基于涡激振动的压电式微型风力发电系统*

顾 聪， 陈远晟， 王 浩， 郭家豪

(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

0 引 言

传统桨叶发电系统存在着体积较大、成本较高、运维难度高等问题，不易与微小型独立工作的电子系统集成。同时，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一般使用电池进行供能，而电池普遍存在体积尺寸大、存储能量有限、需定期更换以及易产生环境污染等缺点，这限制了微型电子系统的发展和应用。无桨叶风力发电系统能够为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的供能问题提供一个有效的手段，相比于传统的有桨叶发电系统，微型的压电式风力发电系统成为了一种解决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的有效方法[1]。通过微型风能发电系统将风能转换为电能供给微型电子系统使用，是目前针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的供能的研究热点，在房屋桥梁检测、森林防火等领域也有着较为广泛的应用前景。

Taylor G W等人[2]提出的类似鳗鱼的装置，利用在钝体后产生的周期性涡流使压电片产生振动。Zhang J等人[3]通过圆盘型压电装置在风中产生的旋转，将风能转换为电能。Zhao L等人[4]设计一种二自由度的压电能量收集器，压电悬臂梁通过两块磁铁提高了低风速下的收集效率，当风速低于4.5 m/s时，这种二自由度结构风能回收效率更高。舒畅等人[5]提出一种结合了谐振腔设计的风致振动压电风能发电装置，装置的谐振腔为矩形，谐振腔体可改善压电振子周围流场，以提高其能量转换效率。赵江信[6]提出一种压电式多方向风致振动发电装置能在2～17 m/s内有电能输出，并能在各个方向的风作用下有不同的工作模式。曹旸[7]提出的应用于车载胎压监测系统的风致振动式微型风能发电装置，通过汽车行驶时产生的风能来进行能量收集回收。Gao X等人[8]提出了一种由圆柱体外延压电悬臂组成的压电流能量收集器，其输出功率最大值为30 μW。

本文以结构简单紧凑、易小型化、收集能量高效为目标，采用压电陶瓷双晶片作为振动能—电能的转换材料，根据该装置的固有频率选取了合适的风力发生器，设计了一种高效的涡激振动式无桨叶风力发电装置，对其接口电路进行了优化，对两种接口电路进行了仿真分析。通过实验研究了在使用VD接口电路后，风速、负载对输出电压、功率的影响，找到了最优负载，提升了系统的输出电压及功率，验证了接口电路的可靠性，可解决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独立供能的问题，具有较大应用前景。

1 涡激振动发电装置原理

1.1 风—电转换原理

装置原理图如图1所示，当装置处在风能环境下，风吹向装置的钝体部分，在钝体垂直于风向的两侧产生周期性的作用力，钝体形成涡激振动。之后由于钝体与压电双晶片为弹性支撑，同时压电双晶片远离钝体一端固定，涡激振动[9,10]将引起压电双晶片另一端产生周期性位移，由于压电双晶片的正压电效应将机械能造成的形变转换为交流电能。最终经接口电路转换的电能传输至负载中以备使用。

图1 涡激振动原理

装置组成部分包括钝体、压电双晶片、底座固定台以及接口电路模块，在所述底座固定台上固定一个压电双晶片，在压电双晶片的顶端设置钝体，底座固定台内部设置接口电路转换模块，其中接口电路转换模块的输入端与压电双晶片的正负极相连，所述接口电路使用了一种VD整流电压，其输出端与负载或储能装置连接。由铜合金基板和压电基片粘结而成的双层压电片在风力与顶端质量块的综合作用下产生弯曲形变时，其产生的电压可通过如下计算进行表示[11]

式中l,d及h=hp+hm分别为压电片长、宽及厚度；hp,hm分别为压电片以及铜合金基板的厚度；λh=hm/h为厚度比；λE=Em/Ep为弹性模量比；Ep为压电片的弹性模量；g31为压电电压常数；K,F分别为压电梁的等效刚度和自由端所受等效作用力。由式(1)可通过改变装置材料、尺寸等属性以提高输出交流电压。

1.2 固有频率

如图2所示,通过Ansys Workbench中的DesignModeler 软件来对涡激振动发电装置进行建模，在模型中，上部分钝体材料为木材，下部分细长长方片为压电双晶片材料属性见表1。在通过Ansys Workbench仿真得到了不同钝体形状装置模型的共6阶模态分析振型中，其中第二阶模态振型为以装置正面中心竖轴为轴的扭转振型，第三阶模态振型为以压电双晶片靠近钝体侧为中心前后摇摆振型，第四阶模态振型为在装置正面角度左右摇摆振型，第五阶模态振型为以压电双晶片中间侧为中心前后摇摆振型，第六阶模态振型为以压电双晶片靠近钝体侧为中心左右摇摆振型。最终，第一阶模态振型是在压电双晶片远离钝体端固定的前后摇摆振型，是在涡激振动条件下所需要的振型，同时第一阶的固有频率是后面计算所需要用到的装置频率,装置一阶频率为9.839 5 Hz。

图2 装置建模

表1 材料的属性参数

1.3 能量回收电路

如图3所示，接口电路部分采用一种VD接口电路作为能量回收电路。相较于标准(Standard)电路，该电路仅使用2个二极管，使损耗降到最低;相较于升降压电路，该电路在不需要外部供能的同时可将电压升高至2倍。第一个半周时，输入电压上正下负，电流依次流过D1和C1，此时C1开始充电，当UC1=Umax时充电结束；第二个半周时，Uin上负下正，电流依次流过C2和D2,C2充电至UC2=Umax，由基尔霍夫定律可知：UDC=2Umax。

图3 二种能量回收电路仿真

由能量守恒可知,压电元件在一个周期输出的电荷量等于负载在一个周期内消耗的有功功率,于是可以得到[12]

最终求得负载两端电压为

负载输出功率为

本实验看作恒定激振位移下进行。对能量采集功率的公式进行分析，假设激振位移赋值UM固定，当负载RL由0开始逐渐增大时，能量采集功率先增大后减小，很明显存在着一个最优负载值Ropt使得P取到最大值。对输出功率进行求导,可得最优负载值和最大功率分别为

如图3所示，在Multisim中对VD电路及Standard电路进行仿真设计，二者参数设置完全相同，左侧电压源和电容可等效为[12]压电双晶片，输出电压波形图如图4所示。

图4 二种接口电路输出电压变化曲线

从图4中可以看出，本次实验所使用的能量回收电路相对于传统的Standard电路，其整流性能更优。在接通后较短的时间内开始输出更高的直流电压，并且在2个半周后输出相当于Standard接口电路2倍的直流电压；当改变负载阻值大小后，VD接口电路的输出功率明显高于Standard接口电路。仿真结果验证了该电路的可靠性，接下来将通过实验部分进行验证。

通过上面的分析计算可知，该发电装置输出功率随负载改变而改变，在通常实际回收环境中，需要考虑负载的大小选择合适的负载，从而使涡激振动式无桨叶风力发电装置的接口电路输出功率最大化。

2 实验研究与分析

实验装置实物图如图5所示，总体方案如图6所示。当外部风的激励频率与装置的固有频率相接近时，装置的振动响应越剧烈。根据该装置的固有频率，本实验采用CZ—TD250型号风机，使得产生风的频率与该装置的一阶频率较为接近。通过调速装置产生不同风速的稳流气流，压电陶瓷片型号为QDA60—20—0.7，尺寸为60 mm×20 mm×0.7 mm，自由长度50 mm，木质钝体尺寸为59 mm×29 mm×29 mm。将装置固定于台钳上，在风机的作用下，装置开始振动，将压电双晶片的正负电极引出，接入示波器当中，得到涡激振动发电装置的开路交流电压示意图如图7所示。实验中风机通过调速装置分别产生14,16,18,20,22 m/s的风速。之后通过测速仪确定风机所输出的风速大小，将钝体与压电双晶片固定在台钳上，钝体迎风面距离风机出风口的最近距离为30 cm。经钝体振动和压电双晶片的正压电效应所产生的电能经过所设计的能量回收电路，再传送至负载上使用，通过示波器对测量所需要的参数进行分析。

图5 实验装置实物

图6 实验总体方框图

图7 开路电压示意

实验中，改变可调电阻阻值，使其在装置的最优负载附近变化，同时调节风速在14～22 m/s范围里变化，得到装置接在负载两端的电压值，再由负载的电压值和负载阻值求得经过标准接口电路输出在负载上面的功率大小。能量回收电路使用前后，其开路电压有效值随风速变化曲线如图8(a)所示，可以看出，当风速增加时，开路电压也随之增加，最大开路电压有效值分别为14.2，36.2 V。使用能量回收电路后，如图8(b)所示，风速一定时，负载两端电压随负载增加而增加，直至接近于开路电压；负载一定时，负载对电压随风速增加而增加。当负载不变时，风速增加，输出的功率也随之增大，在风速22 m/s时达到最大值。如图8(c)所示，负载一定时，输出功率随风速增加而增加；风速一定时，随着负载增大，输出功率先增加后减小，当风速为22 m/s，负载为560 kΩ时，输出功率最高可达到375.5 μW,相比于Standard接口电路的350.7 μW[13]提升了7.07 %。

图8 风速、负载对输出的影响

3 结 论

本文针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的需求，提出了一种基于涡激振动的压电式微型风力发电系统，采用了一种高效的接口电路，对其电学性能进行了仿真分析，该电路无需外部供能，可满足微电子器件或电池户外独立供能的需求。对VD电路和Standard电路进行了理论分析，研究了本文发电装置在使用VD接口电路后，在不同风速与不同负载下的输出特性。本文系统轻小、高效，可实现风能的回收，并为无线传感节点等微小型独立工作的电子系统独立供能，有较大的应用前景。