基于壓電俘能器的流體能量俘獲技術(shù)研究現(xiàn)狀

宋汝君， 單小彪， 楊先海， 許同樂(lè)， 楊小輝， 謝 濤

(1. 山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

隨著傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、便攜式電子器件等低能耗電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，以電池、電子作為其主要供能源存在的弊端越發(fā)明顯，如：環(huán)境污染、回收困難、需定期更換等，尤其在一些難以更換設(shè)備的特殊場(chǎng)合(如：太空，深海，森林腹地，人體內(nèi)等)表現(xiàn)更為顯著[1]。因此，探究如何持續(xù)穩(wěn)定的為電子產(chǎn)品供能是研究者面臨的主要問(wèn)題。當(dāng)前新能源的研究主要集中在太陽(yáng)能、生物能、地?zé)崮堋⒑四芎驼駝?dòng)能，其中振動(dòng)能常見(jiàn)于流體動(dòng)能(水動(dòng)能、風(fēng)動(dòng)能、海洋能)及機(jī)械動(dòng)能。振動(dòng)能的轉(zhuǎn)化方式主要有電磁式[2-3]，靜電式[4]和壓電式[5-6]。壓電式因綠色環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、加工簡(jiǎn)單、易于微型化、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的研究報(bào)道。

起初研究者的工作重心主要放在壓電俘能器本身的理論建模和構(gòu)型研究上，忽視了其與環(huán)境的耦合影響。壓電俘能系統(tǒng)是由環(huán)境振動(dòng)源、俘能器以及外接電路組成，是多物理場(chǎng)相互耦合的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。隨著研究的深入，研究重心也從俘能器本身研究逐步發(fā)展為耦合環(huán)境振動(dòng)源的壓電俘能系統(tǒng)研究。流體是一種分布廣泛，綠色環(huán)保，且可持續(xù)發(fā)展的能源。流體激勵(lì)壓電俘能器振動(dòng)俘能同時(shí)涉及流體場(chǎng)、固體場(chǎng)和電場(chǎng)，是一個(gè)多物理場(chǎng)相互耦合的振動(dòng)俘能過(guò)程，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

本文圍繞壓電俘能器的流體能俘獲方式，分析了單一壓電振子和多陣子陣列流激振動(dòng)俘能的研究進(jìn)展，總結(jié)出各類壓電俘能器的研究方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用環(huán)境，并探究其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 單一壓電振子俘能

單一壓電振子俘能器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的壓電俘能器構(gòu)型，可直接應(yīng)用于流體俘能。單一壓電振子俘能器根據(jù)流激振動(dòng)形式的不同，可分為渦激振動(dòng)式、尾流致振式、顫振式和馳振式。

1.1 渦激振動(dòng)式壓電俘能

流體流過(guò)彈性支撐的圓柱時(shí)，圓柱表面交替脫落的渦旋會(huì)在圓柱兩側(cè)形成交替變化的渦激力，此渦激力可激勵(lì)圓柱產(chǎn)生渦激振動(dòng)。當(dāng)渦旋脫落頻率接近圓柱的固有頻率時(shí)，振動(dòng)幅值會(huì)明顯增大，產(chǎn)生渦激共振。渦激振動(dòng)存在 “鎖定(Lock-in)”特性，即渦旋脫落頻率在一定的流速范圍內(nèi)與結(jié)構(gòu)固有頻率一致，使渦激共振區(qū)域增大。渦激共振可在較低流速下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)，其振動(dòng)能可通過(guò)壓電俘能器轉(zhuǎn)換成電能輸出。

目前，渦激振動(dòng)式壓電俘能器根據(jù)激勵(lì)源和構(gòu)型特點(diǎn)，可分為兩種形式：一種是將壓電片直接貼到圓柱體上，例如，華中科技大學(xué)的胡元太教授課題組研制了管狀式渦激振動(dòng)壓電俘能器，如圖 1所示，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)渦旋脫落頻率與圓管的一階彎曲固有頻率接近時(shí)，輸出功率最大[7]。

另一種方式是將圓柱體與壓電懸臂梁連接。研究者可根據(jù)不同的應(yīng)用背景和流場(chǎng)特點(diǎn)，提出不同構(gòu)型的壓電振子，如圖2所示的橫向振動(dòng)壓電俘能器[8]和豎向擺動(dòng)壓電俘能器[9]。

針對(duì)渦激振動(dòng)式壓電俘能器，分析方法包括流場(chǎng)仿真分析、線性和非線性建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等。例如：Wang等[10]采用流場(chǎng)仿真技術(shù)分析了低雷諾數(shù)下橫向梁壓電俘能器的發(fā)電性能；Zhang等[11]通過(guò)線性和非線性分析了雙梁、雙晶壓電俘能器在風(fēng)速0～3 m/s范圍內(nèi)的振動(dòng)俘能情況，以及外接電阻對(duì)振動(dòng)幅值、輸出電壓和功率的影響規(guī)律；Dai等[12-15]通過(guò)線性和非線性

(a) 橫向振動(dòng)壓電俘能器[8]

分析了壓電俘能器在低風(fēng)速范圍下的渦激振動(dòng)響應(yīng)和發(fā)電性能；Song等[16]和Zhang等分別在水槽和風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)測(cè)試了渦激豎向擺動(dòng)壓電俘能器的發(fā)電能力。

1.2 尾流致振式壓電俘能

當(dāng)流體流經(jīng)非流線物體時(shí)，會(huì)在物體后方形成兩排交替排列渦旋，交替脫落的渦旋可激勵(lì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。因此，尾流激勵(lì)壓電振子可產(chǎn)生周期性振動(dòng)并輸出電能。研究較早的是eel型壓電俘能器，Taylor等[17]利用尾流激勵(lì)原理，設(shè)計(jì)了eel型壓電俘能器，如圖 3所示，研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)并列排列的尺寸為1 422.4 mm×152.4 mm×0.4 mm的eel俘能器在水流為1 m/s時(shí)可輸出約1 W的功率。Allen等[18-19]對(duì)多個(gè)并行排列的eel型俘能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)俘能器的固有頻率與渦街的脫落頻率相吻合時(shí)俘能效果最佳；輸出功率隨eel長(zhǎng)度的增大而先增大后減小，過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)的eel型俘能器發(fā)電效果均不佳。

圖3 Eel壓電俘能器

隨后，鈍體繞流激勵(lì)壓電振子發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，研究最多的是圓柱體和具有棱角的柱體(如三角柱)。例如：美國(guó)紐約城市大學(xué)的Akaydin等[20-21]先后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析了圓柱體卡門渦街中壓電俘能振子的振動(dòng)和發(fā)電情況，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變圓柱與壓電振子相對(duì)位置，分析壓電振子的能量輸出，發(fā)現(xiàn)壓電振子處于圓柱正后方并且距離圓柱d=60 mm時(shí)輸出功率最大。Nguyen等[22]研制了一個(gè)微小型壓電俘能器，該裝置利用三角形鈍體繞流產(chǎn)生渦旋，渦旋激勵(lì)壓電薄膜振動(dòng)發(fā)電，并設(shè)計(jì)了串行排列的雙三角形鈍體來(lái)增強(qiáng)激勵(lì)響應(yīng)。

學(xué)者同時(shí)注意到，由于尾流激勵(lì)力相對(duì)較小，尾流致振的壓電振子適合采用柔性壓電材料，以上的研究均采用PVDF壓電材料制作壓電振子，可獲得較好的振動(dòng)響應(yīng)，但PVDF的壓電系數(shù)d31較小，致使能量俘獲能力有限。因此，有研究者尋求更高壓電系數(shù)的壓電材料制作尾流致振的壓電振子，例如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝濤教授課題組采用MFC壓電材料制作壓電振子，分析了壓電俘能器在水流卡門渦場(chǎng)中的俘能情況[23]。Petrini等[24]分析了柔性壓電振子在尾流場(chǎng)中的振動(dòng)和發(fā)電性能。值得注意的是，Hu等[25]為了提高壓電振子的激勵(lì)響應(yīng)，制作了帶尾板(Flaping sheet)的壓電振子，如圖 4所示，此壓電振子一方面降低了固有頻率，使固有頻率易與渦街脫落頻率接近，產(chǎn)生共振提高發(fā)電能力；另一方面提高了流激力和流激振動(dòng)響應(yīng)，可獲得最佳的能量輸出。

圖4 帶尾板壓電俘能器

1.3 顫振式壓電俘能

渦激振動(dòng)式和尾流致振式壓電俘能器均可在較低流速(雷諾數(shù))下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)，可用于俘獲低速流體動(dòng)能，解決低速流體動(dòng)能難以有效俘獲和利用的難題。而對(duì)于高速(高雷諾數(shù))環(huán)境，研究者又提出了顫振式和馳振式壓電俘能技術(shù)。顫振是一種發(fā)散式振動(dòng)，存在一個(gè)臨界速度，當(dāng)來(lái)流速度小于臨界速度時(shí)，結(jié)構(gòu)靜止；當(dāng)來(lái)流速度大于臨界速度時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值隨著流速的增大而逐漸增大，其具有自激、發(fā)散、非線性、大幅度和大變形的特點(diǎn)。當(dāng)壓電俘能器在來(lái)流中發(fā)生顫振時(shí)，其發(fā)電能力會(huì)隨著來(lái)流速度的增大而增大。因此，顫振式壓電俘能器在較高流速情況下有較好的能量輸出，常應(yīng)用于風(fēng)能俘能。目前，按照俘能器的結(jié)構(gòu)形式，顫振式壓電俘能器可分為柔性體和翼型兩種。

針對(duì)柔性體壓電振子顫振俘能，Michelin等[26]和Orrego等[27]分別采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法研究了旗式壓電俘能器的振動(dòng)和俘能特性，分析了流固耦合方式、電路負(fù)載特性、流場(chǎng)特征、機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)壓電俘能器發(fā)電性能的影響。Pieirua等[28]分析了柔性壓電梁在不同質(zhì)量比、不同長(zhǎng)度比下的振動(dòng)模態(tài)，并參考振動(dòng)模態(tài)，提出了電極配置方法，該方法可提高壓電俘能器的俘能性能。Akcabay等[29-30]以PZT壓電梁驗(yàn)證了梁式壓電俘能器在層流中自激拍振俘能的可行性。Nishigaki[31]研制了不同形狀的PVDF壓電旗：如長(zhǎng)方形、正方形、不同尺寸的梯形等。趙興強(qiáng)[32]提出了一種由懸臂梁和尾端柔性壓電片組成的風(fēng)致顫振式壓電俘能器，如圖5所示，研制了體積為0.1 cm3的樣機(jī)，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為12.2 m/s時(shí)，該裝置可獲得16.4 V的開(kāi)路電壓和3.1 mW的輸出功率。

圖5 顫振壓電俘能器

對(duì)于翼型壓電俘能器，主要是采用翼型結(jié)構(gòu)在流體激勵(lì)下產(chǎn)生的升力和扭矩，激勵(lì)壓電振子產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，是同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)的二自由度系統(tǒng)。Erturketal提出了空氣彈性壓電俘能系統(tǒng)，采用翼型結(jié)構(gòu)俘獲風(fēng)能為電能，如圖 6所示，研究發(fā)現(xiàn)：在負(fù)載為100 kΩ，風(fēng)速為9.3 m/s的情況下可獲得10.7 mW的功率輸出[33]。因翼型結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)下存在橫向和扭轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，研究者可采用半經(jīng)驗(yàn)公式展開(kāi)分析，Abdelkefi等[34-36]通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)氣動(dòng)失速模型，分析了翼型氣動(dòng)壓電系統(tǒng)的能量輸出特性，主要包括輸出電壓隨時(shí)間的演變特性和輸出功率隨風(fēng)速的變化情況。為了提高俘能系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)和發(fā)電性能，研究者在二自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將翼型結(jié)構(gòu)尾端添加一個(gè)副翼，形成三自由度翼型俘能系統(tǒng)[37-38]。

圖6 二自由度翼型壓電俘能器

1.4 馳振式壓電俘能

馳振也是一種非線性、發(fā)散式的流致振動(dòng)，與顫振不同的是馳振僅存在一個(gè)橫向振動(dòng)，其常見(jiàn)于帶有棱邊柱體，如：方柱、三角柱、半圓柱、D-型柱。馳振式壓電俘能器也得到了較快的發(fā)展，具有代表學(xué)者有美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的Abdelkefi等[39-44]，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Sirohi等[45-46]和新加坡南洋理工大學(xué)的Zhao等[47-51]。

Abdelkefi等和Zhao等都對(duì)不同截面形狀柱體進(jìn)行了分析總結(jié)，其中Abdelkefi等通過(guò)引入氣動(dòng)響應(yīng)參數(shù)，分析了方柱，等腰三角柱(頂角分別為30°和53°)和D型柱等馳振式壓電俘能器的振動(dòng)和發(fā)電性能，分析發(fā)現(xiàn)：① 在相同外接電阻下D型柱的臨界振動(dòng)速度最大，30°三角柱、方柱次之，53°三角柱最??；② D型柱振動(dòng)幅值最大，方柱的振動(dòng)幅值最小，兩個(gè)三角柱介于兩者中間；③ 在低風(fēng)速下，30°三角柱和方柱的輸出功率相對(duì)較大；在高風(fēng)速下，D型柱輸出功率最大。Sirohi等主要分析了三角柱俘能器的振動(dòng)和發(fā)電性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)尺寸為160 mm×250 mm的壓電俘能器在風(fēng)速為11.6 mph下可最大輸出53 mW的電能。隨后又研制了半圓柱壓電俘能器，實(shí)驗(yàn)測(cè)試尺寸為235 mm×25 mm的樣機(jī)能夠在風(fēng)速10.5 mph下輸出1.14 mW的功率。此外，為了提高俘能器的發(fā)電性能，Zhao等實(shí)驗(yàn)研究了雙自由度馳振式壓電俘能器，懸臂梁部分由外部彈性梁和內(nèi)部壓電梁組成，外部彈性梁連接方柱，內(nèi)部壓電梁連接磁鐵，并與方柱的磁鐵形成極性相反的磁鐵組，結(jié)構(gòu)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙自由度俘能器的臨界速度相比于單自由度俘能器降低，在風(fēng)速為1～4.5 m/s的范圍內(nèi)，其輸出功率大于單自由度壓電俘能器，但在過(guò)高流速下并不占優(yōu)勢(shì)。

圖7 雙自由度馳振式壓電俘能器

1.5 雨滴沖擊式壓電俘能

降雨是最普遍的自然現(xiàn)象之一，雨滴(raindrop)沖擊激勵(lì)壓電振子可產(chǎn)生較大變形的彎曲振動(dòng)，并將雨滴的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能收集利用。因此，雨滴沖擊壓電俘能技術(shù)得到了眾多學(xué)者的重視。

法國(guó)CEA-LETI-MINATEC實(shí)驗(yàn)室的Guigon等[52-53]提出了一種收集雨滴動(dòng)能的PVDF雨滴沖擊壓電俘能器，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，速度為3.2 m/s、直徑為1.6 mm和速度為4.5 m/s、直徑為3 mm的雨滴可激勵(lì)25 μm厚的PVDF俘能器可分別產(chǎn)生8 μW和73 μW的功率。Ilyas等[54]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了雨滴的能量密度，測(cè)試發(fā)現(xiàn)一個(gè)雨滴沖擊能夠產(chǎn)生2.5 μW功率，能量轉(zhuǎn)換效率約為0.12%。Wong等[55]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雨滴俘能器的最佳功率輸出發(fā)生在雨滴擴(kuò)散到壓電振子邊緣之前，一個(gè)雨滴沖擊最多可產(chǎn)生0.228 V的電壓和3.47 μW功率。Abidin等[56]和Acciari等[57]分別研究了后處理電路(電壓倍增器)和Arduino測(cè)試系統(tǒng)對(duì)雨滴俘能系統(tǒng)的能量收集能力的影響，雨滴俘能系統(tǒng)如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)，兩種技術(shù)均可有效的應(yīng)用于雨滴俘能系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的能量輸出能力。

圖8 雨滴壓電俘能系統(tǒng)

2 陣列式流激振動(dòng)壓電俘能

當(dāng)單一壓電振子俘能器不能滿足功能需求時(shí)，需探究多個(gè)壓電振子在流場(chǎng)中陣列俘能?；诹骷ふ駝?dòng)的多壓電振子陣列俘能主要有兩種形式，一種是旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器，以壓電風(fēng)車為主；另一種是多壓電俘能器的陣列俘能，以串行排列壓電俘能器為主。旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器結(jié)構(gòu)集成化高，易于實(shí)現(xiàn)微型化；俘能器陣列俘能便于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；岣哒w俘能效率，滿足較高能耗產(chǎn)品/系統(tǒng)的供能要求。

2.1 旋轉(zhuǎn)式陣列俘能

旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器是借助風(fēng)車/水車葉片，將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，然后葉片旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)陣列的壓電振子振動(dòng)，將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。2005年，美國(guó)德克薩斯州州大學(xué)的Priya等提出了一種袖珍式壓電風(fēng)車，如圖 9所示。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為16 km/h時(shí)，可激勵(lì)周長(zhǎng)約為10 cm的壓電風(fēng)車工作，得到的7.5 mW的輸出功率可滿足微型壓電俘能和無(wú)線傳感器供電的需求[58-59]。壓電風(fēng)車的提出對(duì)壓電俘能器流體俘能技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，Nature雜志對(duì)壓電風(fēng)車也做了積極的報(bào)道和評(píng)價(jià)。之后2007年，德克薩斯大學(xué)的Myers等[60]研制了一種微型壓電風(fēng)車，該裝置由18個(gè)壓電雙晶梁組成，研究發(fā)現(xiàn)，該裝置工作的臨界風(fēng)速為5.4英里/h，在10英里/h的風(fēng)速下可輸出5 mW的功率。Kim等[61]研究了壓電水車俘能器，俘能器由四爪旋轉(zhuǎn)輪和并排的四個(gè)雙晶壓電懸臂梁組成，水流流動(dòng)激勵(lì)旋轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并先后撥動(dòng)壓電懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)在水流流速為2 m/s時(shí)，該裝置能夠產(chǎn)生58 mW的功率。

2.2 多俘能器陣列俘能

多個(gè)壓電俘能器陣列布置于流場(chǎng)中，受到流場(chǎng)的激勵(lì)作用，其流激耦合振動(dòng)更加復(fù)雜。受脫落渦旋的影響，多柱體在不同的排列方式下會(huì)呈現(xiàn)不同的振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)幅值，尤其為串行排列時(shí)，隨著兩柱體的間距的變化，下游柱體會(huì)出現(xiàn)渦激振動(dòng)，尾流馳振等不同的振動(dòng)形式，且受到上游柱體脫落渦旋的激勵(lì)，下游柱體的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)增大[62-63]。因此，學(xué)者提出了陣列式流激振動(dòng)壓電俘能。

圖9 袖珍壓電風(fēng)車

Shan等[64]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了串行雙圓柱壓電俘能器在低速水流激勵(lì)下振動(dòng)發(fā)電能力，如圖 10所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，上游俘能器在間距比為2.5時(shí)，水流速度為0.306 m/s獲得最大輸出功率167.8 μW；下游俘能器在較低流速下，其發(fā)電能力收到了限制，而在相對(duì)較高的流速下，其發(fā)電能力大幅提升，實(shí)驗(yàn)中在流速為0.412 m/s時(shí)獲得了533.2 μW的輸出功率，是此時(shí)單一俘能器發(fā)電能力的29倍。Abdelkefi等[65-66]實(shí)驗(yàn)分析了圓柱型和方柱型壓電俘能器串行排列情況下兩者的振動(dòng)俘能情況，圓柱在上游，方柱在下游，受上游圓柱產(chǎn)生的渦街的影響，下游方柱的振動(dòng)幅值增大，尤其在較高流速下更加明顯，以致下游壓電俘能器的輸出功率明顯提高。他同樣實(shí)驗(yàn)測(cè)試了串行的雙方柱型壓電俘能器，發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙柱體壓電俘能器串行排列產(chǎn)生耦合振動(dòng)，能夠提高俘能系統(tǒng)的發(fā)電能力。此外，Hobbs等[67]提出了四個(gè)串聯(lián)的壓電俘能器的流致振動(dòng)俘能情況，研究發(fā)現(xiàn)，下游俘能器的發(fā)電能力是上游俘能器的數(shù)倍且發(fā)現(xiàn)峰值功率只有當(dāng)上游脫落的渦旋徹底分離了上游俘能器后激勵(lì)下游俘能器才能獲得。

圖10 雙柱體壓電俘能器系統(tǒng)

3 結(jié) 論

本文對(duì)基于壓電俘能器流體能量俘獲技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，總結(jié)了當(dāng)前研究重點(diǎn)，分析了流激振動(dòng)式壓電俘能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用環(huán)境和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前的研究主要集中在俘能器的模型建立和構(gòu)型設(shè)計(jì)方面，提出了單一壓電振子俘能和多壓電振子陣列俘能。但壓電俘能器距實(shí)際應(yīng)用尚有關(guān)鍵性問(wèn)題需解決，今后在以下幾個(gè)方面需要有更深入的研究。

(1) 渦激振動(dòng)式和尾流馳振式壓電俘能器，均可應(yīng)用于低速流體的能量俘獲，以解決低速流體動(dòng)能難以有效俘獲利用的問(wèn)題。因渦激振動(dòng)特有“鎖定(Lock-in)”現(xiàn)象，渦激振動(dòng)式壓電俘能具有較大的渦激共振區(qū)域，可在較低流速下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)和較好的能量輸出。由于尾流致振的尾流激勵(lì)力相對(duì)較小，目前尾流馳振式壓電俘能器的研究以柔性壓電材料為主，如：PVDF、MFC等，但柔性壓電材料一般壓電系數(shù)較低，致使尾流馳振式壓電俘能器的發(fā)電能力有限。因此，探索如何提高尾流致振的振動(dòng)響應(yīng)和探究高性能的柔性壓電材料，是研究尾流致振式俘能器的關(guān)鍵問(wèn)題。

(2) 顫振式和馳振式壓電俘能器因具有自激、發(fā)散、非線性、大幅度和大變形的特點(diǎn)，在較高流速環(huán)境中的振動(dòng)響應(yīng)和發(fā)電性能顯著提升，因此更適合于高速流體的能量俘獲。但高速流體激勵(lì)下，壓電俘能器的振動(dòng)穩(wěn)定性降低，因此，如何提高顫振式和馳振式壓電俘能器的高速振動(dòng)穩(wěn)定性，提高電信號(hào)輸出穩(wěn)定性是顫振式和馳振式壓電俘能器研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

(3) 雨滴沖擊式壓電俘能器可廣泛收集自然界的雨滴動(dòng)能并轉(zhuǎn)換為電能，持續(xù)的雨滴脈沖激勵(lì)可產(chǎn)生較高的脈沖電壓。然而，產(chǎn)生的電信號(hào)持續(xù)性和穩(wěn)定性較差，且單一壓電振子的發(fā)電能力有限，因此，面向雨滴沖擊壓電俘能的后處理電路和陣列俘能是未來(lái)的重要研究方向。

(4) 目前對(duì)壓電俘能器性能指標(biāo)多以峰值功率體現(xiàn)，而面向?qū)捔魉俜秶碌木C合俘能能力研究較少。自然界流體流速時(shí)刻變化，如何使俘能系統(tǒng)能夠持續(xù)高效的能量輸出是流激振動(dòng)俘能面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，因此，面向流速時(shí)變的寬頻帶俘能是一個(gè)重要的研究方向。

(5) 當(dāng)單一壓電俘能器不能滿足供能需求式，多壓電振子的協(xié)同俘能是必然的發(fā)展趨勢(shì)。目前針對(duì)多壓電振子協(xié)同俘能的研究主要集中在旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器和多壓電俘能器的陣列俘能兩個(gè)方面。其中，旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器具有結(jié)構(gòu)集成化高，易于實(shí)現(xiàn)微型化的優(yōu)點(diǎn)；俘能器陣列俘能易于實(shí)現(xiàn)俘能規(guī)?；?，可滿足較高能耗產(chǎn)品/系統(tǒng)的供能要求。但基于多壓電振子的協(xié)同俘能的后處理電路復(fù)雜，目前的研究較少，因此，提出適合多壓電振子協(xié)同俘能的后處理電路，解決耦合電信號(hào)難以處理的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電能的同步采集存儲(chǔ)也是一個(gè)重要的研究方向。