吳 松，張健滔

(上海大學(xué)， 上海 200072)

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振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置的研究

吳 松，張健滔

(上海大學(xué)， 上海 200072)

建立了振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置在風(fēng)流場(chǎng)中的有限元分析模型。基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行了風(fēng)流場(chǎng)仿真分析，并通過(guò)系統(tǒng)耦合實(shí)現(xiàn)了風(fēng)流場(chǎng)和發(fā)電裝置固體之間的雙向耦合分析。獲得了壓電發(fā)電裝置在風(fēng)流體作用下的振動(dòng)特性結(jié)果，結(jié)果顯示：發(fā)電裝置在流場(chǎng)中徑向放置比其他放置方式能產(chǎn)生更多的電能。制作了壓電發(fā)電裝置，并在微型風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,發(fā)電裝置在風(fēng)場(chǎng)中徑向放置時(shí)產(chǎn)生的電壓明顯比其他放置方式高，當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，徑向放置的輸出電壓峰峰值大約是軸向放置的兩倍。

壓電發(fā)電裝置；流固耦合；振動(dòng)；有限元

0 引 言

近年來(lái)，隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及微型電子設(shè)備的飛速發(fā)展，對(duì)這些設(shè)備的供能成為迫切需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的化學(xué)電池供能具有其不足，例如電池體積大、能量密度低、使用壽命有限、 需定期更換、成本高、舊電池處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。因而從環(huán)境中尋找新的能源替代傳統(tǒng)電池供電成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-4]。

風(fēng)能作為自然界中的綠色可再生能源，安全、清潔、資源豐富、取之不竭，存在很大的利用價(jià)值。微型風(fēng)能發(fā)電裝置可將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓M(jìn)而為微電子設(shè)備供能，其具有廣闊的發(fā)展前景。其中壓電式風(fēng)能發(fā)電裝置由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度大、無(wú)電磁干擾、啟動(dòng)風(fēng)速低、易于微型化等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都展開(kāi)了相應(yīng)的研究[5-8]。

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，壓電式風(fēng)能發(fā)電裝置可分為渦輪旋轉(zhuǎn)式和風(fēng)致振動(dòng)式兩種。Ying Yang等人提出了一款渦輪旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置，其通過(guò)風(fēng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，進(jìn)而使球跳動(dòng)并撞擊壓電懸臂梁變形，從而產(chǎn)生電荷[9]。Karami等研制了一款微型風(fēng)力渦輪發(fā)電裝置，其在轉(zhuǎn)動(dòng)元件和壓電懸臂梁的末端都裝上永磁體，轉(zhuǎn)動(dòng)元件通過(guò)永磁體的相互作用帶動(dòng)壓電懸臂梁往復(fù)振動(dòng)，從而產(chǎn)生電能[10]。D. St. Clair從樂(lè)器口琴獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一款微型自激振動(dòng)壓電風(fēng)能發(fā)電裝置[11]。Xue-Feng He提出了一款低啟動(dòng)風(fēng)速的壓電振動(dòng)風(fēng)能發(fā)電裝置，其通過(guò)風(fēng)引起金屬懸臂梁撞擊擋板產(chǎn)生沖擊效果，進(jìn)而致使壓電發(fā)電裝置振動(dòng)，發(fā)電裝置的啟動(dòng)風(fēng)速為3.2～3.4 m/s[12]。

振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)風(fēng)速較低等特點(diǎn)，受到了研究者的青睞。但如何提高發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。本文將對(duì)振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置在流場(chǎng)中的放置方式對(duì)能量采集效率的影響進(jìn)行研究。建立了壓電風(fēng)能發(fā)電裝置在流場(chǎng)中的有限元分析模型，分析了其在流場(chǎng)中不同放置方式下的應(yīng)變結(jié)果，并在小型風(fēng)洞中測(cè)試了發(fā)電裝置在不同放置方式下的輸出電壓。結(jié)果表明：發(fā)電裝置在流場(chǎng)中合理放置能有效地提高其能量收集性能。

1 流固耦合有限元分析模型

振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置工作過(guò)程中涉及兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程：空氣動(dòng)能致使發(fā)電裝置的壓電元件產(chǎn)生振動(dòng)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；然后再利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，壓電懸臂梁振動(dòng)應(yīng)變大小直接影響發(fā)電裝置的發(fā)電能力。因此，本文將建立振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置在風(fēng)流場(chǎng)中的有限元分析模型，對(duì)比分析發(fā)電裝置在不同放置方式下的振動(dòng)應(yīng)變情況。

圖1是發(fā)電裝置在風(fēng)流場(chǎng)中的放置方式示意圖。在同一平面內(nèi)，通過(guò)改變壓電裝置與風(fēng)向所成夾角α來(lái)變化壓電裝置的放置方式。其中，當(dāng)夾角α為0°時(shí)，壓電懸臂梁呈軸向放置；夾角α為90°時(shí)，壓電懸臂梁呈徑向放置。

圖1 發(fā)電裝置在風(fēng)流場(chǎng)中的放置方式示意圖

通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件建立有限元分析的幾何模型，如圖2所示。該幾何模型包括由壓電懸臂梁組成的固體域以及類似風(fēng)洞腔體的流體域，流體域的尺寸與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸相同。壓電懸臂梁在流場(chǎng)中放置方式包括四種：沿流體腔軸向放置、沿流體腔徑向放置、與風(fēng)向呈45°放置和與風(fēng)向呈90°放置。流體域中以空氣為介質(zhì)，壓電懸臂梁的金屬體材料為純銅，壓電陶瓷片為PZT-5。

(a)壓電懸臂梁軸向放置(b)壓電懸臂梁徑向放置(c)壓電懸臂梁45°放置(d)壓電懸臂梁135°放置

圖2 有限元分析的幾何模型

將幾何模型導(dǎo)入有限元軟件中，流體域和固體域分別在Fluent模塊和Transient structural模塊下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型如圖3所示。其中流體域的單元尺寸設(shè)為8 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到111 387；固體域的單元尺寸設(shè)為1 mm，單元數(shù)量為2870。在流體計(jì)算中采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型通過(guò)求解湍動(dòng)能k方程和湍流耗散率ε方程，得到k和ε的解，再利用k和ε計(jì)算湍動(dòng)粘度。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有較高的計(jì)算精度、較好的穩(wěn)定性和計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，在湍流模型中得到了廣泛的應(yīng)用。

(a)流體域(b)固體域

圖3 有限元模型

設(shè)置流場(chǎng)入口風(fēng)速為10 m/s。流固耦合數(shù)值計(jì)算是一個(gè)雙向流固耦合的求解過(guò)程：先根據(jù)初始狀態(tài)，求解出流場(chǎng)的流動(dòng)；然后通過(guò)系統(tǒng)耦合將耦合邊界上的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果傳遞給發(fā)電裝置，通過(guò)固體的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析求解出發(fā)電裝置的位移變化；瞬態(tài)分析結(jié)果又通過(guò)系統(tǒng)耦合傳遞給流場(chǎng)，之后又是流場(chǎng)分析計(jì)算。如此重復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)求解結(jié)果趨于穩(wěn)定，流場(chǎng)和瞬態(tài)分析數(shù)據(jù)交換停止，計(jì)算終止。

圖4為壓電懸臂梁在流場(chǎng)中四種放置方式下的應(yīng)變結(jié)果圖，壓電懸臂梁應(yīng)變最大的地方靠近固定端。對(duì)比四種放置方式下的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)徑向放置時(shí)壓電陶瓷上的最大應(yīng)變?yōu)檩S向放置時(shí)壓電陶瓷上的最大應(yīng)變的10倍；壓電懸臂梁45° 放置時(shí)壓電陶瓷上的最大應(yīng)變?yōu)?35° 放置時(shí)的3倍左右，且是軸向放置的4倍左右。即隨著夾角α從0° 增加到135°，壓電陶瓷上的最大應(yīng)變先增大后減少。由壓電體所受應(yīng)力及產(chǎn)生電場(chǎng)的本構(gòu)關(guān)系可知，壓電體上的應(yīng)變?cè)黾訒?huì)致使產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)[1]。由此，結(jié)合壓電風(fēng)能發(fā)電裝置有限元分析結(jié)果可知：發(fā)電裝置在流場(chǎng)中徑向放置時(shí)能產(chǎn)生更多的電能。

(a) 壓電懸臂梁軸向放置

(b) 壓電懸臂梁徑向放置

(c) 壓電懸臂梁45°放置

(d) 壓電懸臂梁135°放置

2 壓電發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制作出壓電發(fā)電裝置，其中壓電材料采用壓電陶瓷PZT-5，尺寸為30 mm×16 mm×0.5 mm，基板材料為純銅，尺寸為70 mm×26.5 mm×0.2 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5所示，包括微型風(fēng)洞、風(fēng)速計(jì)(TASI-8818)、示波器(TBS 1102, Tektronix)。壓電發(fā)電裝置放置在風(fēng)洞的透明實(shí)驗(yàn)段，通過(guò)兩塊亞克力板夾持固定在一根螺柱上，如圖6所示，其中圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)分別是壓電懸臂梁軸向放置、徑向放置、45°和135°放置時(shí)的狀態(tài)。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(a)壓電懸臂梁軸向放置(b)壓電懸臂梁徑向放置(c)壓電懸臂梁45°放置(d)壓電懸臂梁135°放置

圖6 壓電懸臂梁在風(fēng)洞中的放置方式

測(cè)試出壓電發(fā)電裝置隨風(fēng)速變化的曲線圖，如圖7所示。風(fēng)速為從3 m/s增加到15 m/s，通過(guò)示波器記錄發(fā)電裝置的輸出電壓峰峰值，多次測(cè)量取平均。從圖7可以看出，隨著風(fēng)速的增加，發(fā)電裝置的輸出電壓峰峰值也不斷增加。隨著發(fā)電裝置在風(fēng)場(chǎng)中的夾角不斷增大，其產(chǎn)生的電壓先增大后減少，且當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，徑向放置時(shí)的輸出電壓峰峰值大約是軸向放置時(shí)的2倍。

圖7 風(fēng)速與輸出電壓的關(guān)系曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了振動(dòng)式壓電風(fēng)能發(fā)電裝置在風(fēng)流場(chǎng)中的有限元分析模型。利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)分析風(fēng)流場(chǎng)，通過(guò)系統(tǒng)耦合實(shí)現(xiàn)了風(fēng)流場(chǎng)和發(fā)電裝置固體之間的雙向耦合分析。獲得了發(fā)電裝置在風(fēng)流體作用下的振動(dòng)特性結(jié)果，結(jié)果表明：相對(duì)其他幾種放置方式，發(fā)電裝置在流場(chǎng)中徑向放置時(shí)能產(chǎn)生更多的電能。在微型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置中，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著發(fā)電裝置在風(fēng)場(chǎng)中的夾角α的增大，其產(chǎn)生的電壓先增大后減少，且當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，徑向放置時(shí)的輸出電壓峰峰值大約是軸向放置時(shí)的2倍。

[1] 寧玉懷．壓電發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)能技術(shù)研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.

[2] PARK J C,PARK J Y.Asymmetric PZT bimorph cantilever for multi-dimensional ambient vibration harvesting[J].Ceramics International, 2013，39(1):5653-5657.

[3] 鄧冠前．基于壓電陶瓷的振動(dòng)能量捕獲關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[4] 王劍，郭吉豐，郭帥．壓電發(fā)電技術(shù)研究綜述．壓電與聲光[J].2011, 33(3): 394-398.

[5] KHALID M S,HOSSAM S A,MAZLAN A W,et al.Numerical simulation of confined vortex flow using a modifiedk-εturbulence model[J].CFD Letters, 2009，1(2): 87-94.

[6] KWON S D.A T-shaped piezoelectric cantilever for fluid energy harvesting[J].Applied Physics Letters, 2010，97(16): 1-3.

[7] 董志利，張廣明，徐飛．壓電陶瓷風(fēng)力發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2014，42(1): 25-27.

[8] 周鐵英，鹿存躍，陳宇．毫米壓電微電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用[J].微特電機(jī),2005，33(12)：41-44.

[9] YANG Ying,SHEN Qinlong.Rotational piezoelectric wind energy harvesting using impact-induced resonanceors[J].Applied Physics Letters， 2014，105(5): 053901.

[10] KARAMI M A,FARMER J R,INMAN D J.Parametrically excited nonlinear piezoelectric compact wind turbine[J].Renewable Energy，2013，50(3): 977-987.

[11] ST CLAIR D,BIBO A.A scalable concept for micropower generation using flow-induced self-excited oscillations[J].Applied Physics Letters， 2010，96(14): 144103.

[12] HE Xuefeng，GAO Jun.Wind energy harvesting based on flow-induced-vibration and impact[J]. Microelectronic Engineering,2013，111(11)：82-86.

Piezoelectric Wind Energy Harvester Based on Vibration

WU Song, ZHANG Jian-tao

(Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The finite element model for the piezoelectric wind energy harvester is developed. The wind flow field was simulated using the standard k-ε turbulence model. The fluid-structure interaction between the flow and the energy harvester was analyzed using system coupling. The vibration characteristics of the energy harvester were obtained, which was acted upon by the force exerted by the wind flow. The results show that the energy harvester placed along the radial direction can generate more electric power than that placed along the other direction. An energy harvester was fabricated and wind-tunnel experiments were carried out. The experimental results show that the energy harvester placed along the radial direction can generate higher voltage than that placed along the other direction. When the wind velocity is 15m/s, the output voltage peak-peak value of the harvester placed along the radial direction is about two times of that placed along the axial direction.

piezoelectric energy harvester; fluid-structure interaction; vibration; finite element method

2015-12-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305248)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13ZR1416900)；上海高校青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(ZZSD13051)；上海大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(SDCX 2012025)。

TM315;TM359.9

A

1004-7018(2016)10-0010-03

吳松(1990-)，男，碩士，研究方向?yàn)閴弘娔芰渴占鳌?/p>