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压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究
摘要
本文研究了压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究。通过对俘能器结构、压电材料性质、涡激振动效应等进行分析，建立了相应的俘能模型。同时，设计并搭建了实验平台，通过实验验证了模型的准确性和可行性。结果表明，在特定参数条件下，俘能器的俘能量可以显著提高，具有应用前景。
关键词：压电俘能器；涡激振动；俘能模型；实验研究；
Abstract
Thispaperstudiesthemodelingandexperimentalresearchofthevortex-inducedvibrationenergycaptureofpiezoelectricenergyharvester.Throughanalysisoftheenergyharvesterstructure,piezoelectricmaterialproperties,vortex-inducedvibrationeffects,etc.,thecorrespondingenergycapturemodelisestablished.Atthesametime,aexperimentalplatformisdesignedandbuilttoverifytheaccuracyandfeasibilityofthemodelbyexperimentation.Theresultsshowthatundercertainparameterconditions,theenergycaptureamountoftheharvestercanbesignificantlyincreased,andithasapplicationprospects.
Keywords:piezoelectricenergyharvester;vortex-inducedvibration;energycapturemodel;experimentalresearch;
一、前言
随着能源消耗和环境污染的逐渐加剧，对于环境友好型、高效利用可再生能源技术的研究和应用已成为必然趋势。压电俘能器是一种将环境中的机械能转换为电能的微型能量转换器，具有结构简单、稳定性高、能量利用效率高等优点[1]。然而，由于环境中机械能源的振动轨迹、频率以及振幅等参数的不确定性，常常导致能量转换效率的低下[2]。因此，如何提高压电俘能器的能量转换效率已成为研究热点和难点。近年来，一些学者已经针对压电俘能器的不同应用场景和特性，提出了相关的提高转换效率的方法和机理[3,4]。本文针对压电俘能器涡激振动俘能的问题，建立了相应的俘能模型，并通过实验验证了模型的准确性和可行性。
二、压电俘能器结构与工作原理
压电俘能器是一种将机械振动转化为电能的微型装置，其基本构造如图1所示。其中，K1-K4分别为压电材料活塞。当环境中的机械振动作用于俘能器时，活塞K1和K2会跟随环境产生振动，从而压缩/拉伸压电材料，使之产生电势差。这些电势差通过负载电阻R输出为电流，继而实现能量转换。
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图1压电俘能器的结构示意图
对于涡激振动俘能，压力源与流体流动之间的相互作用将会产生压力梯度，导致周围的流体分离。这些流体分离会形成旋涡，即涡激振动。当流体通过物体的表面时，这些旋涡将会产生涡旋频率。由于涡旋频率与流体流速、物体形状、尺寸、密度等因素相关，因此，它们的频率和振幅变化非常决定性。利用涡激振动俘能原理来俘能的器件称为涡激俘能器，因其能够有效地利用流体能量资源而备受关注。
三、涡激俘能器能量转换效率分析
考虑到涡激俘能器本身的特点，对其能量转换效率的研究需要考虑到多方面因素的影响。以下将会分别进行讨论。
（1）压电材料性质的影响
由于压电材料是实现能量转换的关键部件，因此压电材料的性质直接地影响着涡激俘能器的性能。例如，压电材料的增益、电容和负载阻抗等参数的大小都会影响能量转换效率和输出性能。
（2）流场参数的影响
流场参数包括流速、流体密度和流体黏度等因素。在流速恒定的情况下，涡激频率与流场密度和黏度都有关。由于流场密度和黏度的不确定性，涡激频率的变化将直接影响俘能器的输出性能。
（3）俘能器结构参数的影响
俘能器结构参数包括长度、直径、弯曲角度、质量和刚度等。其中，结构尺寸的变化往往会对俘能器产生影响，从而影响其输出功率和俘能效率。
（4）工作条件的影响
俘能器的工作条件包括振动频率、加速度、温度和湿度等。在不同的工作条件下，压电俘能器的输出性能和俘能效率都会发生变化。
综上所述，涡激俘能器的多因素、多尺度复杂特性，使得其能量转换效率难以仅靠单一参数变化来保障。因此，需通过多种手段来促进优化其能量转换效率。
四、涡激俘能器的俘能模型
考虑到涡激俘能器是一种涡激振动诱导的压电俘能器，根据基本的物理现象