淺談內(nèi)置壓電懸臂梁對(duì)水流能量收集的系列研究

周思佳　楊桂秀　王德明

摘 要： 本文采用壓電片內(nèi)置的形式，使裝置在復(fù)雜水道中得以實(shí)現(xiàn)正壓電效應(yīng)，通過壓電材料把水道中機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化成電勢(shì)，為使結(jié)構(gòu)簡單，團(tuán)隊(duì)采用懸臂梁式壓電換能器。根據(jù)伯努利方程：當(dāng)流體沖擊擾流物體引起局部流速改變時(shí)，會(huì)在物體表面產(chǎn)生壓力波動(dòng)，利用壓力波動(dòng)使外部容器振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)壓電換能器從而進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的能量收集。

通過本裝置這種產(chǎn)能獲能的方式，可以逐步發(fā)展挖掘?qū)τ谒艿刃履茉吹睦?，從而代替化石能源的利用。在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中表明，該裝置在風(fēng)能的作用下，同樣適用，由此可見，此種內(nèi)置壓電懸臂梁能量收集裝置發(fā)展前景可觀。

關(guān)鍵詞： 能量收集；壓電片；懸臂梁；彈性形變

一、研究背景

隨著工業(yè)世界的高速發(fā)展，集成電路、 MEMS、便攜式電子設(shè)備等的應(yīng)用日益廣泛， 其主要以化學(xué)電池為主的供能方式存在。由于這些化學(xué)電池體積大、質(zhì)量大、供能壽命有限、需要定期更換等，諸多弊端，而帶來的材料浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題也不容忽視。

因此， 如何為這些低耗能的電子產(chǎn)品供能， 已成為迫切需要解決的問題。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同， 獲取電能的有效方法有電磁式、靜電式和壓電式等3類。與其它的發(fā)電原理相比， 壓電發(fā)電具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、 無污染和易于實(shí)現(xiàn)微小化及集成化等諸多優(yōu)點(diǎn)， 并能滿足低耗能產(chǎn)品的供能需求。

隨著一次能源的逐步匱乏，新能源的發(fā)展勢(shì)在必行，作為貯藏量豐富的水能則是新能源當(dāng)中的重要組成部分，因此團(tuán)隊(duì)希望能夠利用內(nèi)置壓電懸臂梁的形式，將復(fù)雜水道中的水能得以收集并利用。如果能夠能夠?qū)⑺苻D(zhuǎn)化為一種較為穩(wěn)定的能量形式，那么在新能源的利用和發(fā)展上必將邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置利用內(nèi)置壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜水道的水能收集并利用。

壓電片發(fā)電具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、 無污染和易于實(shí)現(xiàn)微小化及集成化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜水道當(dāng)中，利用水流的沖擊，使裝置產(chǎn)生一定頻率的震動(dòng)，從而進(jìn)行能量的收集。將壓電片內(nèi)置形式可以適用于流體的復(fù)雜環(huán)境，延長壓電片的使用壽命。

本文主要從壓電片的內(nèi)置形式模型制作、裝置在風(fēng)洞和水道中分別進(jìn)行實(shí)際測(cè)試、裝置振動(dòng)及輸出性能分析和研究裝置對(duì)于復(fù)雜水道的適應(yīng)和反饋機(jī)制并提出改進(jìn)措施四個(gè)方面進(jìn)行著手。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)內(nèi)置壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量收集時(shí)，在不同的流速下，以電阻值作為控制變量進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。得到了關(guān)于質(zhì)量塊擺動(dòng)位移、相應(yīng)移動(dòng)位移對(duì)應(yīng)頻率以及電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)。

從表格中我們可以看出：當(dāng)流速逐漸減小，內(nèi)置壓電懸臂梁能量收集轉(zhuǎn)化裝置所轉(zhuǎn)化的電勢(shì)能逐漸降低，從而使單位體積所獲得能量降低。

四. 創(chuàng)新特色

隨著各國能源短缺的迫切需求，新型資源必將成為主流發(fā)展方向。

本裝置以具有充分儲(chǔ)量的水資源作為研究對(duì)象，將壓電片采用懸臂梁形式進(jìn)行內(nèi)置，克服了水域環(huán)境的復(fù)雜性、紊亂性和不確定性，使裝置能夠在一定程度內(nèi)穩(wěn)定工作，將水能通過內(nèi)置懸臂梁壓電片的震動(dòng)，將其轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能，從而進(jìn)行能量收集加以利用。

五、應(yīng)用前景

本裝置在實(shí)驗(yàn)中不僅能夠適應(yīng)水域的能量收集，同時(shí)通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證明，也可以針對(duì)風(fēng)能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化和收集，具有充分的發(fā)展前景。但是新能源能量回收裝置作為自供能系統(tǒng)的核心部件，主要是取代一次能源不可再生能源領(lǐng)域，提供清潔持續(xù)穩(wěn)定的電能?，F(xiàn)階段的裝置仍然存在很多問題，例如裝置無法適用于復(fù)雜的能源收集環(huán)境當(dāng)中，還不足以發(fā)展成為一個(gè)完整的自供能系統(tǒng)。

相信隨著研究的深入，相應(yīng)水能能量收集和能量轉(zhuǎn)換效率的提高，內(nèi)置壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)在能量回收領(lǐng)域必將展現(xiàn)出更好的應(yīng)用前景。

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