柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应用.

基于同步电荷提取和翻转的可扩展异质能量俘获电路

为了提供更加稳定可靠的能量,针对异质能的混合能量俘获问题,提出了一种基于同步电荷提取和翻转的可扩展异质能量俘获(Extensible Synchronous Charge Extraction and Inversion for Heterogeneous Energy Harvesting,EH-SCEI)电路。所提出的EH-SCEI电路,利用无源的峰值检测电路和RC微分电路在压电电压峰值时实现异质能源同步提取,并提出将部分电荷提取到储能端而另一部分电荷进行翻转以提高俘能效率的方法。仿真和实验结果均表明,所提出的电路可以对多个具有任意相位差的压电换能器进行能量采集并可根据实际的应用场景进行扩展;与现有电路相比,在输入输出范围、负载相关性、俘获效率等性能上,均有较大改善。

基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获电路设计

串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率高整流电压范围窄,而同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路则输出功率低整流电压范围宽。提出了一种基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获接口电路,以实现整流器峰值输出功率和最佳整流电压范围之间的平衡。所提出的电路去除了整流桥结构,而采用简单的无源峰值检测器设计,且可以在任意相位差(0~2π)下从多个压电换能器中提取能量。仿真和实验结果表明,所提出的电路具有较高的输出功率和较宽的整流电压范围,与多输入全桥整流器相比,最大输出功率提升了3.04倍。

旋转环境下的磁耦合双稳态能量俘获机理研究

环境中存在大量的旋转运动能量,可以使用能量俘获技术将其转换为可用的电能,进而为嵌入式设备和无线传感器提供持续稳定的电能,以解决传统化学电池供电带来的环境污染和维护成本高等问题。为了提高能量俘获系统在超低频(低于3 Hz)旋转环境中的能量俘获性能,本文提出一种具有低势垒特性的时变势阱磁耦合双稳态能量俘获系统。在充分考虑了离心效应影响的前提下,基于能量法和拉格朗日方程在旋转坐标系下推导了该系统的分布式参数机电耦合方程。通过建立该系统的磁力计算模型以分析磁间距和离心效应对系统势能阱及能量俘获特性的影响。数值仿真结果和实验结果均验证了与传统线性能量俘获系统相比,本文提出的时变势阱磁耦合双稳态能量俘获系统具有更宽的工作频率范围(0~2.67 Hz)和更高的输出电压(大于2 V)。

基于同步翻转电荷提取的压电能量俘获电路设计

提出了一种高效自供电同步翻转电荷提取(SP-SICE)电路,该电路具有无需整流桥,且能自供电的特点。电路采用下拉电阻设计改进了翻转倍压结构,减少了因电感感抗产生的能量消耗问题,提高了翻转倍压时的能量收集效率。实验结果表明,高效SP-SICE电路平均稳定输出功率是标准能量俘获(SEH)电路的2.76倍,是SICE电路的1.44倍。

橡胶混凝土道床车致振动能量俘获研究

随着城市轨道交通运营里程的不断增加,为保证运营安全,需对轨道等结构进行健康监测。目前,既有监测传感器的供电方式主要采用外部市电或蓄电池。如何将列车运行产生的振动能量俘获并用于监测传感器供电,已经成为近些年的研究热点。针对橡胶混凝土道床,设计了一种全新的球型俘能器。通过构建列车荷载作用下橡胶混凝土道床的计算模型,对垂向位移、应力、电压、总电能等指标进行分析。主要结论如下:(1)采用阵列形式将球型俘能器埋入橡胶混凝土道床,最优位置在轨枕之下5 mm;(2)在6 m长橡胶混凝土道床范围内布设10个俘能器,一辆8节编组A型列车驶过可产生毫焦级别的电能,若按照5 min发车间隔估算,1 h俘获总电能122.4 mJ;(3)橡胶混凝土道床较普通混凝土道床更有利于能量俘获,当橡胶含量为10%时,道床内部俘能器阵列所俘获的总电能较普通混凝土提高5%,应力等力学性能指标也在安全范围内。

基于压电效应的道路振动能量俘获系统研究

针对目前车辆振动能量回收率较低的问题,为探究路面振动能量俘获技术,笔者对基于压电效应的道路振动能量俘获系统进行了研究。设计并搭建了能量俘获模拟系统,并进行了测试。首先,基于PZT-5H系列压电陶瓷设计了压电振子,并对影响压电振子能量转化效率的振动模态及支撑方式进行分析及设计;然后,对整流电路、稳压电路及储能电路进行了分析,并基于集成芯片LTC3588-1设计了外围电路,通过引脚选择3.3 V的输出电压并将其输出的电能储存在超级电容中;最后,利用激振器搭建了道路振动能量俘获模拟系统对压电振子进行了测试。LED灯的模拟负载电路验证了该能量俘获系统的可行性;激振器载荷加载试验结果表明该能量俘获系统的能量转换效率约为0.5%。

基于摩擦纳米发电机的俘获风致振动能量分析

阐述基于薄膜颤振的摩擦纳米发电机在风能收集中的实际应用,验证引入涡流激励下的薄膜受迫振动稳定性的提升。尾流效应可以提升薄膜振动稳定性和频率,从而提升TENG的发电效能。尾流区的压力流速分布受到圆柱大小的影响。对薄膜振动的仿真,验证了流致振动摩擦发电的可行性。

混合式三稳态压电能量俘获器动力性能分析

为了提高压电能量俘获器在低强度外界激励下的俘能表现,基于三稳态压电悬臂梁能量俘获器模型,在U形框架和基底之间以及压电悬臂梁固定端与U形框架之间分别装置一个弹性放大器,提出一种混合式三稳态压电能量俘获器(TPEH+DEM)模型。基于Hamilton原理建立了TPEH+DEM系统的非线性力电耦合运动方程,并利用谐波平衡法分析了弹性放大器的质量和弹簧刚度、磁铁之间相对距离、负载电阻等对TPEH+DEM系统能量收集水平的影响。结果表明:在一定的外界激励频率范围内,TPEH+DEM系统的响应输出功率存在两个峰值,合理调节弹性放大器的质量和刚度能使系统在较低的外界激励强度下进入阱间运动,产生很高的输出功率。相比于仅带有弹性基底的传统三稳态压电能量俘获器,TPEH+DEM模型在低频外界激励下具有更好的俘能表现。

一种具有能量俘获自参数摆动力吸振器的设计及参数影响分析

传统的摆类动力吸振器因为抑振频带较窄,对于工程环境中较宽频带的振动,往往表现出较低的工作效率。针对该问题,本文设计了一款具有较宽抑振频带的自参数摆动力吸振器。该装置以封闭线圈代替了附属结构中的子结构摆,在子结构摆的两侧对称装有强磁铁。线圈摆动时切割磁感线产生感应电流,进而将振动抑制与能量俘获结合在一起。以所提动力吸振器为研究对象,基于拉格朗日方程推导了这类非线性振动系统的运动微分方程。采用多尺度方法求出了该系统的幅频特征方程,并应用李亚普诺夫稳定性理论给出稳态解的判别条件。应用小参数法进一步化简了幅频特征方程,并且获得了系统抑振频带的解析表达式。基于理论分析,应用数值方法研究了不同设计参数对抑振性能的影响,发现较小的机械阻尼、弹簧刚度和摆长,或较大的附加磁力都可以使该系统获得较高的抑振性能。上述结论得到了时域仿真的验证。研究发现与传统的摆类动力吸振器相比,由于增加了磁力和封闭线圈的作用,不仅会使系统的抑振性能得到提高,还可以实现对振动能量的俘获。

一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器

风致振动是自然界中普遍存在的一种现象,并且蕴藏着巨大的可利用能源.如何充分利用风致振动引起的结构大幅值响应进行能量俘获,为微电子器件供电是能量俘获领域的一个难题.为了高效俘获风致振动能量,文章提出了一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器.基于半经验非线性空气动力学模型并考虑与磁铁位置相关的机电耦合系数,建立了该能量俘获器的动力学模型,搭建了风洞实验平台,制作了实验样机.通过增加风速和降低风速的方式为能量俘获器提供两种不同的初始状态,发现其具有两个临界风速(5.2 m/s和8.3 m/s),降风速实验中在8.3 m/s风速下出现突跳现象.在数值仿真中,在6.8 m/s和8.2 m/s风速下出现了两个突跳点,和一段多解区域.分析了沉浮位移和电压响应,发现沉浮位移以正弦形式响应,输出电压以非正弦形式响应,并出现明显的偶次谐波.仿真的沉浮位移和电压输出波形与实验波形吻合较好,验证了模型的准确性.能量俘获器的均方根电压随电阻的增加而增加,平均功率随电阻增加呈现先增加后降低的趋势.分析了负载电阻对能量俘获性能的影响,在8.6 m/s风速下,实验中能量俘获器的负载电阻接近线圈内阻值时平均功率达到最大值7.5 mW.文章为高效颤振式能量俘获器的设计提供了一种新方案,可为驰振、涡振等其他形式的风致振动能量俘获器的设计提供参考.

三稳态风致振动能量俘获系统分析

风致振动能量俘获技术是振动能量俘获技术领域的一个研究重点方向,具有解决无线传感器自供电的潜力.本文研究了非线性三稳态风致振动能量俘获系统的输出特性,并建立了动力学模型,对比分析了具有对称和非对称势能阱的三稳态风致振动能量俘获系统输出特性.分析结果表明,具有非对称势能阱的三稳态风致振动能量俘获系统初始工作风速较低,实现大振幅振荡的工作风速区间较宽.此外,分析了系统在不同外接电阻、等效质量和等效刚度线性项条件下的输出特性,通过分析发现,在定风速条件下,系统的输出电压随着外接电阻的增加而增加,当外接电阻大于10 MΩ时,输出电压的变化趋于平缓.最后,通过分析发现系统的等效质量和等效刚度线性项会对系统初始工作风速和有效工作风速区间产生影响.

振动抑制与能量俘获专刊序

围绕动力学与控制一般性理论、动力学控制方法、振动能量俘获系统动力学设计方法、复杂系统动力学特性等,本专刊介绍了振动抑制与能量俘获领域的一些研究成果.

一种可扩展双极化多频点的无线能量俘获超表面天线

无线能量俘获技术能够从自由空间中收集射频能量信号,并将其转换为可用的直流电,使其适用于物联网和无线通信技术。在本文中,我们提出了一种高效率、可扩展的双极化多频点整流超表面,它由周期性单元结构和全波整流器组成。单元结构采用蝶形偶极子和交流能量通道组合,能够有效地将多个单元结构俘获的射频能量传输到整流器中,通过可扩展功能在更低的射频功率密度环境下工作。该结构可以有效地收集具有任意极化的入射波,在四个不同的频点中实现超过90%的射频能量俘获效率和较高的交流-直流转换效率,这些功能使所提出的设计非常适合作为低功耗设备的无线电源。

压电磁耦合振动能量俘获系统的非线性模型研究

为了建立压电磁耦合振动能量俘获系统的动力学模型,提出了一种非线性多项式拟合系统的非线性回复力的建模方法。使用微型测力仪直接测得悬臂梁处于不同位置时的非线性回复力,并用多项式进行参数拟合以获得非线性回复力的表达式。根据哈密顿原理、欧拉-伯努利梁理论和压电理论等,建立了考虑非线性回复力的系统模型,由龙格-库塔数值算法仿真后得到系统的非线性输出特性。研究结果表明,该模型具有参数求解简单、计算量小、无需直接求解磁场力等优点,能够描述非线性宽频能量系统的跳跃频率、最大电压和有效频带等关键设计参数,为压电磁耦合振动能量俘获系统的机理研究奠定了理论基础。

一种非线性双稳态人体运动能量俘获技术

针对传统线性压电悬臂梁频带过窄且难以与人体运动相匹配的问题,考虑人体小腿的运动特点,设计了一种双稳态磁耦合压电悬臂梁应用于人体运动能量俘获,利用运动过程中小腿的摆动及其与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高俘能效率。以哈密顿原理及人体运动信号为基础,建立了用于人体运动能量俘获的非线性动力学模型。根据人体腿部运动的振动特征设计了一种便携式非线性振动能量俘获系统,实现了线性、非线性单稳态和双稳态等动力学特征。采用实际腿部振动信号进行的理论模型数值仿真表明:双稳态人体振动俘能技术能够产生大幅度跨越势阱运动并俘获较多的电能。人体不同运动状态的实验结果验证了非线性双稳态人体能量俘获技术的优势以及所建立的机电耦合模型的有效性。当运动速度为8km/h时,双稳态系统的平均功率达到最大值23.2μW。

非线性压电振动能量俘获行为建模及其不同参数影响机理研究

如何利用非线性特性来改善压电振动能量捕获性能是工程实际中需要解决的一个问题,为此建立了非线性压电振动能量捕获行为的数学模型,利用定积分法推导了该模型的数值计算方法,并针对不同参数对非线性压电振子输出电能的影响特性进行了数值仿真,结果表明:减小非线性阻尼、增大非线性压电耦合系数均有利于提高非线性压电振动能量俘获的性能;减小非线性刚度能提高低频振动能量俘获的输出,但减小了共振带宽。

非线性振动能量俘获技术的若干进展

随着工程中低功耗电子设备和自供能无线传感网络的迅速发展,使得振动能量俘获在航空航天工程、机械工程、生物医学工程和可持续能源工程等领域得到了广泛地应用.振动能量俘获不仅可以将振动能转化为可用的电能为微电子设备供电,还能减少有害振动保护仪器设备.根据振动能量不同转换机制,可以将振动能量俘获系统分为静电式、电磁式、压电式、磁致伸缩式、摩擦起电式以及它们的混合式.其中压电和电磁振动能量转化机制由于结构简单、容易组装、能量转换性能高等优点,已被广泛应用于各种工程领域中.受极端环境干扰,工程中容易出现宽带、低频等振动,迫使振动能量俘获技术向非线性方向迅猛发展,进一步吸引了诸多学者对振动能量俘获系统的结构和电路进行优化设计研究.本文首先综述了非线性振动能量俘获技术近十年来的研究进展,主要包括设计技术基础、非线性结构设计、动力学分析等方面的研究现状.其次,重点阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果,包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用.最后,总结了振动能量俘获外接电路和主动控制策略的优化设计,分析了进一步提升非线性振动能量俘获效能的有效方法.

基于非线性能量俘获机制的直驱浮子式波浪能发电装置研究

以直驱振荡浮子式波浪能发电装置为研究对象,探讨在应用线性和非线性能量俘获机制的情况下,装置在不规则波中的能量俘获情况。基于势流理论,针对垂荡运动,建立浮子与电机的耦合运动方程,应用四阶龙格库塔法数值求解,对非线性能量俘获机制中稳定平衡位置的影响进行研究,对线性和非线性装置在不同谱峰频率的不规则波中能量俘获功率的差异进行分析。结果表明:适当选取稳定平衡位置,非线性装置可以在低频时比线性装置俘获更多能量,且俘获能量频谱带宽更宽,更适应于实际海况中波浪能量俘获。

压电能量俘获系统建模及仿真

针对压电悬臂梁结构能量俘获系统进行建模,利用电路系统和机械系统的相似关系,将压电俘能结构模型等效为电路系统模型;为建立压电能量俘获系统完整模型,基于LTC3588-1为核心的能量转换电路等效为降压及整流电路,并利用LTspice软件仿真验证该等效电路的正确性.在Matlab/Simulink系统中搭建压电能量俘获系统整体模型并进行仿真,根据仿真结果对模型参数进行优化.通过对实验数据对比、分析,验证系统模型的合理性,结果表明系统可以稳定输出3.3 V直流电压,最佳阻抗匹配条件下,输出功率为2.6 mW.