采用半环形钝体的压电悬臂梁式风能采集器研究

针对当前风能采集器低风速下输出效率较低的问题,提出了一种采用半环形钝体结构的压电悬臂梁式风能采集器,其由矩形压电悬臂梁和安装在梁自由端的半环形钝体组成。与传统的圆形、长方形截面钝体相比,半环形截面钝体由于其特殊的凹面结构而具有更强的风流阻碍作用,导致半环形钝体附近流场更紊乱,压力场梯度更大,从而使钝体及压电悬臂梁发生更强烈的驰振,输出更高的电压。利用有限元法分别仿真分析了半环形、圆形、矩形截面钝体周围流场的风速及压力分布。分析结果表明,半环形截面钝体附近具有更强的紊乱流场及更大的压力梯度。为验证提出方案的先进性,实验分别测试了在0-6.5 m/s风速下采用半环形、圆形、矩形钝体的悬臂梁式风能采集器的输出特性。实验结果表明,提出的采用半环形钝体的悬臂梁式风能采集器具有更好的输出性能。在2 m/s的低风速条件下,其最优输出功率分别是采用圆形、矩形钝体的悬臂梁式风能采集器的6.4倍和4.8倍;当风速为6.5 m/s时,采集器在最优负载140 kΩ下,最大输出功率为0.482 mW。提出的采集器结构还可应用于波浪能采集、风速测量等领域。