振動(dòng)能量俘獲專題序

周生喜 陶 凱 秦衛(wèi)陽(yáng)

* (西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710129)

? (西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710129)

** (西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710129)

近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、智能感知、片上系統(tǒng)和邊緣計(jì)算等信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、體域網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、可穿戴電子設(shè)備等技術(shù)已廣泛應(yīng)用在智能制造、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代生物醫(yī)療、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事裝備、智慧城市和交通等領(lǐng)域，并將在未來(lái)人工智能時(shí)代發(fā)揮重要的作用.這些智能網(wǎng)絡(luò)由大量靜止或移動(dòng)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它們可以實(shí)現(xiàn)物理信息感知、處理、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?隨著無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)向著智能化和多元信息融合化發(fā)展，電能需求急劇增加，需要頻繁地更換電池.然而，隨著智能網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大和性能持續(xù)提升，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)量急劇增加，布置的區(qū)域和環(huán)境也更加廣泛和惡劣，使得無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)更換電池變得極為困難.因此，使用傳統(tǒng)傳感器的電池供電方式已成為制約智能網(wǎng)快速發(fā)展的重要因素之一.

為解決無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題，振動(dòng)能量俘獲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.振動(dòng)能量俘獲(英文為vibration energy harvesting，中文也可翻譯為振動(dòng)能量收集/采集/捕獲等)是指通過(guò)能量轉(zhuǎn)換器件(壓電材料、磁性、靜電材料等)將環(huán)境或者宿主結(jié)構(gòu)中的部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為可用能量(通常是電能)的過(guò)程，不僅能減弱宿主結(jié)構(gòu)的有害振動(dòng)，還可為低功耗微機(jī)電設(shè)備和無(wú)線傳感器供電，以期進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的自供電，對(duì)實(shí)現(xiàn)在線智能健康監(jiān)測(cè)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著促進(jìn)作用.目前，振動(dòng)能量俘獲已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一.

振動(dòng)能量俘獲技術(shù)需要進(jìn)行多學(xué)科交叉融合，只有能量俘獲結(jié)構(gòu)與外接電路協(xié)同工作并形成自供能系統(tǒng)，才能將環(huán)境或宿主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量最終高效地轉(zhuǎn)化為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)久穩(wěn)定的電能.通過(guò)解決一些非常棘手的力學(xué)難題，振動(dòng)能量俘獲系統(tǒng)的效率可以得到有效的提升，這其中包括能量俘獲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)建模、理論分析、力電耦合機(jī)理的研究等.這是振動(dòng)能量俘獲技術(shù)在各個(gè)學(xué)科應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)共同發(fā)展、相互促進(jìn)的機(jī)遇.通過(guò)突破振動(dòng)能量俘獲技術(shù)的瓶頸，將能量俘獲推向更廣的商業(yè)應(yīng)用平臺(tái).

為了提高振動(dòng)能量俘獲系統(tǒng)的效率及其實(shí)用性，需要解決一些基本問(wèn)題，包括:(1)如何設(shè)計(jì)與環(huán)境或宿主結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征相匹配的能量俘獲結(jié)構(gòu)？(2)如何建立振動(dòng)能量俘獲器的精確動(dòng)力學(xué)模型？(3)如何揭示其中的力電耦合機(jī)理？(4)如何高效存儲(chǔ)振動(dòng)能量俘獲器產(chǎn)生的能量？圍繞上述問(wèn)題，《力學(xué)學(xué)報(bào)》組織了“振動(dòng)能量俘獲”這一專題.由于篇幅限制，該專題包含了3 篇綜述論文和11 篇研究論文，從側(cè)面反映了國(guó)內(nèi)科研人員在該方向上的一部分最新研究進(jìn)展，供讀者參考.

西北工業(yè)大學(xué)楊濤和周生喜、哈爾濱工業(yè)大學(xué)曹慶杰、上海交通大學(xué)張文明、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)陳立群撰寫(xiě)了非線性振動(dòng)能量俘獲技術(shù)若干進(jìn)展的綜述論文.首先，綜述了非線性振動(dòng)能量俘獲技術(shù)近十年的研究進(jìn)展，主要包括振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、非線性寬頻機(jī)理、動(dòng)力學(xué)分析等方面的研究現(xiàn)狀.其次，闡述了振動(dòng)能量俘獲與振動(dòng)抑制一體化的主要研究成果，包括非線性準(zhǔn)零剛度和非線性能量匯在振動(dòng)能量俘獲領(lǐng)域的應(yīng)用.最后，總結(jié)了振動(dòng)能量俘獲系統(tǒng)的外接電路和主動(dòng)控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了進(jìn)一步提升非線性振動(dòng)能量俘獲效率的方法.

鄭州大學(xué)李申芳和王軍雷、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林綜述了利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的流體能量俘獲的最新進(jìn)展.介紹了流體能量俘獲摩擦納米發(fā)電機(jī)(FEH-TENG)中的電荷轉(zhuǎn)移原理以及基本工作模式，總結(jié)了FEH-TENG 在風(fēng)能、流致振動(dòng)能量以及在液體包括波浪和雨滴動(dòng)能俘獲的研究進(jìn)展.同時(shí)介紹了FEH-TENG 的混合能量俘獲系統(tǒng)、摩擦電材料優(yōu)化以及FEH-TENG 在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用.討論了目前FEH-TENG 在流體能量俘獲中存在的問(wèn)題并提出了展望.

西北工業(yè)大學(xué)陳楠、劉京睿和魏廷存撰寫(xiě)了關(guān)于振動(dòng)能量俘獲電能管理電路的綜述論文.基于壓電振動(dòng)能量俘獲器的機(jī)電模型，詳細(xì)分析了多種壓電振動(dòng)能量俘獲器的電能管理電路的優(yōu)缺點(diǎn).針對(duì)壓電振動(dòng)能量俘獲器的特點(diǎn)，分析了實(shí)現(xiàn)最大能量俘獲的幾種典型控制算法，包括最大功率點(diǎn)跟蹤、阻抗匹配和同步電荷提取控制算法.通過(guò)對(duì)面向壓電振動(dòng)能量俘獲器的電能管理電路的全面分析和綜述，揭示了該領(lǐng)域目前存在的瓶頸問(wèn)題，并展望了其未來(lái)發(fā)展方向.

湖南工程學(xué)院鄒鴻翔、郭丁華、甘崇早和魏克湘，湘潭永達(dá)機(jī)械制造有限公司唐曙光、袁俊，上海交通大學(xué)張文明撰寫(xiě)了磁力耦合道路能量采集設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析的研究論文.提出了一種磁力耦合道路能量采集設(shè)計(jì)，通過(guò)引入磁力進(jìn)行無(wú)接觸能量傳遞，減小了裝置受到的沖擊并使得裝置具有良好密封性，從而提升裝置的魯棒性，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路車輛機(jī)械能的可靠采集.同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)升頻和單向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提高了系統(tǒng)的電學(xué)性能.所提出的設(shè)計(jì)可以為成為未來(lái)智慧交通系統(tǒng)的重要組成部分，俘獲車輛機(jī)械能為交通環(huán)境中小型機(jī)電系統(tǒng)提供可持續(xù)的綠色無(wú)碳電力.

上海大學(xué)孟瑩、丁虎和陳立群撰寫(xiě)了考慮附加質(zhì)量接觸面積的壓電圓板能量采集器振動(dòng)分析的研究論文.他們基于廣義哈密頓原理建立了帶附加質(zhì)量塊的壓電圓板能量采集器的機(jī)電耦合方程，并采用伽遼金法對(duì)該方程近似離散，進(jìn)而得到電壓、功率輸出和最優(yōu)負(fù)載阻抗的閉合解.用有限元軟件驗(yàn)證理論模型正確性.數(shù)值分析表明，相較于無(wú)孔的壓電片，壓電片內(nèi)徑的合理選擇可以提高能量采集器的采集性能.當(dāng)質(zhì)量塊與復(fù)合板的接觸半徑足夠小，質(zhì)量塊與復(fù)合圓板的接觸面積可以忽略.

上海交通大學(xué)趙林川、劉豐瑞和張文明，湖南工程學(xué)院鄒鴻翔和魏克湘撰寫(xiě)了壓電與摩擦電復(fù)合型旋轉(zhuǎn)能量采集動(dòng)力學(xué)協(xié)同調(diào)控機(jī)制研究的論文.他們提出了一種動(dòng)力學(xué)協(xié)同調(diào)控機(jī)制用于低轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)能量采集，實(shí)現(xiàn)了壓電與摩擦兩種機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制分別在振動(dòng)和碰撞過(guò)程協(xié)同發(fā)電，提高了旋轉(zhuǎn)能量采集系統(tǒng)的電學(xué)性能，為能量采集系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和電學(xué)性能改進(jìn)提供新的途徑，可以為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器提供零碳環(huán)保、靈活便捷、可持續(xù)的電能.

上海大學(xué)趙龍、陸澤琦、丁虎和陳立群撰寫(xiě)了低頻振動(dòng)隔離和能量采集雙功能超材料的研究論文.他們通過(guò)周期性放置轉(zhuǎn)動(dòng)能量采集諧振器，設(shè)計(jì)產(chǎn)生了局域共振帶隙.建立了局域共振雙功能超材料梁的動(dòng)力學(xué)模型，解析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)綜合研究了振動(dòng)隔離和能量采集雙功能超材料的能帶結(jié)構(gòu)和頻響，分析了不同參數(shù)對(duì)一維/二維超材料帶隙特性的影響.發(fā)現(xiàn)了在局域共振帶隙頻率范圍內(nèi)，宿主結(jié)構(gòu)振動(dòng)被有效抑制;同時(shí)振動(dòng)被局限在諧振器中，進(jìn)而感應(yīng)電壓達(dá)到最大值.

西安交通大學(xué)張穎和曹軍義、鄭州大學(xué)王偉撰寫(xiě)了多穩(wěn)態(tài)非線性俘能系統(tǒng)的磁力建模和性能優(yōu)化的研究論文.他們建立了多穩(wěn)態(tài)俘能系統(tǒng)的磁力模型，準(zhǔn)確表征了不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)條件下的系統(tǒng)非線性特征.同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了該模型相對(duì)于傳統(tǒng)方法能夠更準(zhǔn)確地表述多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的磁力，并探究了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)臨界點(diǎn)的位置以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的系統(tǒng)俘能輸出，實(shí)現(xiàn)了多穩(wěn)態(tài)俘能輸出性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化.

西安科技大學(xué)張旭輝、陳路陽(yáng)、陳孝玉、徐冬梅、朱福林和郭巖撰寫(xiě)了基于線形與拱形組合梁式壓電俘能器動(dòng)力學(xué)建模與俘能特性分析的研究論文.面向煤礦井下采掘設(shè)備激勵(lì)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種線形-拱形組合梁式三穩(wěn)態(tài)壓電俘能器，建立了動(dòng)力學(xué)模型，分析壓電俘能器磁鐵間距、激勵(lì)強(qiáng)度對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響.并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性，研究表明:選擇合適的磁間距可使系統(tǒng)在低水平激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)大幅響應(yīng)，有效提高俘能效率，研究為低頻激勵(lì)下壓電俘能器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo).

中北大學(xué)李海濤、曹帆、任和，上海大學(xué)丁虎、陳立群撰寫(xiě)了流致振動(dòng)能量收集的鈍頭體幾何設(shè)計(jì)研究研究論文.他們實(shí)驗(yàn)研究了不同截面下鈍頭體以及它們的寬厚比(W/T)對(duì)流致振動(dòng)能量收集特性的影響，并通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)分析了尾流特性.發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈍頭體截面為矩形時(shí)，增大寬厚比可以通過(guò)馳振顯著提高電壓輸出峰值;當(dāng)鈍頭體為三角形和D 形時(shí)，增大寬厚比將使系統(tǒng)呈現(xiàn)“馳振”→“馳振+渦激振動(dòng)”→“渦激振動(dòng)”響應(yīng)特性變化趨勢(shì)，提高了低風(fēng)速時(shí)的能量收集效果.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)田海港、單小彪、張居彬、隋廣東和謝濤撰寫(xiě)了翼型顫振壓電俘能器的輸出特性研究的研究論文.提出了一種新穎的翼型顫振壓電俘能器.基于非定常氣動(dòng)力模型，推導(dǎo)了翼型顫振壓電俘能器流、固、電耦合場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型.建立了有限元模型，模擬機(jī)翼的沉浮與俯仰二自由度運(yùn)動(dòng)，并獲得機(jī)翼附近的渦旋脫落和流場(chǎng)特性.表明交替的壓力差驅(qū)動(dòng)機(jī)翼發(fā)生了二自由度沉浮與俯仰運(yùn)動(dòng).可獲得的最大輸出電壓為17.88 V 和輸出功率為1.278 mW，功率密度為7.99 mW/cm3.

西安電子科技大學(xué)郭紀(jì)元、樊康旗、張妍、楊雨森和馬曉宇撰寫(xiě)了線繩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速提升式低頻俘能器的設(shè)計(jì)與研究論文.采用線繩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)將低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)剛度可自動(dòng)改變的撥片和磁齒輪升速機(jī)構(gòu)將雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速更高的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).建立了俘能器的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的匹配.研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入2.5 倍轉(zhuǎn)速提升功能的磁齒輪，俘能器的輸出功率提升了143%.

西南石油大學(xué)和工程安全評(píng)估與防護(hù)研究院趙翔、西南石油大學(xué)李思誼、西南交通大學(xué)李映輝撰寫(xiě)了基于振動(dòng)能量俘獲的彎曲結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的研究論文.利用格林函數(shù)法建立了含多裂紋的懸臂式曲梁壓電俘能器在強(qiáng)迫振動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)模型，并考慮了阻尼對(duì)模型的影響.對(duì)該力電耦合振動(dòng)方程解耦后，得到該模型的輸出電壓，同時(shí)提出逆方法，即根據(jù)由振動(dòng)引起的俘能器電壓與頻率關(guān)系來(lái)監(jiān)測(cè)曲梁結(jié)構(gòu)中的損傷情況.

南京航空航天大學(xué)劉軒、吳義鵬、裘進(jìn)浩和季宏麗撰寫(xiě)了基于反激變壓器的壓電振動(dòng)能量雙向操控技術(shù)的研究論文，從接口電路角度分析并實(shí)現(xiàn)了提高壓電振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)、電能量轉(zhuǎn)化的優(yōu)化控制方法.該方法巧妙地利用了反激變壓器原、副邊能量轉(zhuǎn)換特征，結(jié)合簡(jiǎn)單的同步開(kāi)關(guān)控制算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了用于壓電振動(dòng)能量收集的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化，以及用于壓電結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的電機(jī)能量轉(zhuǎn)化.借助接口電路的調(diào)幅、調(diào)相功能，壓電系統(tǒng)的電壓和結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度可以始終保持相同的相位，相比于被動(dòng)式壓電電荷能收集和主動(dòng)式壓電振動(dòng)控制，所提出的技術(shù)方案具有更高的振動(dòng)能量收集或控制效率.