的切入风速低至1 m/s，在2.5 m/s的风速下，其输出功率大约是传统单自由度采集器的4倍；在低于4.5 m/s的风速下，总功率一直在提升。适用于为处于低风速环境中的无线传感设备供能。

图18 两自由度驰振式压电能量采集器原理图

G. Tomasini等[60]在2015年研究了使用驰振式压电-气动弹性能量采集器向安装在货运列车上以测量轴箱加速度的无线传感器供电的可能性。采集器原型由压电悬臂梁和末端钝体组成。该监视系统可用于检测运行状况的可能恶化，以避免车辆脱轨等危险的发生。

最近，L. B. Zhang等[61]设计了一种基于驰振的电磁能量采集器。如图19(a)所示，采集器由自由端带有Y型3叶片钝体的悬臂梁、2个固定在钝体底面的线圈和磁铁组成。磁体布置成Halbach阵列并固定在底部，通过钝体运动带动线圈切割磁感应线从而产生电流。采集器在4 m/s的风速下获得的平均功率为2.5 mW，当负载电阻为10 kΩ，启动速度低至0.8 m/s。并且可以通过改变外部负载电阻来调节采集器的临界失稳速度，有利于低速气流能量的采集。将采集器用于为工作电压为1.1 V的温湿度传感器供电，实验结果如图19(b)。充电和放电同时进行，气流以3.5 m/s的速度持续30 s，可以驱动传感器运行约1 min。实际环境测试设置及其结果如图19(c)所示。采集装置放置在空调出风口处为传感器供电。在空调工作的3次时间里，采集器成功为传感器提供了所需电能，分别工作了65 s、56 s和57 s，具有良好的环境适应性。进一步促进了将驰振式采集器应用于建筑物和桥梁结构健康监测传感器自供电的实现。

(a)采集器原理图

4 总结与展望

近年来，风能采集技术和无线传感网络高速发展，而驰振式风能采集器作为风能采集器的一种典型结构，在自供能领域展现出了极大的潜力。目前，已经提出了多种驰振式采集结构，但其性能的提升仍是研究的主要方向。风能采集的一个主要目的是向处于气流环境的无线传感器供电。空气调节系统(HVAC)、大型风电场等周围都存在丰富的风能，对其进行采集利用，实现低功耗设备的自供能，有助于节约人力和物力成本。但是，当前驰振式风能采集器的研究和实际应用仍面临巨大的挑战，有如下几个方面还需要继续深入研究：

(1)低切入风速、宽风速范围的实现。大多数驰振式风能采集器有效风速范围较窄，且切入风速一般较高，对环境适应性比较差，不适用于低风速环境。研究不同的方法降低采集器的切入风速，增加其有效风速范围，对进一步提升能量采集器的性能及灵活性具有重要意义。

(2)多方向风能的采集。目前所提出的大部分驰振式采集器只能有效采集单个方向的风能，而自然界中风的风向通常是多变的，这样将会造成采集器工作效率的低下以及风能的浪费。因此，对多方向风能的采集的研究将成为未来研究的热点。

(3)基于多种机理的采集结构。风致振动有多种机理，基于不同机理的采集器有不同的风速范围、切入风速等。将驰振式风能采集器与基于其他机理的(如涡激振动)相互结合，可以有效拓宽采集器的风速范围并提高其功率输出。目前，基于多种机理的采集器的研究较少，有很大的发展空间。

(4)接口电路的优化。能量采集接口电路作为驰振式风能采集器的一部分，对采集的能量进行转换、储存与管理。对接口电路的设计与优化有利于提高风能的转换效率，促进其在实际环境中的应用。